小型先进能力导弹性能估算与分析*

2020-03-29史荣宗张俊宝

弹箭与制导学报 2020年6期

史荣宗，张俊宝

(中国空空导弹研究院，河南洛阳 471009)

0 引言

空空导弹是空战中使用的主要作战武器，其性能的优劣是空战胜利与否的重要因素。现有的空空导弹按照射程大致可分为两类：以美国的AIM-120系列为代表的中远程空空导弹与以AIM-9X系列为代表的近距格斗空空导弹。总结世界各国的空空导弹发展现状与趋势，可以看出空空导弹在朝着远程化、网络化发展的同时，也在朝着小型化、智能化的方向发展[1]。

为了保持空中优势，美国正在开展第五代空空导弹的研制工作[2-3]。目前美国披露的下一代空空导弹项目中，小型先进能力导弹(SACM)/微型自卫弹药(MSDM)项目是备受关注的项目之一。该项目对于提升美军下一代战机的载弹量与作战能力具有至关重要的意义[4-5]。洛克希德·马丁公司(以下称：洛马公司)于2013年2月展示了该公司定位为小型先进能力导弹的产品模型——“库达”(CUDA)空空导弹。现有的公开研究报告中，尚未见有关该型产品综合性能的报道。为了进一步了解该型导弹的综合性能，并加深对国外导弹发展趋势的研判，在文献[6]的基础上，结合CFD气动力计算，发动机性能估算，弹道仿真等方法，对该型导弹的性能进行详细的估算与分析。

1 性能估算

1.1 气动性能估算

根据洛马公司公布的信息可知，CUDA相比于传统的空空导弹，最明显的特点就是具有更小的尺寸，可以实现在F-22中12枚的挂装量，其采用小展长正常式气动布局，弹径152 mm，弹长1 800 mm，长细比12，舵面形状为直角梯形舵，翼面形状为切削三角翼，舵展312 mm，翼展300 mm。其气动布局如图1所示。

图1 CUDA气动外形(单位：mm)

在比测气动外形的基础上，采用CFD方法，对CUDA气动性能进行估算。在典型计算条件下(飞行高度10 km，飞行速度2.0Ma)，计算所得的不考虑直接力装置作用时，主动段与被动段的最大过载分别为31与26。图2给出了CUDA在不同马赫数与不同攻角下的法向力系数曲线，图3给出了CUDA在不同高度与不同马赫数下的零升阻力系数曲线。

图2 法向力系数曲线

图3 零升阻力系数曲线

1.2 动力性能分析

根据测绘，发动机除去长尾喷管长度约为990 mm，减去与前后舱的接口部分，装药的长度约为880 mm。发动机弹径为152 mm，去除壳体与热防护结构的厚度，装药的外径约为145.2 mm。美国导弹发动机大部分使用加开应力槽的装药药型，在单脉冲条件下，可以反向设计出推力曲线如图4所示。平均推力16 kN，工作时间3.37 s，总冲54 kN·s。

如果改用双脉冲，其总冲会略小于单脉冲的形式，估算一级平均推力12 kN，工作时间2.5 s，总冲为30 kN·s，反推推力曲线如图5所示。二脉冲平均推力5 kN，工作时间4.3 s，二脉冲总冲21.5 kN·s，反推推力曲线如图6所示。

图4 单脉冲形式的推力

图5 双脉冲形式的一脉冲推力

图6 双脉冲形式的二脉冲推力

1.3 导引头性能估算

根据洛马公司的宣传，CUDA采用复合导引头，但是从外形来看，更有可能是抛罩式的红外导引头或雷达导引头。若CUDA采用红外成像导引头，根据其外形尺寸，结合现有的红外导引头设计水平，估算得到的导引头探测距离为不小于9 km(10 W/sr)。

根据CUDA导弹弹径，考虑空空导弹外径与天线口径的关系，推算CUDA雷达导引头天线口径约为127 mm，根据其导引头舱长度只有323 mm可知其天线形式应为相控阵天线，根据其尺寸的大小以及可以放置的收发组件的个数，并结合现有的天线设计水平，估算得出其导引头若采用Ku波段时的峰值功率约为1 000 W，天线增益约为25 dB。对雷达方程中的其它参数采用典型值，计算得到其导引头对RCS为1 m2的目标的探测距离为15 km左右。

2 总体性能分析

结合前文估算的气动、动力、导引头性能，使用三自由度弹道仿真程序，对CUDA的综合性能进行仿真分析。下文的仿真结果中，在考虑导引头截获概率影响的条件下，设定导引头截获概率不低于95%，截获概率的计算采用文献[5]的方法。

2.1 弹道仿真

弹道仿真中的设定载机与目标高度均为10 km，速度为300 m/s，目标不进行机动，RCS为5 m2，弹道的截获概率约束条件为不小于0.95，导弹最小末速度约束为不小于400 m/s。

发动机采用单脉冲方案时，得到导弹最大射程为32.7 km，最大速度为1 218.0 m/s；发动机采用双脉冲方案时，得到导弹最大射程为33.7 km，最大速度为1 139.2 m/s，速度对比曲线如图7所示。不同脉冲方案下的导弹性能参数对比如表1所示。可以看出采用双脉冲方案后，导弹的总冲更小，但却拥有更远的攻击距离与射程，这体现出了双脉冲方案的优势。

图7 速度曲线(高度:10 km)

表1 不同脉冲方案下的弹道参数对比

2.2 最大攻击距离与攻击区

仿真中假设目标RCS为1 m2，在载机与目标的飞行高度均为10 km，飞行速度均为1.2Ma，计算得到的采用单脉冲与双脉冲发动机时的最大攻击区和不可逃攻击区(导弹发射后目标作6g逃逸机动)分别如图8与图9所示。

图8 攻击区(单脉冲、高度10 km、发射速度1.2 Ma)

图9 攻击区(双脉冲、高度10 km、发射速度1.2 Ma)

3 直接力控制能力分析

直接力/气动力复合控制在空空导弹上应用时，主要分为两个方面：弹道初始段快速转弯与弹道末段提高机动能力与制导精度。

3.1 弹初始段快速转弯

若CUDA空空导弹将直接力控制装置在弹道初始段应用，则能够改善其弹道初始段快速转弯能力，提升其后向攻击能力。

3.2 末段精度修正

国内的研究中，文献[7]与文献[8]分别给出直接力/气动力复合控制在末段应用时的控制系统与制导系统设计方法。并指出采用了该方法后，导弹的脱靶量可以控制在米级以内。文献[9]对拦截弹的制导精度研究则表明，采用直接力/气动力复合控制后，导弹制导精度相比于气动控制方案可以提升一倍的精度，同时对于机动目标而言，制导精度的提升更加明显。对于CUDA所采用的直接力/气动力复合控制方法，目前不得而知，但是可初步估计CUDA在末段采用直接力/气动力复合控制后，将会使其具备更强的机动能力，末制导精度可以得到有效提升。

4 结论与启示

从估算结果可知，CUDA空空导弹的射程，并不能成为其亮点，反而是其高机动与高内埋的特点，会成为其突出的优势。其应用在以下两种场景下的优势将会更加明显：

1)高隐射平台之间的对抗作战

随着新技术的应用，新一代战斗机的隐身能力也会不断增强[10]。在高隐射平台的强对抗作战中，战斗机使用雷达型空空导弹进行空战的作战距离将会受到压缩。在此类对抗条件下，空空导弹的射程不是影响空战胜负的重点因素，而高机动能力、高毁伤概率以及高密度的内埋则是影响空战的核心能力。CUDA的特点则正是为此量身打造。

2)非对称条件下的作战

在非对称作战中，落后一方的战斗机很难对领先一方构成威胁，领先一方的战斗机更关注的是对敌方更多战机造成有效的毁伤与威胁，CUDA具备更多的内埋数量，以及更低的成本，将会成为未来美军非对称作战任务的首选。同时，其低成本的优势，也为美军提供了一种更高费效比打击巡航导弹的选择。

可以看出，美国对新型导弹的研制并不是一味的追求高性能，因为与高性能随之而来的就是高成本。美国F-22战斗机的停产也说明高性能与高成本的武器并不一定会长期受到军队的青睐。在成本与性能之间折衷，依据作战使用需求，设计适用的武器装备才是正确的设计理念。而CUDA正是这样一款产品，高内埋、低成本等特点，迎合了美军的作战需求，相信CUDA也将会成为美国空空导弹家族的明星产品之一。