高超声速飞行器发展及作战效能初探

2011-12-15邢继娟李伟叶丰

军事运筹与系统工程 2011年4期

邢继娟，李伟，叶丰

(复杂系统仿真国家重点实验室总体实验室，北京100101)

1 高超声速飞行器发展研究

高超声速飞行器，是指飞行马赫数等于或大于5、能在大气层和跨大气层中实现高速远程飞行的飞行器。高超声速飞行器所具有的全球实时侦察、快速部署、远程精确打击、攻击目标范围广等能力，更能适应未来高节奏作战的需要，有可能改变未来战争的作战样式，具有极高的军事应用价值，是当今世界各主要国家武器研制的热点和焦点。

当前，高超声速技术研究已从20世纪90年代的原理探索阶段，进入了以高超声速飞行器为应用背景的先期技术开发阶段。按照美国提出的技术成熟度等级，美国超燃冲压发动机的技术成熟度已经达到第6级，计划2015～2020年基本完成高超声速巡航导弹的研制，从而达到武器装备应用阶段(TIL-9)。此后，以超燃冲压发动机为动力的高超声速飞机和空天飞机也将投入使用。

预计美国将在2015年前后开始部署使用高超声速巡航导弹。高超声速飞机可能在2025～2035年投入使用，空天飞机则可能在2040年后投入使用。

2 高超声速巡航导弹的作战特点

高超声速巡航导弹(以下简称高超巡)具有高速度、高精度、隐形化的特点，一改目前亚音速巡航导弹(以下简称亚巡)飞行高度低、速度低，易被发现和拦截的现状。惯以拦截亚巡的典型多层拦截防御系统，难以对高超巡奏效。高超巡将成为战略威慑、战术运用兼备的新型远程精确打击武器。

相对于弹道导弹，高超巡的飞行弹道难以预测;相对于亚巡，高超巡具有更快速的打击能力，更高的突防能力和穿透能力。再者，高超巡能够攻击亚巡难以奏效的目标，如深埋地下的战略目标、航空母舰编队、弹道导弹机动发射架等高价值目标，以及活动目标和时间敏感目标。

高超巡的典型飞行可分为助推段、高空巡航段、俯冲段，如图1所示。空基发射方式下，高超巡下挂在超音速轰炸机或战斗机上，当飞机达到速度1.5Ma、高度10km左右时，水平弹射高超巡，高超巡被助推并按预定方案加速爬升，至6Ma、30km高空时，助推器工作结束(陆基、海基发射方式，由火箭助推器直接发射高超巡)，进入巡航段。在高空巡航段，导弹一、二级分离，冲压发动机点火，调整飞行姿态，进入高空巡航状态，巡航飞行接近目标，进入俯冲段。在俯冲段，高超巡达到预定目标区域时，开始俯冲，目标进入导引头探测距离范围时开启导引头，通过导引不断调整飞行弹道，直到实现对目标的精确打击。

高超巡具有以下作战特点:

(1)快速打击能力强。高超巡凭借其高速度，在很短时间(10分钟左右)内就能够打击近千公里之外的目标，作战时间可大幅缩短，提高武器进攻的突然性和有效性，加快战争进程。美国国防部认为，高超声速巡航导弹，可在两小时内从本土直接打击全球任何地点，将大幅提升美军“发现即摧毁”的军事能力。

(2)突防概率高。高超巡的高速特性与隐身特性相结合，将缩短敌方雷达探测距离和防空武器系统的反应时间，使其有效拦截区域减小，常用的多层拦截技术难以奏效，只能以末端拦截或点防御拦截为主，拦截概率大幅下降。

(3)可有效摧毁高价值目标。高超巡巨大的动能有很强的穿透力，在命中目标时，能有效地提高对重要目标(加固目标、深埋地下目标)的杀伤能力。

3 高超巡的攻防对抗仿真系统构建

在当前日益复杂的作战环境下，建立高超巡防对抗仿真系统，对作战过程的预警、拦截、突防等环节进行建模，选取典型的作战环境以及武器装备的战技术指标，基于仿真评估高超巡在对抗作战环境下的突防能力，为高超巡作战效能评估以及攻击策略等作战运用研究提供支撑。

3.1 作战想定

为了便于研究高超巡的作战效能，以高超巡攻击相距600km远的敌方某地面目标为算例(不考虑发射平台)，其巡航速度为5Ma、巡航高度30km。敌方防御系统在上级统一指挥下，有预警卫星、远程预警雷达的信息支援，对高超巡进行预警探测，并采用先进防空导弹进行拦截。

设置武器系统的典型参数如下:

高超巡:RCS≤0.2m2，CEP为5m，巡航段横向过载6g，俯冲段横向过载15g。

防空导弹:参照PAC-II相关参数，最大拦截高度20km，最小拦截高度300m，最大拦截距离50km，最小拦截距离500m，最大飞行速度6～7Ma，机动过载能力A拦为14g。

预警卫星:参照天基红外预警卫星(SBIRS-H)相关参数，飞行高度35860km，扫描型探测器周期为9s，凝视型探测器周期为2s，红外探测器波长(λ)为2.7μm和4.3μm，虚警概率1×10-6。

雷达:参照铺路爪雷达(FPS-115出口型)相关参数，探测距离1100km(RCS=0.1m2)，虚警概率1×10-6。双阵面覆盖范围240°，阵面夹角60°，仰角覆盖3°～85°，扫描周期6s、跟踪周期2s。

对于600km的距离，亚巡飞行时间约36min，高超巡的飞行时间约为6min，弹道导弹的飞行时间大约是10min。

3.2 预警模型

3.2.1 预警卫星模型

在同步卫星红外探测器与目标距离较远且背景充满视场面源的情况下，将目标看成一个点源，用探测距离、大气衰减、探测视场角和探测概率四个指标衡量从复杂强背景下检测出点目标的效果。(1)探测距离。目标到卫星的距离应小于卫星的最大红外探测距离Rs0。

式(1)中，γ为脉冲能见度系数，C为单个探测器元件的数目，Ω'为搜索速率，T为等效帧时间。

(2)大气层高度门限。由于红外探测器与目标距离远，在几万公里高空，目标的红外特征经大气有衰减，模型难以建立，数据难以获取，所以通常以稠密大气层高度(30km)为门限。

(3)探测视场角。探测器的视场角为A，由于探测器的光轴与红外探测器望远镜轴线不重合，存在夹角B，会形成一个视场盲区C，如图2所示，当目标与卫星轴线的夹角处于(C、(A+C))之间时，才可能被发现。

(4)目标探测概率。红外成像系统对点目标的探测可以近似作为窄带系统处理，从信号检测理论角度考虑，可利用二元信号检测理论建立探测概率计算模型。探测概率是n次扫描有m次及m次以上发现目标的概率，探测概率Pd表达式为:

式(2)中，Pg为每次扫描发现目标的概率，称为瞥概率。

3.2.2 远程预警雷达模型

式(3)中，Pt为雷达发射功率(150kw)，Gt(θ，φ)为雷达天线增益(38.4db)，为最小信噪比(2)，λ为雷达波长(0.7m)，K1为波尔兹曼常数(1.38×10-23W·S/K)，BN为滤波器噪声带宽(1×105Hz)，TS为接收系统噪声温度(290K)，L为系统的损耗系数。

由于地表表面弯曲，雷达会产生一个探测盲区，该盲区的高界即为雷达探测的最低可见高度。对应于目标距离d的最低可见高度为:

式(4)中，R为地球半径，β0为雷达下盲角，ho为雷达天线架高，显然，当目标高度低于h1就不通视。同样，由于地球曲率影响，雷达会因此产生一个最大通视距离，当目标飞行高度为H时，用雷达侦察通视的最大距离可以按式(5)计算:

经过仿真计算，得到预警卫星、预警雷达、预警机对亚巡、高超巡、战术导弹的预警情况见表1。

表1 预警卫星、预警雷达、预警机对亚巡、高超巡、战术导弹的预警时间

3.3 突防模型

由于超高巡飞行速度快，其突防能力主要与拦截次数、突防概率有关。这里重点讨论拦截次数、突防概率的建模。

3.3.1 被拦截次数模型

超高巡的巡航段和俯冲段是敌方防空导弹实施拦截的最佳时机。超高巡巡航段的拦截示意图如图3所示。经推导，敌方防空导弹在超高巡巡航段对其的拦截次数为:

式(6)中，Vd=VD·cosθ1表示防空导弹平均飞行速度的水平分量，λv=表示防空导弹平飞速度与高超巡的速度比。Nm是防空导弹杀伤区的覆盖范围和防空导弹与高超巡两者速度比的函数，Nm随着速度比λv的变小，亦即高超巡速度的增加而下降。

仿真结果数据如图4所示，如果高超巡在20～25km巡航，被拦截的次数小于2次，随着高度的增加，被拦截次数在减少。

通常，在超高巡巡航段，由于其高速，防空导弹只能实施1次拦截。现假设高超巡在巡航段、俯冲段内各遭受1次拦截。

3.3.2 突防模型

巡航段高超巡的突防概率P巡航段=1-Kt

式(7)中，Kt为防空导弹对超高巡的杀伤概率，Dt为搜索跟踪雷达对超高巡的探测概率，It为截击引导雷达的引导概率，Ct为敌方指控系统的指挥效率，αt为防空导弹的可靠发射概率，γt为防空导弹的飞行可靠率，ωt为防空导弹的单发杀伤概率，nt为防空导弹一次发射弹的数量，βt为防空导弹相对高超巡的命中概率。

其中，βt是影响高超巡突防的主要因素，从概率上讲，βt是在非机动条件下的命中概率βt0和机动时的捕获概率βt1的乘积，即为βt=βt0·βt1，依据国外资料参考文献介绍βt0=0.8～0.85。高超巡实施机动的原则有二:一是机动时刻选择在距离可能被拦截的时刻尽量短，以使得拦截导弹不能多次机动;二是选择在能离开预计命中点足够的距离，以确保不被命中。βt1与高超巡、拦截导弹的速度、过载等有很大关系，建立βt1与高超巡方向转角、拦截弹方向转角、拦截弹机动过载因素的模型(略)，经仿真计算得到捕获概率βt1与拦截弹过载等的关系统计图如图5所示。最佳机动捕获概率为βt1=0.1。

(1)巡航段突防概率。Dt、It、Ct取值0.9，αt、γt取值0.98。ωt取值0.8，nt取值2，βt0取值0.8，βt1为0.1，因此βt取值0.08，得Kt=0.087。

(2)俯冲段突防概率。经计算，得出高超巡在俯冲段的被杀伤概率Ktt=0.085。

4 仿真结果分析

4.1 高超巡对目标的毁伤能力

高超巡突防概率为P高超巡=(1-Kt)(1-Ktt)=(1-0.087)×(1-0.085)=0.835，计算得亚巡的突防概率为P亚巡=0.37，高超巡突防概率是亚巡的2.25倍。

高超巡对目标的击毁概率，有:P击毁=P发现·P指挥·P可靠·P突防·P毁伤·P反干扰，其中，P发现是高超巡对目标的发现概率，P指挥是高超巡指挥成功概率，P可靠是高超巡可靠概率，P突防是高超巡的突防概率，P反干扰是高超巡反干扰概率，P毁伤是高超巡命中目标时对目标的毁伤概率。参照有关专家的建议，P发现取值0.95，P指挥取值0.95，P可靠取值0.98，P反干扰取值1.0，P毁伤取值0.98。计算P突防得0.835，P击毁=0.95×0.95×0.98×0.835×1.0×0.98=0.723。

分析得出以下结论:

(1)防御系统对高超巡的拦截时间短、拦截次数有限，高超巡对目标的毁伤能力强。受防空导弹射程、射高的限制，通常在高超巡的巡航段只有1次拦截机会;而亚巡由于速度慢、巡航高度较低，防空导弹对其防御时间较长，被拦截次数几乎是高超巡的7倍。高超巡的突防概率较高，是亚巡的5～7倍。

(2)防御系统可拦截高超巡的武器较少。飞机、地空导弹、高炮等组成的多层防御系统能对亚巡奏效;仅有PAC-II、PAC-III、标准-III(SA-3)等较先进的防空导弹具有拦截高超巡的可能性。