军用直升机主动防御系统及其关键技术分析*

史志富

(1.航空工业庆安集团有限公司，陕西 西安 710077;2.西安航空学院，陕西 西安 710077)

0 引言

军用直升机不受地形限制，能够低速低空飞行，能够机动灵活地执行多种任务，是陆军航空兵执行突击登陆、救护运输、侦察搜索、指挥控制等多种任务的主战装备[1]。根据作战用途不同，军用直升机可分为武装、运输和战勤三大类。除武装直升机在机上安装有武器系统可用于攻击和战斗外，运输和战斗勤务类直升机通常没有加装装甲和自卫武器，容易成为敌方攻击的对象。

在现代战争中，军用直升机为配合地面部队作战，一般要在低空、战斗前沿或敌方纵深地域执行任务，面临的威胁主要是地面的防空导弹、重型机枪和便携式火箭助推榴弹发射器(rocket propelled grenade,RPG)等[2-3]。对于防空导弹，目前直升机的主要对抗措施是采用电子干扰机干扰、箔条/红外诱饵弹诱骗等软杀伤手段，但是随着导弹抗干扰能力的提升，对其干扰和诱骗不但成本高，技术复杂，而且效果越来越差；对于高射机枪、RPG等直射型无制导武器，直升机的干扰和诱骗手段是不起作用的，唯一的措施是靠飞机的机动能力进行机动规避。但是直射型无制导武器通常是近距离隐蔽发射，对其早期的预警和探测难度大，一旦命中直升机几无生存可能。

借鉴目前装甲车辆的主动防御技术、舰船反导防护技术等为作战支援保障类飞机提供主动拦截手段的机载主动防御系统应运而生，发展主动防御技术正成为一种新概念手段。与机动规避/软杀伤手段相比，主动防御从根本上改变、甚至颠覆了传统的直升机防护模式，使其由消极被动的躲避、干扰、诱骗，转向积极主动的探测、跟踪、消灭来袭威胁，突破传统思想观念给军机防护技术带来的桎梏，给军机防护能力带来革命性的提升。

1 主动防御系统的原理与需求分析

1.1 直升机主动防御系统的基本原理

主动防御系统(active protection systems,APS)，是指通过探测装置获得来袭弹药(反坦克导弹、火箭弹)的运动特征，然后通过计算机控制对抗装置，使来袭弹药无法直接命中被防护目标的系统。直升机的主动防御原理与地面装甲车辆的主动防御原理类似，均是按照OODA环的方法分为探测、识别、决策和行动环节。其基本原理是飞机在执行任务过程中，依靠预警探测设备对任务区域进行警戒搜索，当探测到来袭目标后，由综合控制单元根据来袭目标的光电特征和运动特征进行目标的识别、态势估计和威胁判断，并对有威胁的目标进行航路滤波和预测，计算来袭弹药的空中“提前命中点”和拦截装置的发射诸元，适时将射击信息和指令发送给拦截单元发射拦截弹药，完成对来袭目标的拦截，其原理如图1所示。

图1 主动防御系统原理图Fig.1 APS schematic diagram

1.2 直升机主动防御系统的功能需求

按照主动防御系统的原理，直升机的功能需求包括预警探测、指挥控制和发射拦截3个方面。

(1) 预警探测

预警探测单元应该能够利用光电、激光等探测和告警设备完成对地面RPG、便携式导弹等非合作目标的探测；能够在发现目标后及时进行目标识别及时发出预警信号。

(2) 指挥控制

指挥控制单元应该能够根据非合作目标的信息快速进行来袭航迹建立；能够根据对非合作目标的态势评估判断出目标的威胁程度；能够对非合作目标未来航迹做出预测；对多个目标应能够做出拦截分配；能够计算出空中预定拦截点；能够计算出拦截单元的发射诸元；能够做出拦截发射决策。

(3) 拦截发射

拦截发射单元应能够快速精确随动到空中预定拦截点；应能够根据拦截发射指令快速完成发射；拦截弹药应能够在预定拦截点以破片、撞击等方式完成目标拦截；拦截弹药不应对飞机造成附带损伤。

1.3 直升机主动防御系统的组成

为满足主动防御系统的功能需求，主动防御系统组成通常包括预警探测设备、综合信息处理设备、拦截武器三大部分。其系统组成如图2所示。

图2 主动防御系统组成结构图Fig.2 APS system construction diagram

预警探测设备主要通过光学、红外、电磁等设备完成对载机环境与来袭弹药的预警、探测、跟踪和确认等，是主动防御系统发挥作战的前提基础。

综合信息处理设备主要是对预警探测设备的预警探测信息进行预处理和信息融合，完成对环境和来袭弹药的识别判断、态势综合、威胁估计，进而根据拦截武器情况作出任务规划、拦截计算、发射决策、毁伤评估等，同时也负责对系统状态进行监控显示和处理，并能与预警探测设备和拦截设备进行双向信息交互。该子系统通过由态势显示设备、信号/任务处理计算机、操控设备和信息传输设备等组成，是主动防御系统的信息处理中枢。

拦截武器负责根据综合信息处理设备的指令控制武器发射装置瞄准预定拦截点或拦截区，并根据发射指令发射拦截弹药完成对来袭弹药的拦截毁伤，通常由武器弹药、武器发射设备和武器控制设备等构成，是主动防御系统执行拦截的直接力量。

不同的主动防御系统在物理结构上不尽相同，有些是将预警探测设备、拦截设备和综合信息处理设备分布式地部署于平台各个部位，便于对平台进行全方位地预警监视；有些将预警探测设备与拦截武器集成于一体，便于精确拦截。

2 国内外军机主动防御系统研究现状

目前主动防御系统大量列装于坦克等装甲车辆之上，可以拦截敌方的火箭弹，导弹甚至穿甲弹。比较著名的有以色列拉斐尔先进防御系统(Rafael advanced defense)制造的“战利品”(Trophy APS)，以色列“铁拳”(iron fist APS)和美制“铁帘”(iron curtain)、俄罗斯的“竞技场”等[4-5]。但是对于飞机的主动防御系统来说，地面装甲车辆的主动防御系统由于体积和质量的限制无法直接应用到飞机上。出于实用性方面的考虑，飞机更愿意加装厚重的装甲和低空躲避等方式等来对付来自导弹的威胁。截止目前，还没有成熟的主动防御系统装备到飞机上，但是作为一种防护理念，国内外一致没有放弃飞机主动防御技术研究。美国、以色列、俄罗斯等国家一直在进行持续不断的研究，技术也越来越接近实用化。

2.1 美国

2015年，美国轨道-阿连特技术系统公司(Orbital ATK)研发的世界第一款直升机主动防御系统在美国特种作战产业大会上亮相[6]，如图3所示。该系统由一个交战管理模块、一个稍加改造的干扰弹发射装置(例如ALE-47红外干扰弹装置)和多枚杀伤飞行器组成，其中杀伤飞行器从干扰弹发射装置的标准曳光弹/箔条发射管发射。该系统可识别一个来袭威胁，发射并制导1枚杀伤飞行器飞抵某个精确位置，然后引爆战斗部使来袭RPG失效。该装置不但小巧轻便，还可以利用现有的ALE-47红外干扰弹装置发射，不需要加装额外的设备，对武装直升机飞行性能影响小，也可以与原有的红外干扰弹混合使用。

图3 美国ATK公司的直升机主动防御系统Fig.3 Helicopter APS of American ATK Corporation

此外，美国还开展了固定翼飞机的主动防御系统研究，如2017年美国诺斯罗普·格鲁曼公司提出了一种名为“微型导弹防御系统”的动能主动防御概念[7]，如图4所示，4a)为微型导弹防御系统在固定翼飞机上的布置图；4b)为微型发射舱结构示意图；4c)为微型发射舱位置图；4d)为微型动能拦截弹对来袭目标的跟踪拦截示意图。该概念设想利用隐身战机装载的动能拦截弹，在空战中拦截来袭导弹，用于提升隐身战机的生存能力。系统主要包括4个部分：机载微型发射舱，配备目标获取和寻的系统的微型拦截弹，用于捕获目标威胁的机载传感器，能够接收传感器信号的机载控制器。

图4 美国微型导弹防御系统Fig.4 Minisize Missile Defense System of American

目前，洛克希德马丁公司在美国空军支持下还开展了SHiELD(self-protect high energy laser demonstrator)[8]项目研制,计划在21世纪20年代中期将其安装在战斗机机身或机翼上可以击落来袭的空对空和地对空导弹。

2.2 以色列

以色列一向重视作战平台主动防护技术的发展，不仅是地面装甲主动防御系统的领导者，其目前在研的“Fliker”使以色列在直升机防护领域再次走在世界最前列[9]。2011年以色列拉法尔武器公司下属的MANOR技术分部在以色列国防部防务研究发展局的支持下，提出了名为“Fliker”的武装直升机HAPS主动防御系统的设计原型(图5)。其作战原理是与目前的坦克主动防护系统基本相同，也是通过高性能的探测和火控设备，对来袭的导弹和RPG等武器进行快速探测跟踪、评估其威胁程度、计算最佳拦截点，并在其战斗部起爆前发射拦截弹将其摧毁或使之偏离目标。战时，当对来袭武器的各种“软杀伤”措施均告失败后，“Fliker”将作为最后一层防御手段使用。按照设计，全套“Fliker”系统将由专门设计的转塔、拦截武器及控制软件组成。2011年9月，拉菲尔公司成功地对“Fliker”进行了一次可行性测试，初步验证了该系统保护直升机免遭RPG之类武器袭击的能力。

图5 以色列“Fliker”主动防御系统Fig.5 “Fliker”APS of Israel

图6 以色列直升机载小型遥控武器站Fig.6 Small RCS for Helicopter of Israel

2014年法国防务展上，以色列杜克机载系统公司展出一款直升机载遥控武器站(图6)，其具有360°的全方位射击能力，内嵌一套先进的显示系统，具备自主作战能力。可安装与飞机舱门附近用于支援、运输类直升机的近程主动防御武器，提高战术支援类直升机的战场生存力。

2.3 俄罗斯

俄罗斯也非常重视平台的防护技术，其地面装甲车辆的“鸫”、“竞技场”等主动防御系统也是处于世界的领先水平。在飞机主动防御领域，早在20世纪60年代苏联就研究了利用航炮拦截空空导弹的技术，并研制了AM-23/Gsh-23航炮使用的23 mm榴霰弹，内装24枚预制弹丸，可在发射后1.4～1.8 s内起爆，将弹丸成球面抛向目标，连续发射多枚可在来袭导弹航路上形成密集拦截弹幕。

3 直升机主动防御系统需要解决的关键技术

直升机主动防御系统要解决的问题是易安装、看得到、瞄的准、打的狠，且在有限的时间内要完成整个作战过程，所以要求及早发现，快速处理，精准发射。故要使得直升机主动防御系统能够达到预定作战能力，需要解决总体集成、目标处理、指挥控制、伺服控制、火力等多项关键技术。

(1) 主动防御系统顶层分析与总体设计技术

直升机主动防御系统需要根据拦截目标特征和直升机使用特征，对主动防御系统进行顶层分析，确定系统的需求，构建应用场景和拦截致胜机理，从而确定系统架构和主要设备组成。该工作可按照基于DoDAF的方法进行系统研究，主要确定如下内容：

1) 直升机主动防御系统的系统需求；

2) 直升机主动防御系统的应用场景；

3) 直升机主动防御系统的应用模式与工作机理；

4) 直升机主动防御系统的总体架构与功能分配；

5) 直升机主动防御系统的信息与逻辑关系；

6) 直升机主动防御系统防御效能评价与分析。

(2) 高速近程非合作目标探测与精确跟踪技术

根据军用直升机的应用场景，需要对近程高速非合作目标进行预警探测和精确跟踪，以确定来袭目标的类型、特征、数量等基础信息，供信息处理单元进行分析判断和制定拦截策略。其难点是来袭目标通常处于隐蔽状态，在发现时距离通常较近，为此，需要利用高精度的光电、激光等预警探测设备进行综合探测和精确跟踪[10]，需要解决的技术包括：

1) 复杂环境下高速非合作目标的光电探测技术；

2) 高速近程非合作目标的高精度测量技术；

3) 高速非合作目标的轨迹自动稳定跟踪方法；

4) 高速非合作目标的运动特征提取与属性识别技术。

(3) 高速非合作目标航迹滤波与预测技术

对军用直升机的主动防御系统来说，确定来袭目标的航迹是拦截的基础。确定来袭目标航迹的目的是对航迹进行预测以使得拦截系统提前准备，而要精确的预测航迹就需要根据目标跟踪数据进行航迹建模和数据滤波，从而进行航迹参数的辨识[11]。对军用直升机的主动防御系统来说，目标的航迹滤波和预测主要要解决的技术如下：

1) 基于短时少量测量数据的目标航迹构建；

2) 近程高速非机动目标的航迹滤波方法；

3) 近程高速非机动目标的航迹外推方法。

(4) 系统的操作控制与指挥控制技术

操作控制和指挥决策是信息处理的核心功能，对于军用直升机主动防御系统来说，其需要在秒级或毫秒时间范围内完成对探测信息的处理和显示，形成拦截方案，计算出拦截位置和火力发射诸元，根据最新目标信息对拦截参数进行微调，并控制火力拦截单元瞄准预定拦截点，在满足拦截条件时发出拦截指令[12]。在其设计过程中需要解决的主要技术包括：

1) 基于CAN总线的直升机主动防御系统即时通信方法；

2) 直升机主动防御系统综合处理单元的设计技术；

3) 直升机主动防御系统任务综合显示与综合技术；

4) 基于多传感器数据融合的态势综合与显示技术；

5) 基于多属性决策方法的目标群威胁判断方法。

(5) 空中拦截计算技术

空中拦截计算结果的准确性直接决定拦击效果甚至拦截成败，必须在目标信息综合处理的基础上结合拦截火力单元的射击特效进行综合快速计算[13]，其结果应给出空中预定拦截位置、火力拦截单元的火力射击参数并发送给火力拦截单元进行精确随动。其需要解决的技术包括：

1) 直升机主动防御系统空中“预测命中点”计算方法；

2) 直升机主动防御系统空中拦截射击火力诸元解算模型与方法；

3) 有限时间下火力随动单元的高精高速随动控制技术。

(6) 拦截弹药的高效毁伤技术

拦截弹药是否能够对目标进行有效杀伤是主动拦截系统的关键点之一。必须考虑要拦截的目标和拦截弹药特征，既保证有足够的毁伤能力，又能不对飞机进行附带损伤或少量损伤。目前研究的有破片式、冲击波式或子母弹式等杀伤原理[14-15]，对此应该考虑的技术包括：

1) 高效拦截弹药的设计技术；

2) 多拦截弹齐射技术；

3) 多拦截弹弹幕形成与保持技术。

4 结束语

随着直升机作战应用环境的复杂性增大，未来直升机面临的威胁也会越来越大，现有的防御性手段急需升级，但是被动防御效果的效费比将会越来越低，直升机主动防御系统是未来提高直升机战场生存力的关键。但是其全面的研究和应用还处于论证阶段，本文在研究军用直升机面临的主要威胁的基础上，按照OODA环给出了主动拦截系统的功能需求，通过梳理国内外军机主动拦截系统的研究状况和拦截原理的基础上，形成了军用直升机主动拦截系统要重点研究的关键技术。研究成果可为未来直升机主动防御系统的发展提供技术支撑和理论借鉴。