天波超视距雷达探测弹道导弹性能研究*

刘诗华 李德芳 申正义

(1.空军预警学院二系 武汉 430019)(2.空军预警学院 武汉 430019)



天波超视距雷达探测弹道导弹性能研究*

刘诗华1李德芳1申正义2

(1.空军预警学院二系 武汉 430019)(2.空军预警学院 武汉 430019)

研究了天波雷达探测对弹道导弹的探测性能。研究从天波雷达探测火箭的机理和方式入手,分析了基于箭体、尾焰和人工电离层洞等三种探测方式。从雷达截面积(RCS)的角度对天波雷达探测弹道导弹和隐身飞机的性能进行了比较。最后,基于天波雷达探测火箭的方式,研究了天波雷达探测潜射弹道导弹的探测性能。

天波超视距雷达; 弹道导弹; 探测性能

Class Number TN958

1 引言

在早期的天波超视距雷达(简称天波雷达)应用中,一个重要的应用领域就是监视远程及超远程弹道导弹的发射。随着天波雷达技术的发展,应用领域扩展到远程轰炸机、潜射弹道导弹、战斗机群及舰队的动向,以便早期发现并拦截组织[1]。

弹道导弹是一类特殊的目标,它具有飞行距离远、飞行速度快、回波相干性差、相干积累效果不明显等特点[2～3],对其观测既与观测常规的空中目标有相似之处,又有其独特的机理和方法。因此,对弹道导弹的观测需要充分考虑弹体本身和天波雷达工作环境的特点,采用多种途径完成弹道导弹的探测任务。

由于数据来源有限,天波雷达探测弹道导弹的可行性和性能无法进行验证。然而,天波雷达探测弹道导弹的原理和方式与探测运载火箭相类似,并且据资料记载,中国电波传播研究所早期利用26MHz高频雷达在外场实现了大型运载火箭主动段的观测[1]。基于此,本文从天波雷达探测运载火箭的原理和方式入手,围绕弹道导弹观测的可行性与性能重点进行分析研究。

2 天波雷达探测火箭的机理与方式

1) 基于箭体的探测

理论上,探测火箭的回波应该由两部分组成,一个是火箭本体的箭体回波,一个是火箭强大的喷焰回波。箭体可被看作空中目标的一类,其散射截面积与尺寸、形状、飞行姿态、雷达工作波长以及极化方式有关。基于箭体的探测与常规目标探测原理相似,在此不多作赘述。

2) 基于火箭尾焰的探测

火箭在发射时,会产生强大的喷焰回波(即尾焰),高频电波照射到这个尾焰上,会产生比照射火箭本体大得多的雷达散射截面。火箭喷焰是一种特殊的传播媒质,它们是推进剂燃烧产物经发动机尾部喷管喷出的一种高温高速的湍动气流,是一种稠密不均匀的弱电离复杂等离子体(又称为尘埃等离子体),呈现出气态、液态和固态颗粒混合物,其中含有多种化学物质成分,在一定的喷焰体积内,电子浓度可以超过10个/cm3。火箭发动机喷焰是一种电子浓度和碰撞频率远比电离层高、湍动起伏异常剧烈的不均匀等离子体。火箭在高空飞行时,喷焰将形成比弹体大几倍、甚至几十倍的等离子体区域。对高频段的电波,这些等离子体团是很好的散射体。因此,喷焰增大了主动飞行段火箭的高频雷达截面。

但是,在电离层以下的空域内(电离层高度为60km～1000km),由于大气浓度比较高,即使火箭喷焰回波使得空气分子发生电离,也会迅速被周围的大气分子所吸收,无法形成有效的等离子体,因此该阶段雷达基本无法发现火箭的尾焰回波。

3) 基于人工电离层洞的探测

运载火箭进入电离层后,雷达若无法直接观测到火箭和喷焰,还可以利用人工电离层洞进行观测。火箭在飞行过程中,火箭喷焰中的大量氢和水分子引起电离层的大量电子复合,形成总电子含量比背景总电子含量低很多的一片区域,这片区域即为人工电离层洞。天波雷达可以探测到电离层洞,从而推测火箭目标的存在。

3 天波雷达弹道导弹与隐身飞机探测性能比较

1) 隐身技术

以减小雷达截面积为目的的隐身技术,包括以下四种基本方法,即外形隐身技术、雷达吸波材料隐身技术、无源对消技术和有源对消技术,但目前最常用和最为有效的是外形隐身技术和雷达吸波材料隐身技术[4]。其中,外形隐身主要通过修改目标的表面和边缘,使其强散射方向偏离单站雷达来波方向实现隐身目的;雷达吸波材料隐身主要通过雷达吸波材料吸收雷达能量,降低反射能量达到隐身效果。

2) 目标特性

目前,国外典型隐身飞机的目标特性(RCS)如表1所示。

表1 国外典型隐身飞机的目标特性

从表1中可以看出,目前国外典型隐身飞机的RCS主要在0.001m2～1m2(-30dBm2～0dBm2)的范围内。

作为天波雷达的探测对象之一,国外典型潜射弹道导弹的目标特性如表2所示。

表2 国外典型潜射弹道导弹的目标特性[5～9]

在高频波段,具有如表2所示类似尺寸的弹道导弹其RCS大约在10m2～100m2(10dBm2～20dBm2)的范围内[1]。与表1中隐身飞机的RCS相比,弹道导弹弹体的RCS要远大于隐身飞机,因此,但从RCS的数据本身来看,在其它条件相同的情况下,雷达探测弹道导弹的性能要优于探测隐身飞机的性能。

3) 天波雷达探测隐身飞机的独特优势

如前所述,目前隐身飞机的隐身手段主要是材料隐身和外形隐身。对于材料隐身来说,吸波材料只对一定频率范围的电磁波有效,亦即,对一定频率范围的电磁波吸收效果较好,频率越低,吸收效果越差。米波雷达和高频雷达的工作频率在吸波材料的有效频率范围之外,因此,它们可以有效地探测隐身飞机。天波雷达属于高频雷达的一种,它的工作频率很低,材料隐身对其影响不大。以上分析主要针对基于目标RCS探测目标的雷达而言,无源雷达是一种特殊的雷达体制,它不是靠目标RCS探测目标,而是侦收机载电子设备辐射的电磁波来探测目标。因此,它对隐身飞机的探测也有一定的优势。

对于外形隐身而言,当飞机以正常姿态飞行时,陆基雷达的电磁波主要照射的是飞机底部和头部,因此,为了减小反射能量,达到隐身目的,隐身飞机外形隐身的设计主要是在飞机的底部和头部,以及将其设计成较为复杂的外形,使雷达电磁波形成散射,减小反射的能量,雷达无法发现目标。天波雷达主要是通过电离层的折射来实现对目标区的探测,飞机以正常姿态飞行时,雷达电磁波照射的是飞机的顶部(背部),而隐身飞机的顶部通常没有进行外形隐身处理,对于天波超视距雷达来说,探测隐身飞机和探测非隐身飞机的前提条件是相同的,外形隐身也对天波雷达影响不大。

图1给出了某典型隐身强击机RCS的频率响应估计曲线。在图中,极化方式为水平极化,θ为入射波俯视角(即入射射线与水平面的夹角),φ为水平方位角。从图中可以看出,由于天波雷达的工作频段和探测方式,使得对于常规陆基微波雷达而言的较好隐身性能完全失效,飞机的RCS从-30dBm2～0dBm2变为13dBm2～30dBm2,目标发现的概率大大增加。综上所述,隐身飞机的材料隐身和外形隐身等手段都不能影响天波雷达的探测,雷达对隐身飞机的具有独特的探测优势,其探测性能要优于对弹道导弹的探测性能。

图1 某典型隐身飞机RCS的频率响应估计曲线

4 基于火箭探测机理的天波雷达弹道导弹探测

如前所述,天波超视距雷达探测弹道导弹的原理和方式与运载火箭的原理和方式相同,亦即,包括基于弹体本身的探测,基于尾焰的探测和基于人工电离层洞的探测。

1) 基于弹体的探测

从理论上看,天波雷达可以通过弹体实现对弹道导弹的探测,结合现有的资料分析,天波雷达仅通过弹体RCS来探测弹道导弹的效果并不理想,通常情况下要结合尾焰的强RCS对弹道导弹进行探测。

2) 基于尾焰的探测

从前面的分析可以得知,天波雷达只有在电离层中才能有效地对弹道导弹的尾焰进行探测,这就要求弹道导弹在火箭关机点之前的飞行高度必须达到60km以上,即弹道导弹在关机点之前应飞入电离层中。

对于美国的D5(三叉戟Ⅱ)型潜射弹道导弹,其工作过程如下[10]:当发射导弹程序的倒计时结束时,操作手按下发射按钮,发射系统的燃气发射器开始工作,将导弹弹射出发射筒;导弹依靠出筒初速向水面前行;跃出水面一定高度时,导弹一级发动机点火工作,熄火后被抛离;然后二级发动机工作,同样熄火后被抛离;飞出大气层(90km高度以上)后,整流罩分离;接着按预定的要求逐个释放子弹头;最后子弹头奔向各自拟攻击的目标。

此外,弹道导弹的一些主要飞行参数如表3所示。

表3 国外典型潜射弹道导弹的目标特性[11]

由表2可知,美俄潜射弹道导弹的射程均在7000km以上。结合美国D5型潜射弹道导弹的工作过程和表3可以看出,在关机点之前,美俄主流潜射弹道导弹的飞行高度基本上可以超过60km的高度,进入电离层中,从而满足天波雷达探测弹道导弹的条件。因此,利用弹道导弹的尾焰,天波雷达可以实现对潜射弹道导弹的探测。

3) 基于人工电离层洞的探测

基于人工电离层洞对弹道导弹进行探测的条件同样是要求弹道导弹在关机点前的飞行高度要进入电离层中,通过基于尾焰的探测分析可知,弹道导弹关机点前的飞行高度满足条件,天波雷达可以基于人工电离层洞对弹道导弹实现探测。

5 结语

在弹道导弹的主动段,根据导弹飞行高度的不同,天波雷达对其实现探测有三种途径: 1) 电离层以下,基于弹体的探测; 2) 电离层中,基于尾焰的探测; 3) 电离层中,基于人工电离层洞的探测。由于对尾焰探测过程中包含了对弹体的探测,其RCS是两者的总和,严格的讲,第二种方式是对弹体加尾焰的探测。

探测弹道导弹与探测隐身飞机相比较。目前,隐身飞机采用的隐身手段主要是材料隐身和外形隐身,这两种隐身方式对天波超视距雷达来说效果不明显,因此,尽管隐身飞机对其它常规地基雷达具有较好的隐身性能,RCS非常小,但对于天波雷达来说,和其它非隐身飞机是一样的,其RCS也大于弹道导弹的RCS。因此,从理论上讲,对于天波雷达而言,弹道导弹比隐身飞机更加难以探测。

基于火箭探测机理的弹道导弹探测。天波雷达探测弹道导弹的原理和途径与探测火箭相类似,也是从弹体、尾焰和人工电离层洞去探测。基于弹体的探测性能不佳,而弹道导弹在主动段可以进入到电离层中,因此利用尾焰和人工电离层洞可以实现弹道导弹的探测。

[1] 周文瑜,焦培南.超视距雷达技术[M].北京:电子工业出版社,2008:7,72.

[2] 梁慜.弹道导弹拦截仿真建模技术研究[J].中国电子科学研究院学报,2013,8(1):56-59.

[3] 杨红梅,张建强,刘诗华,等.天波雷达探测弹道导弹能力影响因素仿真研究[J].计算机仿真,2012,29(10):63-66.

[4] 夏新仁.隐身技术发展现状与趋势[J].中国航天,2002,(1):40-44.

[5] 王瑞臣.美国潜射弹道导弹的发展历程[J].四川兵工学报,2009,30(11):138-140.

[6] 王瑞臣,李建林,杨海波.美国潜射弹道导弹与战略核潜艇发展综述[J].飞航导弹,2013,(2):52-56.

[7] 白云辉.俄罗斯潜射弹道导弹发展历程[J].四川兵工学报,2013,34(1):32-34.

[8] 夏薇.俄罗斯新型液体潜射弹道导弹[J].现代军事,2012,(8):48-52.

[9] 冯林平,冀海燕,卢文忠.国外潜射弹道导弹的发展及有关启示[J].潜艇学术研究,2000,(1):56-58.

[10] 韩祖南.国外著名导弹解析[M].北京:国防工业出版社,2013:96.

[11] 陆伟宁.弹道导弹攻防对抗技术[M].北京:中国宇航出版社,2007:358-364.

Study of Detection Performance of Skywave OTHR on Ballistic Missile

LIU Shihua1LI Defang1SHEN Zhengyi2

(1. Department 2, Air Force Early Warning Academy, Wuhan 430019) (2. Air Force Early Warning Academy, Wuhan 430019)

The detection performance of skywave OTHR on ballistic missile is studied. The study is based on the detection mechanism and methods of skywave OTHR on rocket. The three detection methods, which based on rocket body, plume and artificial ionosphere hole, are analyzed. As viewed from the RCS, the detection performance of skywave OTHR on ballistic missile is compared to the performance of skywave OTHR on stealth aircraft. Finally, based on the methods of skywave OTHR on rocket, the detection performance of skywave OTHR on ballistic missile is researched.

skywave OTHR, ballistic missile, detection performance

2015年2月12日,

2015年3月23日

刘诗华,男,博士,讲师,研究方向:战略预警装备关键技术。李德芳,女,硕士,讲师,研究方向:战略预警装备关键技术。申正义,男,硕士,讲师,研究方向:预警装备模拟器开发与设计。

TN958

10.3969/j.issn1672-9730.2015.08.022