陆航直升机空域协调方法研究*

张翊知,周镕彬,王宏飞,李 梁,石永康

(新疆大学机械工程学院,新疆 乌鲁木齐 830002)

新一轮科技革命和产业变革正推动陆军武器装备快速地向远程精确化、智能化、隐身化、无人化方向发展,涌现出许多全新的武器装备。在陆军作战区域内,除传统高炮、迫击炮、榴弹炮、火箭弹、导弹等空域用户外,出现了巡飞弹、浮空器、无人机以及建制完整的直升机部队等用空大户,各种类型的空域用户密集地分布在有限的战场上空,使得陆战场空中环境日趋复杂。

同时,信息化条件下的一体化联合作战,其作战样式变化频繁,作战行动转换迅速,各兵种部队以及空地各类武器交织成一张立体多层次的攻防火力网,信息化军事作战体系之间的整体较量是未来战争的基本模式。在战场空域越来越饱和的情况下,有效地协调、整合空域资源,化解友军各武器使用的空域冲突成为当前亟须解决的一个挑战,建立陆战场协调方法与空域管控机制已成为高效利用空域资源、避免误撞误伤、提高联合作战能力[1]的有效途径。

陆航直升机可施展的飞行动作比固定翼飞机更加丰富[2],是所有空域用户中最为复杂的一类,另外,陆航部队是我国新时期军事建设中优先发展的六类部队之一。因此,研究陆战场上直升机的空域协调方法具有重要的军事价值。

美军最早研究了陆航直升机的空域管控问题,并建立了多层级的空域管理指挥机构,列装了战术空域一体化系统(TAIS)等自动化管控装备,制定了FM3-52等系列条令条例[3]。国内从近十年才开始关注陆战场的空域管控问题,“十二五”期间,我军启动了陆军空域管控的预先研究,但是,对于陆航部队的空管,尚无系统全面的管控措施。方帆等总结了陆战场空域管理的职能,并从多个方面对美军陆战场空域管理[4]进行了研究。杜思良等针对作战任务自动分配、作战方案自动推演与评估等关键技术的解决方案及实现途径[5]进行了研究,以满足陆军部队作战筹划的需求。杨博[6]等将陆军空域管控方法分为主动控制和程序控制两大类。杨艺详细介绍了美军联合作战中用于陆战场空域管控的措施和方法[7]。王晴昊[8]等针对突防作战中干扰机的最优空域划设问题,在已知雷达探测范围、航线安全间隔以及有效干扰时间的基础上,建立电子干扰机的最优空域划设模型。毛厚晨[9]等针对远距离空袭作战空域划设中如何确定空域大小和中心点位置的问题,提出了一种基于最大航迹偏差和遗传算法的空域划设方法。本文详细阐述陆航直升机空域管控问题，分析陆航直升机空域协调的具体内涵,设计用于不同作战任务和飞行活动的空域协调方法。

1 直升机飞行特性及空域协调的内涵

当前,我军陆航团或陆航旅配备了种类齐全的直升机,装备了攻击直升机、运输直升机、侦察直升机等各种类型的直升机。现役装备中,直升机的型号主要有武直系列、米格系列、运X系列、黑鹰等,典型直升机平台的飞行性能见表1所示。

表1 直升机性能参数

武装直升机通常配备机载航炮、空地导弹和火箭弹等武器。侦察直升机搭载的探测设备有多普勒雷达、雷达报警器、搜索雷达、声呐等[10]。除了可担任空中运输台外,运输类直升机均可加装各种侦察、通信和导航设备。还有些直升机通过吊装机载撒雷槽,从而具有布撒地雷[2]的能力。

由于采用旋翼飞行原理,陆航直升机可以施展垂直起降、倾斜起降、空中升降、前进飞行、后退飞行、侧向飞行、原地空中转向和在一定高度的空中悬停、超低空贴地形飞行、一定高度上来回飞行、一定空间范围内曲线飞行(包括空间曲线、多段折线)等一系列飞行动作[11]。

除直升机单架次独立飞行外,多架同类型的直升机或不同类型的直升机组成适应不同作战任务需求的直升机编队,编队飞行的动作有编队初始构建、编队构型分离、编队构型保持、编队构型重组等,常见的编队构型有纵队、横队、菱形和楔形等,多个编队在一起前后排列还可以组成多个飞行梯队。

单架直升机飞行的点迹形成一定的飞行航路,单架或多架直升机的飞行活动空间范围可以用一定的空间几何形状来描述,由此得到飞行活动的空中飞行航迹路线有上升斜线、下降斜线、空间点、空中垂线、直线、折线、空间曲线、来回线段组合、圆形、“8”字形等。飞行活动与航迹的对应关系见表2。

直升机或直升机编队在执行某项作战任务时,需要完成连续的一系列作战活动。在具体的作战过程中,以陆航直升机为作业平台的作战活动有空投机降、对地打击、火力支援、对空作战、侦察评估、校射导引、空中突击、空中输送、保障和医疗护送[6]等。某几项作战活动的组合又形成一定的作战战法或样式,陆航部队涉及的主要作战样式有联合火力打击、联合防空反导、联合岛屿进攻、联合边境反击、机动突击作战、渡海登岛作战、火力支援作战、敌后特种作战和非战争军事行动等。陆军空域管控需满足陆航部队在各种作战模式下实施不同作战活动和空中作业的需求。

陆航的空域协调主要是协调陆军航空兵分队与地面火炮、空军、海军、二炮之间的协同作战活动。旅一级的陆航火力通过与防空空域管理以及战术指挥控制机构的密切联系,努力确保空域协调措施得到执行并消除各兵种之间冲突。通过对陆军各兵种和陆军航空兵的空域需求进行整合,使之符合指挥作战的意图，将误击误撞风险控制在可接受的风险级别内。

2 陆航直升机的空域协调方法

空域协调方法的设计首先要遵循陆航直升机的飞行特性,因为直升机平台的性能是实现航迹路线的保障和约束。同时,空域协调方法也要体现作战任务的执行效率,某一作战任务的完成需要直升机实现一连串的空中飞行动作。最后,空域协调方法的设计是在多兵种联合作战行动中规划彼此的飞行航路和用空计划,通过统筹、协同来达到对有限空域的有序、安全利用。陆战直升机空域协调方法设计原理如图1。

图1 陆航直升机空域协调方法设计原理

在欧美陆军空域协调方法的启发下,结合我国陆军战术特点及陆航直升机装备的性能特点,设计得到的空域协调方法如下。

2.1 通用空域协调方法

1)统一划设战场空域类型

本文借鉴外军在战场空域划设中的经验,结合联合作战涉空武器的空域使用需求,针对不同作战任务的特点,研究划设不同战场空域类型并进行科学分类。同时,划设高密度空域控制区、空域协调区、自由射击区、联合杀伤区、空中走廊、火力支援协调线等。对空域实行模型化和数字化描述,构建快速生成空域的基础条件。同时针对不同类型的空域,设计与之适应的空域动态管理方法。

2)空域信息数字化

将地球球面空间处理成可离散的网格单元。把网格涵盖区域的地形地貌信息、气象条件、空域使用信息、电磁频谱信息、敌我属性信息、高度信息等加载到网络单元上,通过二进制的形式进行存储表达,建立空域数字化的基础要素[12]。另外空域的形状多种多样,由于任务不同,不同兵种使用的空域大小也不相同,还要根据空域的实际大小确定一个合适的网格划分标准。

3)各类用空计划同步推进

战时的作战计划制定过程中,基于陆军航空兵每日的作战指导准则,制定空中火力计划的同时,收集各涉空用户的需求信息。同步修订空域管理计划,修订的空域管理计划与空中火力计划同时上报指挥部门,由指挥部门核准无误后下发到下级管理部门。这种火力计划与空域管理计划协同制定的方法,将空域使用矛盾消除在计划阶段,能解决陆军航空兵各兵种联合作战中的空域协同问题。

4)战场空域的冲突检测与消解

各军兵种联合作战,参战部队数量多,武器种类复杂,导致对空域的使用需求大。不同涉空单元的作战任务不同，使用方式也不相同。战场环境复杂多变,临时性火力计划多,必然造成空域申请与使用上的冲突。如果不能高效地检测战场空间的时域、空域、频域冲突并对其进行消解,联合作战必定会乱成一团。基于地球表面的网格单元模型,以网格间的覆盖、包含、相交、相离等关系为基础,再对网格中包含的空域使用信息、作战任务计划等进行对比分析,从而实现对战场上的空域冲突进行检测并进行相应的消解处理。相应的冲突消解策略就是优先级低的用空设备避让优先级高的用空设备。高炮、迫击炮、榴弹炮、火箭弹、导弹等攻击性用空设备的优先级高于无人机,无人机的优先级高于直升机。发生航迹冲突时,无人机避让导弹等攻击性武器,直升机避无人机。

5)陆航直升机的冲突消解办法

对不同机型建立相应的飞行器模型,从飞行任务中得到其飞行航线和巡航速度,对模型进行仿真分析得到飞越每个航路点的时间、速度。判断与其他用空设备的航线是否在时间、空间上冲突,是否处于安全间隔范围内,如果存在就及时调整陆航直升机的飞行航线。同时将飞行中的气象条件考虑进来[13],计算风速对直升机飞行轨迹的影响,间隔一定频率调整飞行的速度大小和方向。

2.2 专用空域协调方法

1)协调高度

协调高度利用各航空器、弹药的飞行高度明显不同且相对固定的特性,将多类飞行物体分别指派不同的飞行高度范围,从而实现对陆战场空域的同时且分层地占有和使用。除联合海空作战样式外,其他联合作战样式及火力支援作战、敌后特种作战和非战争军事行动(如训练、后期保障等)均需使用该协调方法。当陆航直升机与空军固定翼飞机协同对空作战时,或当陆航直升机与地面炮兵联合对敌火力打击时,也可使用协调高度这一空域协调方法。另外,当同一航空器在不同空域协调实体机构之间转换时,也可使用协调高度来分开不同用户。

对于陆航直升机来说,协调高度以下,直升机可以实施各种飞行动作、飞行路线、编队队形、多梯队编成、任意飞行方向、各种作战行动(如空投、对打击火力、火力支援、侦察、运输等)。

2)空中走廊

为避免我军航空器被己方、友军部队火力击中,空中走廊可用于前方弹药和油料补给点、待机地域和战斗阵地等区域之间航空兵分队的飞行活动通道。空中走廊是提供给我军、友军航空器(包括直升机)使用的一条双向或单向的空中飞行航线。这种空中走廊也可用于解决炮兵发射阵地与航空交通之间的冲突。一般来说，空中走廊通常不能超过协调高度。

空中走廊供陆军航空兵执行联合火力打击、联合海空作战、联合防空反导、联合岛屿进攻以及联合边境反击等作战样式时使用,满足陆军航空兵机动突击作战、渡海登岛作战、火力支援作战、敌后特种作战或非战争军事行动等需求,对陆军航空兵是必要的、最常用的空域协调方法。

3)低空航线

低空航线是在前方作战区域建立的临时空中走廊,目的是减少己方防空部队或地面部队对己方飞机造成的伤害,它可以有多条,空域管制指挥官根据空中作战需求来确定应建立多少条低空航线。

低空航线是陆航直升机常用的空域协调方法,常用于直升机低空、超低空飞行,在此航线上一般不能实施悬停、垂直升降的飞行动作,低空航线支持以直升机为作战平台的对地打击、侦查、静默飞行等作战活动。

4)固定航线

固定航线旨在为执行作战支援,如方便陆军航空兵力量的运输,作战勤务支援而使用的空域协调方法(如图2所示)。另外,固定航线还可包含条件航线的功能,即运输贵宾、医疗后送、夜间红外线低空导航和目标确定。该航线通常建立在从军至旅后方作战地域内,且是在协调高度以下划设的陆军飞行路线。

图2 固定航线的划设

一般来说,运输直升机、指挥直升机、直升机支援分队使用固定航路，可执行兵力运输转场、机关首脑视察监督等任务,固定航线上可施展常规的飞行动作。

5)穿越航线

陆航直升机在执行紧急、危险任务,穿越有限地面炮火的上空时,需要一种既能保证飞行安全,又能最小化限制地面炮火的空域协调方法,我们称其为穿越航线。

穿越航线一个明显的特征是穿越己方作战火力区,对所穿越的地面火力的作战行动会造成一定的制约,同时也会给自身带来一定的危险性。穿越航线是为直升机通过防空区上空、地面火箭炮、加榴炮等火力射击线附近、前锋线等区域而划定的风险最小的航线。穿越航线是供直升机使用的临时空中航路,穿越己方部队的己方固定翼飞机和旋翼飞机均可使用这些航线。穿越航线用于规定航线转移时或前沿地域后方分界线与其作战地域之间的空中交通航线。它穿越己方行动的前沿线,为地面行动提供直接支援。穿越己方部队前锋线执行任务的穿越航线,对在作战区域通行的低空飞机产生的危险应该是最小的(见图3),一般来说,直升机要尽可能高速地通过穿越航线。

图3 穿越航线示意图

6)空地协调区

在陆航部队与地面部队一起执行联合作战行动时，首先，需确保己方陆航部队、己方地面部队之间不会造成误伤或干扰,其次,还需要保障空地间通信、指挥控制、火力打击等的协同。联合火力打击、联合防空反导、联合岛屿进攻以及联合边境反击作战样式中,可以采用空域协调区的方法来组织或协调空地作战活动,以发挥联合部队的最大效能。空域协调区可供陆航直升机遂行对地打击,近空火力支援、对空打击、机动突击等战法。

在空域协调区内,可以使用多种武器装备采用空对地或地对地方式同时打击目标或与其相近的目标,主要用于近距离空中支援情况下的高密度火力。空域协调区需由相关空域管理指挥官确定,可以是正式的,也可以是非正式的。

7)限制作战区

除了作为武器平台进行空中作战、运动飞行外,陆航直升机可作为运输、指挥平台,执行机降、指挥、预警等辅助性作战活动,在这些作战活动中,陆航直升机需要实施起飞、降落、悬停、升降等飞行动作。

在限制作战区内,一个或多个用户的行动是受到限制的(见图4),限制作战区通过严格限制飞机进入指定地面区域或空域来帮助减少其与地面进攻之间的冲突,避免重复行动及误伤。

图4 执行空投时的限制作战区

限制作战区可用于应对非作战的作战局势或用来限制一个或多个其他空域用户的行动。无论限制作战区是否受到火力的保护,都要详细说明其使用方法,以便于与其他区域进行分开,供地面火力单元识别,例如炮兵、迫击炮、海军水面火力支援、特种作战部队作战地域。通常用于直升机空投、着陆、搜救、搭乘、预警、观测以及其他特殊任务,限制作战区会对防空作战造成负面影响,因此,防空任务一般在限制作战地域上空有优先权。

限制作战区是供陆航直升机使用的一类空域协调方法的总称,其下一级(子级)的空域协调方法包括以下几种。

①机载指挥和控制区：专门为实施战场控制和指挥直升机所设定的有规定范围的控制区域。

②机载预警区:专门为实施预警任务的直升机所设置的有规定范围的空域。

③机降场:用于空投空降部队、装备或补给品的特定区域。空降作战时的首选空域协调方法,在启用时,火力应由控制空投场的司令部进行控制。

④着陆区:任何用于直升机着陆的指定区域。

⑤搭载区:空中突击行动的首选限制作战地带使用方法,在启用时,火力应由控制搭载区的司令部进行控制。

8)战斗空域

①杀伤区

杀伤区是指攻击直升机发射或投放弹药时,所形成的火力覆盖区域,这是一种伴随机载火力的产生而形成的临时空间,它是直升机平台所产生的末端攻击区,而不是直升机的飞行空域。

杀伤区是联合部队指挥官建立现行支援的一种延伸,可以设置在敌人前进的路径上。设置此区域的目的是利用所有可用武器的密集火力包围并歼灭敌人,当多个用户同时使用杀伤区时,需防止空域冲突。

杀伤区用于在没有与设置该区域的指挥官进行更多协调和没有末端攻击控制的情况下,允许对地(水)面目标进行致命性攻击。当用于整合空对地和地对地间瞄火力时,杀伤区将会受到适当的限制。其目的是以最大程度的灵活性减少满足火力支援所需的协调工作,同时防止误伤。杀伤区不会专门为近距离空中支援任务而设置。

②空空协调区

和杀伤区相对应的是涵盖直升机整个作战飞行活动区,以及机载弹药覆盖区域的一个战斗区域,可称其为空空协调区。在指定的空空协调区内,攻击直升机可以在此区域内实施机动并向指定交战区域发射弹药或打击临时目标。

空空协调区是由直升机的空中作战飞行空域加末端武器发射空域组成。它是一种必需的空域协调方法,在战斗空域内,直升机拥有最大程度的自由处置权。它可以简单看作空中路线与杀伤区的合集,具体设置及使用方法类似于杀伤区,这里不再重复。

9)巡逻侦察区

空中战斗巡逻及指定地点上空巡逻均需要确定所使用空域的位置、进出方向、高度和时间。在目标地域内，受保护部队在战斗地带的关键地域上空或防空区域内均需提供侦查巡逻区,目的是在敌机抵达目标前进行拦截或摧毁。

巡逻侦察区是经批准后预留给特殊用途的空域,联合部队司令官和其他部队司令官可以利用巡逻侦察区预先部署用于完成侦察、监视、防空、通信、战场管理、预期空中打击、基地防空空中战斗巡逻和指定地点上空巡逻等任务。

3 结束语

本文分析了陆航直升机空域协调的需求,提出了陆航空域协调方法的设计思路,最后,给出了联合作战中空域协调的方法。

按照空域几何形状来分,可将所设计的空域协调方法为三大类,即高度类、飞行航线类和空间三维几何体类,利用这三种不同的空域几何形状,可以将整个陆战场的空域范围划分为多个武器使用的不同空域,实现整片空域范围的几何划分,连接、穿插、空间范围的细分等。从空域协调方法的功能来看,空域协调方法覆盖从后装保障到辅助性作战、直接战斗等全部军事行动，可满足陆航部队执行火力支援、空中打击、突击作战、运输转场、空中勤务、特种作战等战法的需要。根据协调关系来划分,可以分为空空协调、空地协调、专用区域等,每一空域协调方法本质上都是规范空域用户对空间的申请使用、占用范围和时间、空间安全间隔,从而最终实现空域用户间的安全保障和协同作战,满足防空反导、联合等作战样式的需求,实现整个联合部队作战效能的涌现。