熊俊輝,李克勇,劉 燚,吉 雨
(1.江蘇大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江 212013;2.上海機(jī)電工程研究所,上海 201109)
臨近空間通常指高度20~100 km 空間區(qū)域,這個(gè)范圍內(nèi)的飛行器不僅可以借助稀薄大氣環(huán)境實(shí)現(xiàn)更高的飛行速度,還可以利用高度優(yōu)勢(shì)和變軌機(jī)動(dòng)能力避開(kāi)中低空防御系統(tǒng)的攔截。近幾十年來(lái),世界各主要軍事強(qiáng)國(guó)將高超聲速飛行技術(shù)視為未來(lái)軍事科技的制高點(diǎn),開(kāi)展了一系列技術(shù)攻關(guān)及演示驗(yàn)證項(xiàng)目,在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、高超聲速氣動(dòng)優(yōu)化、制導(dǎo)與控制、氣動(dòng)熱防護(hù)等技術(shù)領(lǐng)域不斷取得成果,推動(dòng)了臨近空間高超聲速飛行器的裝備化進(jìn)程[1-2]。從美國(guó)早期多次開(kāi)展X-51A 高超聲速巡航導(dǎo)彈飛行驗(yàn)證、俄羅斯完成“鋯石”艦載高超聲速巡航導(dǎo)彈試射[3]、美國(guó)依托助推-滑翔飛行器項(xiàng)目(tactical boost glide,TBG)加緊研發(fā)“空射快速響應(yīng)武器”(AGM-183A 空射導(dǎo)彈)項(xiàng)目、俄羅斯搶先列裝“匕首”空射導(dǎo)彈和“先鋒”陸基導(dǎo)彈來(lái)看,臨近空間高超聲速飛行器將成為未來(lái)強(qiáng)國(guó)對(duì)抗的關(guān)鍵裝備[4]。不同技術(shù)體制的臨近空間高超聲速飛行器相繼面世,特別是俄羅斯等國(guó)高超聲速助推-滑翔導(dǎo)彈的實(shí)戰(zhàn)化部署,已經(jīng)引起了各國(guó)對(duì)臨近空間防御體系的高度重視[5]。美國(guó)在改造升級(jí)現(xiàn)有防御系統(tǒng)的同時(shí),還啟動(dòng)了“高超聲速防御”和“滑翔破壞者”(glide breaker)項(xiàng)目,以研發(fā)針對(duì)性的防御技術(shù)與裝備來(lái)彌補(bǔ)臨近空間防御能力的不足[6-7]。因此,臨近空間高超聲速飛行器在高科技戰(zhàn)場(chǎng)中將面臨新的威脅,其被寄以厚望的突防能力存在被抵消風(fēng)險(xiǎn)。
根據(jù)動(dòng)力體制和飛行速度剖面的不同,臨近空間高超聲速飛行器通??煞譃楦叱曀傺埠斤w行器(hypersonic cruise vehicle,HCV)和高超聲速助推-滑翔飛行器。
HCV 一般通過(guò)固體火箭或其他組合動(dòng)力將巡航體助推到較高馬赫數(shù)(常見(jiàn)3~5Ma)后,依靠超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在臨近空間內(nèi)以超過(guò)5Ma速度持續(xù)飛行,典型代表有美國(guó)的X-51A(驗(yàn)證機(jī))和俄羅斯的“鋯石”高超聲速巡航導(dǎo)彈。這種飛行器在突防上有以下性能優(yōu)勢(shì)。
1)飛行速度快。當(dāng)前美、俄等研發(fā)驗(yàn)證的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)適宜工作高度約25~35 km,對(duì)應(yīng)較經(jīng)濟(jì)的巡航速度約5~7Ma,采用該動(dòng)力系統(tǒng)的飛行器絕大多數(shù)飛行軌跡的速度超過(guò)5Ma,是亞音速巡航導(dǎo)彈的5倍以上。速度快給突防帶來(lái)的好處為:一是可以大幅縮短目標(biāo)射程下的飛行時(shí)間,從而壓縮C4I 系統(tǒng)的發(fā)射時(shí)機(jī)窗口,增加攔截難度;二是根據(jù)二者交會(huì)原理,攔截器的速度明顯小于目標(biāo)的速度,甚至出現(xiàn)速度比小于1的情況,這會(huì)增大攔截器的需用過(guò)載、增加末段交會(huì)脫靶量、減小有效攔截區(qū)域[8]。
2)飛行高度高。雖然HCV 多采用固體火箭從陸地、海上或低空發(fā)射來(lái)將其助推到一定高度和高馬赫數(shù),但整體上助推段的時(shí)間和航跡短,飛行器大多數(shù)時(shí)間處于25 km 以上高度飛行,對(duì)當(dāng)前各主要國(guó)家采用的助推段防御、中段防御、末段防御而言,其巡航飛行高度仍屬于攔截能力短板[4,9]。
3)臨近空間內(nèi)全程帶動(dòng)力機(jī)動(dòng)。HCV 在臨近空間內(nèi)帶動(dòng)力飛行,可以隨時(shí)進(jìn)行縱向和橫向機(jī)動(dòng),使得防御系統(tǒng)無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其航跡及攻擊目標(biāo)。此外,雖然發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道一定程度上限制了大攻角飛行,但在高超聲速飛行時(shí)即使以較小的攻角機(jī)動(dòng)也可以引起攔截器較大的導(dǎo)引過(guò)載,從而導(dǎo)致攔截彈脫靶量增大。
高超聲速助推-滑翔飛行器基于彈道導(dǎo)彈技術(shù),裝備化進(jìn)程更快,俄羅斯的“先鋒”和“匕首”導(dǎo)彈已經(jīng)開(kāi)始服役,美國(guó)AGM-183A 導(dǎo)彈則已完成了適應(yīng)性掛飛[10]。這種飛行器雖然不能實(shí)現(xiàn)全程帶動(dòng)力,但與HCV 相比,其平均飛行速度接近甚至更高,有其獨(dú)特之處。
1)飛行高度跨度大。助推-滑翔飛行器軌跡可分為助推上升段和滑翔機(jī)動(dòng)段,主要軌跡為臨近空間內(nèi)的滑翔機(jī)動(dòng)段?;铏C(jī)動(dòng)段可根據(jù)射程和落速等要求進(jìn)行多次拉升,無(wú)動(dòng)力、純氣動(dòng)控制的二次拉升高度一般不高于70 km,航區(qū)內(nèi)拉起高度一般不低于15 km,多數(shù)時(shí)間處于末段防御系統(tǒng)和中段防御系統(tǒng)的防御高度范圍之外。得益于較大的飛行高度跨度,助推-滑翔飛行器只在其飛行末段處于末段防御系統(tǒng)的攔截范圍,且很難被二次攔截。
2)變射面和變軌機(jī)動(dòng)。由于速度大,而且滑翔體針對(duì)高超聲速飛行進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),在高超聲速區(qū)間具有較好的升阻特性,即使在較稀薄氣體下也可以實(shí)現(xiàn)滑翔體的純氣動(dòng)控制,在約20 km 高度下的機(jī)動(dòng)過(guò)載可達(dá)3~8g,可在臨近空間進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間機(jī)動(dòng)飛行,包括縱向跳躍滑翔和橫向大范圍機(jī)動(dòng),實(shí)現(xiàn)變射面和變軌機(jī)動(dòng)。
目前的防御體系主要由彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)和中低空防空系統(tǒng)組成,根據(jù)臨近空間飛行器的目標(biāo)特性可分為助推段防御、中段防御和末段防御,主要防御系統(tǒng)的性能見(jiàn)表1[11-13],臨近空間突防對(duì)抗態(tài)勢(shì)見(jiàn)圖1。
表1 主要防御系統(tǒng)的性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of typical defense systems
圖1 臨近空間高超聲速飛行器突防對(duì)抗態(tài)勢(shì)Fig.1 Penetration confrontation situation of near space hypersonic vehicle
助推段防御系統(tǒng)也稱助推段/爬升段防御系統(tǒng)。高超聲速飛行器在助推段一般不作機(jī)動(dòng),軌跡平直、特征明顯,美國(guó)、以色列曾開(kāi)展空基攔截器的助推段攔截系統(tǒng)研究和驗(yàn)證[14],主要用于不對(duì)稱戰(zhàn)爭(zhēng)中對(duì)彈道導(dǎo)彈進(jìn)行攔截。這種空基攔截器作戰(zhàn)距離較短,要求載機(jī)平臺(tái)抵近發(fā)射,在高強(qiáng)度對(duì)抗中實(shí)用性不佳,難以構(gòu)成實(shí)質(zhì)威脅。對(duì)于助推-滑翔飛行器,其彈道最高度點(diǎn)附近的區(qū)域處于末段高空區(qū)域防御系統(tǒng)(terminal high altitude area defense, THAAD)的攔截高度范圍內(nèi)。THAAD系統(tǒng)主要用來(lái)攔截防區(qū)內(nèi)的末段高層目標(biāo),攔截距離通常遠(yuǎn)小于臨近空間助推-滑翔飛行器的射程,難以觸及縱深部署的遠(yuǎn)射程飛行器的高彈道區(qū)域。
中段防御系統(tǒng)也稱巡航段/滑翔段防御系統(tǒng)。目前可用來(lái)攔截臨近空間飛行器的典型防御系統(tǒng)包括“宙斯盾”系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)-6 和S-400 反導(dǎo)系統(tǒng)。對(duì)于HCV,在進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)-6 或S-400 的攔截范圍后存在被攔截風(fēng)險(xiǎn),但二者以迎擊方式超過(guò)10Ma速度交會(huì),即使較小的導(dǎo)引信息誤差或目標(biāo)機(jī)動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致較大的脫靶量,在高超聲速巡航段的攔截難度較大;對(duì)于助推-滑翔飛行器,滑翔體主要在臨近空間內(nèi)進(jìn)行跳躍滑翔,中段多處于25~40 km 高度范圍,速度一般在5Ma以上,攔截器需要將交會(huì)點(diǎn)控制在射程和射高范圍內(nèi),且同樣存在相對(duì)速度過(guò)大的問(wèn)題,滑翔中段攔截難度較大。
由于有效載荷落速、探測(cè)器工作等要求,兩種高超聲速飛行器在接近目標(biāo)區(qū)域都要降高、減速,給防御系統(tǒng)提供了最佳時(shí)機(jī)。當(dāng)高超聲速飛行器高度降至20 km 以內(nèi),速度減至3Ma以下,標(biāo)準(zhǔn)-6、S-400/S-300、PAC-3、海拉姆等防御系統(tǒng)可以把其當(dāng)成慣性彈頭或中低空目標(biāo)進(jìn)行攔截,具有攔截可行性??紤]到巡航體或滑翔體進(jìn)入末段時(shí)的速度仍然較大,且在中低空可以產(chǎn)生較大的縱向和橫向機(jī)動(dòng)過(guò)載,末段攔截仍將產(chǎn)生比攔截低速目標(biāo)或再入式彈頭更大的需用過(guò)載和脫靶量。此外,HCV帶動(dòng)力飛行可在末段進(jìn)行大范圍的機(jī)動(dòng),甚至繞到防御弱點(diǎn)方向進(jìn)行攻擊,進(jìn)一步提高突防機(jī)率。因此,現(xiàn)有末段防御系統(tǒng)作為最后的屏障攔截,其可靠性依然不夠。
整體上,臨近空間高超聲速飛行器對(duì)現(xiàn)有防御系統(tǒng)仍具有突防優(yōu)勢(shì)。隨著多型臨近空間高超聲速裝備入役,臨近空間防御薄弱已經(jīng)引起美、俄等國(guó)高度重視,各國(guó)正積極開(kāi)發(fā)針對(duì)性的臨近空間防御技術(shù)與裝備。
根據(jù)目標(biāo)特性,國(guó)外對(duì)防御系統(tǒng)的改進(jìn)主要圍繞預(yù)警探測(cè)、指控系統(tǒng)和攔截器本身來(lái)開(kāi)展。
更早地獲取高超聲速飛行器的軌跡可以提高后續(xù)軌跡預(yù)測(cè)的精度。美國(guó)啟動(dòng)了一系列預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)改進(jìn)工作:一是改進(jìn)THAAD 系統(tǒng)的AN/TPY-2雷達(dá),使其具備更強(qiáng)的高超聲速導(dǎo)彈探測(cè)能力,為攔截器提供更充裕的反應(yīng)時(shí)間;二是對(duì)可長(zhǎng)時(shí)間滯空偵察的MQ-9 無(wú)人機(jī)進(jìn)行改造,形成對(duì)中高空目標(biāo)的被動(dòng)探測(cè)能力,戰(zhàn)時(shí)可以充當(dāng)防區(qū)外臨近空間目標(biāo)探測(cè)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn);三是新一代天基導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)將高超聲速飛行器作為關(guān)鍵目標(biāo),針對(duì)其紅外散射特性布置了安裝天基紅外探測(cè)系統(tǒng)的4 顆大橢圓軌道(highly elliptical orbit,HEO)衛(wèi)星和4 顆地球同步軌道(geosynchronous earth orbit,GEO)衛(wèi)星,彌補(bǔ)陸/?;A(yù)警系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)距離、大高度目標(biāo)探測(cè)能力的不足[15];四是美國(guó)導(dǎo)彈防御局(missile defense agency,MDA)2018年發(fā)布了“高超聲速與彈道導(dǎo)彈跟蹤空間傳感器”(hypersonic and ballistic tracking space sensor,HBTSS)計(jì)劃,以設(shè)計(jì)能跟蹤高超聲速和彈道導(dǎo)彈的天基傳感器。未來(lái)美國(guó)還將對(duì)陸基、海基、空基和天基預(yù)警探測(cè)能力進(jìn)行整合,形成一體化的探測(cè)預(yù)警網(wǎng)絡(luò)體系[16]。
在指揮控制系統(tǒng)方面,MDA 基于現(xiàn)有的衛(wèi)星資源及通信設(shè)施,通過(guò)改進(jìn)用于彈道導(dǎo)彈防御體系(ballistic missile defense system,BMDS)的地基雷達(dá)和指揮、控制、作戰(zhàn)管理與通信(C2BMC)系統(tǒng),使其初步具備應(yīng)對(duì)高超聲速武器威脅的能力[15]。同時(shí)MDA 還計(jì)劃構(gòu)建天空地一體化的通信系統(tǒng),使其具備對(duì)高超聲速導(dǎo)彈探測(cè)預(yù)警后的有效指控、管理與通信能力,為防御臨近空間飛行器探測(cè)提供通信保障。
在攔截器改進(jìn)方面,主要對(duì)當(dāng)前防空反導(dǎo)導(dǎo)彈采取增加射程、增加攔截高度和機(jī)動(dòng)能力等措施來(lái)提高攔截適應(yīng)性。2014年,MDA 啟動(dòng)了增程型薩德系統(tǒng)(THAAD-ER)研究,實(shí)現(xiàn)對(duì)高超聲速助推-滑翔目標(biāo)的攔截能力。據(jù)悉,通過(guò)增加直徑更大的第二級(jí)助推器,THAAD-ER 的攔截距離和攔截高度可達(dá)基礎(chǔ)型的3倍,攔截范圍可擴(kuò)大至9~12 倍[17]。在MDA 公布“高超聲速防御武器系統(tǒng)”項(xiàng)目后,洛馬公司提出的“標(biāo)槍”高超聲速防御武器系統(tǒng)采取基于PAC-3 MSE導(dǎo)彈改進(jìn)的思路,用于在滑翔末段低層進(jìn)行攔截,與THAAD-ER 形成分層防御[18]。俄羅斯近年來(lái)也采取了一些措施補(bǔ)充反臨近空間能力:一是S-400 防御系統(tǒng)配置的9M96E2 型攔截彈,設(shè)計(jì)之初就考慮了30 km 高度附近的攔截需求,采用了鴨式布局、燃?xì)馔屏κ噶靠刂?、末段軌控直接力控制、多點(diǎn)起爆定向戰(zhàn)斗部等技術(shù),與S-300相比,能夠應(yīng)對(duì)更大速度和更強(qiáng)機(jī)動(dòng)的目標(biāo),反臨近空間能力得到顯著提升[19-20]。
針對(duì)臨近空間高超聲速飛行器威脅,美國(guó)主要推進(jìn)了兩個(gè)防御項(xiàng)目:一個(gè)是MDA 主導(dǎo)的“高超聲速防御”項(xiàng)目;二是美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(defense advanced research projects agency,DARPA)主導(dǎo)的“滑翔破壞者”項(xiàng)目。“高超聲速防御”項(xiàng)目包括“高超聲速防御武器系統(tǒng)”(hypersonic defense weapon system,HDWS)和“區(qū)域性滑翔段攔截武器系統(tǒng)”(hypersonic defense regional glide phase weapon system,RGPWS)兩個(gè)子項(xiàng)。HDWS 主要用于探索高超聲速武器防御概念,2018年初次授予的21份合同涉及了動(dòng)能/非動(dòng)能、陸基/空基/天基、助推段/末段攔截等多種防御概念,2019年優(yōu)選了4 個(gè)動(dòng)能攔截方案和1個(gè)非動(dòng)能攔截方案,包括洛馬公司的THAAD-ER和“標(biāo)槍”高超聲速防御系統(tǒng)方案;RGPWS 于2020年公布項(xiàng)目招標(biāo)書(shū)草案,屬于原型設(shè)計(jì)階段研發(fā)項(xiàng)目,主要針對(duì)臨近空間助推-滑翔飛行器[16]。DARPA 在2018年發(fā)布了“滑翔破壞者”項(xiàng)目的招標(biāo)文件,主要用于研發(fā)可以解決在遠(yuǎn)距離、高層大氣內(nèi)攔截機(jī)動(dòng)式高超聲速飛行器的關(guān)鍵技術(shù),第1 階段重點(diǎn)攻關(guān)攔截器的關(guān)鍵技術(shù),第2階段進(jìn)行技術(shù)集成與演示驗(yàn)證[15]。
俄羅斯也在新型反導(dǎo)裝備研發(fā)中將反臨近空間目標(biāo)作為關(guān)鍵需求。S-500 第五代防御系統(tǒng)可配置適應(yīng)防空和反導(dǎo)的多種攔截彈,攔截高度包括整個(gè)臨近空間,攔截距離將增至600 km,適應(yīng)目標(biāo)速度達(dá)20Ma。第3 代莫斯科反導(dǎo)系統(tǒng)A-235 配備了遠(yuǎn)、中、近程攔截彈,其中近程攔彈(77N6)的攔截高度為15~40 km,攔截距離為350 km,采用常規(guī)破片式殺傷方式[18],幾乎為臨近空間HCV“量身定制”。
歐盟將推進(jìn)“龍卷風(fēng)”高超聲速導(dǎo)彈防御計(jì)劃,將高超聲速巡航導(dǎo)彈、超聲速滑翔機(jī)動(dòng)飛行器作為攔截對(duì)象[19]。除了傳統(tǒng)的動(dòng)能攔截,定向能武器也被列入反目標(biāo)武器之列,MDA在“高超聲速防御武器系統(tǒng)”項(xiàng)目第2輪優(yōu)選的5個(gè)方案中就包括雷神公司提出的基于高功率微波武器的“非動(dòng)力學(xué)高超聲速防御概念”。
隨著防御系統(tǒng)的不斷改進(jìn),針對(duì)性的反臨技術(shù)和裝備的逐步應(yīng)用,臨近空間高超聲速飛行器的突防能力優(yōu)勢(shì)正在逐漸被抵消,需要探索策略性改進(jìn)。
由于特殊的飛行軌跡和氣動(dòng)熱效應(yīng),高超聲速飛行器難以逃避陸基預(yù)警雷達(dá)和天基紅外探測(cè)系統(tǒng)等平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)化探測(cè)??紤]到射程和速度損失,高超聲速飛行器在臨近空間內(nèi)的程序機(jī)動(dòng)過(guò)載并不大,反臨攔截器通過(guò)增程和直氣復(fù)合控制,可在交會(huì)末段產(chǎn)生足夠的法向機(jī)動(dòng)和響應(yīng)速度來(lái)減小脫靶量,程序化機(jī)動(dòng)突防可能失靈。為此,針對(duì)臨近空間交會(huì)碰撞問(wèn)題,從增大攔截器的脫靶量出發(fā),將程序化機(jī)動(dòng)向智能機(jī)動(dòng)規(guī)避轉(zhuǎn)變。通過(guò)外部數(shù)據(jù)鏈或自身探測(cè)器獲取攔截器數(shù)量和運(yùn)動(dòng)信息,智能飛行控制系統(tǒng)根據(jù)二者交會(huì)的導(dǎo)引方法特性,在交會(huì)臨界點(diǎn)生成對(duì)應(yīng)攔截器最大需用過(guò)載的機(jī)動(dòng)模式和機(jī)動(dòng)方向,采取“攔截器運(yùn)動(dòng)-態(tài)勢(shì)感知-機(jī)動(dòng)策略生成-機(jī)動(dòng)控制實(shí)施”的閉環(huán)機(jī)動(dòng)方案,實(shí)現(xiàn)適時(shí)機(jī)動(dòng)、視需機(jī)動(dòng),以此增大脫靶量,提高突防概率。
攔截器一旦具備發(fā)射條件,單一飛行器面對(duì)“二攔一”或“多攔一”的情況時(shí),其突防效果不佳[20-21]。為此,基于智能化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展趨勢(shì),引入多飛行器組網(wǎng)協(xié)同的博弈對(duì)抗思維,高超聲速飛行器以集群發(fā)射后在臨近空間內(nèi)編隊(duì)組網(wǎng),根據(jù)對(duì)抗態(tài)勢(shì)可適時(shí)變換編隊(duì)構(gòu)型以改變目標(biāo)特性、分配飛行器偏離射面以誘騙掩護(hù)主攻飛行器,甚至根據(jù)對(duì)抗強(qiáng)度指派飛行器主動(dòng)犧牲并碰撞掩護(hù)編隊(duì),從而提高集群對(duì)抗的綜合突防效能。
隨著智能化、無(wú)人化裝備發(fā)展,強(qiáng)國(guó)之間的對(duì)抗很大程度上是高科技裝備的消耗戰(zhàn)。防御方將臨近空間作為攔截的關(guān)鍵窗口,對(duì)此可利用該空間內(nèi)的氣體環(huán)境特性,助推-滑翔飛行器可攜帶伴飛式誘餌,在下滑段密集施放后可以產(chǎn)生和母體相似的軌跡和速度特性,從而導(dǎo)致防御系統(tǒng)攔截器過(guò)量發(fā)射,同時(shí)也干擾攔截器的目標(biāo)選定,增大母體的生存機(jī)率。
臨近空間飛行器可根據(jù)外形和結(jié)構(gòu)特點(diǎn),在滑翔體或助推器上安裝電子干擾裝置,結(jié)合軌跡特點(diǎn)和探測(cè)器協(xié)同工作,干擾防御系統(tǒng)火控雷達(dá)和攔截器探測(cè)器的工作,使其不能截獲目標(biāo),從而使攔截器不滿足發(fā)射條件或發(fā)射后無(wú)法準(zhǔn)確命中。
臨近空間高超聲速飛行器已經(jīng)被視為未來(lái)高科技戰(zhàn)場(chǎng)上的關(guān)鍵裝備,各主要強(qiáng)國(guó)針對(duì)其目標(biāo)特性正在積極研發(fā)針對(duì)性的防御技術(shù)和裝備,其突防性能優(yōu)勢(shì)面臨新的威脅。通過(guò)分析臨近空間高超聲速飛行器的突防能力特征和防御技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì),探討了可以采取的突防改進(jìn)策略,為臨近空間攻防對(duì)抗技術(shù)發(fā)展提供參考。