綜述未來空戰(zhàn)系統(tǒng)全程隱蔽攻擊技術(shù)方向研究

劉 偉，張明星，許 剛，張建隆，郭鑫民

((1.重慶航天機電設(shè)計院， 重慶 400039；2.哈爾濱新光光電科技有限公司， 哈爾濱 150028)

自上世紀(jì)40年代空空導(dǎo)彈第一次應(yīng)用于實戰(zhàn)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，空空導(dǎo)彈己經(jīng)成為戰(zhàn)斗機奪取制空權(quán)、獲取戰(zhàn)爭主動權(quán)的重要武器。從當(dāng)今作戰(zhàn)局勢來看，美國和西方各國都在強調(diào)“非接觸”式作戰(zhàn)，即先敵發(fā)現(xiàn)、先敵發(fā)射、先敵脫離、先敵命中，在對方防區(qū)外即完成精確打擊，避免有生力量的消耗。因此各軍事強國對遠程空空導(dǎo)彈的研發(fā)越來越重視。為滿足新的作戰(zhàn)需求，遠程空空導(dǎo)彈在設(shè)計過程和技術(shù)上與近距空空導(dǎo)彈存在很大不同，新一代的遠程空空導(dǎo)彈在設(shè)計時運用了大量的新技術(shù)，如在結(jié)構(gòu)布局上、遠程空空導(dǎo)彈為了實現(xiàn)更遠的射程采用更小橫向尺寸和光滑的氣動外形；在制導(dǎo)模式上，遠程空空導(dǎo)彈受限于雷達導(dǎo)引頭的探測距離限制，采用復(fù)合制導(dǎo)體制(初、中、末制導(dǎo))；在推進系統(tǒng)方面，遠程空空導(dǎo)彈多采用整體式的沖壓發(fā)動機或者助推滑翔方式來實現(xiàn)遠射程和高機動性需求[1-5]。

針對未來空戰(zhàn)作戰(zhàn)特點，本文從零告警空空導(dǎo)彈概念研究、空空導(dǎo)彈方案設(shè)計、隱蔽發(fā)射方式、高機動滑翔方案、全程被動制導(dǎo)模式以及高隱身方案等六個方面開展未來空戰(zhàn)系統(tǒng)全程隱蔽攻擊技術(shù)研究。

1 零告警空空導(dǎo)彈概念研究

現(xiàn)代空戰(zhàn)中戰(zhàn)機對導(dǎo)彈的告警方式主要包括：雷達告警，紅外告警，紫外告警3種模式[6-12]。

1) 雷達告警

雷達告警技術(shù)是利用導(dǎo)彈徑向速度較大且沿徑向飛向目標(biāo)的運動特點，進而發(fā)現(xiàn)導(dǎo)彈的一種告警方法。

典型雷達告警接收機型號對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 雷達告警接收機型號對應(yīng)關(guān)系

從表1可知，目前雷達告警機的工作頻段主要在0.5～20 GHz的范圍內(nèi)，而對于該波段范圍之外的雷達信號無法進行告警。因此，采用該頻段以外的雷達信號在技術(shù)上就可以實現(xiàn)雷達接收機的零告警攻擊，其制導(dǎo)方式如太赫茲雷達制導(dǎo)、激光雷達制導(dǎo)等。

2) 紅外告警

紅外告警是依靠探測導(dǎo)彈運動過程中自身產(chǎn)生的紅外輻射來實施偵察告警的告警方式。紅外告警主要探測對象是地空和空空紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈，重點探測它們的發(fā)動機尾焰和高速氣動加熱形成的紅外輻射。

根據(jù)熱力學(xué)定律，運動的物體溫度高于環(huán)境溫度的條件下，就會產(chǎn)生背景溫差，理論上就可能被紅外告警系統(tǒng)感知，因此，完全的紅外零告警攻擊是不可能的，但是，現(xiàn)有的紅外告警系統(tǒng)其工作波段主要為雙波段工作，即3～5 μm的中波紅外波段和8～12 μm的長波紅外波段。如果采用電磁超材料技術(shù)使導(dǎo)彈的紅外輻射峰值移動到這兩個波段之外，那么就可能大大減小紅外告警系統(tǒng)的探測距離，從而壓縮反應(yīng)時間，進而部分的實現(xiàn)遠程零告警的目標(biāo)。

3) 紫外告警

紫外告警是利用導(dǎo)彈發(fā)動機尾焰產(chǎn)生的的強烈紫外輻射來實施偵察告警的告警方式，其具有極低的虛警率和良好的兼容性，是目前各國軍隊裝備量最大的導(dǎo)彈告警系統(tǒng)之一。目前的紫外導(dǎo)彈逼近告警設(shè)備多工作于“日盲”紫外200～300 nm波段。

紫外告警主要是探測從導(dǎo)彈發(fā)動機噴管噴出的尾焰，理論上無法實現(xiàn)完全的零告警攻擊，但是通過采用電推進式的無燃燒尾焰的動力方式可以大大降低攻擊目標(biāo)的紫外告警器的告警距離，實現(xiàn)遠程的零告警攻擊。

2 空空導(dǎo)彈方案設(shè)計

2.1 氣動外形

借鑒目前成熟空空導(dǎo)彈的氣動布局，為了提高導(dǎo)彈的飛行穩(wěn)定性和操縱性，減少全彈的氣動阻力，導(dǎo)彈采用正常式氣動布局。運用大后掠面的頭錐設(shè)計和分段融合彈頭、四邊形截面彈身的隱身氣動外形設(shè)計，主彈翼可收縮進彈體內(nèi)，尾部四片控制面也可折疊成埋入的低阻構(gòu)形，使導(dǎo)彈具有較好的隱身特性，如圖1所示。

另外，整彈可通過在全程采用主動、被動紅外復(fù)合整流罩的方式降低紅外輻射，進而增強導(dǎo)彈的隱身特性。

圖1 空空導(dǎo)彈外形

2.2 彈道與控制方案

根據(jù)作戰(zhàn)領(lǐng)域的不同，提出對高空、中空和低空3種戰(zhàn)法。導(dǎo)彈根據(jù)目標(biāo)特性，采取多變彈道技術(shù)。對其進行分類總結(jié)，有以下3種方式：① 對高空目標(biāo)：導(dǎo)彈發(fā)射后，進行大機動滑翔，一旦發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，立即進行快速攻擊；② 對中空目標(biāo)：導(dǎo)彈發(fā)射后，先快速下降到某一高度并進行大機動滑翔飛行，隨后再次下降到某一高度并滑翔飛行一段時間，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)之后，再快速俯沖攻擊；③ 對低空目標(biāo)：導(dǎo)彈發(fā)射之后，先快速下降到某一高度，然后進行一段長距離的大機動滑翔飛行，一旦發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，立即進行快速俯沖攻擊。空空導(dǎo)彈的彈道方案如圖2所示。

圖2 彈道方案示意圖

整個控制方案采用“BTT”+“STT”的混合姿態(tài)控制方式。即：在中制導(dǎo)階段采用傾斜轉(zhuǎn)彎控制，在末制導(dǎo)轉(zhuǎn)為側(cè)滑轉(zhuǎn)彎控制以提高機動性。

2.3 攻擊方案

根據(jù)作戰(zhàn)用途的不同，空空導(dǎo)彈采取配置不同的戰(zhàn)斗部，可具體分為：爆炸變形式定向戰(zhàn)斗部、紅外照射增強戰(zhàn)斗部、自尋的子母彈戰(zhàn)斗部。

1) 爆炸變形式定向戰(zhàn)斗部

當(dāng)空空導(dǎo)彈用于定向攻擊時，其戰(zhàn)斗部采用爆炸變形式定向戰(zhàn)斗部。其攻擊方式為：當(dāng)測知目標(biāo)方位時，引爆目標(biāo)方向上的輔助裝藥，在輔助裝藥爆轟加載下，戰(zhàn)斗部在目標(biāo)方位形成“D”字型的變形面，經(jīng)過短暫延時后，再引爆主裝藥，主裝藥爆轟后，變形面上所形成的殺傷元素較集中地飛向目標(biāo)，進而實現(xiàn)高效毀傷。爆炸變形式定向戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)及偏心起爆式戰(zhàn)斗部破片飛散分布如圖3所示。

圖3 爆炸變形式定向戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)及破片飛散分布示意圖

2) 紅外照射增強戰(zhàn)斗部

當(dāng)空空導(dǎo)彈用于偵查時，其戰(zhàn)斗部采用紅外照射增強戰(zhàn)斗部，為未來戰(zhàn)機探測敵方態(tài)勢提供紅外照射，以使我方及時掌握戰(zhàn)場態(tài)勢。

3) 自尋的子母彈戰(zhàn)斗部

為了增大戰(zhàn)斗部的殺傷面積，提高戰(zhàn)斗部的效率，空空導(dǎo)彈的戰(zhàn)斗部也可采用自尋的子母彈式戰(zhàn)斗部，此類戰(zhàn)斗部在引信的作用下引爆之后，各子母彈采用自尋的制導(dǎo)方式，對目標(biāo)發(fā)起全向攻擊，進而摧毀目標(biāo)。

空空導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部方案如圖4所示。

圖4 戰(zhàn)斗部方案示意圖

3 隱蔽發(fā)射方式

傳統(tǒng)的隱身戰(zhàn)機在發(fā)射空空導(dǎo)彈過程中需要打開寬大的主武器艙門，并在導(dǎo)彈發(fā)射完成之后再關(guān)閉，整個過程需要持續(xù)6～10 s，在此過程中，隱身戰(zhàn)機的RCS急劇增加，如此之長的時間和急劇增加的RCS強度足夠敵方雷達搜索并穩(wěn)定跟蹤隱身戰(zhàn)機，嚴(yán)重影響隱身戰(zhàn)機安全[13]。為了避免隱身戰(zhàn)機在發(fā)射空空導(dǎo)彈時失去隱身性能，采用彈機共形(如圖5所示)內(nèi)埋隱蔽發(fā)射方式，以降低空空導(dǎo)彈發(fā)射時對隱身戰(zhàn)機RCS的影響，進而提高空空導(dǎo)彈攻擊的突然性。

圖5 彈機共形示意圖

4 高機動滑翔方案

電推進系統(tǒng)主要特點有[14-16]：① 比沖高。傳統(tǒng)的化學(xué)推進劑的比沖一般為2～4 km/s，氫氧推進劑的比沖一般是4～5 km/s，而電推進系統(tǒng)中的電磁式和靜電式推進劑的比沖達到10～100 km/s，是化學(xué)推進劑的5～25倍。② 壽命長。由于比沖高，效率高，能靈活調(diào)節(jié)推力，使用壽命長，可低能耗遠程滑翔飛行。

涵道風(fēng)扇系統(tǒng)的特點是氣動效率高、噪聲低、結(jié)構(gòu)緊湊、安全性好，常作為升力面或推進裝置應(yīng)用于飛行器設(shè)計，適于在各種復(fù)雜環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)，具有良好的隱蔽性[17-19]。

空空導(dǎo)彈采用電推進方式實現(xiàn)高機動滑翔，在攻擊階段改用涵道風(fēng)扇實現(xiàn)大攻角攻擊，整個攻擊過程示意圖如圖6。

圖6 空空導(dǎo)彈攻擊過程示意圖

5 全程被動制導(dǎo)模式

未來空戰(zhàn)將面向全程被動隱蔽制導(dǎo)，本文提出基于光學(xué)(可見+紅外)、弱磁、GNSS、INS的傳統(tǒng)制導(dǎo)體系，結(jié)合機載、星載、彈載和地基激光通信技術(shù)，并融合自主圖像人工智能處理技術(shù)來實現(xiàn)。

對于目標(biāo)相對位置較遠的超視距打擊，目標(biāo)指向可以通過衛(wèi)星、預(yù)警機遠程信息支持，以提供防區(qū)外的目標(biāo)信息，并通過激光通信和戰(zhàn)機進行數(shù)據(jù)鏈通信。如圖7所示，導(dǎo)彈發(fā)射后，飛行初段可由慣導(dǎo)(INS)和GNSS組合導(dǎo)航進行飛行導(dǎo)航，在進入光學(xué)系統(tǒng)探測距離內(nèi)(200 km)由光學(xué)系統(tǒng)接班，通過可見(晝間工作)或者紅外(全天侯工作)成像進行目標(biāo)探測、識別與飛行制導(dǎo)，直至擊中空中目標(biāo)完成攻擊任務(wù)。其涉及的主要關(guān)鍵技術(shù)有：激光通訊裝置的機載平臺穩(wěn)定性控制技術(shù)、導(dǎo)彈激光接收系統(tǒng)與紅外系統(tǒng)一體化設(shè)計技術(shù)等。

圖7 全程被動制導(dǎo)示意圖

6 高隱身方案

當(dāng)前，用于發(fā)現(xiàn)及跟蹤飛行目標(biāo)的主要手段是雷達、紅外、可見光等。針對雷達隱身可采取結(jié)構(gòu)隱身技術(shù)、電子干擾和欺騙技術(shù)以及超材料跨頻段調(diào)諧吸波技術(shù)等；針對光學(xué)隱身，可采用光波“扭曲”技術(shù)實現(xiàn)；為了達到紅外隱身，本文提出彈體涂敷高吸收率涂層技術(shù)、雷達隱身紅外窗口技術(shù)來滿足未來空射導(dǎo)彈高速化、隱身化的要求[20-24]。

6.1 彈體高吸收率涂層技術(shù)

導(dǎo)彈在高速飛行過程中，彈體自身將承受導(dǎo)彈機動引起的大加速度工作剖面，彈體自身溫度會顯著升高，導(dǎo)致彈體的紅外輻射相對較大。但高超聲速導(dǎo)彈由于高速導(dǎo)致難以攔截或規(guī)避，因此對于紅外輻射涂層而言，僅需滿足相對低速(2Ma)以下的工作狀態(tài)即可。

高吸收率涂層的制備主要通過液相等離子體沉積技術(shù)，在電解液中引入無機鹽、稀土化合物、超細粉對陶瓷膜進行摻雜改性，在鋁/鈦合金表面實現(xiàn)膜層組成和功能的可控性原位生長，實現(xiàn)高吸收率。

如圖8所示，相比鈦合金裸片，該涂層進行高能激光作用試驗時，陶瓷涂層片的溫升率較高，具有極好的熱傳導(dǎo)性，可有效避免局部能量密度過高，保證其表面熱量迅速被高速空氣帶走，溫度迅速降低。

另一方面，該陶瓷涂層在紅外成像導(dǎo)引頭抗激光干擾的試驗中也取得了較好效果，具有較好的光電對抗性能，如圖9所示。

圖8 彈體陶瓷涂層和鈦合金裸片的激光打擊試驗曲線

圖9 導(dǎo)引頭抗干擾效果示意圖

6.2 雷達隱身紅外窗口技術(shù)

本文基于紅外復(fù)合材料在高溫、高壓差和紅外傳輸方面的新需求，提出如圖10所示的金剛石-硫化鋅復(fù)合材料窗口的總體技術(shù)途徑。首先，通過在常規(guī)硫化鋅窗口(圖中藍色示意)材料外鍍紅外增透膜(圖中黃色示意，以下黃色均為紅外增透膜)，保證具有較高光學(xué)性能；其次，生長尺寸較薄的金剛石保護層(圖中綠色示意)，并鍍紅外增透膜；再次，考慮熱導(dǎo)和熱膨脹系數(shù)之間的差異，在金剛石和硫化鋅層間加入聯(lián)接層，提高結(jié)合力；最后，考慮雷達隱身的需求，通過鍍膜，在硫化鋅內(nèi)增加雷達隱身金屬網(wǎng)。

圖10 金剛石-硫化鋅復(fù)合隱身紅外窗口制備原理示意圖

在實際開展紅外復(fù)合窗口材料制備的過程中，考慮到硫化鋅自身的熱導(dǎo)系數(shù)較低，用于高超音速飛行時，在窗口內(nèi)可能形成溫度場梯度，此類梯度分布將促使窗口從內(nèi)部炸裂、復(fù)合層分離等致命破壞，因此本文提出了嵌入式增強硫化鋅襯底散熱、金剛石導(dǎo)熱增強兩種適用于高超音速的技術(shù)途徑，既在一定程度上提高復(fù)材窗口的強度，又大幅度提升了窗口的熱導(dǎo)特性、降低了窗口的溫度梯度，進一步增強復(fù)合材料紅外窗口的高速、高溫、高壓環(huán)境適應(yīng)性。

圖11 增強紅外復(fù)合窗口熱導(dǎo)能力、減小窗口內(nèi)溫度梯度的技術(shù)途徑

6.3 隱身特性對比分析

1) 紅外隱身

通過采用上述技術(shù)，對空空導(dǎo)彈進行紅外隱身仿真分析，可得蒙皮最高溫度約100 ℃(368 K)，平均溫度50 ℃(320 K)。根據(jù)探測器能力，在10-7～10-8為可探測的臨界值，計算得出本系統(tǒng)被探測距離約為20 km，遠小于目前80 km的被探測距離。

圖12 紅外仿真效果圖

2) 雷達隱身

通過將入射電磁波的方位角從頭部位置向腰部位置旋轉(zhuǎn)，研究頻點為10 GHz對彈體進行雷達隱身特性仿真，得到的RCS結(jié)果如表2所示。

圖13 雷達仿真效果圖

表2 RCS仿真結(jié)果

仿真結(jié)果表明：入射角在10°至70°區(qū)間的RCS值較小，可保持在1E-4以下，遠遠小于目前0.01m2的雷達散射面積。

6.4 建議

近年來，隨著美國不斷推進亞太平衡戰(zhàn)略，我國面臨艱巨的國土安全防務(wù)任務(wù)，同時還要積極防范來自釣魚島、臺海、南海多個海上方向的局部風(fēng)險。日本不斷強化本土西南方向的軍備建設(shè)，旨在抗衡中國在東海方向?qū)θ毡拒娛聣毫ΑＥ_獨勢力一直不肯放棄臺獨立場，不斷強化與美國的防衛(wèi)合作。南海問題在美國的強力介入束下，問題變得復(fù)雜?？罩辛α康氖褂脤⑹侵袊鴳?yīng)對這些戰(zhàn)爭風(fēng)險的主要選擇手段之一。

通過開展全程隱蔽攻擊技術(shù)研究，保持空中進攻力量的有效性，積極推進導(dǎo)彈系統(tǒng)的高速化、隱身化、智能化，有效突破美日對我國在第一和第二島鏈的防空反導(dǎo)封鎖并實施精確和有效打擊，將是我軍當(dāng)前技術(shù)創(chuàng)新的重要方向之一。

7 結(jié)論

本文針對未來空戰(zhàn)的軍事需求，從隱蔽發(fā)射、高機動滑翔、全程被動制導(dǎo)等方向重點論述了相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)。特別是針對目前發(fā)展趨勢良好的寬波段高吸收率涂層技術(shù)、紅外窗口雷達隱身技術(shù)介紹了技術(shù)原理和方案，對縮減武器自身光電、紅外等頻段內(nèi)的目標(biāo)特征，消減敵方的探測能力，抵消敵方的信息優(yōu)勢，在戰(zhàn)爭中取得出奇制勝的作戰(zhàn)效果提供了有關(guān)技術(shù)途徑。