高超声速飞行器精确制导对雷达技术的需求

陈安宏， 穆育强， 余 颖， 汤国建

（1.国防科技大学航天科学与工程学院，湖南 长沙410073；2.空间物理重点实验室，北京100076）

0 引言

为满足未来战争的需求，军用飞行器正朝着体积小、射程远、速度快、精度高、多用途、隐身等方向发展。提高精度指标可以有效提升飞行器的效能，于是精确制导技术得到迅速发展［1-2］。

以HTV-2为代表的高超声速滑翔飞行器和以X-51为代表的高超声速巡航飞行器，代表着未来高超声速飞行器的两大发展方向。快速突防能力与精确打击技术相结合，可以实现全球范围内快速精确打击。

1 高超声速飞行器的特点

高超声速飞行器与传统弹道导弹在气动布局、飞行环境等方面存在极大差异［3］，高超声速飞行器应注重系统设计和一体化设计。

（1）气动布局

高超声速飞行器为了获得足够高的升阻比进行滑翔飞行，通常采用面对称、大翼展布局，其外形与飞机较相似。传统的导弹一般采用轴对称布局。

（2）飞行环境

高超声速飞行器主要在临近空间滑翔飞行。临近空间高低空大气密度变化显著，不同地区不同季节风的特性差异较大，存在稀薄气体效应、高温气体效应、气动热弹性效应，气动参数存在较大不确定性，变化范围较大。高马赫数飞行带来了严峻的隔热设计问题。飞行末段高动压带来的铰链力矩，增加了伺服系统设计的难度。大范围机动带来的高过载也对载荷强度提出较高的要求。飞行器高速飞行使得表面气体发生电离现象，形成“等离子体鞘套”［4］，对电波的传播产生折射、反射、散射及吸收等影响，从而导致信号延迟、多径效应、信号衰减及闪烁等问题，影响卫星导航定位精度及测控系统的通信质量。

该水源方案存在的主要缺点是：（1）结构复杂，目前尚没有与之相对应的取水机理研究成果，没有成熟的取水模型，对影响辐射井的取水量影响因素不清，致使辐射井的勘察、设计、施工缺乏科学理论依据，导致达不到预期的取水效果。（2）取山泉水时，含水层的水量评估、论证困难，勘察难度高，必须进行多方讨论，否则水量难以保证。（3）水平钻进要求工艺水平高，施工难度大，且耗费时长。

（3）系统化设计

高超声速飞行器的气动布局设计受到总体、结构、控制及隔热等诸多专业的约束。为了保证一定的射程，需要确保升阻比及升重比的匹配设计。飞行过程中，需要适应过载、热流、动压等各类约束的影响，对飞行高度与马赫数的匹配设计提出了较高要求。

（4）一体化设计

高超声速飞行器的航程与升阻比、质量与装填比等指标之间存在矛盾，要求实现电气系统一体化设计。强调以功能为主导，模糊传统意义上分系统设计的概念。实现能源的集约供给，统一调度。实现信息系统的SoC 化，将传统GNC 系统的解算、末制导系统的信息处理、遥测系统的数据处理、惯组信息处理、舵系统的控制器等以IP核的形式高度集成，所有信息集中处理。

2 高超声速飞行器精确制导技术

高超声速飞行器精确制导技术涉及复合制导、精确打击、体系作战和智能控制等方面。

（1）复合制导与精确打击

一般要求高超声速飞行器具有一小时内全球到达、大范围机动、精确打击的能力。长航程不仅需要高精度中段导航，还应确保中末交班。末端精确打击，要求实施全程复合制导，具备目标定位、识别和跟踪功能。制导体制应考虑主动段优化、头体分离条件、中段轨迹规划、中末交班的一体化设计。中末段制导从单模向多模复合方向发展。

（2）体系作战与智能控制

信息支持下的体系作战将是未来战争的主要模式，将以信息链路为纽带，将探测平台（卫星、无人机等）、作战平台（飞机、舰船）、武器系统（导弹、制导站）、指控系统等链接起来构成一个大的体系。飞行器是网络中的一个环节，在其他系统的支持下完成精确打击任务。在信息保障条件下，飞行器中段导航的压力将大大降低，末段搜索的压力将由网络中的其他部分承担，飞行器将朝着智能化、低成本方向发展。武器系统的运作模式：天基、空基平台（卫星、无人机等）构成侦察系统，实现对打击目标的探测后，将目标信息传送到武器平台（地面发射阵地、飞机、舰船）指控系统；指控根据作战需求发射导弹；导弹在飞行过程中通过数据链路实时接收目标信息，根据提供的目标位置引导飞行器飞向目标区域；进入末制导区域后，导引头在小范围内探测、识别、跟踪目标，实施寻的打击。

3 高超声速飞行器雷达技术的需求

雷达是飞行器的重要设备，飞行器上一般存在多种雷达，虽然它们工作在不同频段、不同模式，但基本作用是实现探测和数据传输。常见的工作模式如表1所示。

表1 飞行器雷达的工作模式

在飞行的不同阶段，飞行器通过雷达感知各种信息（根据GNC 需求），满足定位、探测、制导等方面的要求。在飞行中段，用雷达辅助惯性导航系统，通过地形匹配／景象匹配等方式实现高精度导航；在飞行末段，用雷达实现目标探测、定位、分选，辅助飞行器完成精确打击任务。雷达也可以作为数据传输设备，实现信息（遥测与导航信息）的传输。

（1）电气系统一体化

高超声速飞行器为了完成作战使命，应根据导航制导系统的精度需求，确定雷达的工作模式及指标参数。根据电气系统一体化设计原则，多种功能应由同一单机实现。为了实现中段高精度自主导航，雷达应工作在SAR、测高等模式；为了实现对目标的识别、分选，雷达应工作在成像模式；为了实现对目标的精确打击，雷达应工作在连续跟踪模式。在信息化作战时，雷达作为数据链路重要环节，实现宽带、低延时的数据传输，实现信息在飞行器之间、飞行器与其它系统之间的高速传输。

高超声速飞行器一般采用面对称外形，头部的可用空间较小。当滑翔飞行器采用精确制导技术时，飞行器头部位置需要放置导引头，导引头的布局受限于飞行器头部舱体结构限制，较小的安装空间对导引头的小型化设计提出了更高的要求。为了尽量增加有效载荷，可以采用共型天线，减少占用空间。采用相控阵天线可以避免复杂的机扫装置较多占用较多空间。

（2）热约束

在大气层内长时间飞行时，面临严酷的热环境，防热和隔热的设计难度增大。雷达设备的功率器件的效率较低，工作时会产生较多的热量。在密闭的空间内，热量无法散去。而且飞行时外部的气动热不断向内传导，导致舱内设备温度持续升高，温控设计面临很大的压力。提高雷达功率器件的效率，对于高超声速飞行器具有特殊的意义。另一方面，气动热导致材料烧蚀等现象，雷达天线罩烧蚀使视线误差增大、视线误差斜率精度难以控制。长时间高温对天线罩力学与电气性能的影响，是高超声速飞行器雷达探测制导技术不容忽视的问题，需要在雷达-天线罩耦合设计、视线误差（BSE）自适应补偿技术等方面开展深入研究。

（3）末端高精度打击

为了实现电子对抗情况下的末端精确打击，探测技术将向多模复合、成像方向发展。充分利用微波探测作用距离远、抗烟雾效果好、可测距，光学探测成像分辨率高等优点，实施微波和光学复合制导，实现对面目标、点目标的准确探测和精确打击。目前，微波将向毫米波、亚毫米波（太赫兹谱段）发展，而光学则由可见光／中长波红外向紫外、短波红外、激光谱段发展。

以高功率小型有源相控阵技术为基础的弹载相控阵雷达导引头将成为高超声速飞行器精确制导领域的一个重要发展方向。与传统常平架雷达导引头相比，具有空间功率合成、捷联数字稳定、波束快速电扫、全固态高集成度等技术优势，结合多维高密度信息处理能力，相控阵雷达导引头为精确制导武器应对未来战场威胁提供了一种有效的解决途径。

激光主动成像制导技术具有信息维数多（角度／距离／强度／速度／微动信息）、选择能力强、测距测角精度高（厘米级距离精度、百微弧度级角度分辨率）等突出特点，通过与现有红外成像或射频制导体制复合，或者独立应用，都能够显著提高弹载末制导探测和目标识别能力。对提升抗射频拖曳等主瓣掩护式干扰、红外烟障遮蔽等干扰，具有技术潜能。非扫描凝视成像是激光主动成像制导的发展趋势，可以广泛应用于对地、对海等作战场合。

量子成像是一种全新的成像体制。基于光场的量子效应，利用新型的辐射源、检测方法及信号处理技术，实现对目标的高分辨、高灵敏度、高精度探测，并提供更多的目标信息，可克服现有探测系统的原理性瓶颈。美国罗切斯特大学研究所借助美国政府和军方的大力资助，于2012年研制出一种能轻易探测到隐形飞机的量子雷达。国内开展了相关的应用研究，从理论上证明了利用经典热光场进行量子成像，可大大减轻大气散射、大气湍流对成像质量的影响，获得了目标的超衍射极限量子成像结果。以量子光学和压缩采样理论为核心的量子成像应用理论可使现有精确制导领域光学探测能力得到大幅提升。

（4）复杂战场电磁环境适应性

根据实战的要求，武器系统应在复杂电磁环境下完成作战任务。雷达系统应该在总体抗干扰指标约束下，在战场的复杂电磁环境中实现既定的功能，在地海杂波中实现对目标的准确识别。这些都是末制导系统的关键技术。与雷达相关的干扰及抗干扰技术，如指标体系建立、效能评估方法、仿真验证技术等，都是需要研究的课题。

减小雷达天线RCS，可降低被发现的概率，频率选择表面技术（FSS）是一个较好的方法［5］。频率选择表面技术通过大量相同单元电磁周期结构和器件加载，实现对不同工作频率、极化状态和入射角度电磁波的频率选择。可以形成与飞行器外形相匹配的电磁波空间滤波器，适用于弹上精确制导系统的抗高功率微波应用。2010年，美国空军技术研究所提出了将频率选择表面技术应用于高功率微波技术的设想，并开展了相关概念的研究工作。目前，国内已开展了经典频率选择表面和基于半导体器件加载的改进型频率选择表面天线罩原理样机研制和验证试验，未来将进一步突破弹上条件适应性和带内能量选择等关键技术，实现工程应用。

（5）信息化体系作战

在未来的信息化作战体系中，所有的作战平台、侦查平台、武器系统等都将通过数据链路连接。数据链路包括传输设备、通信协议和消息标准三大要素［6-7］。雷达作为传输设备，是信息链路中的重要环节。

飞行器在空间以高超声速飞行时，无线电信号会呈现出一定程度的衰减。如果飞行器的速度继续提高达到十几马赫或者几十马赫时，飞行器与大气强烈作用，在头部形成弓形激波，波后气体温度、压强急剧升高，使大气离解、电离，在飞行器周围形成等离子体鞘套，使电磁波产生反射、折射及散射，同时吸收电磁波能量，使地面站与飞行器间通信受扰，如果中断的时间太长，导致目标可能消失。为了有效地识别和跟踪飞行器，必须研究飞行器表面等离子体鞘套对电磁波传播的影响。能否在等离子环境下实现宽带数据稳定、可靠的传输将是一个重要的研究方向。

总之，为了满足高超声速飞行器精确制导需求，雷达技术将从单一体制向多功能、多模复合发展，将由单一微波探测体制向光电复合探测体制发展，由传统的机扫方式向电扫方式发展。可以看出满足多功能、快速扫描、波束灵活控制的微波／光学相控阵雷达将是重要的发展方向。同时，较强的热约束，将促进天线热设计、微波功率器件、热控等技术的进步。信息化体系作战的需求，要求雷达系统在复杂环境下的数据传输、信号处理等相关技术的快速发展。

4 结束语

本文从高超声速飞行器的特点入手，分析了高超声速飞行器精确制导技术面临的问题。针对约束条件，从满足电气系统一体化设计、满足末端高精度打击、特殊的热约束、适应复杂战场电磁环境、满足信息化体系作战需求等方面对雷达技术的需求面进行了分析。结合雷达系统新体制、新技术、新材料和新器件方面的进步，推动弹载多功能微波／光学相控阵导引头、频率选择表面（FSS）头罩功能材料、等离子环境宽带通信等专题的研究，才能支撑高超声速飞行器精确制导技术的持续发展。

［1］ 陈定昌，袁起，范金荣.精确制导武器发展趋向［J］.现代防御技术，2000，28（4）：41-48.

［2］ 杨树谦.精确制导技术发展现状与展望［J］.航天控制，2004，22（4）：17-20.

［3］ 穆育强，王军权，沈海滨，等.高超声速飞行器精确制导的发展思考［J］.临近空间科学与工程，2012，4（1）：15-19.

［4］ 李江挺，郭立新，金莎莎，等.等离子体鞘套中的电波传播特性研究［J］.电波科学学报，2011，26（3）：494-495.

［5］ 卢俊，高劲松，孙连春.频率选择表面及其在隐身技术中的应用［J］.材料科学与技术，2003，（9）.

［6］ 孙义明，杨丽萍.信息化战争的战术数据链［M］.北京：北京邮电大学出版社，2005.

［7］ 李云茹.战术数据链及其应用技术［J］.中国电子科学究院学报，2007，2（2）：211-217.