高超声速反舰导弹作战效能指标体系研究

王少平,董受全,李晓阳,沈振华

(1.海军大连舰艇学院,辽宁 大连　116018;2.解放军92956部队,辽宁 大连　116041;3.解放军91526部队,广东 湛江　524064)



高超声速反舰导弹作战效能指标体系研究

王少平1,董受全1,李晓阳2,沈振华3

(1.海军大连舰艇学院,辽宁 大连116018;2.解放军92956部队,辽宁 大连116041;3.解放军91526部队,广东 湛江524064)

分析了包括高超声速反舰导弹在内的高超声速武器的发展现状,明确了高超声速反舰导弹的基本定义和不同的分类方式,以及高超声速反舰导弹飞行弹道分段标准和分段名称,概括总结了高超声速反舰导弹主动段、惯性段、再入滑翔段和下压段等四个弹道阶段的任务和特点,建立了以射击精度等四项效能指标为一级指标的作战效能指标体系,并对效能指标的具体含义及分析方法进行了说明。

高超声速反舰导弹;作战效能;指标体系;作战使用

近年来,随着高超声速技术的发展,超燃冲压发动机和脉冲爆震发动机等先进的动力系统逐步应用到航空、航天飞行器上,尤其是超燃冲压发动机在研究、试验和应用等方面已经取得了较大的成就。这些动力技术和应用技术的发展进步,将包括反舰导弹在内的诸多飞行器的飞行速度由亚音速、高亚音速、超声速向高超声速推进,并使超远程精确、快速打击成为可能。

从高超声速武器的发展现状来看,目前世界上还没有任何一个国家实际装备使用高超声速反舰导弹,美国的高超声速滑翔导弹预计要到2025年左右才能服役,但根据目前反舰导弹的发展趋势和对海作战面临的实际攻防环境来看,高超声速反舰导弹未来将可能成为对海作战的“撒手锏”武器。

由于高超声速反舰导弹与传统亚音速或超声速反舰导弹相比具有诸多不同的特点,例如飞行弹道多变、射击距离远、飞行速度快、突防能力强等,而这些特点都将影响高超声速反舰导弹的作战效能,甚至影响整个导弹载舰或编队的综合作战效能。目前针对常规反舰导弹作战效能指标体系的研究比较多,但针对高超声速反舰导弹作战效能指标体系的研究则基本没有,基于此,本文对高超声速反舰导弹的作战效能指标体系进行研究。

1　高超声速武器发展现状

由于高超声速反舰导弹是高超声速武器中的一种,因此,通过研究高超声速武器的发展现状也可对高超声速反舰导弹的发展现状进行一定程度的预测和判断。

自20世纪60年代开始,美国、俄罗斯、日本、澳大利亚和印度等先后制定了关于高超声速飞行器或武器的研究和发展计划,这些计划都得到了不同程度的发展。从目前世界各国关于高超声速武器的发展计划来看,主要研究方向有两个,即针对高超声速巡航导弹和高超声速滑翔导弹的研究计划。

从高超声速武器发展计划的全面性和时间安排来看,美国仍处于领头位置。美国的高超声速巡航导弹发展计划分为海军计划和空军计划,海军最新的发展计划—Hyfly计划已经完成试验,而空军于2012年启动的HSSM项目和2014年启动的HAWC项目正在进行,预计2020年后逐步形成战斗力。美国高超声速滑翔导弹的发展项目分为海军、空军和陆军项目,其中海军未来以潜射高超声速导弹作为研究重点,空军以TBG项目作为重点研究内容,而陆军则以AHW项目作为研究重点[1]。

俄罗斯关于高超声速武器的发展计划也较多,产生了多种型号,包括目前正在进行飞行试验的Yu-71高超声速助推滑翔飞行器[2],以及正在进行气动外形设计和测试的海军3M22(锆石)高超声速导弹。

印度高超声速武器的发展主要依托于与俄罗斯的合作。目前印度在俄罗斯“宝石”导弹项目基础上经过进一步研发生产出“布拉莫斯”系列导弹,该系列导弹已经有向高超声速发展的计划,即研制出布拉莫斯-2型高超声速反舰导弹。布拉莫斯-2高超声速反舰导弹从2007年开始研制,2010年进行了关键技术验证,2014年通过高超声速风洞进行了马赫数为8.4的测试,计划在2020年前进行飞行试验[3-4]。

其他如欧洲、日本、澳大利亚等地区和国家也在积极进行关于高超声速武器基础理论、动力系统等方面的研究,也取得了一些成果。从世界各国对高超声速武器的研究进展来看,尽管目前部分国家在高超声速飞行器基础技术、工程应用、飞行试验等方面已经取得了巨大的成就,但距形成战斗力可能还有较大差距。因此,高超声速反舰导弹要投入实战还尚需时日。

2　高超声速反舰导弹基本概念及弹道特点

根据不同的发射平台,高超声速反舰导弹的弹道也不尽相同,在此以地基或海基发射为例进行说明。从目前看,地基或海基发射的高超声速反舰导弹弹道形式基本都采用助推-滑翔弹道。助推-滑翔高超声速反舰导弹在再入大气层前采用弹道式弹道,再入后采用滑翔式弹道+末制导弹道,因此,从弹道形式来看,其综合了弹道导弹和飞航导弹各自的弹道优势及特点。助推-滑翔弹道又可分为助推-平衡滑翔弹道和助推-跳跃滑翔弹道两种。

2.1高超声速反舰导弹定义和分类

按照文献[6-7]对高超声速飞行器的定义,即是指以吸气式冲压发动机或其组合发动机为主要动力,飞行马赫数大于5,能够在大气层和跨大气层中进行远程或超远程机动的飞行器,则可将高超声速反舰导弹定义为以吸气式冲压发动机或其组合发动机等为主要动力,飞行马赫数大于5,且能够在大气层和跨大气层中进行远程或超远程机动,并以水面舰艇等为主要打击目标的导弹武器。同时参照相关文献对高超声速飞行器按照气动布局、入轨方式、发射平台或功能和使命等进行分类,如图1所示。

图1　高超声速反舰导弹分类

2.2高超声速反舰导弹弹道分段

导弹弹道的分段通常是根据其在飞行过程中的弹道特点等进行划分的。从相关文献上来看,对高超声速导弹的弹道分段多种多样,而且名称各异。文献[8]将临近空间高超声速导弹的弹道分为火箭助推段、超燃冲压发动机加速段和再入滑翔段;文献[9]将临近空间高超声速飞行器的弹道分为助推段、变轨段、滑翔段和下压段四个阶段;文献[10]将飞行弹道分为助推段、惯性段、再入拉起段、跳跃滑翔段和末端下压段。结合上述文献对高超声速反舰导弹弹道的分段方法,并根据导弹飞行弹道特点,可将高超声速反舰导弹飞行弹道分为四个阶段：主动段、惯性段、再入滑翔段和下压段,如图2所示。

图2　助推-滑翔弹道

如果按照以往对反舰导弹飞行弹道的划分方法,即将反舰导弹飞行弹道分为自控段和自导段,则高超声速反舰导弹自控段由主动段、惯性段和再入滑翔段组成,自导段即为下压段。

主动段:该段是指导弹从离开发射平台到头体分离为止的一段弹道。该段称为主动段主要是由于在此段导弹既受到火箭助推器的加速,同时又受到冲压发动机的接力加速,主动段的这一名称更能概括导弹在这一段内的受控状态。

惯性段:该段是指头体分离后,弹头在较高的高度上,以头体分离时刻的速度、速度倾角和高度等为初始值,仅在地球引力的作用下,在近似真空的环境中惯性飞行的一段弹道。部分文献将该段称为自由飞行段,实际上该段既要受到主动段终点导弹飞行参数的制约,同时又要受到再入点飞行参数要求的制约,因此综合考虑,惯性段的名称更符合其弹道特点。

再入滑翔段:该段是指弹头重新进入稠密大气层后,仅依靠气动力进行平衡滑翔或跳跃滑翔直到导弹导引头开机搜索目标之间的一段弹道。再入滑翔段这一名称既能概括导弹在此段的飞行环境变化,又能体现其飞行弹道特点。

下压段:该段是指从导弹导引头开机直至命中目标或落水的一段弹道。部分文献将下压段又称为末端下压段或高速下压段,对于高超声速反舰导弹来说,其飞行弹道顺序已经固定,同时高速飞行是其基本状态,因此,在弹道名称前加“末端”或“高速”等限定词,可能有画蛇添足之嫌。

此外,需要说明的是惯性段和再入滑翔段的分界问题,即如何理解再入的含义。由于空气密度是随高度变化的,因此要完全确定一条大气层边界是不可能的。一般是考虑大气对导弹飞行参数影响显著程度出发,并根据实际情况确定的一条大气边界。以往对于中近程弹道导弹而言,通常以其主动段关机点高度作为划分惯性段和再入段的标准高度,大约50km～70km;而对远程弹道导弹而言,则通常以高度80km～100km作为大气层的标准高度。结合高超声速反舰导弹的飞行弹道高度以及其与弹道导弹的异同点,可将主动段关机点的高度作为划分惯性段和再入滑翔段的分界点高度。

2.3高超声速反舰导弹各段弹道任务及特点

1)主动段

主动段的任务是导弹在助推器以及冲压发动机等的综合作用下为弹头提供满足射程及精度要求的终点高度、速度和弹道倾角等主动段终点参数。该段作用在导弹上的力有地球引力、空气动力、发动机推力和控制力。通常,导弹在主动段的飞行时间并不长,一般小于100s,主动段末端导弹飞行速度一般大于2.5km/s,弹道倾角的大小应使得导弹弹道最高点的高度小于200km[11]。

2)惯性段

惯性段的任务是导弹以主动段终点参数为条件,在飞行高度较高,可忽略空气动力作用的条件下,按照机械能守恒原理,在仅有地球引力的作用下进行椭圆弹道飞行,从而为再入滑翔段创造初始飞行条件。高超声速反舰导弹惯性段起点,即发送机关机点的弹道倾角一般比弹道导弹小,因此惯性段的飞行时间较小,一般小于600s。

3)再入滑翔段

再入滑翔段的任务是导弹在空气动力和地球引力的作用下,以平衡弹道或跳跃弹道飞行至满足导引头开机点要求的位置和姿态等。再入滑翔段通常是导弹飞行时间最长的一段弹道,在该段内,尤其是对助推-跳跃滑翔导弹来说,其弹道机动范围较大,高度上可在20km～40km之间进行跳跃飞行,并且飞行速度可达2km/s～2.5km/s。

4)下压段

下压段的任务是导弹导引头按照预先设定的位置开机,并对目标进行搜索、捕捉、选择和跟踪,并以预订的导引规律将弹头导向目标。在下压段,由于导弹要在高马赫下进行快速俯冲,实现对目标的“灌顶”攻击,导弹下压段弹道落点倾角一般要大于60°,落点速度大于1km/s,飞行时间一般小于70s,并且在此过程导弹飞行距离通常小于100km。

3　高超声速反舰导弹作战效能指标体系

高超声速反舰导弹的作战效能体系是由诸多效能指标组合而成,效能指标的选择是否合理对效能指标体系的构建起到决定性的作用。

3.1作战效能的含义及评估过程

通常武器系统的效能分为单项效能(指标效能)、系统效能和作战效能等三类,而作战效能是指在规定条件下,运用武器系统的作战兵力执行作战行动任务所能达到的预期可能目标的能力,是装备、人和环境综合作用的结果[12-13],是攻防双方激烈对抗过程中的动态效能。作战效能评估的方法主要有解析法、作战模拟法和多指标综合评价法[14-15]等三类。对于高超声速反舰导弹来说,由于其作战效能评估涉及的因素很多,而且各因素之间存在相互交织的负责联系,对所有的因素进行量化难度很大,甚至难以实现,因此在效能评估时可采用多指标综合评价法。

高超声速反舰导弹作战效能评估的过程主要分为三步:一是根据高超声速反舰导弹的性能及作战使用特点选择合适的效能指标;二是建立效能指标与导弹特点、环境条件、使用条件等各种因素之间的关系模型,即形成指标体系;三是综合采用解析计算、模糊加权综合计算[16]等方法对作战效能进行综合评价。

3.2作战效能指标体系

综合考虑高超声速反舰导弹的作战过程、飞行弹道特点、打击目标特点和作战环境等因素,选择导弹射击精度、射击效力、生存能力和可靠性等四项指标组成高超声速反舰导弹作战效能指标体系的单项效能指标,具体组成及各指标间的关系如图3所示。

图3　导弹作战效能指标体系

导弹射击精度指标主要用于反应自导弹发射后其飞行控制精度问题,导弹可靠性指标主要用于反应导弹在整个飞行航路中的稳定性和安全性问题,而导弹生存能力指标主要用于反应导弹在飞行过程中在本身性能特点的约束下,适应自然环境、电磁环境和目标软硬武器对抗的能力,在这三者的综合作用下,导弹作战效能的好坏将由导弹射击效力来决定,即由导弹选择捕捉能力、命中和毁伤能力来综合评价,因此,评价高超声速反舰导弹作战效能的过程实际上就是分析导弹在射击精度、可靠性、生存能力等三者影响下的射击效力的过程。

1)导弹射击精度

系统射击精度是导弹武器系统单项效能指标之一,其一般是通过射击误差的大小进行衡量。按照高超声速反舰导弹的弹道分段及各段飞行制导控制方法的不同,可将系统射击精度指标按照弹道分段分为以下四个一级性能指标,如图4所示。

图4　导弹射击精度指标构成

主动段导弹一般采用程序指令制导,其终点参数主要包括弹道倾角、飞行速度、弹道高度等三个方面,而由于存在发动机参数偏差、弹体结构偏差、气动系数偏差、环境干扰等因素的影响,从而使实际主动段终点参数与理想值存在偏差,从而形成主动段制导误差;

惯性段导弹飞行高度较高,一般在导弹弹道设计时假设导弹处于真空飞行状态,不受空气动力的影响,仅受均匀圆形地球的引力作用,而实际上由于空气密度大小不仅与高度有关,同时与季节时间、昼夜时间、纬度等有关,可能在某一时间和某一空间内可能在一定值域范围内,当假设空气密度为0时会带来误差;

此外,在几十千米以上高度,大气风场随纬度、高度和季节等的变化而变化,最大风速可达100m/s,而风对惯性段飞行的导弹也会产生影响。此外,由于导弹由主动段进入惯性段时,通常认为发动机推力瞬时消失,而实际上自发动机关机后,依然存在后续推力效应,从而产生后效误差。

再入滑翔段导弹主要受空气动力和地球引力的作用,能够施加人为控制的因素只有空气动力,而由于在空气动力的计算中存在气动系数插值误差等因素,以及大气环境模型简化误差,从而形成再入滑翔段制导误差。

下压段一般高超声速导弹采用带终端约束的比例导引法,终端约束条件通常包括落点速度、落点倾角等,导引律通常为与速度向量在俯仰平面内的方位角速率和在转弯平面内的方向角速率与视线角速率、预计落地时间、落点倾角之间的变化关系。从导引律可以得出,下压段误差主要有视线角测量误差、目标起伏误差、角跟踪起伏误差和大目标效应误差等。

对应以往对反舰导弹射击误差的分类,即将系统射击精度指标划分为自控终点散布误差、落点散布误差两类,则高超声速反舰导弹自控终点散布误差由主动段制导误差、惯性段制导误差和再入滑翔段制导误差综合形成。而落点散布误差即下压段制导误差。

2)导弹射击效力

系统射击效力是指导弹武器系统完成射击任务的有效程度。系统射击效力指标可用三项概率性能指标来描述,如图5所示。

图5　导弹射击效力指标构成

在上述三项涉及概率的性能指标计算时,要重点考虑三个问题:一是对于高超声速反舰导弹来说,其导引头通常作用距离较远,且覆盖范围较大,因此在对选择捕捉概率进行计算时,重点应针对其选择和识别能力。此外由于导弹飞行速度快,导引头搜索、捕捉、选择、跟踪和自导命中的时间有限,而且由于导弹存在较大的落点倾角约束,因此要对导引头搜索、选择、捕捉的可用时间范围和空间范围进行分析;二是在命中概率计算时,由于高超声速反舰导弹落点倾角较大,命中部位通常位于舰艇甲板或上层建筑,因此导弹命中平面实际为目标舰艇在垂直于导弹落点方向上的投影平面;三是在毁伤概率计算时,要综合可发射导弹的数量以及目标舰艇编队的综合防护能力,不应进行简单孤立的计算。

3)导弹生存力

生存力指标反映了导弹武器在作战过程中不被发现、发现后不被拦截、拦截后不易被毁伤的能力。系统生存力指标可分解为如图6所示的五项一级性能指标。针对高超声速反舰导弹系统生存力涉及的相关指标,部分文献已对其进行了初步的分析和研究。文献[17]对升力体外形的临近空间高超声速飞行器的RCS进行了分析。文献[18-20]对临近空间高超声速导弹的蒙皮、发动机尾喷管以及尾焰的红外辐射特性进行了研究。文献[21]对临近空间高速滑翔弹头的运动特性进行了分析。文献[22-23]从防御高超声速飞行器的角度对上升段、巡航段的拦截需求进行了分析。此外,系统生存力的另一个指标,即高超声速反舰导弹的电子对抗能力是与导弹是否有弹载干扰设备、导引头的抗干扰措施等因素密切相关的,文献[24-25]等对弹载干扰设备干扰机理及作战使用等进行了研究。

由于系统生存力是由诸多因素共同决定的,因此在分析过程中,不仅要对单项性能指标进行分析计算,同时要根据高超声速反舰导弹在实际攻防环境中面临的多种威胁进行综合分析。

图6　导弹生存能力指标构成

4)导弹可靠性

根据高超声速反舰导弹飞行控制的几个关键问题,将系统可靠性分为以下三项一级性能指标，如图7所示。

图7　导弹可靠性指标构成

通常高超声速反舰导弹动力系统由一级或多级助推器+冲压发动机组成,而影响系统可靠性最为关键的因素即助推器与冲压发动机在高超声速和高动压条件下的分离,以及分离后的姿态控制。由于高超声速导弹对飞行姿态极其敏感,较小的扰动都可能造成导弹失去控制,因此在整个飞行过程中,精细姿态控制和精确制导是极其关键的。对于高超声速反舰导弹可靠性的评估,目前主要依靠地面风洞试验、飞行试验和计算机仿真等进行综合分析。

4　结束语

近年来,随着高超声速技术的发展,高超声反舰导弹在不久的将来可能出现在海战场上,这将极大地改变对海作战双方力量对比形势。尽管从高超声速反舰导弹性能指标上来看,其具有射程远、速度快、突防能力强等特点,但其作战效能究竟如何仍是一个需要深入研究的问题。对高超声速反舰导弹作战效能指标的选择、指标体系的构建,以及对作战效能的总体评估进行研究,将有助于为高超声速反舰导弹的发展论证和设计提供依据,同时为海军反舰导弹武器的作战使用提供合理建议,并为作战方案的制定和优选提供辅助决策。

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Operational Effectiveness Criteria System of Hypersonic Anti-ship Missile

WANG Shao-ping1,DONG Shou-quan1,LI Xiao-yang2,SHEN Zhen-hua3

(1.Dalian Navy Academy,Dalian 116018；2.the Unit 92956 of PLA,Dalian 116041;3.the Unit 91526 of PLA,Zhanjiang 524064,China)

Development status of hypersonic weapon is analyzed,which includes hypersonic anti-ship missile.Basic definition,different classification,sub-standard and names of variable trajectory of hypersonic anti-ship missile are specified.The tasks and characteristics of boost phase,reentry glide trajectory,inertial phase and pressurizing-down phase are summarized.The operational effectiveness criteria system is proposed,which includes four first grade indexes,firing accuracy of anti-ship missile,for example.Specific meaning and analysis methods of operational effectiveness indexes are introduced.

hypersonic anti-ship missile; operational effectiveness; criteria system; operational application

1673-3819(2016)05-0041-06

2016-06-26

2016-07-09

王少平(1985-),男,陕西洛南人，博士,助理工程师,研究方向为反舰导弹作战使用。

董受全(1968-),男,博士,教授。

李晓阳(1985-)，男，硕士。

沈振华(1985-)，男，硕士。

TJ761；E927

ADOI:10.3969/j.issn.1673-3819.2016.05.008