野戰(zhàn)防空偵察探測火箭彈需求研究

秦正威，時(shí)銀水

(陸軍炮兵防空兵學(xué)院鄭州校區(qū)，河南 鄭州 450000)

聯(lián)合作戰(zhàn)下，陸戰(zhàn)場受當(dāng)面之?dāng)郴鸺龔椀鹊耐{突出。與抗擊戰(zhàn)斗機(jī)等傳統(tǒng)空氣動力目標(biāo)相比，火箭彈的襲擊發(fā)生突然、飛行速度快，防空兵攔截火箭彈戰(zhàn)斗過程短促、時(shí)效性要求高。對空偵察監(jiān)視力量需盡早發(fā)現(xiàn)并連續(xù)跟蹤火箭彈，是防空兵判定火箭彈襲擊的威脅情況、定下攔截抗擊決心、實(shí)施攔截抗擊的基本前提。這直接決定了抗擊火箭彈的效果。

1 火箭彈飛行特性分析

火箭彈通常由戰(zhàn)斗部、火箭發(fā)動機(jī)和穩(wěn)定裝置3部分組成。按照有無控制系統(tǒng)及其制導(dǎo)控制方式，火箭彈可分為無控火箭彈、簡易控制火箭彈和制導(dǎo)火箭彈[1-2]。

1.1 火箭彈彈道特性分析

火箭彈的運(yùn)動過程分為滑軌段、主動段和被動段?；壎沃富鸺龔椇蠖ㄐ牟棵撾x滑軌端點(diǎn)之前的運(yùn)動過程；主動段指后定心部脫離滑軌端點(diǎn)到發(fā)動機(jī)停止工作之間的飛行過程，是火箭彈上升段的一部分；被動段指主動段結(jié)束后的慣性飛行過程，一般分為平飛段和再入段。

偵察探測火箭彈，通常發(fā)生在其主動段和被動段。在火箭彈射擊彈道平面內(nèi)，主動段受火箭發(fā)動機(jī)推力作用，被動段受自身重力和空氣阻力作用，常規(guī)無控火箭彈被動段的彈道特性與常規(guī)炮彈的外彈道特性基本相似，彈道高度一般不超過30 km；采用空氣舵控制的制導(dǎo)火箭彈，在主動段和被動段都具有機(jī)動變軌能力，最大彈道高度一般不超過50 km。

無控火箭彈可在射程范圍內(nèi)通過調(diào)整射角控制射程(射角范圍一般在15°～55°)，大射角對應(yīng)遠(yuǎn)射程，小射角對應(yīng)近射程；火箭彈發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)后，由于空氣阻力和重力作用，到達(dá)彈道最高點(diǎn)位(居射程中點(diǎn)以遠(yuǎn)位置)后，火箭彈受重力作用快速下降，再入角大于發(fā)射角，彈道呈不對稱曲線形狀，如圖1所示。

圖1 火箭彈彈道特性示意圖

1.2 火箭彈速度特性分析

發(fā)射后的主動段，火箭彈線的高度和速度單調(diào)增大，發(fā)動機(jī)熄火時(shí)達(dá)到速度極大值；發(fā)動機(jī)熄火后高度繼續(xù)單調(diào)增大，速度單調(diào)遞減，直到彈道頂點(diǎn)過后的一段行程達(dá)到極小值；轉(zhuǎn)入降落階段，火箭彈受重力作用速度開始遞增，重力與空氣阻力平衡時(shí)再次達(dá)到速度極大值(最大馬赫數(shù)可達(dá)2.0～3.0)，如圖2所示。

圖2 火箭彈速度變化規(guī)律示意圖

2 火箭彈雷達(dá)可探測性分析

借鑒反火箭彈成功實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，防空兵偵察探測火箭彈，要求雷達(dá)具備很強(qiáng)的機(jī)動能力、較遠(yuǎn)的發(fā)現(xiàn)距離、很高的角度和距離分辨力，以及同時(shí)多目標(biāo)跟蹤能力，通常使用C波段或者X波段二維相控陣?yán)走_(dá)[3]。

2.1 火箭彈雷達(dá)散射特性分析

火箭彈殼體材料一般采用優(yōu)質(zhì)金屬或新型復(fù)合材料，大氣層內(nèi)高速飛行的火箭彈戰(zhàn)斗部殼體外面通常涂覆熱防護(hù)層。目前，火箭彈的殼體都沒有進(jìn)行隱身設(shè)計(jì)，有利于使用雷達(dá)探測跟蹤目標(biāo)[3-4]。

火箭彈可以簡化為圓柱形彈體與錐形戰(zhàn)斗部的組合體目標(biāo)，其彈體圓柱的長度通常為米級，彈體圓柱半徑通常為數(shù)厘米至數(shù)十厘米；戰(zhàn)斗部的錐體高度通常為數(shù)十厘米量級。

偵察探測火箭彈，在其上升段和平飛段(如圖3中所示位置1、2)可簡化為側(cè)視姿態(tài)照射的金屬圓柱體目標(biāo)，在其再入段(如圖3中所示位置3)可簡化為正視姿態(tài)照射的金屬圓錐體目標(biāo)。

圖3 偵察探測火箭彈的照射姿態(tài)變化示意圖

若火箭彈彈體最小結(jié)構(gòu)尺寸為A，雷達(dá)波長為λ，對于C波段或者X波段雷達(dá)，火箭彈的雷達(dá)散射截面積一般都滿足2πA>>λ的“光學(xué)區(qū)”散射規(guī)律條件。

若火箭彈彈體長度為L，彈體半徑為r，地面雷達(dá)照射上升段至平飛段火箭彈的視線與彈體法線的夾角為θ，則火箭彈的雷達(dá)散射截面積為

(1)

其中，L、r和λ的單位均為m。

對于常規(guī)火箭彈結(jié)構(gòu)尺寸的目標(biāo)，在C波段或者X波段雷達(dá)波長范圍內(nèi)，如圖3中位置3所示，迎頭正視姿態(tài)照射金屬圓錐體的雷達(dá)散射截面積最小。若戰(zhàn)斗部錐體高度為h，則迎頭照射下的雷達(dá)散射截面積為

(2)

其中，h的單位為m。

按外軍現(xiàn)役典型火箭彈的C波段雷達(dá)散射截面積概算，如表1所述。

表1 外軍現(xiàn)役典型火箭彈雷達(dá)散射截面積概算

由表1可見，沿彈道由遠(yuǎn)及近運(yùn)動過程中，火箭彈的雷達(dá)散射截面積逐漸減小，上升段和平飛段的雷達(dá)散射截面積均為平方米量級；再入段的雷達(dá)散射截面積最小，為10-3平方米量級(分析計(jì)算表明，雷達(dá)照射方向垂直于戰(zhàn)斗部錐體母線附近時(shí)有平方米量級峰值)。

2.2 跟蹤火箭彈穩(wěn)定性分析

如表1所述，在由遠(yuǎn)及近運(yùn)動過程中，由于地面雷達(dá)對其照射姿態(tài)變化，火箭彈的雷達(dá)散射截面積變化約為103量級；距離越近，火箭彈的雷達(dá)散射截面積越小，雷達(dá)回波信號越弱。

在戰(zhàn)場環(huán)境和裝備技術(shù)狀態(tài)不變的條件下，雷達(dá)照射空中目標(biāo)收到的回波信號功率，與目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積成正比，與目標(biāo)距離的四次方成反比，即

(3)

其中，K為雷達(dá)技術(shù)狀態(tài)常數(shù)；R為目標(biāo)距離，單位為m。

本文以70 km射程的火箭彈為例，取其最大發(fā)射角55°，彈道最高點(diǎn)為30 km，彈道最高點(diǎn)距離其彈著點(diǎn)30 km，再入段雷達(dá)照射方向與彈體縱軸平行時(shí)的距離為20 km；火箭彈偵察雷達(dá)陣地位于火箭彈彈著點(diǎn)附近，其天線海拔高度為5 m。

設(shè)火箭彈偵察雷達(dá)迎頭照射20 km處“海馬斯”火箭彈的回波信號功率為pr0，則照射30 km處平飛段和70 km處上升段火箭彈的回波信號功率如表2。

表2 不同飛行階段火箭彈回波強(qiáng)度比較

可見，在火箭彈飛行過程中，上升段和平飛段的回波信號都比再入段的回波信號強(qiáng)。

偵察探測飛行過程中的火箭彈，只要雷達(dá)技術(shù)能力滿足跟蹤信號功率最弱的迎頭狀態(tài)火箭彈的要求，就能夠遠(yuǎn)距離發(fā)現(xiàn)并連續(xù)跟蹤上升段和平飛段的火箭彈，為戰(zhàn)斗指揮提供穩(wěn)定可靠的預(yù)警情報(bào)，從而為攔截抗擊提供連續(xù)的目標(biāo)指示。

3 偵察探測火箭彈能力需求分析[5-6]

遠(yuǎn)距離發(fā)現(xiàn)并連續(xù)跟蹤火箭彈，是實(shí)施指揮攔截行動的前提。除了高機(jī)動能力等野戰(zhàn)防空裝備通用要求，偵察探測火箭彈的戰(zhàn)術(shù)能力，主要包括威力范圍、分辨力、測量精度、情報(bào)數(shù)據(jù)率、跟蹤容量(多目標(biāo)跟蹤能力)等。

3.1 威力范圍

使用二維相控陣?yán)走_(dá)偵察探測火箭彈，其威力的范圍應(yīng)當(dāng)包括方位覆蓋范圍、俯仰覆蓋范圍、最大發(fā)現(xiàn)距離。

1)方位覆蓋范圍

遂行野戰(zhàn)防空任務(wù)偵察探測火箭彈，為了滿足快速轉(zhuǎn)換偵察監(jiān)視方位區(qū)的需要，偵察雷達(dá)應(yīng)當(dāng)采用“全方位機(jī)械掃描+方位區(qū)相控陣掃描”體制。

相控陣掃描的方位區(qū)范圍，應(yīng)當(dāng)能夠根據(jù)偵察任務(wù)和對情報(bào)數(shù)據(jù)率的要求裝定，單向監(jiān)視方位應(yīng)當(dāng)達(dá)到45°～60°。

2)俯仰覆蓋范圍

一般地，火箭彈的發(fā)射角為15°～55°，再入角大于發(fā)射角。為了保證發(fā)現(xiàn)后能夠連續(xù)跟蹤目標(biāo)，偵察雷達(dá)探測跟蹤火箭彈，相控陣掃描的最大俯仰覆蓋范圍應(yīng)當(dāng)達(dá)到80°以上。

為了適應(yīng)復(fù)雜地形下偵察探測其他類型目標(biāo)需要，應(yīng)當(dāng)能夠根據(jù)偵察監(jiān)視任務(wù)，裝定俯仰覆蓋范圍的起始下界(通常為俯視角)。

3)最大發(fā)現(xiàn)距離

如前所述，在滿足跟蹤再入段火箭彈(雷達(dá)散射截面積最小)前提下，遠(yuǎn)距離發(fā)現(xiàn)上升段/平飛段火箭彈的最大距離，應(yīng)當(dāng)滿足攔截彈在有效殺傷區(qū)遠(yuǎn)界達(dá)成首次攔截射擊的需要，即

R≥RI+V(tS+tC+tA)

(4)

其中，R的單位為km；RI為攔截彈有效殺傷區(qū)遠(yuǎn)界，單位為km；tS為偵察雷達(dá)從發(fā)現(xiàn)目標(biāo)到輸出情報(bào)的反應(yīng)時(shí)間，tC為射擊指揮過程時(shí)間，tA為火力分隊(duì)搜索截獲目標(biāo)發(fā)射攔截彈的過程時(shí)間，單位均為m；V為火箭彈的最大飛行速度，單位為km/s。

3.2 分辨力

通常，火箭彈都采取多發(fā)齊射方式實(shí)施射擊。偵察探測火箭彈，必須具備足夠的同時(shí)多目標(biāo)分辨能力，準(zhǔn)確判明目標(biāo)數(shù)量，為射擊指揮分配目標(biāo)和協(xié)調(diào)火力實(shí)施有效攔截抗擊，提供精準(zhǔn)情報(bào)。

為此，野戰(zhàn)防空偵察雷達(dá)，應(yīng)當(dāng)運(yùn)用中小口徑天線窄波束技術(shù)提高角分辨力，運(yùn)用寬頻帶脈沖壓縮技術(shù)提高距離分辨力，運(yùn)用頻域?yàn)V波技術(shù)提高多普勒分辨能力，達(dá)成下述綜合高分辨能力：

1)能夠分辨單炮順序發(fā)射的前后火箭彈；

2)能夠分辨多炮同時(shí)發(fā)射的并行火箭彈等。

3.3 測量精度

偵察探測火箭彈，必須建立精準(zhǔn)的彈道軌跡，以便攔截火力分隊(duì)能夠在短促的射擊窗口，按照目標(biāo)指示快速截獲目標(biāo)。

為了建立精準(zhǔn)的火箭彈軌跡，偵察雷達(dá)測量火箭彈坐標(biāo)的精度應(yīng)當(dāng)達(dá)到以下要求：

1)距離測量誤差不大于米量級；

2)方位角、俯仰角測量誤差不大于0.1°量級。

3.4 情報(bào)數(shù)據(jù)率

發(fā)現(xiàn)火箭彈、確定敵方火箭炮陣地概略方向后，偵察雷達(dá)應(yīng)當(dāng)按照戰(zhàn)斗方案，縮小監(jiān)視方位區(qū)范圍，適度提升監(jiān)視的俯仰角下界，集中資源偵察監(jiān)視火箭彈群目標(biāo)。

為了盡早建立精準(zhǔn)的火箭彈彈道，為判定其彈著點(diǎn)位置，評估危害程度，定下攔截抗擊決心提供精準(zhǔn)情報(bào)，為攔截抗擊提供盡量寬裕的反應(yīng)時(shí)間，偵察雷達(dá)應(yīng)當(dāng)盡量縮短測量火箭彈坐標(biāo)的時(shí)間間隔，提高火箭彈情報(bào)數(shù)據(jù)率。

按照火箭彈的射程和最大飛行速度等，偵察監(jiān)視火箭彈、測量火箭彈坐標(biāo)的時(shí)間間隔應(yīng)當(dāng)不超過秒量級。

3.5 跟蹤容量

偵察探測火箭彈時(shí)，偵察雷達(dá)一個掃描周期能夠跟蹤的目標(biāo)容量，應(yīng)當(dāng)不小于一個火箭炮戰(zhàn)術(shù)分隊(duì)一次齊射的火箭彈總量。

如果火箭炮戰(zhàn)術(shù)分隊(duì)編制的火箭炮數(shù)量為A1，單炮載彈容量為A2，則在監(jiān)視火箭彈的方位俯仰范圍上，偵察雷達(dá)一個掃描周期必須跟蹤火箭炮的目標(biāo)容量為

C≥A1×A2

(5)

例如，Y軍現(xiàn)役 “龍卷風(fēng)”火箭炮營編制9門火箭炮，每門炮載12枚火箭彈，則偵察雷達(dá)跟蹤火箭彈的目標(biāo)容量應(yīng)當(dāng)大于108批。

3.6 目標(biāo)處理能力

以色列EL/M-2084多任務(wù)相控陣?yán)走_(dá)目標(biāo)處理能力為每分鐘200枚炮彈、1200個飛機(jī)和導(dǎo)彈目標(biāo)。火箭炮打擊目標(biāo)時(shí)火力密集度較大。以“龍卷風(fēng)”為例，戰(zhàn)時(shí)一個營編配18門火箭炮，每門火箭炮裝載12枚火箭彈，一個營一分鐘內(nèi)可以發(fā)射216枚火箭彈。偵察探測火箭彈等彈道類目標(biāo)，目標(biāo)處理能力每分鐘應(yīng)不小于200個。

4 結(jié)束語

偵察探測火箭彈能力是陸戰(zhàn)場攔截抗擊火箭彈威脅的基礎(chǔ)能力要素之一，以色列“鐵穹”武器系統(tǒng)的EL/M-2084多功能雷達(dá)在實(shí)戰(zhàn)中發(fā)揮了根本性的支撐作用。受水平限制，文中難免錯誤之處，敬請讀者批評指正。