萨德为啥要兜圈子？

张亦驰

前段时间，韩国正式宣布在韩部署美国“萨德”反导系统，“萨德”反导系统再次被置于聚光灯下。而在一些“萨德”拦截弹发射的图片和视频中有一点颇为与众不同：其拦截弹在发射后不久便进行机动，在“兜两圈”进行螺旋式上升之后，再以非常大的加速度直刺苍穹。这种螺旋上升的现象在传统的防空导弹中基本上没有出现过。那么，为何有些 “萨德”拦截弹在发射后不久不是直线上升，而要“兜圈子”呢？

消耗动能的能量管理机动

实际上，“萨德”拦截弹发射后不久进行的螺旋上升机动学名叫能量管理机动 （英文名为Energy Management Steering Maneuver，简称EMM）。这是在防空反导拦截弹上使用的一种“新技术”。1995年到1999年，“萨德”系统在其演示验证阶段共进行了11次飞行试验。其中明确报道的进行了EMM的飞行试验共7次，5次成功。

从飞行轨迹看，EMM机动是一种三维折S机动。进行EMM机动时，“萨德”拦截弹的推力矢量系统进行转弯控制，推力沿速度轴分量减小。同时导弹大侧滑角、大攻角的机动，也导致阻力大增。通过上述综合因素消耗能量，降低导弹的最大速度。需要注意的是，这个EMM是通过耗能减小导弹的最大飞行速度，但是在机动过程中应该是仍然处于加速状态，只不过加速度大大降低。EMM段的导弹通常工作在± 90°攻角以内，超±90°攻角的弹体气动特性与飞行控制问题更加复杂、难以确定。

那么，新的问题就来了，“萨德”拦截弹为什么要费那么大劲耗费动能、降低最大速度呢。要知道，别人的防空导弹还都在想方设法地提高其飞行速度呢。

以苏联防空导弹系统为例，从SA-3开始到SA-10（S-300），其防空导弹采用的固体火箭发动机发展经历了至少三代，其最主要的目标就是提高比冲和总冲，让导弹获得尽可能大的最大速度和平均速度。其采用固体火箭发动机的防空导弹的发动机关机速度从最初3马赫左右增加到了S-300的6马赫左右。

尽可能快的速度，对于传统防空导弹带来至少两点好处：首先是增大射程。传统上，采用固体火箭发动机的防空导弹，决定其射程的最关键参数就是发动机关机后的导弹速度。当然，导弹升阻比、控制率、弹上仪器工作时间也对导弹的最大射程影响很大，但是速度是一个“总开关”，是最关键的决定因素，它决定了导弹具有的能量。

和冲压发动机、液体火箭发动机相比，固体火箭发动机的一大问题就是在确定的装药药型下，发动机的燃烧速度、推力和燃烧时间就基本确定了，在飞行过程中无法进行自适应的调节，也很难进行开关机控制以保证能量的均衡输出，所以基本采用耗尽关机的模式。一旦发动机关机，导弹就是一个不断减速的过程，直到其速度小到一定程度。导弹有多大能量，取决于发动机关机时的速度和高度，当然关键还是速度。而像S-300和“爱国者-2”这类第三代防空导弹能够达到150千米以上的射程，一个根本原因在于得到了大约6马赫的最大速度。当然，最新的防空导弹，例如“标准”-6采用了双脉冲发动机，这是能量管理的另外一个高度了，我们会在后面談到。

对于传统防空导弹而言，高速带来的第二大优势便是增大了最大过载。采用空气舵的传统防空导弹，在相同的布局形式下，其最大可用过载取决于舵面的控制力，而舵面的控制力的大小则取决于当时的导弹速度以及空气密度，速度越大，空气密度越大，其控制力就越高，可用过载就越大。当然，最新型的采用侧向直接力控制和推力矢量系统控制的直接碰撞动能杀伤战斗部的防空导弹末段对空气动力的依赖减小，其速度对其末段机动性能的影响也降低了（“萨德”就是这种情况）。但是在传统防空导弹中，速度仍然是一个决定因素。

正因为如此，防空导弹都在尽可能多地提高最大速度。“萨德”拦截弹也不能“免俗”，通过采用先进的固体燃料发动机，其最大速度已经达到了史无前例的8.2（也有称8.4）马赫，正是这个高速度才能支持其在大气层外的拦截以及大约200千米的射程和180千米左右的射高。要知道，重量和“萨德”相当的俄罗斯“山毛榉”防空导弹射程只有区区45千米。当然，由于“萨德”采用推力矢量系统和碰撞式动能杀伤战斗部，其高速对增加导弹机动性的贡献就大大降低了。

问题再次回到原点，既然“萨德”达到了8.2马赫的最大速度，为什么要减小最大速度呢？

高速度的副作用

关于“萨德”进行这种耗能减速机动的目的，笔者曾经看到过很多猜测。有一种颇为有趣的说法是，发射时机过早，目标尚未进入杀伤区，拦截弹需要在空中耗能“等待目标进入杀伤区”。实际上，当防空反导系统的火控雷达跟踪上目标后，便开始计算导弹和目标的瞬时遭遇点，一旦这个瞬时遭遇点进入杀伤区远界内，理论上即可发射导弹。而瞬时遭遇点如果没有进入杀伤区，导弹就发射出去了，结果还不得不在空中绕圈“等目标”，这样的火控系统设计师早就该被炒鱿鱼了。当然，确实可能因为目标突然机动转向而脱离杀伤区最终导致脱靶的可能，但这不是导弹在天上绕圈“等会儿”能解决的。对付这类大机动的目标，通常会待其进入保险杀伤区或者不可逃逸区再发射导弹。所以，从防空导弹系统诞生的那天起，人们就没看到防空导弹发射后还要在天上绕圈等目标的情况。而且“萨德”拦截弹的这种机动是导弹发射后立刻进行的，这说明这种机动在发射前就已经是装定好了，而不是当发射后才发现临时实施的。

国外媒体最初在报道“萨德”能量管理机动时声称，该机动通过发射后导弹的“迅速减速”来保证导弹飞行在靶场安全范围内。例如，萨德拦截弹在1999年6月10日的第10次飞行测试中完成了首次拦截，洛克希德·马丁公司官方网站解释称，“这种螺旋状的能量管理机动减少了导弹的速度，以符合白沙导弹靶场的安全限制。”这种解释有一定的合理性，毕竟减小最大速度后，导弹的飞行范围就大大缩小。但是笔者认为，这很可能并非是主要原因，而是洛克希德·马丁公司的一个障眼法而已。美国的陆基拦截弹、标准-3拦截弹的射程、射高都大于“萨德”，但是均未进行EMM机动。而且，能量管理机动在实现上是比较复杂的，其中涉及到导弹在低速大攻角、大侧滑角下的控制问题，而且导弹最终是要进行全射程试验的，靶场必须满足这个条件，不能让导弹来将就靶场。

那么“萨德”究竟缘何进行这种EMM机动呢。这还要从防空导弹的高速飞行带来的副作用谈起。同时，要考虑到“萨德”拦截大气层外目标和大气层内目标面临的矛盾。

导弹增加速度固然可以提高射程，但也带来了新的问题。

速度过快，就给飞行控制带来难题，特别是在稠密大气层内飞行。当然，弹道导弹、运载火箭可以达到10倍、20倍以上的声速，但是其高速飞行段主要在大气层外，受到的空气动力影响要比大气层内小得多。而在大气层内以高超声速飞行，其控制就复杂得多。俄罗斯的S-300防空系统就不建议在导弹的主动段对目标实施攻击（这一点可能和很多人想象的不同），俄方资料称在主动段的振动很大，但另外一个未说明的因素应该控制问题，一旦攻角偏大，就可能造成全弹的失控解体。所以，通过能量管理机动降低最大速度，进而减少大气层内高速飞行的控制难度。在发射初期的亚声速段进行能量消耗机动的优势在于，其速度较低，进行大姿态变化时的过载较小，对弹体结构和弹上仪器的影响相对较低。亚声速段导弹的可用攻角可以达到或接近90°，导弹的控制稳定性易保证。

当然，通过增加低速阶段的控制复杂度来降低高速阶段的控制难度，毕竟是有得有失。仅仅这一点，笔者认为还不足以让“萨德”在低速阶段进行能量管理机动。这就涉及了高速飞行的第二个问题。

高速飞行另外一个副作用便是气动加热导致导弹头部整流罩的温度过高，这对于雷达制导导弹来说不是个太大的问题，但对于而对于采用红外成像制导的“萨德”来说，就是问题了。按照洛克希德·马丁公司的说法，“萨德”是世界上唯一一种既能在大气层外拦截，又能在大气层内拦截弹道导弹的反导系统。美国的“标准”-3和陆基拦截弹的拦截范围都在大气层以外，那里空气稀薄，几乎不会产生气动加热，便于红外成像导引头的搜索跟踪。“萨德”的这种特性带来的一大矛盾在于，射击大气层外目标，要求导弹拥有很高的末速，以便能够达到足够的高度和距离。但是当拦截大气层内目标时，高速飞行的导弹弹头与空气摩擦产生气动加热使得头部驻点温度高达上千摄氏度，这就会严重干扰红外导引头的跟踪。为了尽量降低这种干扰，“萨德”拦截弹率先采用了侧窗红外制导技术，也就是说在导弹弹头头锥侧面开设窗口用于容纳红外制导系统，以避开导弹温度最高的头锥部。不仅如此，还在导弹头部还罩上一个防护罩，用于隔绝导弹加速过程中的热量，以至于导弹制导段的直径（0.37米）要比动力段还要粗一些。而降低最大速度，则是减少拦截大气层内目标时热干扰的另外一种途径。这种能量管理机动，有助于“萨德”系统将拦截范围扩大到低空。

此外，降低最大速度，也可以降低弹目交汇时的相对速度，有利于引信和战斗部的配合。 “萨德”采用了直接碰撞的动能杀伤战斗部，降低相对速度，也有利于提高撞击的精度。

简而言之，“萨德”拦截弹进行能量管理机动，减小最大飞行速度，有利于在较为稠密的大气层内拦截目标，让“萨德”系统更好满足大气层内拦截特性，也就是说将拦截范围从大气层外拓展到了大气层内。当然，在拦截大气层外目标时，“萨德”就不必做这种耗能机动了，只有飞得更快，才能飞得更远，飞得更高。

应用广泛的“能量管理”

实际上，能量管理机动最初并非用于导弹起飞阶段，而是用于航天器再入阶段。通过这种较为复杂的机动，增加飞行距离，以降低再入速度，减少航天器的热载荷。2014年，中国探月工程的“再入返回飞行试验器”以接近第二宇宙速度进入大气层，采用了“半弹道跳跃式”再入返回轨迹，这种类似于“打水漂”的机动设计实际上就是一种能量管理机动。

能量管理机动还被用于时下最时髦的助推-滑翔式高超声速飞行器。而且在助推段和滑翔段能量管理机动均可得到运用。

助推-滑翔型的高超声速飞行器进行能量管理机动的目的也是通过调整速度来调整射程。这种导弹通常采用助推器和滑翔飞行器组成，而固体火箭发动机又是最主要的助推器形势。由于固体火箭发动机通常采用耗尽关机方式，无法有效控制发动机推力和燃烧时间，所以在小射程飞行时会出现能量过剩的问题，就有必要采用能量管理。在助推段，可采取姿态机动飞行，按照一定的俯仰、偏航程序进行机动飞行，实现能量管理，进而影响滑翔段的最大射程、最小射程。这一点和“萨德”在起飞后不久的能量管理机动有异曲同工之妙。

当滑翔飞行器与助推器分离后开始无动力滑翔时，则进入能量消耗的过程，能量消耗方式决定了滑翔段的射程以及终端能量的大小。因此，对滑翔段的能量管理，也可实现对滑翔段射程的控制。在滑翔段，可通过阻力加速度剖面的设计来实现能量管理，阻力加速度剖面设计是一种给出倾侧角指令的方式。通过阻力加速度剖面的设计，调整滑翔过程中能量耗散速率，以实现射程调节。

尽管“萨德”是首先在发射初期运用能量管理技术的防空反导系统，但其实防空导弹的能量管理不是到“萨德”才出现的。在以“爱国者”、S-300为代表的第三代防空导弹上，就已经初步拥有能量管理技术了。

传统防空导弹，引导规律主要采用三点法、固定系数法以及比例引导法。其重要弊端是弹道过于弯曲，导弹会随着目标的机动而大幅度机动，这就无意中消耗了导弹的能量，减小了射程。在S-300的改进型以及“爱国者”-2上都采用修正的比例引导法，运用了大量模糊控制技术，弹道只有在目标机动到一定范围外才进行一定的机动，减少了能量的损失。而且导弹发射后首先爬升，在攻击远距离目标时，弹道顶点在万米左右，在这个高度可积蓄势能，又减小阻力。在飞行末段降低高度，势能化为动能，以便获取足够的机动能力。这种弹道呈拋物线形状，俄罗斯人将其称为准最佳弹道。这种高抛弹道和修正的比例导引，实际上也是能量管理在防空导弹上运用的典范。

另外，更广泛的能量管理概念还被运用在最新型的防空导弹中。导弹的速度过大，将导致空气阻力大幅提升。导弹的总冲一定，过高的速度会导致空气阻力做功更大，因而能量损失也更大。所以，最新型的防空导弹开始采用脉冲发动机，导弹发动机第一次点火先赋予其较高的速度和能量，将其保持在一个比较合适的区域——这个速度即有利于机动，也不至于带来那么大的阻力。导弹飞行末段再次点火，使得导弹有足够的动力进行最后的机动。这样使得固体燃料发动机更合理的释放能量。正是这种技术的运用，加之高能固体燃料以及网络瞄准技术的运用，才让美国标准-6的最大射程猛增到了近400千米。

责任编辑：邢强