面對高超聲速挑戰(zhàn)的指揮信息系統(tǒng)發(fā)展架構(gòu)

張 斌，夏淋淋，朱思宇，趙 磊，周 覲

（軍事科學(xué)院，北京 100091）

高超聲速導(dǎo)彈具有飛行速度快、突防能力強(qiáng)、打擊范圍廣、發(fā)射平臺多等優(yōu)勢［1］，已經(jīng)成為世界各國爭奪的制高點。2021年3月，美媒報道美國陸軍向新組建的“遠(yuǎn)程高超聲速武器”（LRHW）導(dǎo)彈連交付訓(xùn)練發(fā)射筒，為2022年開展實彈發(fā)射提供訓(xùn)練準(zhǔn)備。同月，美國導(dǎo)彈防御局（MDA）向武器制造商發(fā)布信息征詢書，意在建立一個針對高超聲速威脅的新型指揮控制系統(tǒng)。早在2018年，俄軍米格31戰(zhàn)機(jī)就已攜帶空射型的“匕首”高超聲速導(dǎo)彈進(jìn)行戰(zhàn)備值班，艦射型的“鋯石”高超聲速反艦導(dǎo)彈于2020年10月成功完成試射。

面對高超聲速技術(shù)之“矛”的快速發(fā)展，現(xiàn)有防御體系帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，如預(yù)警反應(yīng)和信息處理時間縮短、軌跡預(yù)測和攔截難度增大，需要慎重考慮指揮控制系統(tǒng)及防御體系之“盾”的全局發(fā)展，完善優(yōu)化指揮系統(tǒng)的發(fā)展架構(gòu)。

1 高超聲速技術(shù)現(xiàn)狀

高超聲速飛行器的最大特點在于“助推-滑翔”彈道，最早起源于Eugen S?nger構(gòu)想“銀鳥”飛行器時提出的“S?nger彈道”，后來錢學(xué)森提出了一種火箭助推后再入大氣層滑翔的“錢學(xué)森彈道”。其與常規(guī)彈道導(dǎo)彈的區(qū)別如圖1所示。現(xiàn)階段，常見的高超聲速飛行器主要包括無動力的助推滑翔飛行器，如乘波體［2］，以及有動力飛行的高超巡航飛行器，如超燃沖壓發(fā)動機(jī)等技術(shù)。

圖1 高超聲速飛行器的“助推-滑翔”彈道Fig.1 The boost-glide trajectory of hypersonic vehicle

1.1 總體設(shè)計技術(shù)

高超聲速飛行器的優(yōu)化設(shè)計是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程［3］，涉及氣動特性、氣動防熱、操穩(wěn)特性、結(jié)構(gòu)性能、動力推進(jìn)等多個學(xué)科。為了在無動力滑翔條件下獲得較大的射程，高超聲速乘波體需要具備較好的氣動性能，但是只追求氣動性能最優(yōu)不切實際，因為需要考慮多項總體性能的約束。其總體性能指標(biāo)體系如圖2所示。

圖2 高超聲速總體設(shè)計的性能指標(biāo)體系Fig.2 The performance index system of overall design for hypersonic vehicle

就當(dāng)前研究而論，乘波體的升阻比優(yōu)勢明顯，但受氣動防熱、內(nèi)部裝填空間、飛行穩(wěn)定性和可靠操縱性等因素限制，需要在滿足總體約束的前提下對氣動性能進(jìn)行全局優(yōu)化。

1.2 參數(shù)化建模技術(shù)

在飛行器氣動外形研究中，發(fā)展并應(yīng)用了許多不同的參數(shù)化建模技術(shù)，可分為構(gòu)造方法和變形方法，構(gòu)造方法由一系列指定的參數(shù)來描述機(jī)翼外形，而變形方法根據(jù)已有的翼形，使其變形產(chǎn)生新的外形，如Kulfan提出的類別/形狀函數(shù)轉(zhuǎn)換（Class function/Shape Function Transformation，CST）方法［4］，構(gòu)建的乘波體外形，如圖3所示。

圖3 基于CST方法的乘波體外形Fig.3 The configuration of wave-rider with CST methods

1.3 氣動特性分析技術(shù)

隨著計算科學(xué)的不斷發(fā)展，數(shù)值計算方法逐漸取代傳統(tǒng)的實驗設(shè)計方法，成為飛行器設(shè)計的主要分析手段。當(dāng)前，高可信度分析方法的發(fā)展越發(fā)成熟，如Navier-Stokes（N-S）方程，Euler方程，以及各種湍流模型等，但是其目前消耗的計算資源和時間成本仍然較大，無法全部采用高可信度數(shù)值計算方法用于氣動外形設(shè)計，高可信度分析方法多用于精確定型階段、局部細(xì)節(jié)修改，以及配合低可信度分析方法的精度糾正等，圖4所示為典型乘波體在N-S方程計算下的壓力云圖［5］。考慮到氣動特性計算的精度與效率之間的矛盾，低可信度分析方法經(jīng)常作為高可信度分析方法的輔助手段，如牛頓理論、切楔法、切錐法、Van Dyke方法等各種工程估算方法。

圖4 典型乘波體的氣動特性計算結(jié)果Fig.4 The aerodynamic calculation results of typical waverider vehicle

1.4 飛行軌跡控制技術(shù)

飛行軌跡優(yōu)化是基于飛行條件和環(huán)境約束，尋找一條指標(biāo)性能最優(yōu)且滿足各種約束條件的最優(yōu)彈道，高超聲速軌跡優(yōu)化問題可歸結(jié)為強(qiáng)非線性、多階段、多約束的最優(yōu)控制問題。與傳統(tǒng)飛行器相比，高超聲速飛行器的位置變化大、機(jī)動范圍廣。其獨特的乘波體構(gòu)型導(dǎo)致控制難度大、姿態(tài)穩(wěn)定難，以及其動力學(xué)特性呈現(xiàn)強(qiáng)烈的非線性、耦合性和復(fù)雜性［6］。

當(dāng)前，偽譜法（Pseudospectral Method）具有較快的收斂速度和較高的求解精度，Timothy［7］針對美國CRV（Crew Return Vehicle）飛行器研究了考慮航路點和禁飛區(qū)約束的軌跡優(yōu)化問題，雍恩米［8］采用Gauss偽譜法設(shè)計了一種高超聲速滑翔飛行器的快速軌跡優(yōu)化方法，如圖5所示為四種不同再入角度下的飛行軌跡。

圖5 高超聲飛行器的再入軌跡Fig.5 The reentry trajectory of hypersonic vehicle

除了上述關(guān)鍵技術(shù)，高超聲速飛行器還需要考慮氣動防熱、結(jié)構(gòu)性能、穩(wěn)定性、操縱性等多學(xué)科、多指標(biāo)的特性分析，在此不一一列舉。

2 指揮信息系統(tǒng)現(xiàn)實挑戰(zhàn)

隨著高超聲速技術(shù)的不斷發(fā)展，美俄等軍事強(qiáng)國的高超聲速項目呈現(xiàn)多“矛”齊發(fā)的特點，同時為了攻防兼?zhèn)?，美俄也在同步發(fā)展高超聲速防御系統(tǒng)，瞄準(zhǔn)潛在的現(xiàn)實威脅和技術(shù)優(yōu)勢，在指揮控制系統(tǒng)領(lǐng)域固“盾”筑基，應(yīng)對現(xiàn)實挑戰(zhàn)。

2.1 美國應(yīng)對措施

為應(yīng)對全球彈道導(dǎo)彈的威脅，美國早在2004年就建立了彈道導(dǎo)彈防御體系（BMDS），其中最核心的模塊是指揮控制、作戰(zhàn)管理和通信（C2BMC）系統(tǒng)，將分散在世界各地的預(yù)警探測器、攔截平臺和通信節(jié)點整合為一個有機(jī)整體，統(tǒng)籌任務(wù)規(guī)劃和攔截行動，形成了“傳感器-指揮控制-末端攔截”的完整殺傷鏈［9］。

但是面對高超聲速的現(xiàn)實挑戰(zhàn)，現(xiàn)有的BMDS體系尚無法有效應(yīng)對。美國升級現(xiàn)有的彈道導(dǎo)彈防御體系，主要改進(jìn)其中的C2BMC系統(tǒng)，包括螺旋8.2-5版本的關(guān)鍵設(shè)計評審，完成對高超聲速防御能力的集成；設(shè)計、研發(fā)、集成高超聲速威脅數(shù)據(jù)跟蹤算法；開發(fā)基于Link16數(shù)據(jù)鏈的高超聲速威脅航跡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力等。同步升級BMDS體系中的陸基識別雷達(dá)、攔截武器系統(tǒng)，使其對高超聲速威脅具備一定的預(yù)警探測和指控能力，逐步構(gòu)建一整套主/被動防御相結(jié)合、涵蓋助推/中段/末段攔截的多層次防御體系。

除了對現(xiàn)有C2BMC系統(tǒng)的改造，美導(dǎo)彈防御局（MDA）在2020財年“先進(jìn)概念與效能評估”專項科研中，新增了包括高超防御、人工智能、“發(fā)射前/發(fā)射后集成”等關(guān)鍵領(lǐng)域的研究。與此同時，導(dǎo)彈防御局正在研究如何將其現(xiàn)有的C2BMC體系架構(gòu)與“聯(lián)合全域指揮控制”（JADC2）進(jìn)行結(jié)合，計劃參與空軍“先進(jìn)戰(zhàn)斗管理系統(tǒng)”（ABMS）的后續(xù)演習(xí)。美太空發(fā)展局（SDA）于2020年5月表示正在開發(fā)新一代的“國家安全太空架構(gòu)”（NDSA），計劃依托該架構(gòu)連接各軍種指揮控制系統(tǒng)，構(gòu)建“聯(lián)合全域指揮控制”體系。該體系具備高超聲速武器跟蹤等能力，將增強(qiáng)美軍全域防護(hù)能力。

2.2 其他應(yīng)對措施

類似于美國的天基紅外系統(tǒng)，俄羅斯在2015年著手建立了“穹頂”太空反導(dǎo)預(yù)警系統(tǒng)。截至2021年1月共發(fā)射了4顆“苔原”衛(wèi)星，初步形成天基預(yù)警探測能力?！榜讽敗毕到y(tǒng)具備彈道導(dǎo)彈預(yù)警能力，裝備有星載戰(zhàn)斗控制系統(tǒng)，可以連同陸基探測雷達(dá)計算導(dǎo)彈飛行軌跡，指揮實施攔截反應(yīng)。

法國航空空間研究局（ONERA）也于2020年宣布研發(fā)超視距反導(dǎo)預(yù)警雷達(dá)（LTP）驗證機(jī)。該驗證機(jī)具備遠(yuǎn)達(dá)3000 km的彈道導(dǎo)彈預(yù)警探測和跟蹤能力。同時法國ONERA對“預(yù)言家”（Nostradamus）天波超視距雷達(dá)進(jìn)行重大改造，擴(kuò)大預(yù)警探測范圍。

3 發(fā)展架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)世界范圍內(nèi)高超聲速攻防的建設(shè)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，高超聲速已初步形成實戰(zhàn)能力，迫切需要對未來指控系統(tǒng)的發(fā)展提前謀劃，統(tǒng)籌布局，長遠(yuǎn)思考，具體架構(gòu)如圖6所示。

3.1 敏捷極簡的聯(lián)合指揮架構(gòu)

高超聲速導(dǎo)彈具有多域、多維和非線性的特征，指揮控制系統(tǒng)必須迅捷反應(yīng)、協(xié)同聯(lián)動、全域指揮，如美軍的C2BMC系統(tǒng)采用分布式指控架構(gòu)，主要包含國家指揮、戰(zhàn)略司令部、戰(zhàn)區(qū)/區(qū)域作戰(zhàn)司令部和BMD防御要素四級結(jié)構(gòu)。

面對高超聲速導(dǎo)彈，應(yīng)盡量簡化層級提高效率，提高應(yīng)對高超目標(biāo)信息處理和作戰(zhàn)指揮的靈活性和時效性。一是反應(yīng)要迅捷，即時生成高超專題態(tài)勢；二是處置要全面，具備敏捷處理預(yù)警探測、信息處理、目標(biāo)識別、任務(wù)規(guī)劃、協(xié)同攔截和效果評估等環(huán)節(jié)的能力；三是體系應(yīng)閉環(huán)，在指揮架構(gòu)中，完善“預(yù)警探測-指揮控制-實施攔截”主要環(huán)節(jié)，構(gòu)成閉環(huán)的立體防御體系。如圖6所示。

圖6 面對高超聲速挑戰(zhàn)的指揮信息系統(tǒng)發(fā)展架構(gòu)Fig.6 The development architecture of the command information system facing the challenge of hypersonic technology

3.2 多域泛在的預(yù)警探測體系

高超聲速導(dǎo)彈的飛行速度處于5～20馬赫的高速狀態(tài)，飛行高度位于30～80 km的臨近空間，且具有較強(qiáng)的橫向機(jī)動能力，對預(yù)警探測能力帶來嚴(yán)峻考驗。

面對高超聲速探測難的問題，需要“廣視距，早發(fā)現(xiàn)”，一是發(fā)展天、臨空、空、海、陸等多域空間探測能力，綜合獲取紅外、雷達(dá)、光學(xué)等多種探測數(shù)據(jù)，特別是天基紅外和臨空探測（如平流層飛艇、太陽能無人機(jī)）能力；二是提高泛在情報收集能力，通過多種渠道盡可能掌握信息，特別是開源動向新聞，提前介入情況；三是增強(qiáng)目標(biāo)識別和威脅分析能力，快速形成專題動態(tài)、精準(zhǔn)研判定位。

3.3 自主智能的動態(tài)任務(wù)規(guī)劃

高超聲速導(dǎo)彈的飛行區(qū)間廣，參與力量涵蓋陸、海、空、天、網(wǎng)多種資源，需要在最短的時間內(nèi)分配最優(yōu)的信息資源、裝備資源、指令資源和人力資源。

一方面參考C2BMC系統(tǒng)預(yù)設(shè)方案集的思路，將多個空間、多種力量和多套系統(tǒng)融合為一個有機(jī)整體，依托智能算法、戰(zhàn)法規(guī)則和指揮模型，探索“機(jī)器輔助+人工核準(zhǔn)”的智能化任務(wù)規(guī)劃模式，高效統(tǒng)籌資源；另一方面建立自主運行的信息處理中心，盡量簡化行政層級和減少人為干涉，實時分析大量多源信息，“自組織”各類作戰(zhàn)資源，“自生成”即時任務(wù)規(guī)劃，“自實現(xiàn)”動態(tài)研判評估。

3.4 協(xié)同聯(lián)動的攔截防御手段

高超聲速導(dǎo)彈采用扁平式的乘波體布局，具有“跳躍-滑翔”式的飛行軌跡，基于現(xiàn)有防空反導(dǎo)體系，對高超聲速目標(biāo)實施攔截的成功率較低。

針對高超聲速威脅，美軍發(fā)展了四個專項防御項目，旨在構(gòu)建覆蓋中段到末段、外太空到稠密大氣層等各種高度層的反導(dǎo)體系，包括動能攔截的RPGWS武器系統(tǒng)，“女武神”、“滑翔破壞者”等殺傷攔截器，以及非動能攔截的高功率微波武器。一方面，在多域空間分布式部署攔截平臺，充分利用臨近空間“長航時全天候”的駐空特點，作為現(xiàn)有防空反導(dǎo)體系的補(bǔ)充，如在平流層飛艇、高空無人機(jī)上放置攔截平臺，形成多維立體的攔截防御體系；另一方面，發(fā)展管理攔截平臺的協(xié)同控制算法，統(tǒng)籌調(diào)動全域戰(zhàn)場資源，構(gòu)建過飽和、多梯隊、復(fù)合體的攔截區(qū)間。

4 結(jié) 論

高超聲速導(dǎo)彈是一款“核常兼?zhèn)洹钡膽?zhàn)略/戰(zhàn)術(shù)武器，理論上具備1小時全球打擊能力，其最大威脅在于“唯快不破”。本研究從總體設(shè)計、參數(shù)化建模、氣動特性和飛行軌跡控制等方面綜述了高超聲速技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。

面對高超聲速挑戰(zhàn)，美國建立了彈道導(dǎo)彈防御體系及C2BMC系統(tǒng)，俄羅斯建立了“穹頂”太空反導(dǎo)預(yù)警系統(tǒng)，日本等其他國家也提出了應(yīng)對措施，但是當(dāng)前舉措主要是對現(xiàn)有防御體系的局部增強(qiáng)，不能提升防御體系的全局效能。