野战防空侦察探测火箭弹需求研究

2021-12-20秦正威时银水

指挥控制与仿真 2021年6期

秦正威，时银水

(陆军炮兵防空兵学院郑州校区，河南郑州 450000)

联合作战下，陆战场受当面之敌火箭弹等的威胁突出。与抗击战斗机等传统空气动力目标相比，火箭弹的袭击发生突然、飞行速度快，防空兵拦截火箭弹战斗过程短促、时效性要求高。对空侦察监视力量需尽早发现并连续跟踪火箭弹，是防空兵判定火箭弹袭击的威胁情况、定下拦截抗击决心、实施拦截抗击的基本前提。这直接决定了抗击火箭弹的效果。

1 火箭弹飞行特性分析

火箭弹通常由战斗部、火箭发动机和稳定装置3部分组成。按照有无控制系统及其制导控制方式，火箭弹可分为无控火箭弹、简易控制火箭弹和制导火箭弹[1-2]。

1.1 火箭弹弹道特性分析

火箭弹的运动过程分为滑轨段、主动段和被动段。滑轨段指火箭弹后定心部脱离滑轨端点之前的运动过程；主动段指后定心部脱离滑轨端点到发动机停止工作之间的飞行过程，是火箭弹上升段的一部分；被动段指主动段结束后的惯性飞行过程，一般分为平飞段和再入段。

侦察探测火箭弹，通常发生在其主动段和被动段。在火箭弹射击弹道平面内，主动段受火箭发动机推力作用，被动段受自身重力和空气阻力作用，常规无控火箭弹被动段的弹道特性与常规炮弹的外弹道特性基本相似，弹道高度一般不超过30 km；采用空气舵控制的制导火箭弹，在主动段和被动段都具有机动变轨能力，最大弹道高度一般不超过50 km。

无控火箭弹可在射程范围内通过调整射角控制射程(射角范围一般在15°～55°)，大射角对应远射程，小射角对应近射程；火箭弹发动机关机后，由于空气阻力和重力作用，到达弹道最高点位(居射程中点以远位置)后，火箭弹受重力作用快速下降，再入角大于发射角，弹道呈不对称曲线形状，如图1所示。

图1 火箭弹弹道特性示意图

1.2 火箭弹速度特性分析

发射后的主动段，火箭弹线的高度和速度单调增大，发动机熄火时达到速度极大值；发动机熄火后高度继续单调增大，速度单调递减，直到弹道顶点过后的一段行程达到极小值；转入降落阶段，火箭弹受重力作用速度开始递增，重力与空气阻力平衡时再次达到速度极大值(最大马赫数可达2.0～3.0)，如图2所示。

图2 火箭弹速度变化规律示意图

2 火箭弹雷达可探测性分析

借鉴反火箭弹成功实践经验，防空兵侦察探测火箭弹，要求雷达具备很强的机动能力、较远的发现距离、很高的角度和距离分辨力，以及同时多目标跟踪能力，通常使用C波段或者X波段二维相控阵雷达[3]。

2.1 火箭弹雷达散射特性分析

火箭弹壳体材料一般采用优质金属或新型复合材料，大气层内高速飞行的火箭弹战斗部壳体外面通常涂覆热防护层。目前，火箭弹的壳体都没有进行隐身设计，有利于使用雷达探测跟踪目标[3-4]。

火箭弹可以简化为圆柱形弹体与锥形战斗部的组合体目标，其弹体圆柱的长度通常为米级，弹体圆柱半径通常为数厘米至数十厘米；战斗部的锥体高度通常为数十厘米量级。

侦察探测火箭弹，在其上升段和平飞段(如图3中所示位置1、2)可简化为侧视姿态照射的金属圆柱体目标，在其再入段(如图3中所示位置3)可简化为正视姿态照射的金属圆锥体目标。

图3 侦察探测火箭弹的照射姿态变化示意图

若火箭弹弹体最小结构尺寸为A，雷达波长为λ，对于C波段或者X波段雷达，火箭弹的雷达散射截面积一般都满足2πA>>λ的“光学区”散射规律条件。

若火箭弹弹体长度为L，弹体半径为r，地面雷达照射上升段至平飞段火箭弹的视线与弹体法线的夹角为θ，则火箭弹的雷达散射截面积为

(1)

其中，L、r和λ的单位均为m。

对于常规火箭弹结构尺寸的目标，在C波段或者X波段雷达波长范围内，如图3中位置3所示，迎头正视姿态照射金属圆锥体的雷达散射截面积最小。若战斗部锥体高度为h，则迎头照射下的雷达散射截面积为

(2)

其中，h的单位为m。

按外军现役典型火箭弹的C波段雷达散射截面积概算，如表1所述。

表1 外军现役典型火箭弹雷达散射截面积概算

由表1可见，沿弹道由远及近运动过程中，火箭弹的雷达散射截面积逐渐减小，上升段和平飞段的雷达散射截面积均为平方米量级；再入段的雷达散射截面积最小，为10-3平方米量级(分析计算表明，雷达照射方向垂直于战斗部锥体母线附近时有平方米量级峰值)。

2.2 跟踪火箭弹稳定性分析

如表1所述，在由远及近运动过程中，由于地面雷达对其照射姿态变化，火箭弹的雷达散射截面积变化约为103量级；距离越近，火箭弹的雷达散射截面积越小，雷达回波信号越弱。

在战场环境和装备技术状态不变的条件下，雷达照射空中目标收到的回波信号功率，与目标的雷达散射截面积成正比，与目标距离的四次方成反比，即

(3)

其中，K为雷达技术状态常数；R为目标距离，单位为m。

本文以70 km射程的火箭弹为例，取其最大发射角55°，弹道最高点为30 km，弹道最高点距离其弹着点30 km，再入段雷达照射方向与弹体纵轴平行时的距离为20 km；火箭弹侦察雷达阵地位于火箭弹弹着点附近，其天线海拔高度为5 m。

设火箭弹侦察雷达迎头照射20 km处“海马斯”火箭弹的回波信号功率为pr0，则照射30 km处平飞段和70 km处上升段火箭弹的回波信号功率如表2。

表2 不同飞行阶段火箭弹回波强度比较

可见，在火箭弹飞行过程中，上升段和平飞段的回波信号都比再入段的回波信号强。

侦察探测飞行过程中的火箭弹，只要雷达技术能力满足跟踪信号功率最弱的迎头状态火箭弹的要求，就能够远距离发现并连续跟踪上升段和平飞段的火箭弹，为战斗指挥提供稳定可靠的预警情报，从而为拦截抗击提供连续的目标指示。

3 侦察探测火箭弹能力需求分析[5-6]

远距离发现并连续跟踪火箭弹，是实施指挥拦截行动的前提。除了高机动能力等野战防空装备通用要求，侦察探测火箭弹的战术能力，主要包括威力范围、分辨力、测量精度、情报数据率、跟踪容量(多目标跟踪能力)等。

3.1 威力范围

使用二维相控阵雷达侦察探测火箭弹，其威力的范围应当包括方位覆盖范围、俯仰覆盖范围、最大发现距离。

1)方位覆盖范围

遂行野战防空任务侦察探测火箭弹，为了满足快速转换侦察监视方位区的需要，侦察雷达应当采用“全方位机械扫描+方位区相控阵扫描”体制。

相控阵扫描的方位区范围，应当能够根据侦察任务和对情报数据率的要求装定，单向监视方位应当达到45°～60°。

2)俯仰覆盖范围

一般地，火箭弹的发射角为15°～55°，再入角大于发射角。为了保证发现后能够连续跟踪目标，侦察雷达探测跟踪火箭弹，相控阵扫描的最大俯仰覆盖范围应当达到80°以上。

为了适应复杂地形下侦察探测其他类型目标需要，应当能够根据侦察监视任务，装定俯仰覆盖范围的起始下界(通常为俯视角)。

3)最大发现距离

如前所述，在满足跟踪再入段火箭弹(雷达散射截面积最小)前提下，远距离发现上升段/平飞段火箭弹的最大距离，应当满足拦截弹在有效杀伤区远界达成首次拦截射击的需要，即

R≥RI+V(tS+tC+tA)

(4)

其中，R的单位为km；RI为拦截弹有效杀伤区远界，单位为km；tS为侦察雷达从发现目标到输出情报的反应时间，tC为射击指挥过程时间，tA为火力分队搜索截获目标发射拦截弹的过程时间，单位均为m；V为火箭弹的最大飞行速度，单位为km/s。

3.2 分辨力

通常，火箭弹都采取多发齐射方式实施射击。侦察探测火箭弹，必须具备足够的同时多目标分辨能力，准确判明目标数量，为射击指挥分配目标和协调火力实施有效拦截抗击，提供精准情报。

为此，野战防空侦察雷达，应当运用中小口径天线窄波束技术提高角分辨力，运用宽频带脉冲压缩技术提高距离分辨力，运用频域滤波技术提高多普勒分辨能力，达成下述综合高分辨能力：

1)能够分辨单炮顺序发射的前后火箭弹；

2)能够分辨多炮同时发射的并行火箭弹等。

3.3 测量精度

侦察探测火箭弹，必须建立精准的弹道轨迹，以便拦截火力分队能够在短促的射击窗口，按照目标指示快速截获目标。

为了建立精准的火箭弹轨迹，侦察雷达测量火箭弹坐标的精度应当达到以下要求：

1)距离测量误差不大于米量级；

2)方位角、俯仰角测量误差不大于0.1°量级。

3.4 情报数据率

发现火箭弹、确定敌方火箭炮阵地概略方向后，侦察雷达应当按照战斗方案，缩小监视方位区范围，适度提升监视的俯仰角下界，集中资源侦察监视火箭弹群目标。

为了尽早建立精准的火箭弹弹道，为判定其弹着点位置，评估危害程度，定下拦截抗击决心提供精准情报，为拦截抗击提供尽量宽裕的反应时间，侦察雷达应当尽量缩短测量火箭弹坐标的时间间隔，提高火箭弹情报数据率。

按照火箭弹的射程和最大飞行速度等，侦察监视火箭弹、测量火箭弹坐标的时间间隔应当不超过秒量级。

3.5 跟踪容量

侦察探测火箭弹时，侦察雷达一个扫描周期能够跟踪的目标容量，应当不小于一个火箭炮战术分队一次齐射的火箭弹总量。

如果火箭炮战术分队编制的火箭炮数量为A1，单炮载弹容量为A2，则在监视火箭弹的方位俯仰范围上，侦察雷达一个扫描周期必须跟踪火箭炮的目标容量为

C≥A1×A2

(5)

例如，Y军现役 “龙卷风”火箭炮营编制9门火箭炮，每门炮载12枚火箭弹，则侦察雷达跟踪火箭弹的目标容量应当大于108批。

3.6 目标处理能力

以色列EL/M-2084多任务相控阵雷达目标处理能力为每分钟200枚炮弹、1200个飞机和导弹目标。火箭炮打击目标时火力密集度较大。以“龙卷风”为例，战时一个营编配18门火箭炮，每门火箭炮装载12枚火箭弹，一个营一分钟内可以发射216枚火箭弹。侦察探测火箭弹等弹道类目标，目标处理能力每分钟应不小于200个。