軍用直升機主動防御系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)分析*

史志富

(1.航空工業(yè)慶安集團有限公司，陜西 西安 710077;2.西安航空學院，陜西 西安 710077)

0 引言

軍用直升機不受地形限制，能夠低速低空飛行，能夠機動靈活地執(zhí)行多種任務，是陸軍航空兵執(zhí)行突擊登陸、救護運輸、偵察搜索、指揮控制等多種任務的主戰(zhàn)裝備[1]。根據(jù)作戰(zhàn)用途不同，軍用直升機可分為武裝、運輸和戰(zhàn)勤三大類。除武裝直升機在機上安裝有武器系統(tǒng)可用于攻擊和戰(zhàn)斗外，運輸和戰(zhàn)斗勤務類直升機通常沒有加裝裝甲和自衛(wèi)武器，容易成為敵方攻擊的對象。

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，軍用直升機為配合地面部隊作戰(zhàn)，一般要在低空、戰(zhàn)斗前沿或敵方縱深地域執(zhí)行任務，面臨的威脅主要是地面的防空導彈、重型機槍和便攜式火箭助推榴彈發(fā)射器(rocket propelled grenade,RPG)等[2-3]。對于防空導彈，目前直升機的主要對抗措施是采用電子干擾機干擾、箔條/紅外誘餌彈誘騙等軟殺傷手段，但是隨著導彈抗干擾能力的提升，對其干擾和誘騙不但成本高，技術(shù)復雜，而且效果越來越差；對于高射機槍、RPG等直射型無制導武器，直升機的干擾和誘騙手段是不起作用的，唯一的措施是靠飛機的機動能力進行機動規(guī)避。但是直射型無制導武器通常是近距離隱蔽發(fā)射，對其早期的預警和探測難度大，一旦命中直升機幾無生存可能。

借鑒目前裝甲車輛的主動防御技術(shù)、艦船反導防護技術(shù)等為作戰(zhàn)支援保障類飛機提供主動攔截手段的機載主動防御系統(tǒng)應運而生，發(fā)展主動防御技術(shù)正成為一種新概念手段。與機動規(guī)避/軟殺傷手段相比，主動防御從根本上改變、甚至顛覆了傳統(tǒng)的直升機防護模式，使其由消極被動的躲避、干擾、誘騙，轉(zhuǎn)向積極主動的探測、跟蹤、消滅來襲威脅，突破傳統(tǒng)思想觀念給軍機防護技術(shù)帶來的桎梏，給軍機防護能力帶來革命性的提升。

1 主動防御系統(tǒng)的原理與需求分析

1.1 直升機主動防御系統(tǒng)的基本原理

主動防御系統(tǒng)(active protection systems,APS)，是指通過探測裝置獲得來襲彈藥(反坦克導彈、火箭彈)的運動特征，然后通過計算機控制對抗裝置，使來襲彈藥無法直接命中被防護目標的系統(tǒng)。直升機的主動防御原理與地面裝甲車輛的主動防御原理類似，均是按照OODA環(huán)的方法分為探測、識別、決策和行動環(huán)節(jié)。其基本原理是飛機在執(zhí)行任務過程中，依靠預警探測設(shè)備對任務區(qū)域進行警戒搜索，當探測到來襲目標后，由綜合控制單元根據(jù)來襲目標的光電特征和運動特征進行目標的識別、態(tài)勢估計和威脅判斷，并對有威脅的目標進行航路濾波和預測，計算來襲彈藥的空中“提前命中點”和攔截裝置的發(fā)射諸元，適時將射擊信息和指令發(fā)送給攔截單元發(fā)射攔截彈藥，完成對來襲目標的攔截，其原理如圖1所示。

圖1 主動防御系統(tǒng)原理圖Fig.1 APS schematic diagram

1.2 直升機主動防御系統(tǒng)的功能需求

按照主動防御系統(tǒng)的原理，直升機的功能需求包括預警探測、指揮控制和發(fā)射攔截3個方面。

(1) 預警探測

預警探測單元應該能夠利用光電、激光等探測和告警設(shè)備完成對地面RPG、便攜式導彈等非合作目標的探測；能夠在發(fā)現(xiàn)目標后及時進行目標識別及時發(fā)出預警信號。

(2) 指揮控制

指揮控制單元應該能夠根據(jù)非合作目標的信息快速進行來襲航跡建立；能夠根據(jù)對非合作目標的態(tài)勢評估判斷出目標的威脅程度；能夠?qū)Ψ呛献髂繕宋磥砗桔E做出預測；對多個目標應能夠做出攔截分配；能夠計算出空中預定攔截點；能夠計算出攔截單元的發(fā)射諸元；能夠做出攔截發(fā)射決策。

(3) 攔截發(fā)射

攔截發(fā)射單元應能夠快速精確隨動到空中預定攔截點；應能夠根據(jù)攔截發(fā)射指令快速完成發(fā)射；攔截彈藥應能夠在預定攔截點以破片、撞擊等方式完成目標攔截；攔截彈藥不應對飛機造成附帶損傷。

1.3 直升機主動防御系統(tǒng)的組成

為滿足主動防御系統(tǒng)的功能需求，主動防御系統(tǒng)組成通常包括預警探測設(shè)備、綜合信息處理設(shè)備、攔截武器三大部分。其系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 主動防御系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖Fig.2 APS system construction diagram

預警探測設(shè)備主要通過光學、紅外、電磁等設(shè)備完成對載機環(huán)境與來襲彈藥的預警、探測、跟蹤和確認等，是主動防御系統(tǒng)發(fā)揮作戰(zhàn)的前提基礎(chǔ)。

綜合信息處理設(shè)備主要是對預警探測設(shè)備的預警探測信息進行預處理和信息融合，完成對環(huán)境和來襲彈藥的識別判斷、態(tài)勢綜合、威脅估計，進而根據(jù)攔截武器情況作出任務規(guī)劃、攔截計算、發(fā)射決策、毀傷評估等，同時也負責對系統(tǒng)狀態(tài)進行監(jiān)控顯示和處理，并能與預警探測設(shè)備和攔截設(shè)備進行雙向信息交互。該子系統(tǒng)通過由態(tài)勢顯示設(shè)備、信號/任務處理計算機、操控設(shè)備和信息傳輸設(shè)備等組成，是主動防御系統(tǒng)的信息處理中樞。

攔截武器負責根據(jù)綜合信息處理設(shè)備的指令控制武器發(fā)射裝置瞄準預定攔截點或攔截區(qū)，并根據(jù)發(fā)射指令發(fā)射攔截彈藥完成對來襲彈藥的攔截毀傷，通常由武器彈藥、武器發(fā)射設(shè)備和武器控制設(shè)備等構(gòu)成，是主動防御系統(tǒng)執(zhí)行攔截的直接力量。

不同的主動防御系統(tǒng)在物理結(jié)構(gòu)上不盡相同，有些是將預警探測設(shè)備、攔截設(shè)備和綜合信息處理設(shè)備分布式地部署于平臺各個部位，便于對平臺進行全方位地預警監(jiān)視；有些將預警探測設(shè)備與攔截武器集成于一體，便于精確攔截。

2 國內(nèi)外軍機主動防御系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

目前主動防御系統(tǒng)大量列裝于坦克等裝甲車輛之上，可以攔截敵方的火箭彈，導彈甚至穿甲彈。比較著名的有以色列拉斐爾先進防御系統(tǒng)(Rafael advanced defense)制造的“戰(zhàn)利品”(Trophy APS)，以色列“鐵拳”(iron fist APS)和美制“鐵簾”(iron curtain)、俄羅斯的“競技場”等[4-5]。但是對于飛機的主動防御系統(tǒng)來說，地面裝甲車輛的主動防御系統(tǒng)由于體積和質(zhì)量的限制無法直接應用到飛機上。出于實用性方面的考慮，飛機更愿意加裝厚重的裝甲和低空躲避等方式等來對付來自導彈的威脅。截止目前，還沒有成熟的主動防御系統(tǒng)裝備到飛機上，但是作為一種防護理念，國內(nèi)外一致沒有放棄飛機主動防御技術(shù)研究。美國、以色列、俄羅斯等國家一直在進行持續(xù)不斷的研究，技術(shù)也越來越接近實用化。

2.1 美國

2015年，美國軌道-阿連特技術(shù)系統(tǒng)公司(Orbital ATK)研發(fā)的世界第一款直升機主動防御系統(tǒng)在美國特種作戰(zhàn)產(chǎn)業(yè)大會上亮相[6]，如圖3所示。該系統(tǒng)由一個交戰(zhàn)管理模塊、一個稍加改造的干擾彈發(fā)射裝置(例如ALE-47紅外干擾彈裝置)和多枚殺傷飛行器組成，其中殺傷飛行器從干擾彈發(fā)射裝置的標準曳光彈/箔條發(fā)射管發(fā)射。該系統(tǒng)可識別一個來襲威脅，發(fā)射并制導1枚殺傷飛行器飛抵某個精確位置，然后引爆戰(zhàn)斗部使來襲RPG失效。該裝置不但小巧輕便，還可以利用現(xiàn)有的ALE-47紅外干擾彈裝置發(fā)射，不需要加裝額外的設(shè)備，對武裝直升機飛行性能影響小，也可以與原有的紅外干擾彈混合使用。

圖3 美國ATK公司的直升機主動防御系統(tǒng)Fig.3 Helicopter APS of American ATK Corporation

此外，美國還開展了固定翼飛機的主動防御系統(tǒng)研究，如2017年美國諾斯羅普·格魯曼公司提出了一種名為“微型導彈防御系統(tǒng)”的動能主動防御概念[7]，如圖4所示，4a)為微型導彈防御系統(tǒng)在固定翼飛機上的布置圖；4b)為微型發(fā)射艙結(jié)構(gòu)示意圖；4c)為微型發(fā)射艙位置圖；4d)為微型動能攔截彈對來襲目標的跟蹤攔截示意圖。該概念設(shè)想利用隱身戰(zhàn)機裝載的動能攔截彈，在空戰(zhàn)中攔截來襲導彈，用于提升隱身戰(zhàn)機的生存能力。系統(tǒng)主要包括4個部分：機載微型發(fā)射艙，配備目標獲取和尋的系統(tǒng)的微型攔截彈，用于捕獲目標威脅的機載傳感器，能夠接收傳感器信號的機載控制器。

圖4 美國微型導彈防御系統(tǒng)Fig.4 Minisize Missile Defense System of American

目前，洛克希德馬丁公司在美國空軍支持下還開展了SHiELD(self-protect high energy laser demonstrator)[8]項目研制,計劃在21世紀20年代中期將其安裝在戰(zhàn)斗機機身或機翼上可以擊落來襲的空對空和地對空導彈。

2.2 以色列

以色列一向重視作戰(zhàn)平臺主動防護技術(shù)的發(fā)展，不僅是地面裝甲主動防御系統(tǒng)的領(lǐng)導者，其目前在研的“Fliker”使以色列在直升機防護領(lǐng)域再次走在世界最前列[9]。2011年以色列拉法爾武器公司下屬的MANOR技術(shù)分部在以色列國防部防務研究發(fā)展局的支持下，提出了名為“Fliker”的武裝直升機HAPS主動防御系統(tǒng)的設(shè)計原型(圖5)。其作戰(zhàn)原理是與目前的坦克主動防護系統(tǒng)基本相同，也是通過高性能的探測和火控設(shè)備，對來襲的導彈和RPG等武器進行快速探測跟蹤、評估其威脅程度、計算最佳攔截點，并在其戰(zhàn)斗部起爆前發(fā)射攔截彈將其摧毀或使之偏離目標。戰(zhàn)時，當對來襲武器的各種“軟殺傷”措施均告失敗后，“Fliker”將作為最后一層防御手段使用。按照設(shè)計，全套“Fliker”系統(tǒng)將由專門設(shè)計的轉(zhuǎn)塔、攔截武器及控制軟件組成。2011年9月，拉菲爾公司成功地對“Fliker”進行了一次可行性測試，初步驗證了該系統(tǒng)保護直升機免遭RPG之類武器襲擊的能力。

圖5 以色列“Fliker”主動防御系統(tǒng)Fig.5 “Fliker”APS of Israel

圖6 以色列直升機載小型遙控武器站Fig.6 Small RCS for Helicopter of Israel

2014年法國防務展上，以色列杜克機載系統(tǒng)公司展出一款直升機載遙控武器站(圖6)，其具有360°的全方位射擊能力，內(nèi)嵌一套先進的顯示系統(tǒng)，具備自主作戰(zhàn)能力?？砂惭b與飛機艙門附近用于支援、運輸類直升機的近程主動防御武器，提高戰(zhàn)術(shù)支援類直升機的戰(zhàn)場生存力。

2.3 俄羅斯

俄羅斯也非常重視平臺的防護技術(shù)，其地面裝甲車輛的“鶇”、“競技場”等主動防御系統(tǒng)也是處于世界的領(lǐng)先水平。在飛機主動防御領(lǐng)域，早在20世紀60年代蘇聯(lián)就研究了利用航炮攔截空空導彈的技術(shù)，并研制了AM-23/Gsh-23航炮使用的23 mm榴霰彈，內(nèi)裝24枚預制彈丸，可在發(fā)射后1.4～1.8 s內(nèi)起爆，將彈丸成球面拋向目標，連續(xù)發(fā)射多枚可在來襲導彈航路上形成密集攔截彈幕。

3 直升機主動防御系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)

直升機主動防御系統(tǒng)要解決的問題是易安裝、看得到、瞄的準、打的狠，且在有限的時間內(nèi)要完成整個作戰(zhàn)過程，所以要求及早發(fā)現(xiàn)，快速處理，精準發(fā)射。故要使得直升機主動防御系統(tǒng)能夠達到預定作戰(zhàn)能力，需要解決總體集成、目標處理、指揮控制、伺服控制、火力等多項關(guān)鍵技術(shù)。

(1) 主動防御系統(tǒng)頂層分析與總體設(shè)計技術(shù)

直升機主動防御系統(tǒng)需要根據(jù)攔截目標特征和直升機使用特征，對主動防御系統(tǒng)進行頂層分析，確定系統(tǒng)的需求，構(gòu)建應用場景和攔截致勝機理，從而確定系統(tǒng)架構(gòu)和主要設(shè)備組成。該工作可按照基于DoDAF的方法進行系統(tǒng)研究，主要確定如下內(nèi)容：

1) 直升機主動防御系統(tǒng)的系統(tǒng)需求；

2) 直升機主動防御系統(tǒng)的應用場景；

3) 直升機主動防御系統(tǒng)的應用模式與工作機理；

4) 直升機主動防御系統(tǒng)的總體架構(gòu)與功能分配；

5) 直升機主動防御系統(tǒng)的信息與邏輯關(guān)系；

6) 直升機主動防御系統(tǒng)防御效能評價與分析。

(2) 高速近程非合作目標探測與精確跟蹤技術(shù)

根據(jù)軍用直升機的應用場景，需要對近程高速非合作目標進行預警探測和精確跟蹤，以確定來襲目標的類型、特征、數(shù)量等基礎(chǔ)信息，供信息處理單元進行分析判斷和制定攔截策略。其難點是來襲目標通常處于隱蔽狀態(tài)，在發(fā)現(xiàn)時距離通常較近，為此，需要利用高精度的光電、激光等預警探測設(shè)備進行綜合探測和精確跟蹤[10]，需要解決的技術(shù)包括：

1) 復雜環(huán)境下高速非合作目標的光電探測技術(shù)；

2) 高速近程非合作目標的高精度測量技術(shù)；

3) 高速非合作目標的軌跡自動穩(wěn)定跟蹤方法；

4) 高速非合作目標的運動特征提取與屬性識別技術(shù)。

(3) 高速非合作目標航跡濾波與預測技術(shù)

對軍用直升機的主動防御系統(tǒng)來說，確定來襲目標的航跡是攔截的基礎(chǔ)。確定來襲目標航跡的目的是對航跡進行預測以使得攔截系統(tǒng)提前準備，而要精確的預測航跡就需要根據(jù)目標跟蹤數(shù)據(jù)進行航跡建模和數(shù)據(jù)濾波，從而進行航跡參數(shù)的辨識[11]。對軍用直升機的主動防御系統(tǒng)來說，目標的航跡濾波和預測主要要解決的技術(shù)如下：

1) 基于短時少量測量數(shù)據(jù)的目標航跡構(gòu)建；

2) 近程高速非機動目標的航跡濾波方法；

3) 近程高速非機動目標的航跡外推方法。

(4) 系統(tǒng)的操作控制與指揮控制技術(shù)

操作控制和指揮決策是信息處理的核心功能，對于軍用直升機主動防御系統(tǒng)來說，其需要在秒級或毫秒時間范圍內(nèi)完成對探測信息的處理和顯示，形成攔截方案，計算出攔截位置和火力發(fā)射諸元，根據(jù)最新目標信息對攔截參數(shù)進行微調(diào)，并控制火力攔截單元瞄準預定攔截點，在滿足攔截條件時發(fā)出攔截指令[12]。在其設(shè)計過程中需要解決的主要技術(shù)包括：

1) 基于CAN總線的直升機主動防御系統(tǒng)即時通信方法；

2) 直升機主動防御系統(tǒng)綜合處理單元的設(shè)計技術(shù)；

3) 直升機主動防御系統(tǒng)任務綜合顯示與綜合技術(shù)；

4) 基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的態(tài)勢綜合與顯示技術(shù)；

5) 基于多屬性決策方法的目標群威脅判斷方法。

(5) 空中攔截計算技術(shù)

空中攔截計算結(jié)果的準確性直接決定攔擊效果甚至攔截成敗，必須在目標信息綜合處理的基礎(chǔ)上結(jié)合攔截火力單元的射擊特效進行綜合快速計算[13]，其結(jié)果應給出空中預定攔截位置、火力攔截單元的火力射擊參數(shù)并發(fā)送給火力攔截單元進行精確隨動。其需要解決的技術(shù)包括：

1) 直升機主動防御系統(tǒng)空中“預測命中點”計算方法；

2) 直升機主動防御系統(tǒng)空中攔截射擊火力諸元解算模型與方法；

3) 有限時間下火力隨動單元的高精高速隨動控制技術(shù)。

(6) 攔截彈藥的高效毀傷技術(shù)

攔截彈藥是否能夠?qū)δ繕诉M行有效殺傷是主動攔截系統(tǒng)的關(guān)鍵點之一。必須考慮要攔截的目標和攔截彈藥特征，既保證有足夠的毀傷能力，又能不對飛機進行附帶損傷或少量損傷。目前研究的有破片式、沖擊波式或子母彈式等殺傷原理[14-15]，對此應該考慮的技術(shù)包括：

1) 高效攔截彈藥的設(shè)計技術(shù)；

2) 多攔截彈齊射技術(shù)；

3) 多攔截彈彈幕形成與保持技術(shù)。

4 結(jié)束語

隨著直升機作戰(zhàn)應用環(huán)境的復雜性增大，未來直升機面臨的威脅也會越來越大，現(xiàn)有的防御性手段急需升級，但是被動防御效果的效費比將會越來越低，直升機主動防御系統(tǒng)是未來提高直升機戰(zhàn)場生存力的關(guān)鍵。但是其全面的研究和應用還處于論證階段，本文在研究軍用直升機面臨的主要威脅的基礎(chǔ)上，按照OODA環(huán)給出了主動攔截系統(tǒng)的功能需求，通過梳理國內(nèi)外軍機主動攔截系統(tǒng)的研究狀況和攔截原理的基礎(chǔ)上，形成了軍用直升機主動攔截系統(tǒng)要重點研究的關(guān)鍵技術(shù)。研究成果可為未來直升機主動防御系統(tǒng)的發(fā)展提供技術(shù)支撐和理論借鑒。