高低两层抗击高超音速巡航导弹作战策略与部署方法研究

刘 健 管维乐 刘志航

空军工程大学防空反导学院，西安710051

高超音速巡航导弹(Hypersonic Cruise Missile，简称HCM)的作战距离可达数千公里，它拥有极快的飞行速度、精准的到达能力及高速隐身的突防能力，巡航高度在介于低层反导武器和高层反导武器的火力空隙，是一种既不同于传统巡航导弹，也不同于弹道导弹的新型武器［1－3］，将引起未来作战的重大变革，使得防空系统面临巨大挑战。因此，如何抗击HCM，如何进行拦截系统的部署规划，是一个重要的研究课题。

1 抗击HCM 作战策略

HCM 飞行弹道包括弹机分离、加速爬升、高速巡航以及俯冲攻击等阶段，飞行速度可达5Ma 以上，巡航高度在海拔20km ～40km 之间，若不进行机动，巡航弹道可认为是水平等速飞行，主要位于海拔高度25km ～30km 之间［4－5］。

目前，低层反导系统(如美军的PAC-3)的最大作战高度约为25km，从战技指标上看，低层反导系统［6－7］对俯冲阶段的HCM 具备一定拦截能力，但对25km ～40km 高程的HCM 则无法拦截，因此，对25km 以上高度的HCM 必须选择更大作战高度的拦截系统，不妨称为高层拦截系统。要特别说明的是，这里的高层拦截系统，是指在比低层反导系统作战高度更高的高程上对HCM 进行抗击的拦截系统，与一般意义上的高层反导系统(如美军的THAAD)不是同一个概念，一般意义上的高层反导系统作战高度的低限通常为40km，在HCM 的飞行高度之上，不能作为抗击HCM 的拦截系统。

当前，俄罗斯正在研制C-500 反导系统，其一项重要功能就是拦截临近空间高超音速目标，其最高可拦截40km ～50km 高的临近空间高超音速飞行器。此外，俄罗斯的C-400 反导系统最大射高为30km，既可承担低层拦截任务、也可承担一定程度的高层拦截任务。因此，从拦截武器的作战高程看，对HCM 可采用高低两层分别进行拦截，高层拦截系统可使用C-500、C-400 等，低层拦截系统可使用一般意义的低层反导系统如PAC-3 等。低层拦截系统主要负责在HCM 的俯冲段进行拦截，高层拦截系统则负责在HCM 巡航段或俯冲段初期进行拦截。由于HCM 巡航飞行段较长，因此在巡航段可分段进行多次拦截，提高拦截概率。

2 高低两层抗击HCM 的时间可行性分析

高层拦截系统射击HCM 后，若HCM 没有被成功拦截，那么，在时间上低层拦截系统是否来得及进行后续射击是一个必须讨论的问题。

2.1 高低2 层抗击HCM 的时间可行性分析方法

为了简便，如图1 所示，设HCM 俯冲过程呈直线飞行，HCM 俯冲飞行的弹道倾角为θ，俯冲时平均速度为vfc，设高层拦截弹与HCM 的遭遇高度为h0，若拦截未成功，经历Δtpg秒的杀伤效果评估时间后目标飞至高度h0－vfcsinθ·Δtpg，此时低层拦截系统发射拦截弹，设低层拦截弹平均速度为，则低层拦截弹从发射到遭遇经历的时间为

遭遇时刻目标斜距为

设低层拦截系统最小杀伤斜距为rmin，若遭遇时刻目标斜距大于拦截系统最小杀伤斜距，即

可认为对HCM 进行高低2 层拦截在时间上是可行的。

图1 高低2 层抗击HCM 的时间可行性分析方法示意图

2.2 算例与结论

1)高层拦截系统在HCM 俯冲前发射、遭遇，低层拦截系统在HCM 俯冲后发射、遭遇。

设HCM 巡航高度h = 25km，俯冲过程中弹道倾角θ = 45°，俯冲时平均速度vfc= 6Ma=2.04km/s;设高层拦截系统在HCM 俯冲前进行拦截，即在h0=25km 高度与目标遭遇;设拦截不成功，杀伤效果评估时间Δtpg= 5s，经历5s 的杀伤效果评估时间后，目标飞至高度h0－vfcsinθ·Δtpg=25－2.04×sin 45°×5 ≈17.7875km，此时低层拦截系统发射拦截弹，设低层拦截弹平均速度=1.5 km/s，则低层拦截弹从发射到遭遇经历的时间为

遭遇时刻目标斜距为

一般情形下低层拦截系统最小杀伤斜距rmin约为5km，因此遭遇时刻目标斜距为10.659km，满足r≥rmin，即对HCM 进行高低两层拦截在时间上是可行的。

2)高层拦截系统在HCM 俯冲后发射、遭遇，低层拦截系统随后拦截。

设高层拦截弹在HCM 俯冲刚开始时发射，即HCM 处于高度h = 25km 时发射，设高层拦截弹平均飞行速度= 2.0km/s，其它参数不变。这样，高层拦截弹从发射到遭遇经历的时间为

高层拦截弹与HCM 的遭遇高度为

将h0及相关参数代入式(1)，得低层拦截弹从发射到遭遇经历的时间为

遭遇时刻目标斜距为

显然，3.0943 小于低层拦截系统最小杀伤斜距5km，因此低层拦截系统不能进行第2 次拦截;即使低层拦截系统最小杀伤斜距rmin为3km，上述整个射击过程已没有任何时间余量，因此，低层拦截系统不能进行第2 次拦截。

上述2个算例中参数具有代表性，综合2个算例结果，可以得到下面结论:在俯冲段无法对HCM进行2 次拦截;要对HCM 进行高低两层拦截，高层拦截系统必须在HCM 的巡航段进行射击、遭遇，低层拦截系统则负责俯冲段拦截。

3 抗击HCM 拦截系统部署方法

3.1 抗击HCM 拦截系统部署思路

由2.2 节可知，高层拦截系统主要负责HCM 的巡航段拦截，低层拦截系统负责俯冲段拦截。HCM在巡航段、俯冲段呈现不同的飞行状态。飞行状态的不同，使得拦截系统抗击HCM 的部署方法亦有不同。为此，将拦截系统抗击HCM 部署方法分为下面2 部分:1)低层拦截系统抗击俯冲段HCM 部署方法;2)高层拦截系统抗击巡航段HCM 部署方法。

低层拦截系统对俯冲段HCM 的拦截与低层反导系统抗击TBM 的情形类似，因此低层拦截系统抗击HCM 部署要求可参考低层反导系统抗击TBM 部署方法［8－9］计算分析得到，限于篇幅本文暂不讨论，只对高层拦截系统抗击巡航段HCM 的部署方法进行探讨。

抗击HCM 拦截系统部署方法与拦截系统的杀伤区密切相关，为此，首先对拦截系统的杀伤区进行说明。

3.2 拦截系统的杀伤区

拦截系统杀伤区［10］是一个有限的空间区域，一般采用右手直角坐标系OPSH 表示。原点O 为拦截系统配置点，也就是拦截系统的制导雷达所在点;S轴位于水平面，指向目标来袭方向;P 轴位于水平面，表示目标航路捷径;H 轴为铅垂方向，向上为正。拦截系统杀伤区通常采用水平杀伤区、垂直杀伤区2个剖面来表示。水平杀伤区常用的参数有远界Dsy、近界Dsj、最大航路角βmax和最大航路捷径pmax，一般情形下高层拦截系统水平杀伤区如图2，水平杀伤区的远、近界与水平剖面所在高度相关。垂直杀伤区常用参数有:高界Hmax，低界Hmin，远界斜距Rmax，近界斜距Rmin，最大高低角εmax和最小高低角εmin等，垂直杀伤区一般常指航路捷径等于0 的铅垂平面的杀伤区剖面，一般情形下高层拦截系统垂直杀伤区如图3 所示，其中AB 线段称为高近界，BC 弧段称为低近界。

图2 一般情形下高层拦截系统水平杀伤区

图3 一般情形下高层拦截系统垂直杀伤区

3.3 高层拦截系统抗击巡航段HCM 的部署方法

3.3.1 高层拦截系统最优配置点计算方法

3.3.1.1 高层拦截系统最优配置点位置分析

为了方便研究，在接近要地的区域，设HCM 俯冲段为倾斜直线飞行，巡航段为水平直线飞行，如图4 所示，俯冲与巡航的转折处不妨称为弹道转折点。当然，HCM 弹道在俯冲前后弹道是光滑的，不会有明显的弹道转折点，但通过HCM 的巡航速度、高度、基本的弹道方程和空气动力特性可大致估算出HCM 的俯冲开始点。

建立直角坐标系SO'H，O' 为HCM 突击的要地，S 轴、H 轴意义同前，见图4。

高层拦截系统配置点O 不宜离要地O'很近，如图4 中O2点，因为HCM 弹道在O2的杀伤区内拐弯，高层拦截系统若在HCM 俯冲段拦截，则遭遇后低层拦截系统已来不及进行后续射击;若高层拦截系统在HCM 巡航段拦截，则杀伤纵深短浅，射击窗口小，并且在此阶段目标拐弯机动，跟踪射击不便。

高层拦截系统配置点O 亦不宜离要地O'很远，如图4 中O1点，该点在巡航段拦截HCM，可以获得较大的杀伤纵深，但却不是高层拦截系统最好的配置点，因为HCM 来袭方向可能为一个范围，而不是一个确定的方向，离落点越远，需要火力覆盖的范围越大，所需的火力单位越多，如图5。

图4 高层拦截系统部署分析示意图

图5 拦截系统火力应覆盖HCM 可能来袭方位范围

综合上面分析可知，当高层拦截系统近界与HCM 弹道转折点相交时，此时的拦截系统配置点是最优的配置点，如图4 中O 点，高层拦截系统部署在这一点，既能在巡航段对HCM 进行拦截，使之具有较大的杀伤纵深，又使得所需火力单位数量最少。

3.3.1.2 高层拦截系统最优配置点的计算

设高层拦截系统配置于O 点，O 点坐标(SO，0)待定;设俯冲飞行的HCM 弹道倾角为θ，HCM 巡航高度为h，即图6 中图7 中

由于HCM 巡航高度的不同，HCM 弹道转折点与高层拦截系统杀伤区的相交可能出现下面2 种情形(见图6 和7):1)HCM 弹道转折点与高层拦截系统杀伤区高近界相交，该情形发生的条件为:Rminsinεmax≤h ≤Hmax;2)HCM 弹道转折点与高层拦截系统杀伤区低近界相交，该情形发生的条件为:Hmin≤h ＜Rminsinεmax。当h ＜Hmin或h ＞Hmax时，高层拦截系统对HCM 不构成拦截条件。

图6 HCM 弹道转折点与杀伤区高近界相交

图7 HCM 弹道转折点与杀伤区低近界相交

下面分2 种情形，分别讨论高层拦截系统最优配置点O 的确定方法。

1)HCM 弹道转折点与高层拦截系统杀伤区高近界相交图6 中，

从而高层拦截系统最优配置点O 在S 轴的坐标SO为

当θ ＜εmax时，SO= hcotθ －hcotεmax＞0 ，即高层拦截系统O 应配置在要地的前方;

当θ ＞εmax时，SO= hcotθ －hcotεmax＜0 ，即高层拦截系统O 应配置在要地的后方;

当θ = εmax时，SO= hcotθ －hcotεmax= 0 ，此时高层拦截系统O 应配置在要地所在地。

2)HCM 弹道转折点与高层拦截系统杀伤区低近界相交图7 中，

从而高层拦截系统最优配置点O 在S 轴的坐标SO为

3.3.2 相邻高层拦截系统配置间距确定方法

3.3.2.1 相邻高层拦截系统左右配置间距确定方法

设相邻的高层拦截系统左右配置间隔为dp，高层拦截系统对HCM 杀伤区的最大航路捷径为pmax。为了保证杀伤区左右衔接，显然dp应满足dp≤2pmax;若要获得较大的重叠杀伤区，dp最好满足dp＜pmax。

为避免电磁互扰，或为兵器展开需要等，2 套拦截系统一般都有配置的最小间距。设相邻2 套拦截系统配置的最小间距为dmin，dp应满足dp≥dmin。

因此，相邻高层拦截系统左右配置间距dp应满足:dmin≤dp≤2pmax;若要获得较大的重叠杀伤区，左右配置间距dp最好满足:dmin≤dp＜pmax。

3.3.2.2 相邻高层拦截系统前后配置间距计算方法

相邻高层拦截系统前后配置间距并非越大越好。图8 中，若O1点离O 点距离很远，为了覆盖HCM 可能的来袭方位范围，在离要地距离O'O1的弧段，必须部署很多的拦截系统，如图5 所示，从而增加兵力数量需求。

若前一拦截系统与后一拦截系统的距离很小，也不是好的决策。图8 中，拦截系统O1与HCM 的最后可能遭遇点为L 点。经过杀伤效果评估时间后，HCM 飞至Q 点。若评定没有杀伤，则此刻拦截系统O 发射拦截弹，若要在O 的杀伤区远界W 点与HCM 遭遇，则HCM 在的飞行时间应等于O的拦截弹飞至远界点W 的时间。若HCM 在的飞行时间小于O 的拦截弹飞至远界点W的时间，则O 的拦截弹与目标遭遇时HCM 已越过O的杀伤区远界，这样就缩小了拦截系统O 对目标的杀伤纵深。因此，图8 中所示为高层拦截系统前后配置间距的理想距离。

图8 相邻高层拦截系统前后配置间距计算方法示意图

设HCM 巡航高度为h，巡航飞行的平均速度为vxh，拦截系统杀伤效果评估时间为Δtpg，高层拦截系统O 的杀伤区远界斜距为Rmax，O 的拦截弹平均飞行速度为，则O 的拦截弹飞至远界时间为故

又

故高层拦截系统前后配置间距的理想距离为

由于地形、交通等因素，难以保持理想的间距，则相邻的高层拦截系统前后配置间隔ds一般应满足

3.3.3 算例

1)高层拦截系统最优配置点的计算

设HCM 巡航高度h =25km，俯冲飞行HCM 弹道倾角θ =45°，拦截系统高界Hmax=40km，低界Hmin= 8 km，近界斜距Rmin=10 km，最大高低角εmax=70°。

Rminsinεmax= 10sin70°≈9.397 ，此时下面条件成立:

因此，情形(1)发生，即HCM 俯冲前与高层拦截系统杀伤区高近界相交。

采用式(3)进行计算，得

即高层拦截系统应配置在要地前方15.9km。

2)相邻高层拦截系统前后配置间距的计算

设HCM 巡航飞行的平均速度vxh= 5Ma =1.7km/s，拦截系统杀伤效果评估时间Δtpg=5s，高层拦截系统O 的杀伤区远界斜距Rmax=50km，O 的拦截弹平均飞行速度为=2.0 km/s，则高层拦截系统前后配置间距的理想距离为

综合算例(1)和(2)可知，要在HCM 巡航段部署前后2 层拦截带，则在上述参数假设下，里层拦截带的最优配置距离为要地前方15.9km，外层拦截带的最优配置距离为要地前方15.9 +85.2 =101.1 km，里外两层拦截带的前后间隔不得小于85.2km。

4 结语

在分析HCM 目标特性的基础上，提出了抗击HCM 的分段分层拦截策略，并从时间角度对高低两层抗击HCM 的可行性进行了分析，得到了有益的结论:在俯冲段无法对HCM 进行2 次拦截;要对HCM 进行高低两层拦截，高层拦截系统必须在HCM 的巡航段进行射击、遭遇，低层拦截系统则负责俯冲段拦截。同时，还对抗击HCM 拦截系统的部署方法进行了研究，建立了高层拦截系统最优配置点的计算方法和理想配置间隔的确定方法，并采用上述方法进行了案例计算。

目前HCM 尚处于研制试验阶段，对HCM 的抗击作战研究也处在起步阶段，因此，抗击HCM 作战是一个崭新的、极具挑战性的研究课题，本文提出的思路方法对抗击HCM 的作战运用具有指导意义和实用价值。

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