規(guī)?；瘜瓜碌目湛諏棸l(fā)展

張蓬蓬, 張俊寶

(1.中國空空導彈研究院,河南 洛陽 471000; 2.航空制導武器航空科技重點實驗室,河南 洛陽 471000)

0 引言

隨著人工智能、無人技術的發(fā)展應用,無人作戰(zhàn)飛機以其體積小、重量輕、成本低的優(yōu)勢,成為新生作戰(zhàn)力量,擔負了偵察、打擊、火力投送、空中加油等多種作戰(zhàn)任務[1]。在作戰(zhàn)前沿,無人作戰(zhàn)飛機可作為有人機的偵察、火力打擊點,通過有人機/無人機協(xié)同作戰(zhàn)的方式奪取制空權[2]。在作戰(zhàn)后方,多架無人加油機可替代大型加油機對戰(zhàn)斗機進行空中加油支援。根據美國、英國等國近年來的研究和試飛試驗,1架有人機可指揮3～4架無人作戰(zhàn)飛機進行制空作戰(zhàn)任務,因此,未來制空作戰(zhàn)中,參戰(zhàn)平臺的數量將提升3～4倍以上[3],制空作戰(zhàn)的規(guī)?；瘜剐枨笾鸩斤@現(xiàn)。

2012年,美國提出了小型先進能力導彈的概念,其設計要求之一就是F-22,F-35戰(zhàn)機內埋武器艙掛裝數量提升2～3倍以上[4]。根據其作戰(zhàn)概念提出的CUDA空空導彈、“游隼”空空導彈可在F-22戰(zhàn)機主武器艙內掛裝12枚[5-6]。隨后,俄羅斯、歐洲導彈集團也相繼提出了小型導彈概念,主要特點之一都是大幅提升戰(zhàn)斗機的掛裝數量。

從以上分析可知,未來制空作戰(zhàn)中參戰(zhàn)有人戰(zhàn)斗機、無人作戰(zhàn)飛機、空空導彈武器等的數量將成倍提升,此外,戰(zhàn)場中還需要有衛(wèi)星、預警機、加油機、運輸機、偵察機等戰(zhàn)場探測、指控及支援保障平臺,制空作戰(zhàn)呈現(xiàn)出了規(guī)模化對抗的趨勢,對未來空空導彈的發(fā)展也提出新的要求和挑戰(zhàn)[7]。

針對未來空戰(zhàn)中作戰(zhàn)平臺成倍增加的趨勢,從未來制空作戰(zhàn)規(guī)?；瘜剐枨蟪霭l(fā),分析研究了規(guī)?；諔?zhàn)的特點,梳理了規(guī)?；瘜箤ξ磥砜湛諏椀陌l(fā)展需求,可為空空導彈未來的發(fā)展提供一定的技術借鑒。

1 規(guī)?；諔?zhàn)的特點

規(guī)?；諔?zhàn)中參戰(zhàn)平臺的類型、數量、使用方式、作戰(zhàn)樣式等都發(fā)生重大變化。規(guī)模化空戰(zhàn)對抗的主要特點如下。

1) 參戰(zhàn)平臺高密度協(xié)同對抗。

規(guī)?；諔?zhàn)中,戰(zhàn)場前沿主要的作戰(zhàn)平臺為有人機和無人作戰(zhàn)飛機群,通過協(xié)同作戰(zhàn)的方式完成攻擊。有人機在后方進行指揮控制,無人作戰(zhàn)飛機突前進行偵察、打擊。作戰(zhàn)模式從有人機與有人機之間的對抗變革為無人作戰(zhàn)飛機與無人作戰(zhàn)飛機、無人作戰(zhàn)飛機與有人機之間的對抗。作戰(zhàn)平臺從同類平臺的對抗轉變?yōu)楫愵惼脚_的協(xié)同對抗。有人機的戰(zhàn)場角色也從攻擊型轉變?yōu)橹缚匦汀?/p>

圖1為有人機/無人作戰(zhàn)飛機協(xié)同對抗示意圖。

無人作戰(zhàn)飛機集群突前作戰(zhàn),會在空戰(zhàn)中首先遭遇。無人作戰(zhàn)飛機一般具有低可探測性特點,受其重量和體積的限制,一般探測范圍較近,極易出現(xiàn)“你中有我,我中有你”的混戰(zhàn)局面,對所攜帶空空導彈攻擊性能的要求將會越來越高。

2) 制空武器飽和協(xié)同攻擊。

隨著空空導彈裝載量的成倍提升,原有導彈的使用模式也將發(fā)生重大變化。特別是在復雜戰(zhàn)場干擾環(huán)境中,由于目標隱身性能、目標指示精度等因素影響,在空空導彈導引頭探測能力的限制下,彈道規(guī)劃算法、動力性能不能完全發(fā)揮,導彈的攻擊距離較近。

美國正在研究的小型先進能力導彈、CUDA導彈、“游隼”空空導彈等都能大幅提升隱身戰(zhàn)斗機的掛裝數量,空空導彈數量成倍提升后,導彈數量對空戰(zhàn)的制約因素影響力下降,可采用多彈協(xié)同的方式,通過協(xié)同探測提高對隱身目標的截獲概率,延長攻擊距離。空空導彈原有以單打獨斗為主的使用方式將轉變?yōu)橐远鄰梾f(xié)同為主的使用方式。

圖2所示為多彈協(xié)同作戰(zhàn)方式。

圖2 多彈協(xié)同作戰(zhàn)示意圖

3) 網絡信息基礎支撐。

多平臺的高密度協(xié)同作戰(zhàn)需要以網絡通信為基礎的信息支撐。美國國防部于1998年提出了網絡中心戰(zhàn)的概念,強調未來戰(zhàn)場中多平臺與傳感器之間的互聯(lián)互通。在此概念牽引下,美國相繼開展了多個項目的探索,包括協(xié)同作戰(zhàn)能力(Cooperative Engagement Capability,CEC)項目、戰(zhàn)術瞄準網絡技術(Tactical Targeting Networks Technology,TTNT)、海軍一體化火控-防空(NIFC-CA)等,提高美軍戰(zhàn)場網絡的能力水平,實現(xiàn)多平臺之間的協(xié)同作戰(zhàn)。

CEC項目最初目的是用于滿足航母編隊自衛(wèi)的需要。CEC項目能夠將分布在不同作戰(zhàn)區(qū)域的艦艇和飛機的傳感器信息,經過數據融合后,形成單一、實時的綜合航跡與綜合態(tài)勢圖,顯示在戰(zhàn)斗指揮官面前。戰(zhàn)斗指揮官可根據實時作戰(zhàn)態(tài)勢,發(fā)射防御武器,響應威脅,實現(xiàn)遠程網絡協(xié)同指揮。

TTNT是一種基于IP的移動無線自組織網絡開發(fā)的戰(zhàn)術數據鏈技術,其直接來源是基于美國經濟可承受的地面活動目標交戰(zhàn)(AMSET)計劃和先進戰(zhàn)術瞄準技術(AT3)計劃的信息傳輸需求,這二者是美國網絡中心戰(zhàn)中重點發(fā)展的網絡瞄準技術。TTNT具備低延時、高帶寬、高動態(tài)、自組網、支持多用戶的特點,可為預警機、戰(zhàn)斗機、無人機、情報和監(jiān)視偵察平臺以及地面作戰(zhàn)平臺之間提供強魯棒、高性能、互操作的低時延數據通信,能夠快速定位“時敏目標”,支持實時火控過程。

NIFC-CA項目旨在基于CEC和TTNT構建的高性能通信網絡,完成航母編隊、預警機、戰(zhàn)斗機、電子戰(zhàn)飛機、浮空器等作戰(zhàn)平臺的傳感器系統(tǒng)、電子戰(zhàn)系統(tǒng)、武器系統(tǒng)的網絡化協(xié)同,構建分布式探測-跟蹤-火控-打擊的防空攔截鏈,以形成傳感器網、火控網、武器網三網合一,實現(xiàn)編隊協(xié)同作戰(zhàn)和超視距防空作戰(zhàn)能力。

上述網絡通信能力的建設為美軍實現(xiàn)戰(zhàn)場規(guī)模化作戰(zhàn)提供了網絡通信基礎,后續(xù)在此概念的基礎上美軍又相繼提出了“分布式作戰(zhàn)”、“馬賽克戰(zhàn)”等作戰(zhàn)概念,大幅提升了其規(guī)?；鲬?zhàn)能力,也可為戰(zhàn)術級、瞄準級、火控級網絡信息的構建提供借鑒。

4) 無人自主可消耗平臺大量出現(xiàn)。

隨著未來規(guī)?；鲬?zhàn)的需求增加,加之人工智能與無人自主技術的發(fā)展,小型無人自主平臺將會大規(guī)模出現(xiàn)于未來空戰(zhàn)中,其具有的低成本可消耗特點,也會對未來空戰(zhàn)樣式產生深遠的影響[7]。

美國國防預先研究計劃局(DARPA)于2014年首次提出了“小精靈”無人機(圖3)的研究課題,自2018年起,通用原子公司憑借X-61A項目,成為了該課題的總承包商。2020年1月,DARPA通過其官網發(fā)布消息,“小精靈”項目于2019年11月完成了X-61A的首次飛行試驗,標志著美國利用其運輸平臺發(fā)射和回收無人作戰(zhàn)平臺的試驗取得了初步的成果。

圖3 通用原子公司“小精靈”無人機方案

除此之外,美軍XQ-58A項目也在積極探索小型無人自主平臺,實現(xiàn)與有人戰(zhàn)斗機的協(xié)同作戰(zhàn),可以預見在未來規(guī)?；鲬?zhàn)條件下,將會出現(xiàn)更多此類小型化、無人自主化、低成本可消耗的無人機[8-12]。

2 對空空導彈未來發(fā)展的影響

空空導彈是制空作戰(zhàn)的主要裝備。制空作戰(zhàn)的規(guī)模化特性將在作戰(zhàn)使用、生產制造、設計研制等方面對其發(fā)展產生重要影響,以下具體分析其影響和需求。

2.1 作戰(zhàn)使用的影響

2.1.1 提升單平臺掛裝數量

規(guī)?；諔?zhàn)中要求有更多的空空導彈應對對手的高密度目標威脅,并需要提升單平臺的掛裝數量應對高競爭環(huán)境中的飽和式制空作戰(zhàn)[5-7]。

圖4 CUDA導彈掛裝F- 22和F-35飛機示意圖

從國外的發(fā)展來看,美國F-22戰(zhàn)斗機可掛裝的CUDA導彈數量可達12枚,相當于原有空空導彈掛裝數量的2倍(圖4)。提升單平臺的掛裝數量要求導彈在有限的體積、重量下進一步進行小型化、集成化設計,提升能量密度,滿足高性能需求。

2.1.2 多彈信息協(xié)同作戰(zhàn)

為適應規(guī)模化對抗,空空導彈的作戰(zhàn)使用方式已向協(xié)同作戰(zhàn)方向發(fā)展,通過多彈、體系信息的共享共用,實現(xiàn)協(xié)同制導、協(xié)同對抗和協(xié)同毀傷,提升復雜干擾對抗環(huán)境中的反隱身、抗干擾能力,閉合低精度制導信息下的遠距殺傷鏈。協(xié)同制導是指通過多彈的時空協(xié)同、任務規(guī)劃,實現(xiàn)協(xié)同飛行,滿足導彈末制導時對導彈構型、時間、空間等的需求。協(xié)同探測是指通過多彈導引頭在不同空間對目標的搜索,提升對隱身目標的截獲能力。協(xié)同對抗是指通過采用不同制導體制的導彈,如采用紅外成像制導體制、主動雷達制導體制等,進行多模式、多維度、多空間的協(xié)同探測,對抗欺騙式干擾,解決單枚導彈共模失效問題。多彈協(xié)同作戰(zhàn)需要導彈具備彈間組網和信息通信能力,目前導彈一般采用彈載全向數據鏈形式實現(xiàn)彈間的信息互聯(lián)。

圖5為多彈協(xié)同制導、協(xié)同探測示意圖。

圖5 多彈協(xié)同制導、協(xié)同探測示意圖

2.1.3 分布式網絡化作戰(zhàn)

規(guī)?；諔?zhàn)中有衛(wèi)星、預警機、偵察機、友機等多種信息源平臺提供戰(zhàn)場的態(tài)勢信息,為最大限度地利用戰(zhàn)場信息,縮短OODA循環(huán)時間,空空導彈應能使用多種信息源的制導信息進行攻擊,具備分布式的網絡化制導能力。但是目前各信息源平臺使用的信息通信數據鏈體制各不相同,與空空導彈數據鏈尚不兼容,因此制定與戰(zhàn)場各作戰(zhàn)單元信息互聯(lián),并可用于制導的數據鏈通信體制是空空導彈實現(xiàn)網絡化作戰(zhàn)的前提。美國建設的TTNT,QNT,CEC等協(xié)同戰(zhàn)術瞄準網絡將導彈武器等納入了交戰(zhàn)網絡中,具備了一定的分布式、網絡化的作戰(zhàn)能力。

2.2 生產制造的影響

規(guī)?；諔?zhàn)需要大幅提升空空導彈的備彈量和生產速度。目前,空空導彈生產一般采用專線為主、勞動密集型的制造體系,數字化、自動化裝配技術的應用相對比較落后。產品組件供應鏈一般包括元器件、零件加工,還未擴展到艙段或大組件的整體外包,絕大部分關鍵元器件成件均由單一廠家承擔,導致供貨能力非常有限,導彈生產的供應鏈抗風險能力極差[13]。

隨著空空導彈升級換代發(fā)展,在小型化、高集成、高性能的要求下,傳統(tǒng)空空導彈生產制造體系已經不能滿足規(guī)?；a和使用的要求,需要盡快探索智能制造與自動化生產、產品社會化敏捷供應鏈的發(fā)展路徑。

2.3 設計研制的影響

2.3.1 導彈解耦設計

為應對規(guī)?；諔?zhàn)需求,要求空空導彈能夠快速地實現(xiàn)軟硬件能力升級、簡潔掛裝、快速維護與保障。同時,為提升單平臺的掛裝數量,需要在兼顧小體積重量下的高性能需求,進行一體化、集成化設計。因此,導彈需采用硬件模塊化、功能軟件定義化、能力組合化的設計思想,從機彈解耦、軟硬件解耦、接口標準化、系統(tǒng)管控與檢測等方面開展設計與研究[14]。

1) 機彈解耦。是指導彈與飛機的即插即用,包括火控計算、電氣能源的簡潔互聯(lián)非接觸供給、彈架一體化掛裝、快速安全發(fā)射等。導彈承擔的飛機火控系統(tǒng)的重要任務,通過懸掛物識別等自行進行計算與控制,載機轉換為更簡單的掛載平臺和任務決策。

2) 軟硬件解耦。指摒棄傳統(tǒng)導彈基于硬件實現(xiàn)的組件、艙段的分立式能力生成架構,實現(xiàn)導彈的功能軟件定義以及硬件的模塊化升級,主要包括支撐能力快速升級的新型導彈系統(tǒng)架構設計、軟件算法的按需加載、硬件性能的模塊化升級與替換。

3) 接口標準化。實現(xiàn)機彈解耦、軟硬件解耦都需要標準化接口的支持,包括標準化的通信總線、封裝軟件接口的規(guī)范化定義、機械接口的標準化以及以獨立可更換單元為基本模塊的導彈總體結構集成與裝配等,開放的功能與物理結構將使各分系統(tǒng)模塊能夠即插即用。

4) 系統(tǒng)管控與監(jiān)測。不同軟件、硬件的組合需要能力匹配性評估模塊進行軟硬件的識別與健康監(jiān)測,進行能力可達性顯示以及向載機申報。

2015年第51屆巴黎航展上,歐洲導彈公司(MBDA)公布了其最新在研的CVW102 FlexiS完全模塊化空射導彈概念。CVW102 FlexiS是一個導彈族,用模塊化設計實現(xiàn)多任務化,導彈均具有相同的中部彈體并采用模塊化結構,能夠在戰(zhàn)場上將各個子系統(tǒng)進行替換、將導彈進行裁剪,從而滿足特定的任務要求。CVW102 FlexiS導彈采用非接觸接口的通用功率/通信總線,能夠實現(xiàn)子系統(tǒng)模塊和模塊接入總線方式的標準化,允許安裝模塊,結構更加開放和靈活。采用具有自重構能力的導彈配置和控制單元,能夠檢測出安裝到彈體上的每一個模塊、識別出每一個正在安裝的部件;同時,還能夠將導彈相應配置的正確任務參數加載,同時加載相應配置所定義的模塊運行軟件并優(yōu)化每一個模塊的運行,保證模塊具備整彈交付時的狀態(tài)以及整彈具備交付時所應有的性能。采用子系統(tǒng)級健康和使用監(jiān)控技術,將能夠確知每一模塊的壽命,然后簡單地將故障模塊替換掉,使導彈仍然留在戰(zhàn)場并達可用狀態(tài)。

CVW102 FlexiS導彈所采用的模塊化結構,有利于新技術的及時引入,從而促進導彈性能的提高和作戰(zhàn)能力的增強。MBDA公司設想在2035年,采用通用底架和模塊的武器彈藥庫,可以自動地從彈藥庫取出導彈的各個單元,然后將其送至武器裝配區(qū)域;武器裝配區(qū)域有一個自動武器裝配系統(tǒng),將自動裝配導彈并檢測導彈是否完好、能否執(zhí)行作戰(zhàn)任務等。

2.3.2 導彈低成本設計

規(guī)?；諔?zhàn)中成本是需要重點考慮的問題,也應從空空導彈的設計源頭植入低成本的設計思想。

空空導彈的低成本設計可從兩個方面進行:1) 設計方法的低成本。目前空空導彈的研發(fā)模式是基于硬件樣機及樣機試驗的方案迭代。通過硬件樣機的不斷改進,滿足產品性能需求。此種通過硬件迭代的研發(fā)模式,適用于早期計算機設計、仿真手段不健全、不完備時代的系統(tǒng)工程研制,其缺點是產品研制周期長、研發(fā)成本高,特別是越到研制后期,硬件改動越大,成本越高[15]。隨著計算機技術的成熟應用,以數字迭代為主、輔以樣機試驗驗證的基于模型的系統(tǒng)工程方法成為導彈低成本設計體系構建的重要手段。通過對需求的細致分解,以模塊化、模型化、組合化為核心,在虛擬空間中快速迭代可行方案,縮短研發(fā)周期、提升設計質量、降低產品全壽命周期的成本,適應規(guī)?；枨蟮目湛諏椩O計需要。2) 產品器件的選用?？湛諏椌哂蟹浅栏竦沫h(huán)境適應性需求,致使電子元器件的選用標準十分嚴格,成本居高不下。目前我國實戰(zhàn)化戰(zhàn)訓越來越多,對于訓練用的空空導彈其貯存和使用的環(huán)境需求可以降低,選用工業(yè)級的電子元器件也是一種可行的路徑。

3 結論

人工智能的發(fā)展促使規(guī)?；諔?zhàn)的進程加快,空空導彈作為制空作戰(zhàn)的主要裝備,必須變革傳統(tǒng)的研發(fā)、生產以及串行的設計方法和模式,適應規(guī)?；諔?zhàn)的發(fā)展需求。本文從導彈設計、生產、維護保障等全生命周期的設計角度對空空導彈適應規(guī)?；瘜沟陌l(fā)展需求及思路進行了初步的梳理和分析,提出了適應規(guī)?；諔?zhàn)的導彈解耦設計、低成本設計的硬件模塊化、功能軟件化、能力定制生成化的新型架構設計方法,可為空空導彈的未來發(fā)展提供一定的設計思路借鑒。