反临与反导预警探测特征比较

郑建成, 曲智国, 谭贤四, 王京阳, 李陆军

(1. 空军预警学院三系, 湖北 武汉 430019; 2. 中国人民解放军95246部队, 广西 南宁 530007;3. 中国人民解放军93110部队, 北京 100843; 4. 空军预警学院雷达士官学校, 湖北 武汉 430300)

作为一种新的空天威胁武器,临近空间高超声速目标(near space hypersonic target, NSHT)的出现与发展极大改变了传统的作战理念。不同于传统作战武器,这类新型武器普遍具有3大能力:一是5马赫以上的高速飞行能力,二是可达上万公里的远距离攻击能力,三是可在临近空间大气层内作机动飞行。由于具备上述能力,远程精确闪击作战成为现代战争新的作战方式,这对国土防御提出了新的更大挑战,研究NSHT的性能特征成为关乎国家战略安全的重要课题。

根据所提供动力方式的不同,NSHT可分为高超声速巡航导弹(hypersonic cruise missile, HCM)和高超声速滑翔飞行器(hypersonic gliding vehicle, HGV)[1]。其中以HGV的发展更为成熟,典型型号有美国的HTV-2、AHW和俄罗斯的Avangard、Kinzhal,其助推过程与弹道导弹(ballistic missile, BM)相同,都是在火箭助推器上加速到极高的速度,然后进行无动力飞行,直到攻击目标,两者射程相当[2-4]。HGV与BM不同的是,BM飞行弹道大部分处于外大气层且机动性有限,而HGV在飞行过程中依靠空气动力实现滑翔飞行,且具有较强的机动能力,飞行高度也较低[5-6]。从美国导弹防御体系架构[7]可以看出,现有预警探测系统针对BM的预警手段主要有红外和雷达,其发展已比较完备,但对HGV的预警探测性能如何、存在什么问题以及与预警探测BM有何区别还有待深入研究。

目前,国内外学者基于目标运动特性和红外特性开展的反临与反导可探测性问题研究已取得一系列成果,主要可分为4类:一是对HGV高速、高机动、突防能力强等运动性能所作的定性描述[1,8],指出HGV与BM的区别和防御难点;二是针对目标机动能力强的特点,通过建立HGV运动模型,计算其在不同倾侧角时的机动距离[9],在已知目标当前位置、速度与最大升阻比条件下,基于最优化飞行假设对可达区快速预测[10],为定量评估HGV机动能力提供依据;三是针对目标红外辐射特征明显的特点,参考美国天基红外探测器的灵敏度参数构建天基红外卫星探测模型[11-12]、临空基飞艇载红外探测模型[13],进而探讨红外系统对NSHT的探测能力和时空覆盖性问题;四是针对NSHT比BM飞行高度低的特点研究平流层飞艇载雷达[14]、地/海基组网雷达[15]等不同传感器平台对其探测与跟踪性能。

上述研究成果对防御方认识反临与反导预警探测特征具有积极作用。然而,这些研究或仅采取建模颗粒度过粗的定性分析,导致防御方对NSHT认识不足,或仅针对NSHT目标特性开展定量分析和预警探测某一类具体平台技术开展研究,没有立足NSHT的全任务剖面从体系的角度对探测此类目标的特征进行具体评估分析,不利于防御方对其实施体系化的预警探测策略。为此,基于NSHT与BM的不同目标特性,建立红外探测模型和雷达探测模型详细、定量评估NSHT红外辐射强度大、相对飞行高度低和横向机动能力强等特性对预警探测的影响,能够厘清防御方对来袭NSHT性能的认识,进而为严格定量评估高超声速武器系统的威胁和升级现有反导预警体系提供技术支撑。

传统的BM进入高空自由段飞行时可近似为只受地球引力的作用,此时的飞行轨道是一种“二体”轨道,而HGV大气层内飞行除了受到自身重力和离心力作用外,还会受到气动升力和气动阻力的作用。因此,除了考虑运动特性,气动热产生的红外辐射特性也是HGV的明显特征。

1.1 运动模型

图1 再入飞行器弹道几何模型Fig.1 Ballistic geometric model of reentry vehicles

在不考虑地球自转的条件下,对于采用助推器发射的BM[16],采用图1所示几何模型时其质心纵向平面运动方程可表示为

(1)

式中:R为地球半径;g=g0R2/(R+h)2为离地面h处的重力加速度;g0=9.8 m/s2为海平面处重力加速度;Cd为阻力系数;A为飞行器的有效横截面积;ρ=ρ0exp(-h/H)为大气密度[17],ρ0=1.752 kg/m3,H=6 700 m;η为推力T与弹体轴的夹角;Isp为火箭发动机的比冲量;m为助推阶段导弹和再入飞行器的总质量以及在助推剂燃尽后单个再入飞行器的质量。

HGV的典型弹道可分为6个阶段:助推段、弹道段、再入段、爬升段、滑翔段和末段[1]。与BM采用类似助推器发射时,HGV助推段与弹道段可采用式(1)所示的质心运动方程。考虑到关机点之后推力为零和倾侧角的影响,HGV滑翔段和末段运动方程[9]可表示为

(2)

式中:σ为飞行器的倾侧角;D=1/2ρv2CdA为气动阻力;L=1/2ρv2ClA为气动升力,Cl为升力系数。

同时,根据图1可知,在地球表面测量时飞行器的纵向射程和横向射程可分别近似为

(3)

LH=ΩR

(4)

因此,结合式(2)可知,当倾侧角σ=0°时,航向角κ为常数,HGV将保持固定的航向而不进行横向机动飞行;当航向角κ=0°时,横向射程最小,纵向射程最大,当航向角κ=90°时,横向射程最大,纵向射程最小,从而当HGV达到90°的航向角之后保持不变(即σ=0°)时将能获得最大的横向机动距离。

1.2 红外探测模型

根据热量守恒定律,再入飞行器在大气阻力作用下失去的部分动能会转移到飞行器周围的空气中,使其产生强烈的气动热,部分热量沉积到飞行器表面导致其温度急剧升高,引起大量的红外光谱热辐射,其辐射强度I在温度为T时的计算公式[9]为

(5)

式中:ε为表面辐射率;λ为波长;c为光速;h=(6.625 6±0.000 5)×10-34W·s2为普朗克常数;k=(1.380 54±0.000 18)×10-23W·s·K-1为玻尔兹曼常数;θ为飞行器表面面元与表面法线方向的夹角;温度T的单位为K。

HGV高速飞行过程中,其红外辐射强度I超过一定数值,红外探测系统就能探测到其飞行[9]。考虑地面背景辐射和低空大气背景辐射的影响,红外探测器在探测波段内对辐射强度为It的飞行器的探测距离[18]可表示为

(6)

式中:δ为信号提取因子;Ib为探测波段内的背景辐射强度;A0=πd2/4,d为光学系统的有效通光孔径;τa为目标与传感器间的大气透过率;τ0为光学系统的透射率;D为探测器的探测度;Nm为探测到目标所需的最小信噪比;Δf为探测系统的噪声等效带宽;Ad为探测单元面积。

1.3 雷达探测模型

作为导弹防御系统中关键的传感器,雷达的预警探测能力受到自身探测威力和地球曲率等因素的制约。对同一部远程预警相控阵雷达,其搜索距离方程[19]可写为

(7)

式中:Pt为发射功率;G为天线增益;σ为目标雷达散射截面;τ为发射信号脉宽;L为雷达系统损耗;T为等效噪声温度;N为回波信噪比。

考虑地球曲率的影响,雷达探测视距计算公式[20]为

(8)

式中:雷达平台高度h1和目标高度h2的单位为m,计算出的雷达视距L的单位为km。

HGV的战略意义取决于其相对于BM的性能优势,其关键的性能参数有纵向射程、飞行高度、滞空时间、横向射程、红外辐射强度等,这些参数表征了其远程打击、低空突防、快速打击、侧向绕飞突防等能力,直接影响着防御方对该类目标的预警探测策略。根据导弹飞行任务时序和作战距离相当与否,可分别对HGV与BM在相应飞行阶段的红外和雷达预警特征进行量化对比分析,从而评估反临预警探测的性能。为便于分析,表1给出了HGV[9,18,21-22]和BM[23-24]的典型性能指标。其中，“辐射温度”指导弹稳定飞行阶段的温度,对HGV为滑翔段,对BM为中段。

表1 两类导弹目标典型性能指标

2.1 红外预警探测特征比较

弹道导弹助推段在助推剂燃烧过程中会产生高温、大面积、强辐射的尾焰,其红外辐射强度可达190 kW/sr[24],美国的天基红外系统(space-based infrared system, SBIRS)利用高轨卫星平台上的探测系统对主动段尾焰进行探测,在2020年伊朗的报复性导弹袭击中就提供了6 min的发现预警时间,显示了SBIRS反导预警作战的良好能力[25]。对于采用相同助推器发射的HGV和BM,可认为其助推段的红外辐射特征相同,即红外系统对两类目标在助推段提供的预警时间相当。但是在关机点之后,HGV将做短暂弹道运动,然后再入大气层做较长时间的滑翔飞行,其红外探测背景为低空大气背景和地面背景,而BM将在大气层外做较长时间的自由飞行,探测背景为深空冷背景,两者的红外辐射特征将因气动热差异和探测背景的不同而明显不同。

虽然HGV速度快、机动能力强给地基雷达探测带来了困难,但是其大部分任务剖面高速飞行于大气层内使得其红外辐射特征较BM更为明显。当信噪比大于8 dB时SBIRS中的低轨卫星对中段BM探测概率才接近于1[25],而HGV几乎在整个滑翔过程中均能发出超过SBIRS红外探测阈值(6 kW/sr)的信号[9],容易被天基传感器探测到。为量化评估这两类目标红外预警探测的差异,假设目标的纵向射程均为9 310 km,利用文献[18]和文献[25]分别给出的SBIRS在短波段和长波段的性能参数作为计算基础。表2给出了滑翔段HGV(辐射强度阈值取6 kW/sr)和中段BM(探测信噪比阈值取Nm=8 dB)红外探测性能对比情况。

表2 红外探测性能对比

综合以上分析可知,根据HGV与BM所处飞行环境(即红外探测背景)不同,SBIRS选取不同的探测波段和探测阈值以对该两类目标具备持续探测捕获能力。由于HGV的平均辐射温度是BM平均辐射温度的4.6倍,其平均红外辐射强度达到了BM平均红外辐射强度的1 768倍之多。纵向射程均为9 310 km时,SBIRS对BM的作用距离可以覆盖其整个飞行中段(约8 400 km),且要大于对HGV类目标的作用距离,但由于大气阻力的影响,HGV的飞行速度要慢于BM,SBIRS对其可提供的持续跟踪预警时长反而比BM要多187 s。

同时应该注意到,HGV在整个滑翔过程中均能发出超过SBIRS红外探测辐射强度阈值的信号并不代表其可以被全程稳定探测跟踪,其在滑翔末段的飞行速度可能会因大气阻力而减速到足以使其红外辐射强度低于红外探测器的辐射强度探测阈值,给防御方带来探测跟踪“盲区”(即HGV的红外辐射强度低于探测阈值之后的可达区)。但是,此时HGV的机动能力将受到其飞行速度减小的制约:对类似于SBIRS的红外探测系统,假设HGV在其红外辐射强度低于红外探测器探测阈值之后才开始机动,其可达区将仅约400 km(纵向)×200 km(横向)[9]。当HGV的任务航程仅剩数百公里时,地基雷达系统就可以将其捕获进而持续跟踪。

2.2 雷达预警探测特征比较

尽管理论上低轨红外预警卫星对弹道中段/滑翔段目标的探测性能稳健,但是其发展并不完备,很有必要对发展相对成熟的地基雷达系统预警探测两类导弹目标的差异进行比较分析。

(1) 视距可探测性比较

除了所谓的速度优势,NSHT通常被认为可规避现有反导预警系统,从而缩短敌人的反应时间。可以肯定的是,与BM相比,NSHT低空飞行大大降低了地基雷达系统对其探测距离。根据式(8),不考虑地形特征(即假设地球表面是光滑的)和雷达架高时,对不同飞行高度的目标,雷达探测视距随目标高度的变化如图2所示。显然,目标飞行高度越高,雷达视距越远。

图2 雷达视距随目标高度的变化情况Fig.2 Changes of radar horizon with target height

图3 视距可探测性对比Fig.3 Comparison of line of sight detectability

表3 雷达探测性能对比

由图3和表3可知,HGV飞行高度较BM飞行高度低,这直接制约着雷达对其可探测性性能。对部署在导弹落点附近的地基雷达,由于视距限制,雷达可探测到HGV时，HGV飞行高度仅31.4 km,而BM在1 285 km高的深空时雷达就已可探测到其飞行,因而雷达对BM的可探测距离是对HGV可探测距离的6.5倍。虽然雷达可探测到目标飞行时,HGV的速度因大气阻力的影响要慢于BM的速度,但由于HGV飞行高度低、可探测距离近,雷达对其提供的预警探测时间仍然比大气层外无阻力飞行的BM要少将近5 min。由此可见,考虑目标飞行高度和雷达视距限制,地基雷达系统对HGV预警作战采用威力1 000 km左右的新型多功能相控阵雷达(如美国萨德系统中的AN/TPY-2雷达)即可,若采用远程预警相控阵雷达(如美国的改进型早期预警雷达(updated early-warning radar, UEWR))反而是一种资源浪费,而预警探测BM则可采用远程预警相控阵雷达以获得较长的预警时间。

(2) 横向机动可探测性比较

为分析HGV的机动能力对防御方预警探测的影响,基于式(2)所建立的HGV运动模型,假设其初始滑翔速度为20 Ma、初始高度为80 km,倾侧角为10°。图4给出了HGV纵向滑翔不同距离后才开始做横向机动飞行时横向射程随纵向射程的变化情况,表4给出了横向射程和纵向射程的具体数值。对防御方来讲,来袭HGV倾侧角、何时机动等运动参数和状态是未知的。

图4 不同起始机动点横向射程随纵向射程的变化Fig.4 Variation of cross range with down range at different starting maneuver points

表4 不同起始机动点的总横程和总纵程

由图4和表4可知,HGV可达区域大小约为508 km(纵向)×1 803 km(横向)。当具有一定预警引导信息时,要实现对HGV的搜索捕获,雷达在方位上需设置较大搜索屏,而对轨迹可预测的BM,理论上雷达设置单屏搜索即可覆盖横向距离误差范围[26]。当雷达仅执行搜索任务且搜索空域内各处的搜索数据率相同时,其完成划定空域的搜索时间即为搜索帧周期。假设在重点区域监视工作模式下,雷达方位覆盖±45°,波位编排采用列状波束排列方式,水平波束宽度与俯仰波束宽度均为1.5°,雷达信号重复周期为8 ms,脉冲数为10,则在搜索屏厚度相同且对HGV采用全方位搜索、对BM采用方位角10°(考虑3σ位置估计误差)的搜索屏时,在首点发现处雷达对两类目标的最少穿屏时间和雷达搜索波位数、帧周期、照射次数等搜索性能参数[19]如表5所示。

表5 雷达搜索性能对比

由表5可知,纵向射程相同时,对目标首点发现处HGV的穿屏时间仅约BM的穿屏时间的三分之一。但由于其横向机动范围大,雷达在全方位对其搜索时采用的搜索波位数多达60个,延长了搜索帧周期,导致雷达波束对其照射次数仅1次,这极大降低了雷达的搜索捕获能力。而同等条件下雷达波束对BM的照射次数达40次,这种过度搜索反而会造成时间、能量资源的浪费。同时,雷达极端情况下的全方位搜索其横向覆盖范围也只有1 414 km,对即使在纵向滑翔6 000 km后才开始做倾侧角10°横向机动的HGV都无法形成有效覆盖。因此,为保证对HGV的有效捕获,采用多部雷达进行协同搜索是必然选择。然而,雷达之间的接力探测和目标交接存在一定误差和疏漏的可能,由于HGV机动距离远和机动方向的不确定性,对该类目标探测频繁交接将削弱对其稳定跟踪探测的鲁棒性,从而影响预警作战效能。

在典型仿真参数条件下对可达相同射程的HGV与BM红外探测性能和雷达探测性能进行了定量比较与评估分析,主要研究了两类目标红外辐射、飞行高度和机动能力对防御方预警探测的影响,分析结果表明:

(1) 在红外可探测性方面,SBIRS对飞行在助推段的两类目标探测能力相当。但在目标滑翔段/中段,HGV的平均辐射温度可达BM平均辐射温度的数倍,平均红外辐射强度可达BM平均红外辐射强度的上千倍,SBIRS对HGV的红外可探测能力更强。

(2) 在雷达可探测性方面,HGV比BM飞行高度低,地基雷达对其可探测距离仅几百公里,但对BM的可探测距离达数千公里。同时,HGV数千公里的横向机动范围导致轨迹的不可预测性增加了雷达对其搜索捕获的难度和接力探测的频度,制约着防御方的预警资源调度策略和稳定跟踪探测的鲁棒性。

(3) 在预警时间方面,SBIRS对飞行在助推段的两类目标均具备发现预警能力,无动力飞行时由于受大气阻力的影响,HGV的速度较BM要慢、红外辐射特征较BM更明显,红外探测时SBIRS对HGV可提供的预警时间较BM要多数分钟,但受视距限制,地基雷达对其提供的可持续探测时间较BM要少数分钟。

上述分析结果有助于防御方深入思考反临与反导预警探测之间的区别,从而进一步分析应对NSHT的预警探测策略,即首先利用天基红外系统覆盖范围大、作用距离远的特点对NSHT进行捕获与持续跟踪,同时将捕获跟踪信息传输给地面雷达系统,当NSHT红外辐射强度低于天基红外系统探测阈值时交由地基雷达系统进行接力探测与跟踪。卫星对地基雷达的信息提示技术和如何减小交接误差将是下一步需要研究的课题。

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