地基拦截临近空间高超声速导弹可行性分析

张海林, 周 林, 郑 铌, 张 锋, 李 鹏

(1. 空军工程大学防空反导学院, 陕西 西安 710051; 2. 93704部队, 北京 101100;3. 93811部队, 甘肃 兰州 730020)

地基拦截临近空间高超声速导弹可行性分析

张海林1,2, 周 林1, 郑 铌1, 张 锋1, 李 鹏3

(1. 空军工程大学防空反导学院, 陕西 西安 710051; 2. 93704部队, 北京 101100;3. 93811部队, 甘肃 兰州 730020)

临近空间高超声速导弹的迅速发展对现代空天安全构成了严重威胁，为满足反临近空间目标作战要求，对地基拦截临近空间高超声速导弹的可行性进行了分析。以X-51A典型目标为例，为满足对临近空间高超声速导弹的拦截要求，拦截弹必须在限定的时间内以足够大的速度、在规定的区域以充分大的能量撞击目标。以此为出发点，从地基拦截时间、地基拦截空间和地基拦截物质3个方面对拦截可行性进行了理论分析。

临近空间；高超声速导弹；地基拦截；可行性

临近空间高超声速导弹是指飞行速度超过5Ma、巡航高度可至临近空间的精确制导的攻击飞行器。临近空间高超声速导弹飞行高度高、速度快，具有较强的突防和攻击能力，能在很短的时间内抵达地球上任何一点，迅速打击数千甚至上万千米外具有重要军事或经济价值的目标，现已成为世界各军事强国谋求空天优势、抢占临近空间战略制高点的重要武器[1]。特别是美国X-51A临近空间飞行器试飞成功，向未来高超声速导弹又迈进一大步。美国空军代表曾坦言：美国将在2017年开始试射临近空间高超声速巡航导弹，如果进展顺利，2018、2019年将继续试射，导弹研发工作将于2020年前完成[2]。由此可见：高超声速导弹作为高超声速技术最直接和最当前的应用，将是未来反临近空间作战面临的首要问题，开展地基拦截临近空间高超声速导弹可行性预研工作具有很强的理论价值和现实意义。

地基拦截临近空间高超声速导弹尽管受到拦截时间、拦截距离和拦截方式等诸多方面的限制，但它是一种有效的遏制手段，是一种积极攻势防御且是空天防御不可或缺的重要内容。因此，为满足对临近空间高超声速导弹的拦截要求，拦截弹必须在限定的时间内以足够大的速度、在规定的区域以充分大的能量撞击目标。

地基拦截临近空间高超声速导弹主要考虑正面(或迎面)拦截和尾追拦截2种情况。考虑到高超声速导弹飞行速度快、飞行时间短的特点，尾追拦截对拦截弹的速度要求将会很高，现阶段拦截相当困难，因而主要考虑正面拦截。当地基拦截武器部署在靠近目标或者所保卫目标在拦截弹发射点与临近空间高超声速导弹遭遇线的反向延长线上时，拦截弹才有可能进行有效拦截。

通过分析美国X-51A飞行器试验过程，依据不同分类标准，可将未来美国临近空间高超声速导弹的飞行轨迹归纳如表1所示。

表1 临近空间高超声速导弹飞行过程分析

根据对临近空间高超声速导弹飞行轨迹的划分，综合考虑以时间和空间为主要影响因素，理论上可分为3层防御：1)火箭助推段拦截，即从载机发射到火箭助推器点火后的上升段，此时处于航空空间，但所占总飞行时间比例仅为5%左右；2)中段临近空间飞行段拦截，该阶段主要包含超燃冲压发动机加速段和临近空间滑翔段，飞行轨迹近似平飞，飞行时间占总飞行时间的75%～80%；3)末段拦截，该阶段主要指高超声速导弹再入航空空间滑翔段，距离目标近，再入角度大，飞行时间占总飞行时间的15%～20%。

综上所述，对比3层拦截临近空间高超声速导弹方案，临近空间飞行中段拦截的概率和可行性较大，在该阶段拦截武器、各种雷达及其他传感器有更多的时间去跟踪拦截来袭高超声速导弹,为确保拦截的成功性，拦截系统还有时间发射第2枚或更多的拦截弹，是一种较为理想的拦截方式。因此，本文主要研究临近空间高超声速导弹中段拦截可行性，从地基拦截时间、地基拦截空间以及地基拦截物质3个方面对地基拦截临近空间高超声速导弹可行性进行定量和定性分析。

1 地基拦截时间可行性

地基拦截时间可行性是指在高超声速导弹有效飞行时间内，地基反临近空间武器系统能够完成发现、跟踪和识别目标，并计算出高超声速导弹坐标和速度，进行目标分配任务，同时向各地基火力单元发出目标指示信息，下达作战命令并实施拦截。可见地基反临近空间武器系统对临近空间高超声速导弹实施拦截的必要条件是：地基拦截体系对高超声速导弹的工作时间T1小于高超声速导弹从载机发射到临近空间中段结束的飞行时间T0。

1.1 地基拦截预警时间分配

地基拦截临近空间高超声速导弹预警信息源主要有卫星预警、临空预警、空基预警及地基预警4种手段，其中，卫星预警是其他预警的前提和关键[3]。当临近空间高超声速导弹从载机发射后，首先，通常由预警卫星发现临近空间高超声速导弹发射，并向其他预警平台发出攻击警报，开始进行威胁鉴定；其次，引导临空预警平台和空基预警平台重点搜索，确认来袭目标，引导地基预警雷达探测来袭导弹；最后，当高超声速导弹进入地基预警雷达探测范围后，确认卫星预警目标信息，截获并跟踪目标。图1为地基拦截临近空间高超声速导弹预警时间分配。

图1 地基拦截临近空间高超声速导弹预警时间分配

对于临近空间高超声速导弹的中段拦截，其临近空间中段飞行时间一般可达400～500 s。因此，对高超声速导弹的预警时间应尽可能短，随着天基卫星预警探测能力的不断提升，以及未来临空预警平台和空基预警平台自身预警能力的加强，要实现对高超声速导弹发射后的可靠预警是完全可能的。

1.2 地基拦截作战时间分配

在完成对临近空间高超声速导弹的综合预警后，地基反临近空间武器系统得到来袭导弹预警数据的保证，进而对目标进行跟踪识别、威胁判断、拦截适应性检查等一系列信息处理，然后定下发射决心。因此，除去预警、战场指控和地基火力单元拦截准备所占用的时间，留给地基拦截弹的作战时间将十分有限。地基拦截临近空间高超声速导弹作战过程时间分配如图2所示。

图2 地基拦截临近空间高超声速导弹作战过程时间分配

1.3 地基拦截时间可行性实例分析

以国内某新型地基武器系统对空作战过程为例进行分析，考虑到未来临近空间高超声速导弹由空中载机发射，这将给地基反临近空间武器系统提供较充足的战斗准备时间，因此不考虑地基火力单元的战斗值班状态转换时间，可假设地基火力单元处于一等战斗值班状态。可得T1计算公式为

T1=Ts+Tc+Tp+Tz+Tf，

式中：Ts为临近空间高超声速导弹从载机发射后被发现的时间；Tc为预警卫星完成对临近空间高超声速导弹探测并下传至地面指挥控制中心的时间；Tp为地面指挥控制系统识别判断、定下作战决心和下达作战指令的时间；Tz为地基火力单元战斗状态至拦截弹发射的时间；Tf为地基拦截弹拦截高超声速导弹所需的飞行时间。

由以上可得：可供地基拦截弹中段拦截的最大飞行时间为

Tx=T0-(Ts+Tc+Tp+Tz)。

那么，地基拦截弹成功实施临近空间中段拦截的时间可行性条件为Tx≥Tf。

从上述分析可知：如果地基反临近空间武器系统对临近空间高超声速导弹的工作时间T1小于从载机发射到临近空间中段结束的飞行时间T0，则地基火力单元就可以对来袭导弹实施拦截；同时，对临近空间高超声速导弹采取及时响应的概率越高，拦截时间越充分。

综上所述，在地基拦截临近空间高超声速导弹的作战中，当载机发射来袭高超声速导弹时，预警卫星便开始搜索探测目标，美军的SBIRS预警时间约为10～20 s，因此判定Ts=20 s；预警卫星完成从探测导弹发射到临空预警平台和空基预警平台，并将综合预警信息传递给地基反临近空间武器系统需15～30 s，因此取Tc=30 s；收到综合预警信息后到生成作战指令时间Tp=30 s；参考现役地基防空反导装备拦截弹发射并传输准备时间，可取Tz=15 s。以美国X-51A试验飞行过程为参考，当临近空间高超声速导弹射程为1 000 km时，其处于临近空间中段飞行时间可达400 s，基本上能保证Tx≥300 s。因此，只要保证地基拦截弹有足够大的飞行速度，在拦截时间上就可以满足拦截条件。

2 地基拦截空间可行性

临近空间高超声速导弹不同于一般的航空飞机，因为航空飞机一般是等速平飞，在不考虑其大角度机动的情况下，目标对地基火力单元航路捷径和高度一般是常量，地基拦截航空目标主要包括2个空间约束条件：1)地基火力单元的杀伤高度可达航空目标飞行最大高度；2)航空目标对地基火力单元航路捷径小于该火力单元的最大杀伤航路捷径。但是，临近空间高超声速导弹的弹道是曲线，在不同飞行阶段，其速度方向、大小和高度是持续变化的，也就是说临近空间高超声速导弹对地基火力单元的航路捷径是变化的。因此，拦截临近空间高超声速导弹的空间可行性是指地基拦截是否满足空间约束条件，如果来袭导弹高度和其相对地基火力单元的斜距分别处于该火力单元拦截弹高度、拦截弹斜距范围内，那么来袭目标就有可能被拦截。可见：地基拦截空间可行性可以从地基拦截斜距可行性和地基拦截高度可行性2个方面进行分析。

2.1 地基拦截斜距可行性

针对临近空间高超声速导弹，通过分析美军X-51A飞行器试验过程[4]，得出其飞行参数[5]为：射程可达1 000 km；飞行速度可达6Ma以上；飞行高度为30 km。现假设如下[6]：

1) 不考虑地球扁率的影响；

2) 临近空间高超声速导弹运动轨迹在XOY平面内，其Z方向上的位移较小，可假定为0；

3) 地基拦截火力单元部署在高超声速导弹攻击点位置。

综上可得，地基拦截临近空间高超声速导弹的拦截斜距约束条件可表示为[7]

式中：Rmin、Rmax分别为拦截弹杀伤最小、最大拦截斜距；(XT,YT)为临近空间高超声速导弹T时刻空间位置；(X0,Y0)为地心惯性坐标系下地基拦截火力单元部署位置。

[5]中临近空间高超声速导弹弹道模型及飞行参数，利用拦截斜距的约束公式，通过Matlab可仿真出地基拦截斜距与时间的变化关系，如图3所示。

图3 地基拦截斜距与时间的变化关系

由图3可知：以地基拦截弹最大杀伤斜距300 km为参考，其拦截时间可达400 s左右。可见：在地基反临近空间高超声速导弹不考虑拦截弹飞行速度时，地基拦截的最大拦截斜距主要受到拦截弹射程的制约。那么，在一定拦截条件的支撑下，地基火力单元在拦截斜距上可以满足反临近空间高超声速导弹的要求。

2.2 地基拦截高度可行性

通过分析美国X-51A飞行器试验过程，依照美军未来临近空间高超声速导弹发展规划，可选取射程为1 000 km的临近空间高超声速导弹，其飞行高度可达30～40 km。因此，地基拦截高度H的约束条件主要是指：地基拦截弹必须能够达到临近空间高超声速导弹飞行高度h的最大值，且末速度vg也满足高超声速的要求(const)。其地基拦截高度的可行性数学优化模型为

H=max(h),
s.t.vg≥const。

临近空间高超声速导弹与一般航空目标和弹道导弹目标的不同之处在于：1)该目标主要飞行区域在临近空间，也就是介于航空空间和航天空间之间，比一般航空目标飞行高度要高，但远不及弹道导弹中段飞行高度；2)该目标具有高超声速、过载大的特点。因此，要求地基拦截临近空间高超声速导弹时要充分考虑其作战高度，同时也必须具有较快的飞行速度和一定的机动过载能力，保证在满足“够得上”标准的同时，适应来袭目标可能出现的临空机动。

则地基拦截弹质量与时间的变化关系如图4所示,其中：t0为地基拦截弹第1级助推点火时间；tki为地基拦截弹第i级助推发动机的工作时间；tdi为不同发动机中间延迟点火时间(发动机质量流率保持不变)。

图4 地基拦截弹质量与时间的变化关系

运用系统分析法和类比法，可假设地基拦截弹为2级导弹：第1级助推发动机主要用于地基拦截弹的高速、高加速特性，保证地基拦截弹快速进入临近空间区域，在发动机能量被最佳利用的前提下满足末速度要求；第2级发动机主要用于实现末制导中动能拦截器的机动控制，能够充分提供临近空间高超声速导弹地基拦截交会过程中适当的机动控制，保证动能拦截的精度。可以看出：运用现有的火箭燃料技术及发动机技术，可通过调整携带燃料的多少和适当的机动控制，将地基拦截弹送到临近空间的高度且末速度满足高超声速碰撞要求。

3 地基拦截物质可行性

地基拦截临近空间高超声速导弹物质可行性主要研究的是地基拦截弹的杀伤能量是否足以摧毁来袭目标，而拦截弹的杀伤能量直接取决于拦截弹选择的杀伤方式、拦截弹的质量、拦截弹的末速度(决定了碰撞速度)以及碰撞角度[8]。因此，要对临近空间高超声速导弹实施成功拦截，就必须在规定的空域和时间内，以最有效的杀伤方式、足够大的速度和能量精确撞击高超声速导弹，才能达到摧毁的目的。

3.1 地基拦截的杀伤能量

针对临近空间高超声速导弹，由动能定理可得地基拦截时的碰撞动能E为

式中：m为拦截弹碰撞时的质量；VM为拦截弹相对目标的速度。

图5为拦截杀伤能量、拦截弹质量与撞击速度间的关系[9]。可以看出：虽然临近空间高超声速导弹弹头具有很高的速度，使得拦截弹破片相对来袭目标弹头具有很高的相对速度，但是战斗部破片质量毕竟很小，很难产生足够大的动能去摧毁来袭导弹。假设成功摧毁来袭临近空间高超声速导弹所需的动能为E0，则对来袭目标的拦截概率可表示为

图5 拦截杀伤能量、拦截弹质量与撞击速度间的关系

由此可知：当拦截概率p≥1时就可以成功摧毁来袭导弹。

3.2 地基拦截的杀伤方式

现役地基防空反导装备的拦截弹战斗部杀伤方式主要包括2类：直接碰撞动能杀伤方式(Kinetic Kill Vehicle，KKV)和导弹战斗部破片杀伤方式。2种杀伤方式的不同主要在于战斗部制导和起爆方式的不同，其原理都是依靠高速飞行获取巨大动能，直接杀伤目标。按照美军发展规划，未来临近空间高超声速导弹可携带不同战斗部(如整体战斗部、动能侵彻战斗部等)，高效摧毁关键目标、深埋地下的加固目标以及运动中的高价值目标。

因此，根据未来临近空间高超声速导弹作战任务的不同，未来将携带不同类别的战斗部，而成功拦截不同类别的高超声速导弹弹头需要的碰撞杀伤能量也是不同的。以美国X-51A巡航段的长度和质量以及起飞的总长度和总质量为例，其基本参数如表2所示。参考文献[10]中摧毁弹道导弹弹头所需的能量，考虑到未来高超声速导弹的战斗部面临的环境更恶劣、作战任务更艰巨，其毁伤能量一般不会低于弹道导弹的弹头。现假设在理想情况下，以临近空间高超声速导弹核能弹头为例，若彻底摧毁来袭导弹，则至少需要43.4 MJ能量。

表2 X-51A基本参数

1) 采取破片式杀伤方式拦截效果。选取现役典型战斗部的单个破片质量为30 g，针对相对速度为10Ma的临近空间高超声速导弹，其杀伤能量为173.4 kJ，若要成功摧毁来袭高超声速导弹，至少要保证有250枚破片同时击中弹头。而美军X-51A试验飞行器的最大机身宽度为0.58 m，其要害面积最大可能达到0.3 m2，那么完全摧毁来袭导弹的破片密度应该达到830片/m2左右，而在实际武器中，这种拦截弹的战斗部很难实现。可见：破片杀伤方式只具有有限的杀伤能力，从摧毁来袭临近空间高超声速导弹所需碰撞能量的角度来看，破片式杀伤只能对付一般常规弹头，不能有效拦截未来临近空间高超声速导弹的大规模杀伤弹头，尤其对于可能携带的核弹头，几乎不具备拦截杀伤能力。

2) 采取直接碰撞杀伤的动能拦截效果。以外军某先进导弹防御系统的拦截弹为参考[11]，选取质量为35 kg的动能拦截弹，其有效碰撞质量约为26.25 kg，那么在弹目相对速度为10Ma时，其碰撞产生的杀伤动能为151.7 MJ，如果弹目相对速度更大，在拦截弹质量增加的情况下，其产生的碰撞动能将更大，其拦截概率p>>1，动能杀伤效果可以完全摧毁临近空间高超声速导弹弹头。

另外，国外研究资料[12]表明：当高超声速目标直接相互碰撞时，会产生一种超激波，在目标尚未完全接触之前，超激波就已经将目标结构破坏，而且将动能几乎全部传给了碎片，瞬间形成破片云。由此表明：采取直接碰撞杀伤的动能拦截方式，使得在临近空间飞行的高超声速导弹受到精确拦截，在合理选取KKV拦截弹质量的情况下，动能拦截弹与高超声速导弹战斗部碰撞瞬间产生的杀伤能量可以彻底摧毁临近空间高超声速导弹。

4 结论

以临近空间高超声速导弹为牵引，美军提出的临近空间“全球快速打击”力量已呈现快速发展的态势，必将对我国空天防御提出新的巨大挑战，有关反临近空间高超声速导弹的研究也将成为研究的热点和难点。本文针对地基拦截临近空间高超声速导弹的可行性进行了理论研究，从地基拦击时间、地基拦截空间以及地基拦截物质3方面建立了定量的可行性数学模型，并根据实际情况进行了定性分析，对进一步研究构建我国反临近空间高超声速导弹的装备体系具有重要的参考价值。

参考文献：

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[2] 张海林,周林,贾新斐,等.美国X-51A飞行器发展分析[J].飞航导弹,2014(9):35-38.

[3] 黄挺松,李长军.美军预警探测系统组成概述[J]. 中国科技信息， 2010(17): 37-39.

[4] 鲁卫红.TBM弹头的毁伤概率计算[J]. 弹箭与制导学报,2001，21(2)：34-38.

[5] 张海林,周林,张琳,等.临近空间高超声速导弹弹道特性分析[J].飞航导弹,2015(3):13-15.

[6] 张毅, 杨辉耀, 李俊莉. 弹道导弹弹道学[M]. 长沙: 国防科技大学出版社, 1999:23-78.

[7] 甘楚雄，刘翼湘．弹道导弹与运载火箭总体设计[M]．北京：国防工业出版社,1996:137-172.

[8] 顾梦凡,董敏周,闫杰.制导精度对弹道导弹动能拦截效果的影响分析[J].指挥控制与仿真, 2014, 36(2): 26-28.

[9] 张海林,周林,左文博,等.临近空间高超声速导弹红外特性研究[J].激光与红外,2015，45(1):41-44.

[10] Con J D. Hypersonic Missile Performance and Sensitivity Analysis[J].Journal of Spacecraft and Rockets, 2007, 44(1):81-87.

[11] Richard M S, Mark J L. Hypersonic Missile Requirements and Operational Tradeoff Studies[J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 2003, 40(2):292-293.

[12] Ryan P S, Mark J L. Sensitivity of Hydrocarbon Combustion Modeling for Hypersonic Missile Design[J]. Journal of Propulsion and Power, 2003, 19(1):89-97.

(责任编辑:尚彩娟)

Feasibility Analysis on Ground-based Intercepting of Near Space Hypersonic Missile

ZHANG Hai-lin1,2, ZHOU Lin1, ZHENG Ni1, ZHANG Feng1, LI Peng3

(1. Air and Missile Defense College, Air Force Engineering University, Xi’an 710051, China; 2.Troop No.93704 of PLA, Beijing 101100, China; 3. Troop No. 93811 of PLA, Lanzhou 730020, China)

Great threat on the security of modern aerospace has been brought by the rapid development of near space hypersonic missile. Feasibility of ground-based intercepting near space hypersonic missile is analyzed to meet the operational requirement of anti near space targets. Taking X-51A typical target as example, in order to intercept the near space hypersonic missile effectively, the speed and energy of interceptor must be maximized in a limited time and prescribed area. Based on such a sense, the intercepting feasibility is theoretically analyzed from the points of view of intercept time, intercept space and intercept material.

near space; hypersonic missile; ground-based intercepting; feasibility

1672-1497(2015)05-0049-06

2015-05-20

全军军事类研究生资助课题

张海林(1985-)， 男， 博士研究生。

TJ762.1+3

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.05.011