面对高超声速挑战的指挥信息系统发展架构

2021-03-10夏淋淋朱思宇

系统仿真技术 2021年4期

张斌，夏淋淋，朱思宇，赵磊，周觐

（军事科学院，北京 100091）

高超声速导弹具有飞行速度快、突防能力强、打击范围广、发射平台多等优势［1］，已经成为世界各国争夺的制高点。2021年3月，美媒报道美国陆军向新组建的“远程高超声速武器”（LRHW）导弹连交付训练发射筒，为2022年开展实弹发射提供训练准备。同月，美国导弹防御局（MDA）向武器制造商发布信息征询书，意在建立一个针对高超声速威胁的新型指挥控制系统。早在2018年，俄军米格31战机就已携带空射型的“匕首”高超声速导弹进行战备值班，舰射型的“锆石”高超声速反舰导弹于2020年10月成功完成试射。

面对高超声速技术之“矛”的快速发展，现有防御体系带来严峻挑战，如预警反应和信息处理时间缩短、轨迹预测和拦截难度增大，需要慎重考虑指挥控制系统及防御体系之“盾”的全局发展，完善优化指挥系统的发展架构。

1 高超声速技术现状

高超声速飞行器的最大特点在于“助推-滑翔”弹道，最早起源于Eugen Sänger构想“银鸟”飞行器时提出的“Sänger弹道”，后来钱学森提出了一种火箭助推后再入大气层滑翔的“钱学森弹道”。其与常规弹道导弹的区别如图1所示。现阶段，常见的高超声速飞行器主要包括无动力的助推滑翔飞行器，如乘波体［2］，以及有动力飞行的高超巡航飞行器，如超燃冲压发动机等技术。

图1 高超声速飞行器的“助推-滑翔”弹道Fig.1 The boost-glide trajectory of hypersonic vehicle

1.1 总体设计技术

高超声速飞行器的优化设计是一个复杂的系统工程［3］，涉及气动特性、气动防热、操稳特性、结构性能、动力推进等多个学科。为了在无动力滑翔条件下获得较大的射程，高超声速乘波体需要具备较好的气动性能，但是只追求气动性能最优不切实际，因为需要考虑多项总体性能的约束。其总体性能指标体系如图2所示。

图2 高超声速总体设计的性能指标体系Fig.2 The performance index system of overall design for hypersonic vehicle

就当前研究而论，乘波体的升阻比优势明显，但受气动防热、内部装填空间、飞行稳定性和可靠操纵性等因素限制，需要在满足总体约束的前提下对气动性能进行全局优化。

1.2 参数化建模技术

在飞行器气动外形研究中，发展并应用了许多不同的参数化建模技术，可分为构造方法和变形方法，构造方法由一系列指定的参数来描述机翼外形，而变形方法根据已有的翼形，使其变形产生新的外形，如Kulfan提出的类别/形状函数转换（Class function/Shape Function Transformation，CST）方法［4］，构建的乘波体外形，如图3所示。

图3 基于CST方法的乘波体外形Fig.3 The configuration of wave-rider with CST methods

1.3 气动特性分析技术

随着计算科学的不断发展，数值计算方法逐渐取代传统的实验设计方法，成为飞行器设计的主要分析手段。当前，高可信度分析方法的发展越发成熟，如Navier-Stokes（N-S）方程，Euler方程，以及各种湍流模型等，但是其目前消耗的计算资源和时间成本仍然较大，无法全部采用高可信度数值计算方法用于气动外形设计，高可信度分析方法多用于精确定型阶段、局部细节修改，以及配合低可信度分析方法的精度纠正等，图4所示为典型乘波体在N-S方程计算下的压力云图［5］。考虑到气动特性计算的精度与效率之间的矛盾，低可信度分析方法经常作为高可信度分析方法的辅助手段，如牛顿理论、切楔法、切锥法、Van Dyke方法等各种工程估算方法。

图4 典型乘波体的气动特性计算结果Fig.4 The aerodynamic calculation results of typical waverider vehicle

1.4 飞行轨迹控制技术

飞行轨迹优化是基于飞行条件和环境约束，寻找一条指标性能最优且满足各种约束条件的最优弹道，高超声速轨迹优化问题可归结为强非线性、多阶段、多约束的最优控制问题。与传统飞行器相比，高超声速飞行器的位置变化大、机动范围广。其独特的乘波体构型导致控制难度大、姿态稳定难，以及其动力学特性呈现强烈的非线性、耦合性和复杂性［6］。

当前，伪谱法（Pseudospectral Method）具有较快的收敛速度和较高的求解精度，Timothy［7］针对美国CRV（Crew Return Vehicle）飞行器研究了考虑航路点和禁飞区约束的轨迹优化问题，雍恩米［8］采用Gauss伪谱法设计了一种高超声速滑翔飞行器的快速轨迹优化方法，如图5所示为四种不同再入角度下的飞行轨迹。

图5 高超声飞行器的再入轨迹Fig.5 The reentry trajectory of hypersonic vehicle

除了上述关键技术，高超声速飞行器还需要考虑气动防热、结构性能、稳定性、操纵性等多学科、多指标的特性分析，在此不一一列举。

2 指挥信息系统现实挑战

随着高超声速技术的不断发展，美俄等军事强国的高超声速项目呈现多“矛”齐发的特点，同时为了攻防兼备，美俄也在同步发展高超声速防御系统，瞄准潜在的现实威胁和技术优势，在指挥控制系统领域固“盾”筑基，应对现实挑战。

2.1 美国应对措施

为应对全球弹道导弹的威胁，美国早在2004年就建立了弹道导弹防御体系（BMDS），其中最核心的模块是指挥控制、作战管理和通信（C2BMC）系统，将分散在世界各地的预警探测器、拦截平台和通信节点整合为一个有机整体，统筹任务规划和拦截行动，形成了“传感器-指挥控制-末端拦截”的完整杀伤链［9］。

但是面对高超声速的现实挑战，现有的BMDS体系尚无法有效应对。美国升级现有的弹道导弹防御体系，主要改进其中的C2BMC系统，包括螺旋8.2-5版本的关键设计评审，完成对高超声速防御能力的集成；设计、研发、集成高超声速威胁数据跟踪算法；开发基于Link16数据链的高超声速威胁航迹数据转发能力等。同步升级BMDS体系中的陆基识别雷达、拦截武器系统，使其对高超声速威胁具备一定的预警探测和指控能力，逐步构建一整套主/被动防御相结合、涵盖助推/中段/末段拦截的多层次防御体系。

除了对现有C2BMC系统的改造，美导弹防御局（MDA）在2020财年“先进概念与效能评估”专项科研中，新增了包括高超防御、人工智能、“发射前/发射后集成”等关键领域的研究。与此同时，导弹防御局正在研究如何将其现有的C2BMC体系架构与“联合全域指挥控制”（JADC2）进行结合，计划参与空军“先进战斗管理系统”（ABMS）的后续演习。美太空发展局（SDA）于2020年5月表示正在开发新一代的“国家安全太空架构”（NDSA），计划依托该架构连接各军种指挥控制系统，构建“联合全域指挥控制”体系。该体系具备高超声速武器跟踪等能力，将增强美军全域防护能力。

2.2 其他应对措施

类似于美国的天基红外系统，俄罗斯在2015年着手建立了“穹顶”太空反导预警系统。截至2021年1月共发射了4颗“苔原”卫星，初步形成天基预警探测能力。“穹顶”系统具备弹道导弹预警能力，装备有星载战斗控制系统，可以连同陆基探测雷达计算导弹飞行轨迹，指挥实施拦截反应。

法国航空空间研究局（ONERA）也于2020年宣布研发超视距反导预警雷达（LTP）验证机。该验证机具备远达3000 km的弹道导弹预警探测和跟踪能力。同时法国ONERA对“预言家”（Nostradamus）天波超视距雷达进行重大改造，扩大预警探测范围。

3 发展架构设计

根据世界范围内高超声速攻防的建设现状和发展趋势，高超声速已初步形成实战能力，迫切需要对未来指控系统的发展提前谋划，统筹布局，长远思考，具体架构如图6所示。

3.1 敏捷极简的联合指挥架构

高超声速导弹具有多域、多维和非线性的特征，指挥控制系统必须迅捷反应、协同联动、全域指挥，如美军的C2BMC系统采用分布式指控架构，主要包含国家指挥、战略司令部、战区/区域作战司令部和BMD防御要素四级结构。

面对高超声速导弹，应尽量简化层级提高效率，提高应对高超目标信息处理和作战指挥的灵活性和时效性。一是反应要迅捷，即时生成高超专题态势；二是处置要全面，具备敏捷处理预警探测、信息处理、目标识别、任务规划、协同拦截和效果评估等环节的能力；三是体系应闭环，在指挥架构中，完善“预警探测-指挥控制-实施拦截”主要环节，构成闭环的立体防御体系。如图6所示。

图6 面对高超声速挑战的指挥信息系统发展架构Fig.6 The development architecture of the command information system facing the challenge of hypersonic technology

3.2 多域泛在的预警探测体系

高超声速导弹的飞行速度处于5～20马赫的高速状态，飞行高度位于30～80 km的临近空间，且具有较强的横向机动能力，对预警探测能力带来严峻考验。

面对高超声速探测难的问题，需要“广视距，早发现”，一是发展天、临空、空、海、陆等多域空间探测能力，综合获取红外、雷达、光学等多种探测数据，特别是天基红外和临空探测（如平流层飞艇、太阳能无人机）能力；二是提高泛在情报收集能力，通过多种渠道尽可能掌握信息，特别是开源动向新闻，提前介入情况；三是增强目标识别和威胁分析能力，快速形成专题动态、精准研判定位。

3.3 自主智能的动态任务规划

高超声速导弹的飞行区间广，参与力量涵盖陆、海、空、天、网多种资源，需要在最短的时间内分配最优的信息资源、装备资源、指令资源和人力资源。

一方面参考C2BMC系统预设方案集的思路，将多个空间、多种力量和多套系统融合为一个有机整体，依托智能算法、战法规则和指挥模型，探索“机器辅助+人工核准”的智能化任务规划模式，高效统筹资源；另一方面建立自主运行的信息处理中心，尽量简化行政层级和减少人为干涉，实时分析大量多源信息，“自组织”各类作战资源，“自生成”即时任务规划，“自实现”动态研判评估。

3.4 协同联动的拦截防御手段

高超声速导弹采用扁平式的乘波体布局，具有“跳跃-滑翔”式的飞行轨迹，基于现有防空反导体系，对高超声速目标实施拦截的成功率较低。

针对高超声速威胁，美军发展了四个专项防御项目，旨在构建覆盖中段到末段、外太空到稠密大气层等各种高度层的反导体系，包括动能拦截的RPGWS武器系统，“女武神”、“滑翔破坏者”等杀伤拦截器，以及非动能拦截的高功率微波武器。一方面，在多域空间分布式部署拦截平台，充分利用临近空间“长航时全天候”的驻空特点，作为现有防空反导体系的补充，如在平流层飞艇、高空无人机上放置拦截平台，形成多维立体的拦截防御体系；另一方面，发展管理拦截平台的协同控制算法，统筹调动全域战场资源，构建过饱和、多梯队、复合体的拦截区间。