空基助推段反导拦截能力需求与仿真分析

曹 莉，周 亮，，耿斌斌，吴昕芸，赵 钱

（1．上海航天技术研究院北京研发中心，北京 100081；2．上海机电工程研究所，上海 201109）

0 引 言

多层导弹防御体系包括末端低层、末端高层、中段及助推段反导。从拦截弹发射平台种类上又可分为地基、海基和空基，目前真正形成装备并具备一定作战能力的是在末端低层、末端高层和中段。

空基反导是导弹防御体系的重要组成部分，如何利用空基平台对弹道导弹助推段实施拦截成为亟待研究和发展的课题。

首先，空基反导能够充分发挥载机平台机动灵活的优势，可以对弹道导弹实施灵活多变的拦截。同时，载机的覆盖范围广，可对周边国家实现全覆盖，在具备隐身性能时，甚至可以潜入敌领空，较早地实现对弹道导弹的拦截。

其次，充分利用弹道导弹上升段飞行速度低、弹道简单、目标特性强等特点，可以提升反导系统的拦截概率。弹道导弹在助推段飞行速度低，从而降低了对拦截弹的能力要求；采用惯性飞行，更易对其飞行弹道进行预测；助推段发动机火焰产生的红外辐射特性强，整个弹体的雷达散射面积也大，有利于反导系统对目标的探测与识别。

再次，充分发挥早期拦截的优势，可以大幅提升防御面积、效费比，为反导系统提供更多的拦截窗口。助推段反导实现了导弹防御由点防御向面防御的转变，防御面积大幅提升，减少了拦截弹部署数量需求。同时，及早拦截增加了拦截窗口，提供了多次拦截的可能，进一步提升了整个导弹防御系统的拦截概率。

因此，助推段反导的独特优势已经被越来越多的国家关注和重视。目前，美国等国已在该领域加大了投入，并取得了相当大的技术进展［1］。我国相关专家也分别从空基助推段反导的作战需求［2］、作战特点［3］、拦截弹总体方案［4］等方面开展了相关研究。本文分析了空基助推段反导的作战模式和流程，以典型弹道导弹为对象，分别从平台部署位置、拦截斜距与拦截速度等方面对空基反弹道导弹助推段拦截能力进行分析。

1 空基助推段反导作战流程

根据空基反弹道导弹的作战任务与特点，可以将其典型作战流程分为预警探测、决策指挥、载机作战和火力拦截等几个阶段［5］。图1为机载助推段反导作战时间序列示意图，典型作战流程如下。

1）预警探测段TYJ：天基预警系统探测到弹道导弹起飞后，向地面指控中心提供目标预警信息，指控中心接收到目标指示信息后，指挥地基／空基等探测系统对弹道导弹助推段进行持续的跟踪、探测、识别，并将计算弹道参数等信息发送回指控中心。

2）决策指挥段TZK：根据预警探测系统提供的信息，指控中心对来袭目标进行判断，进行弹道预测。若判定为威胁目标，则根据预报得到的弹道参数指挥空基平台飞往指定空域。

图1 机载助推段反导时序Fig．1 Time sequence of anti－TBM in boost－phase

3）载机作战段TJC：空基平台接收到指令后，飞到指定区域，完成参数装订与诸元解算，具备作战条件。

4）火力拦截段TZ＋TF＋TG：拦截弹从空基平台发射后，对弹道导弹实施拦截。根据对拦截效果的评估，做出是否开展多次拦截的决策。

其中，火力拦截段包括最早拦截段和最晚拦截段，根据来袭目标的飞行特征、拦截弹的拦截能力以及反导作战时序的安排，可以优化选择拦截作战窗口，多次拦截可以提升整体的拦截概率。

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2 拦截能力需求分析

2．1 拦截模式分析

根据载机发射拦截弹方位与来袭弹道导弹飞行方向的关系，可以将拦截模式分为顺轨拦截（拦截弹初始发射方向与弹道导弹飞行方向一致）和逆轨拦截（拦截弹初始发射方向与弹道导弹飞行方向相反）。同时，根据拦截时刻拦截弹速度方向与弹道导弹速度方向的关系，可以将拦截模式分为迎头（拦截弹速度方向与弹道导弹速度方向相反）、垂直（拦截弹速度方向与弹道导弹速度方向垂直）和尾追拦截（拦截弹速度方向与弹道导弹速度方向一致）。

根据不同的拦截模式以及对拦截能力进行分析得到的经验，对拦截弹是否具备拦截能力初步采用如下判断条件：

式中：v拦截为拦截弹速度；v进攻为进攻弹速度。由此可以看出，采用尾追拦截，对拦截弹的需用速度及能力要求较高；而采用迎头拦截，对拦截弹需用速度及能力要求较低。因而，采用逆轨迎头的拦截模式可以降低对拦截弹拦截速度的要求，进一步优化拦截弹设计，减小拦截弹的质量。

2．2 时间链

时间链是空基反导作战的时间链路，可以用来判断拦截弹是否有足够的时间窗口对来袭弹道导弹进行拦截。弹道导弹起飞后，反导系统需要经过预警、探测、指挥决策等一系列流程后做出发射拦截弹的指令。根据图1所示的反导时序，在拦截碰撞时刻，只有当拦截弹的飞行时间与反导系统预警、探测、指控以及空基平台准备的时间之和小于来袭弹道导弹的飞行时间时，拦截弹才具备充足的时间窗口，满足反导时间链的要求，可用式（2）表示为

式中：T拦截为拦截时刻拦截弹的飞行时间；TYJ为预警探测时间；TZK为决策指控时间；TJC为载机作战时间；T进攻为拦截时刻来袭弹道导弹的飞行时间。

可见，时间链对拦截可行性具有至关重要的作用，是拦截可行的必要条件。此外，进一步缩短反导系统的预警、探测、指控以及空基平台的发射准备时间，还可以为增加拦截次数提供更多的可能性。

2．3 拦截能力需求分析

以拦截某中程弹道导弹为例，开展空基反导弹道助推段拦截能力需求分析。对目标弹道导弹开展建模，获取其助推段飞行的弹道曲线和特征点参数。从图2的仿真结果可以看出，目标助推段飞行总时间180 s，飞行高度200 km，飞行速度达到3．8 km／s，假设有一架拦截弹载机正在距离目标起飞点50 km到400 km范围内执行作战任务，那么拦截弹的拦截斜距范围为50 km到250 km。

图2 目标助推段运动状态Fig．2 Motion status of TBM in boost－phase

图3 交汇角为90°的拦截曲线Fig．3 Interception curve at intersection angle 90°

表1 空基平台部署位置与拦截点相关特征参数Tab．1 Deployment positions of airborne platform and feature parameters of interception points

表1（续）

按照2．2节的判断条件，从时间链的角度对拦截可行性进行分析。根据典型弹道导弹飞行特性，其助推段飞行时间为180 s。假定在弹道导弹刚飞出稠密大气层后，预警卫星就可以对其进行有效预警，TYJ＝30s，TZK＝5s，TJC＝5s。根据预警－探测－指挥决策－载机准备的时间链来看，机载拦截弹最早的发射时刻应该在弹道导弹发射后40 s。

根据上述分析以及表1的统计结果，可以得出以下结论：

1）从时间链分析，拦截弹最早发弹时刻在目标导弹起飞40 s后，拦截弹载机部署位置为50 km到400 km，此范围内具备对目标导弹的拦截能力。

2）对拦截点的速度进行初步分析可得，载机部署在不同位置对拦截弹拦截末速的要求不同，部署位置越远，所需的拦截末速越大，要求拦截弹能力越强。

3）从速度需求看，拦截弹在拦截点的速度需要达到2 324 m／s以上，才能实现载机在距离目标导弹起飞点400 km的迎头拦截能力。

3 仿真验证与分析

3．1 拦截弹道仿真

对拦截弹道进行建模仿真，空基平台飞行高度10 km，速度1．2 Ma。拦截弹从空基平台发射后，对目标导弹实施拦截。为了开展拦截弹拦截能力分析，将拦截弹仿真模型进行了简化，仿真计算时考虑假设条件如下：

1）不考虑地球扁率的影响；

2）只考虑质心运动，不考虑弹头姿态变化的动态过程；

3）采用理想标准大气，不考虑气流的随机变化。

得到的拦截弹简化弹道模型为

式中：m为拦截弹质量；V为拦截弹飞行速度；θ为弹道倾角；σ为弹道偏角；α为攻角；β为侧滑角；Fx、Fy、Fz分别为空气阻力、升力和侧向力；P为发动机推力；Vx、Vy、Vz分别为发射惯性系下拦截弹飞行速度；x、y、z分别为发射惯性系下拦截弹的位置坐标。

同时，结合典型目标弹道及对拦截弹的拦截能力需求，提出拦截弹设计原则如下：

1）拦截弹的拦截空域为：拦截斜距50～230 km，拦截高度30～200 km；

2）拦截点速度要求：对应50 km拦截载机所处位置，速度不小于1 012 m／s；对应400 km 部署位置，速度不小于2 324 m／s；

3）拦截弹的飞行时间满足时间链要求，即：T拦截＋TYJ＋TZK＋TJC≤T进攻。根据式（3）的弹道模型以及上述设计原则，开展拦截弹参数设计［6］并对拦截弹弹道进行仿真［7］，选取飞行达到最高点的弹道参数绘制得到的仿真曲线如图4所示。

图4 拦截弹运动状态Fig．4 Motion status of interceptor

3．2 拦截能力仿真分析

按照2．3、3．1节对目标及拦截弹弹道进行建模后，对拦截能力进行仿真。拦截弹初始速度1．2 Ma，初始高度10 km，选取预警探测时间TYJ＝30 s，判断决策指控时间TZK＝5 s，发弹准备时间TJC＝5 s。

对拦截弹弹道进行仿真，假设拦截弹载机位于100 km、200 km、300 km、400 km 处，开展拦截弹道能力仿真分析，将仿真结果进行统计，得到不同部署位置拦截弹拦截区间如图5所示。

图5中，蓝色曲线为目标飞行轨迹，彩色曲线为空基拦截弹飞行轨迹，紫红色、红色、绿色、黑色曲线分别为载机距弹道导弹发射点100 km、200 km、300 km、400 km处发射拦截弹的飞行曲线。

将弹道仿真结果进行统计，得到结果如表2所示。针对不同拦截弹载机部署位置，对拦截空间区域、拦截时间区域以及拦截区间内拦截点速度变化范围做出了统计。可以看出，载机部署距离从100 km增大到400 km，拦截弹的拦截空间区域从24 km增大到114 km，拦截时间区域从11s增加到36s，拦截点速度从2 818 m／s降低到2 350 m／s，满足拦截点速度大于2 324 m／s的需求。

图5 不同部署位置拦截窗口Fig．5 Inerception windows of different deployment positions

表2 部署位置与拦截窗口特征参数Tab．2 Feature parameters of deployment positions and interception windows

4 结束语

空基助推段反导充分利用了载机平台的优势以及弹道导弹助推段的飞行特征，其独特优势已越来越受到重视，成为导弹防御系统的重要组成部分。本文对空基反弹道导弹助推段的作战模式和流程开展研究，从拦截模式、时间链以及能力需求等方面进行分析，并以此形成拦截弹设计依据。通过对拦截弹以及典型目标导弹的弹道仿真，验证了拦截弹对目标导弹的拦截能力，对空基反导武器的论证具有一定的借鉴意义。