有效应对多种类目标的引战配合技术途径分析*

张斌

(北京电子工程总体研究所，北京　100854)



有效应对多种类目标的引战配合技术途径分析*

张斌

(北京电子工程总体研究所，北京100854)

摘要：防空导弹武器系统为有效拦截多种类目标，对引战配合设计提出了很高要求。一是需要充分提高引信对目标的可靠探测能力，增强战斗部的毁伤能力，在制导引信一体化设计方面实现突破；二是要求依据目标近场散射特性及易损特性的特点，对相关分系统提出设计要求。两方面协同努力才能保证从系统层面实现对目标的最佳毁伤效果。

关键词：引战配合；目标散射特性；目标毁伤特性；复杂交会条件

0引言

引信战斗部配合技术的最终目的是保证武器系统对目标实现最大程度的毁伤。随着近年来各种飞机及攻击性武器的快速发展，防空导弹武器系统对付的目标种类越来越多，目标的隐身特性及低易损性措施不断增强，导弹与目标的交会状态十分复杂，并且可能存在一些十分不利于实现目标毁伤的交会条件。因此，为了圆满完成防空导弹武器系统有效拦截并摧毁目标的艰巨任务，必须密切跟踪所需应对典型目标的相关特性，不断探索防空导弹引信战斗部系统的最新技术途径，积极发展协同设计及多信息融合的设计理念，使防空导弹引战配合技术实现跨越性发展[1-3]。

1多种类典型目标近场散射特性及毁伤特性分析

1.1多种类典型目标近场散射特性分析

对于引信战斗部系统而言，在弹目遭遇末端能够实现目标的可靠探测，是保证最终实现引战配合效果的基础。弹目遭遇末端的目标探测与目标的近场散射特性密切相关，目标的近场散射特性又与目标的几何形体、材料特性及导弹与目标的交会条件密切相关，因此需要针对不同类型的目标，并结合具体的弹目交会条件，对目标近场散射特性进行分析。

目前，防空导弹武器系统所应对的多种类目标，从大类划分可以分成飞机类目标、导弹类目标两大类。飞机类目标与导弹类目标的几何特性相差很大，几何特性的差异必然造成其电磁散射特性的巨大差异，因此引信对飞机类目标的启动特性要明显不同于对导弹类目标的启动特性。即使是同一类别的目标，散射特性也有很大的不同，如隐身飞机与非隐身飞机存在明显差异，临近空间超高速飞行器与其他导弹类目标相比也有其特殊性，因此需要从不同方面分析目标的近场散射特性[4]。

1.1.1非隐身飞机类目标与导弹类目标近场散射特分析

非隐身飞机类目标与导弹类目标的近场散射特性无论是信号强度、信号持续时间、还是信号起伏特性，两者都有明显的差异，而引战系统的工作特点是具有很强的“瞬时性”、“不可修正性”，对导弹类目标常常需要在不足1 ms的时间内完成目标的探测及战斗部的引爆，对飞机类目标则需要在探测到目标后经过适当的延迟引爆战斗部以实现对目标的高效毁伤。因此，引战配合设计首先对不同类别的目标必须区别对待，才能实现引战配合的最优化设计，实现对有限质量战斗部的充分利用。

除了考虑不同类别目标的差异外，还需要考虑交会条件对目标近场散射特性的影响，特别是对于导弹类目标，不同交会状态对目标回波特性的影响更为严重。图1是典型大交会角条件下导弹与导弹类目标的交会示意图，可以看出，由于导弹类目标一般可以看作杆状物体考虑，因此超前脱靶方位引信天线探测视场相对于目标照射角很小，目标回波信号强度较弱且目标穿越引信探测视场的时间短，不利于引信的启动，而滞后脱靶方位则明显有利于引信对目标的可靠启动。图2是同一个导弹类目标脱靶量2 m时在不同脱靶方位条件下回波信号强度的对比图，可以看出对于导弹类目标，交会条件的不同会对目标探测产生较大的差异，并且由于导弹类目标几何尺寸小、飞行速度快，对引战配合设计精度要求很高，因此必须准确把握不同交会条件下的目标散射特性，引战配合设计中必须考虑交会条件因素的影响。

图1　典型大交会角条件下弹目交会示意图Fig.1　Encounter sketch map of typical big　　　 encounter angle condition

图2　某典型导弹类目标不同脱靶方位时回波信号对比图Fig.2　Contrast of scattering characteristics for one　　　missile target in different miss azimuths

1.1.2隐身飞机目标近场散射特性分析

随着隐身飞机技术的不断发展，隐身飞机的近场散射特性也越来越引起人们的关注，以F-22战斗机为代表的第4代战斗机，其结构设计中大量使用了复合材料，同时使用大量的特种吸波材料和在关键部位涂以吸波涂层，并对外形进行精心的隐身几何设计和应用热屏蔽技术，使第4代飞机具有很好的雷达、红外探测隐身特性。

F-22战斗机表面的关键部位，如机翼前缘、垂尾、进气道唇口及其管道、天线舱内腔等都涂以吸波材料，驾驶舱覆盖金属薄膜，以减小雷达信号反射强度。涂层厚度因部位而异，一般为0.5～2.5 mm，某典型部位可使3 cm波长的反射信号减少15～20 dB。由于碳纤维增强复合材料能显著减小机翼变形，因而可减小飞机作机动动作时的雷达反射截面积(radio cross section,RCS)。武器内置或保形外挂、倾斜配置双垂尾，都是一些降低可探测性的有效措施。研究表明，与常规进气道相比较，采用机翼遮挡的双斜切进气口和s形管道可使RCS减少50%左右;采用吸波材料和吸波涂层更可以显著减少RCS。第4代战斗机通过选择特殊外形降低RCS值。例如，机头采用棱边，使照射的雷达波大部分向其他方向散射;利用弯曲的进气道，使雷达波经过多次反射而照射不到发动机压气机叶片；飞机上的反射边缘、机翼、尾翼、进气口及各种舱门的边缘都设计为平行于前缘2个方向，使反射雷达信号的方向数减到最少等。

以上隐身飞机所采取的隐身措施，将隐身重点多放在鼻锥方向±45°范围内，主要是防前下方雷达的探测,而其上部对雷达波的反射要强得多。对于引信战斗部系统，更需要考虑的是目标的近场散射特性。引信在弹目遭遇段对目标的探测主要是侧向探测，并且360°范围的脱靶方位使得引信从不同的方位角度照射目标，大部分交会状态应当已经避开了鼻锥方向±45°的范围。可以认为隐身飞机采取的隐身措施对引信的影响不如对雷达的影响严重，但隐身飞机采取的隐身措施也造成了其近场散射特性对照射角度敏感且起伏剧烈，因此必须重点考虑多种交会状态下目标近场散射特性的差异。如果不同交会状态下目标近场散射差异很大，会造成引信对目标的启动特性差异很大，在引战配合设计中则必须考虑不同交会状态带来的影响[5-6]。

因此，对于隐身飞机，从引信战斗部系统的角度考虑，引信天线探测视场对目标的照射倾角不宜过小，并且应当尽可能使导弹从有利于引信启动的脱靶方位脱靶，才能有效提高引信对目标启动的可靠性，减少启动点的散布。

1.1.3临近空间目标近场探测技术初探

超高速飞行的临近空间目标，飞行速度快，几何尺寸小，导弹与目标交会时的相对速度可以达到3 000～8 000 m/s的覆盖范围。高速目标与稀薄大气的相互作用，还将产生高温尾迹和等离子鞘套等复杂光电现象，目标与环境特性复杂。因此，目标的精确探测及高效毁伤都具有很大的难度。

由于导弹与目标交会时的相对速度很高，目标长度不超过5 m，目标外形与以往导弹类目标也存在明显的差异。如果采用传统的引信近距离探测、延迟时间调整或频率定角启动的引战配合方式，对引战配合的设计精度要求极高，引信作用距离需要大幅度提高，依靠现有的技术很难实现。因此，采取的技术途径一般是采用杀伤增强装置作为毁伤装置，采用具备较远距离精确测距、测速功能的激光测距装置或太赫兹频段的微波导引头控制起爆点，通过在弹目遭遇时形成覆盖一定范围的慢速抛撒的破片幕实现对目标的毁伤。这种情况下，目标散射特性的研究不完全是传统的近场体目标特性，但又与雷达、导引头的远场不同(数km以上距离)，同时还要考虑高温尾迹和等离子鞘套等因素的影响，因此临近空间状态下引战系统所面对的典型目标散射特性研究是一个全新的课题，需要进一步开展深入研究[7-8]。

1.2典型目标毁伤特性分析

本文主要以F-22隐身飞机为例，分析目标低易损性特性能力提高的途径，从而明确防空导弹为实现目标毁伤需要进一步采取的改进措施。

F-22战斗机为了追求高的生存能力，必然会进行低易损性设计。通过目前得到的相关资料，F-22战斗机的低易损性设计主要体现在以下几个方面：

(1) 机体结构

F-22的机体主结构为多路承力结构，单路失效不会发生致命影响，材料选择上重点考虑了增强断裂韧性，受到冲击时不易发生断裂。机翼设计采用钛合金主梁，辅梁和蒙皮采用复合材料，这样的结构设计可以使机翼被击中后仍有相当的剩余强度。

(2) 燃油系统及周围干舱

F-22的燃油系统由与机翼、机身成为一体的8个整体油箱和供油组件构成。在不超过1个供油油箱失效的情况下，通过交叉供油可以实现对飞机发动机的正常供油，因此可以保证1个供油油箱失效时飞机可以完成任务，2个失效时可以安全返航。机上装有机载惰性气体发生装置，油箱内油面上的空间被惰性气体占据，使氧气含量低于9%，即使油箱被击中也不易引发油气混合物爆炸。油管安装在油箱内部，以降低被击中的概率。

(3) 飞控系统和附件系统

F-22的大气数据系统和控制电子设备为双余度和三余度设计，构成模块和传感器在座舱周围空间分布式布置。2台发动机分别带动1套附件驱动系统驱动独立的液压和电力系统，而单独1套液压和电力系统即可控制飞机。

(4) 内埋武器舱

F-22飞机在通常作战模式下，其武器完全实现内埋，内埋武器舱内的导弹具有高能固体燃料推进剂和高爆战斗部装药，一旦被引爆将对飞机造成灾难性的破坏。只能利用机身周围结构和武器舱门提供一定保护和尽可能降低火工品敏感性。

(5) 防火系统

F-22的油箱与相连的隔舱分开，油箱周围的干舱有排风手段，可防止油气积聚达到可引爆的浓度。关键的可燃液体管路在通过可能起火的区域时采用钛管或钢管，并有屏蔽措施。发动机和APU(auxiliary power unit)舱内装有光学火警探测系统，可探测到烃燃料燃烧产生的紫外线。发动机高压压气机放气管路处装有过热探测系统。发动机舱与周围隔舱之间的防火墙可承受1 093 ℃火焰达15 min，主起落架舱和后翼身连接舱内装有灭火装置。

从以上F-22的低易损性设计可以看出，飞机的结构强度不断加强，多个分系统都采取了多余度设计，并且采取了多种防护措施。因此，如果要实现对此类目标的有效毁伤，一是需要重点分析目标的易损部位，使得引战配合设计能够保证战斗部杀伤物质命中易损部位的概率尽可能提高；二是尽可能增加战斗部的毁伤威力，最终实现对目标毁伤效果的增强。

1.3交会条件对目标毁伤特性的主要影响分析

目标毁伤特性分析评估时，杀伤元素命中目标的状态是决定目标毁伤效果的关键因素，其中杀伤元素与目标的碰撞角是决定命中状态关键因素，而碰撞角又是与弹目交会条件密切相关的。

杀伤元素产生洞穿、引爆等毁伤作用与碰撞角关系密切，在一定的破片速度条件下，碰撞角越小越有利于侵彻目标。对于需要实现引爆毁伤效果的目标，破片引爆速度极限更是与破片的碰撞倾角有很大的关系。图3是杀伤元素相对于目标的碰撞角示意图及碰撞角与某种典型目标引爆概率的关系曲线，碰撞角越小，实现引爆毁伤所需要的极限速度就越低。

根据以上分析，引战配合设计时，必须考虑弹目交会条件是否处于有利于目标毁伤的状态，否则即使是杀伤元素能够命中目标，也很难实现有效毁伤目标。特别是如果碰撞角非常小，则发生跳弹现象的概率将大幅度提高，严重降低了对目标的毁伤程度。

图3　碰撞角定义及碰撞角与引爆概率关系示意图Fig.3　Definition of impact angle and its relation to detonation probability

2适应多种类典型目标的引战配合技术发展途径

2.1多信息融合高精度引战配合设计

多信息融合实现高精度引战配合设计，是目前应对多种类目标的一种有效手段。

以采用侧向窄波束探测无线电引信加双聚焦束战斗部的引战系统为例，由于所对付的目标既包括导弹类目标又包括飞机类目标，如果对于不同类型的目标，引战配合不进行分类设计，引战配合效率将明显降低，战斗部的双聚焦束也不能得到充分利用，因此引战配合设计明确提出根据目标类别信息实现分类设计的设计思想。

由于导弹类目标的几何尺寸小，速度快，对于引战配合设计而言还带来2方面的不利因素：①引信启动后能够保证战斗部破片束击中目标的延迟时间允许范围缩小，称之为“延迟时间冗余范围”减小(即引信启动后，战斗部聚焦束命中目标头部所需延迟时间与命中目标尾部所需延迟时间之差)；②在交会角大的交会条件下，2个极限脱靶方位，即“超前”与“滞后”2个脱靶方位上的“延迟时间冗余范围”的重合区间很小，甚至没有重合区间。相对速度越大，交会角越大，上述不利因素的影响就越明显。这2方面不利因素要求引战配合设计具有很高的设计精度。

根据上述难点和特点，为保证最大限度地利用战斗部杀伤威力，引战配合设计确定了以下设计准则：

(1) 飞机类目标与导弹类目标分别进行延迟时间优化设计，对于系统无法识别的目标，按导弹类目标选择延迟时间。

(2) 延迟时间优化设计必须引入目标类型及探测跟踪制导系统可测量的弹目交会状态相关信息，延迟时间的调整必须采用准连续变化的方式，从而提高高速交会条件下的引战配合设计精度。

图4为战斗部聚焦破片束命中部分典型目标的效果示意图。可以看出，由于引战配合延迟时间设计可根据导弹与目标的交会条件进行适应性调整，目标毁伤效果得到的幅度提高。即使是长度2～3 m的导弹类目标，战斗部双聚焦束同时命中目标的概率也很高，有效保证了对目标的毁伤效果。

除了利用制导控制、雷达探测系统提供的相关弹目交会相关信息之外，随着引信探测技术及数字化引信技术的不断发展，引信自身也可以提供较为准确的弹目距离信息、脱靶量信息及脱靶方位信息，更有利于在导弹与目标的最后交会时刻准确控制战斗部的引爆时间，更好地做到引战配合设计的实时性、准确性。

2.2相关分系统协同设计，实现武器系统对目标的最佳毁伤效果

武器系统拦截目标的最终目的是真正有效地摧毁目标，因此除了引信战斗部系统尽可能地提高自身的能力之外，相关分系统的设计时也需要考虑引信战斗部系统的需求。

图4　幼畜空地导弹及哈姆反辐射导弹目标命中示意图Fig.4　AGM and HARM's statuses when hitting targets

制导控制系统的设计，应当是制导精度与目标有效毁伤的综合考虑，两者兼顾才能达到武器系统有效拦截目标的最终目的。在不能实现直接碰撞目标的情况下，有些时候进行适当的偏置导引是有利于目标毁伤的。如果在系统制导精度满足战斗部威力半径的条件下，能够实现导弹以高概率落入有利于引信启动及目标毁伤的脱靶方位区域，则能够极大地提高对目标的毁伤概率。

另一种通过制导控制系统改善引信战斗部系统毁伤效能的途径，是在弹道设计时就考虑在弹目遭遇时能够提供良好的弹目遭遇状态。例如，如果是采用高速破片杀爆战斗部，希望弹目遭遇时交会角不要过大。但对于采用直接碰撞并配有杀伤增强装置辅助杀伤的导弹，则希望交会角越接近90°越好，否则即使制导精度很高，也难以达到良好的毁伤效果。

2.3实现真正意义上的制导引信一体化设计

制导引信一体化的真正含义是导引头完成制导任务后，在弹目遭遇的最后阶段担当起引信的职责，成为一个真正的引信。而不是引信、导引头设备各自存在，只有部分结构或电源、信号处理部分共享。

从目前的技术发展趋势看，相控阵微波导引头可以是未来真正实现制导引信一体化的技术途径。它可以在完成导引头探测跟踪目标的任务之后，根据弹目交会条件，将无线电探测波束变换为具备一定倾角和照射范围的侧向窄波束探测视场或前向宽波束探测视场，实现目标的近场探测，为引战配合的实现提供硬件基础。

另一种制导引信一体化模式是采用红外导引头情况下，与导引头共伺服、共口径复合设计激光探测装置。这种模式非常适用于高速、超高速条件下，在弹目遭遇段有效实现测量导弹与目标的相对速度及距离。

制导引信一体化设计的实现，不仅减少硬件设备空间，而且为引战配合设计中的信息利用提供了更多条件。特别是在利用图像识别技术有效判别目标的要害部位方面，提供了一种很好的技术途径，非常有利于提高目标毁伤概率[9-10]。

2.4探索多体制、智能化毁伤模式的应用

为了更好地提高引战配合设计的有效性，大力发展多体制复合智能化的毁伤系统也是今后引战系统发展的一个重要方向。例如，除了继续完善定向战斗部技术之外，瞄准式战斗部的研制也需要深入进行。采用了智能化毁伤模式的战斗部，引战配合设计将不仅考虑提供战斗部引爆的控制信息，而且要根据目标要害部位、弹目交会条件等信息，向战斗部提供智能化调整工作状态的控制指令，实现针对不同目标、不同交会条件，选择最佳的毁伤模式[11-12]。

3结束语

为了在新的挑战面前保持防空导弹武器系统对多种类目标的拦截毁伤能力，引信战斗部系统承担着非常重要的责任。为此，引信战斗部系统自身必须实现跨越式的发展。引信战斗部配合技术要不断探索最新发展思路，采用先进的目标探测和高效能毁伤技术，不断与其他相关分系统密切配合、协同发展，通过提高与创新，最终实现对多种类目标的致命毁伤。

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Analysis of Fuze-Warhead Coordination Technology for Effectively Damaging Multi-Targets

ZHANG Bin

(Beijing Institute of Electronic System Engineering, Beijing 100854, China)

Abstract:In order to intercept multi-targets effectively, more strict requirements are proposed for fuze-warhead coordination design of air defense missile weapon system. For one thing, the reliable detection capability of fuze has to be sufficiently improved, the damage capability of warhead has to be enhanced, and the guidance integrated fuze design has to be innovated. For another, the design requirements of related subsystems have to be proposed according to target near-field scattering characteristics and vulnerability. Only by the collaborative effort of two sides, the optimum damage effect at the system level can be guaranteed.

Key words:fuze-warhead coordination; target scattering characteristic; target damage characteristic；complex encounter condition

中图分类号：E844；TJ761.1+3

文献标志码：A

文章编号：1009-086X(2015)-01-0039-07

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.01.007

通信地址：100854北京142信箱30分箱

作者简介：张斌(1968-)，女，北京人。研究员，硕士，主要从事引信战斗部总体设计及引战配合优化设计研究。

基金项目：有

收稿日期：2014-03-01；
修回日期：2014-07-31