高超声速飞行器空基拦截方案设计

刘双喜 刘伟 闫斌斌 黄伟 闫杰

摘 要：      高超声速飞行器防御作战对于各国都是一个巨大的挑战， 相关研究方案仍处于论证阶段， 具体的作战方式尚未形成统一认知。 针对临近空间高超声速飞行器防御问题， 本文基于典型防空反导体系的设计过程， 在合理作战想定的基础上开展了高超声速飞行器空基拦截方案设计工作。 首先， 阐述了高超声速飞行器五大性能优势。 然后， 分析了高超声速飞行器典型弹道特性和空基拦截的优势。 最后， 从系统组成、 作战流程和作战时序三个方面对高超声速飞行器空基拦截方案进行描述。

关键词：     高超声速飞行器； 空基拦截； 空天防御； 临近空间

中图分类号：      TJ760

文献标识码：    A

文章编号：     1673-5048（2024）01-0032-06

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2023.0174

0 引  言

高超声速飞行器是指能够以大于马赫数5的飞行速度在临近空间持续飞行， 完成指定任务的一类飞行器， 于2022年首次在“俄乌冲突”中亮相， 体现出优异的作战能力［1-4］。 俄罗斯国防部曾表示， 俄军在2022年3月18日和3月20日两度发射了“匕首”高超声速导弹， 以摧毁在乌克兰的军事目标［5］。 其中， 3月18日， 俄军使用“匕首”高超声速导弹打击乌克兰武装部队位于西部伊万诺-弗兰科夫斯克州的一个大型地下导弹和航空弹药库， 这也是人类历史上第一次在实战中投入高超声速武器［6-7］。 “匕首”高超声速导弹外形如图1所示［8］。

当前， 各军事强国正在积极发展以高超声速飞行器为代表的新型常规战略打击力量， 基于海、 陆、 空、 天等平台， 持续推进高超声速飞行器从技术攻关、 演示验证到武器实战化进程［9-11］。 作为一种“可改变战争规则”的穿透型“速度隐身”飞行器， 高超声速飞行器兼具了传统飞行器的各项性能优势， 具有飞行速度快、 作战半径大和突防能力强等突出特点， 可以完成普通飞行器难以完成的情报收集、 快速打击等任务， 在军用领域具有重要的战略意义［12-13］。

高超声速飞行器的出现彻底打破了传统空天防御之间的界限， 推动战争进入高速、 高对抗时代。 随着相关技术的成熟， 高超声速飞行器必将引发作战样式、 战术战法的演变革新， 对战场环境带来深远影响［14］。 目前， 世界各国缺乏有效应对高超声速飞行器的防御能力， 且相关基础研究处于起步阶段。

本文以典型防空反导体系的设计程序为依据， 在合理作战想定的基础上进行了有关研究工作。 首先， 总结了高超声速飞行器的五大性能优势； 然后， 分析了高超声速飞行器典型弹道特性和空基拦截的优势； 在此基础上， 对高超声速飞行器空基拦截方案进行描述， 阐述了空基拦截系统组成和作战流程， 并给出了典型的空基拦截作战时序。

1 高超声速飞行器性能优势

通过分析各国高超声速飞行器的发展历程， 相比于传统飞行器， 高超声速飞行器具有如下五大性能优势， 给现有防御体系带来了颠覆性的挑战［13，15］。

（1） 速度优势实现“秒级杀伤”。 凭借其高速飞行能力， 高超声速飞行器可以顯著地改变作战双方时空关系， 极大地缩短防御方探测、 跟踪和响应时间， 推动战争进入“秒杀”级别时代。 相关研究表明， 当飞行速度从马赫数5增加到6， 高超声速飞行器的突防概率就能够从78%提升到89%［16］， 有效地打击现有防御体系。 此外， 高超声速飞行器还能够使得战场信息链中各要素之间的耦合效应更加紧密， 促进OODA（Observe-Orient-Decide-Act）杀伤链循环加速， 占领信息维度和决策维度的作战优势， 从而对目标实现“秒级杀伤”的降维打击。

（2） 机理优势

机理优势实现“指数级毁伤”。 传统毁伤方式主要依靠化学能的转化释放， 但在实际作战中， 毁伤效果受多种因素制约， 例如对地下或坚固目标的毁伤效果不尽如人意。 由动能定理可知， 如果飞行器的飞行速度大于马赫数5， 此时其所拥有的动能将快速增长， 能够极大地提升战斗部的毁伤效果。 相关研究表明， 一枚仅1.5 kg的高超声速导弹的战斗部就足以彻底摧毁一座桥梁［17］， 实现“四两拨千斤”的作战效果。 显然， 这种通过高超声速飞行实现的动能打击可以大幅度提升对作战目标的毁伤， 达到“指数级”的毁伤效果。

（3） 敏捷优势

敏捷优势实现“出奇制胜”。 高超声速飞行器具有较强的载荷能力， 能够执行全球范围的远程打击、 战略侦察和投送任务。 同时， 在具备“秒级杀伤”能力的基础上， 高超声速飞行器还能够实现大范围、 持续机动， 从而具有极强的作战敏捷性。 既能够在飞行过程中通过机动来改变飞行轨迹， 制造不确定性， 打破防御方既定的防御策略， 轻松实现突防； 又可以对作战目标进行快速打击， 具备出色的毁伤效果， 兼具了传统飞行器的各项性能优势， 使其成为继核武器之后最具威力的杀伤武器。

（4） 运用优势

运用优势实现“可慑可打”。 高超声速飞行器的快速飞行能力使其具有先发制人的战略优势， 能够对防御方形成极强的战略威慑力。 从宏观角度来看， 其将影响作战双方战略力量平衡， 从而影响其战略意图。 从微观角度来看， 其将影响防御方的战略布局， 甚至导致作战力量的部署被迫调整。 更重要的是， 高超声速飞行器具有得天独厚的作战能力和毁伤效果， 但不会产生像核武器的使用带来的附加伤害， 在使用过程中不需要承受过多的舆论压力， 具备较低的政治风险和使用门槛。 因此， 高超声速飞行器不仅在战场环境中具有巨大的威慑性， 还有很高的实操性， 具有一定的战略运用功能。

（5） 成本优势

成本优势实现“非对称制衡”。 成本优势不仅体现在性价比上， 也体现在防御方的非对称抵消上。 尽管研制高超声速飞行器的成本高昂， 但是相比于复杂的防御系统， 其成本仅为很少的一部分。 高超声速飞行器具有颠覆性的性能优势， 使得现有的防御体系几乎毫无用武之地， 等同于用来研制复杂防御系统的经费投入“打了水漂”。 因此， 俄罗斯近年来将高超声速飞行器作为应对大国制衡的重要军事手段， 不断加速其研制部署， 从而形成多种防御体系的非对称抵消。

综上所述， 高超声速飞行器集高速飞行、 高效毁伤、 高效突防等能力于一身， 能够做到不需兵力前出即可对敌实施有效杀伤， 既是打破战场攻防平衡的重要砝码， 又是以硬核实力震慑敌方发起作战行动企图的重要手段， 具备改变“战争游戏规则”的潜力， 几乎可以突破现阶段所有防御体系。

2 高超声速飞行器典型弹道特性

高超声速飞行器主要用于打击敌方作战体系中的关键部位或关键节点。 如图2所示， 与传统弹道导弹相比， 高超声速飞行器的飞行特征有较大的差异， 机动能力和机动方式也有显著的区别。

以俄罗斯“锆石”高超声速飞行器为例， 吸气式高超声速飞行器的飞行过程大致可以分为如下四个部分：

（1） 助推段。 通过空基挂飞或地面发射模式， 飞行器在助推火箭的作用下， 飞行速度加速到超燃冲压发动机开机工作所需的工作条件。

（2） 爬升段。 该阶段初期火箭助推器从飞行器上脱落， 随后超燃冲压发动机开机工作， 飞行器加速爬升。

（3） 巡航段。 当飞行器爬升到巡航高度后， 将保持高超声速飞行状态， 并在固定高度进行巡航飞行。 一般巡航高度为20～40 km， 巡航速度在马赫数5～8之间。

（4） 俯冲段。 当飞行器接近其作战目标时， 超燃冲压发动机将关闭， 并以下压态势短距离急速打击目标。

以俄罗斯“先锋”高超声速飞行器为例， 滑翔式高超声速飞行器的飞行过程大致可以分为如下四个部分：

（1） 助推段。 在发动机助推作用下， 飞行器运动到大气层边缘。

（2） 变轨段。 在大气层边缘， 飞行器和助推器完成分离， 随后通过姿态控制完成从分离点到滑翔段起点的过渡飞行。

（3） 滑翔段。 飞行器在该阶段进行无动力滑翔飞行且飞行高度逐渐降低。

（4） 俯冲段。 当飞行器接近其作战目标时， 以下压态势短距离急速打击目标。

综上所述， 通过对高超声速飞行器飞行过程的分析可知， 对于吸气式高超声速飞行器， 该类飞行器在俯冲段的机动能力较强， 飞行轨迹无法精准预测， 并且俯冲段飞行时间较短， 拦截窗口较小， 对其拦截难度较大。 此外， 考虑到当前的战场环境， 空基拦截防御作战暂时不具备抵达高超声速飞行器发射点助推段的拦截条件［18］。 在巡航段受到超燃冲压发动机工作条件和热防护结构等物理条件限制， 其机动能力相对较弱， 飞行器以平飞为主， 并且该阶段的飞行时间较长， 红外特征明显， 弹道相对平直。 因此， 巡航段是拦截吸气式高超声速飞行器的理想时机， 并且更适用于小弹目速度比拦截场景［19］。 对于滑翔式高超声速飞行器， 该类飞行器滑翔段飞行时间长， 飞行器机动能力较弱， 是理想的拦截时机。

3 空基拦截防御作战问题描述

3.1 空基拦截优势分析

提高防御效果是发展防御系统的基本理念。 现阶段防御系统已经基本具备拦截常规低速或高速弱机动目标的能力［20］， 典型防御系统的性能如表1所示［21］。

高超声速飞行器防御体系相关研究尚处于起步阶段。 美国导弹防御局（Missile Defense Agency， MDA）和国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency， DARPA）相继提出了空基激光拦截、 THAAD增程型、 “滑翔破坏者”（Glide Breaker， GB）、 NGI拦截弹（Next Generation Interceptor）等研究计划， 但相关研究方案仍处于论证阶段。

目前发展比较成熟的防御系统主要有地基、 海基和空基拦截系统。 地基拦截系统能够覆盖大面积的地理区域， 并有一个永久的地点。 同时， 地基系统通常具有较长的作战反应时间， 并且可以配备复杂的传感器和跟踪系统。 然而， 由于地点的不变性， 也更容易受到攻击， 并且可能需要更大的后勤保障。 相比于地基拦截系统， 海基拦截系统具有較高的机动性和灵活性， 可以在地基拦截系统无法进入的地区， 如公海上空或沿岸环境中工作。 然而， 海基拦截系统很可能受到海洋环境的条件限制， 影响拦截系统的工作性能。

和空空导弹防御系统类似， 空基拦截系统具有以下两个主要优点：

（1） 探测距离更远。 对于搭载红外探测设备的空基拦截平台， 通常其巡航高度大于9 km［22］， 高于云层边界， 此时探测过程将不受气候因素的影响； 对于搭载雷达设备的空基拦截平台， 由于空基平台的巡航高度高， 此时探测过程受地球曲率的影响较小， 将可以实现更远的探测距离。

（2） 机动部署灵活。 空基拦截平台能够充分利用载机灵活机动的优势， 在具备隐身性能的同时， 甚至可以潜入目标空域， 对高超声速飞行器实施灵活多变的拦截， 提升拦截弹的拦截能力。

其次， 结合表1数据可知， 对于滑翔式高超声速飞行器， THAAD系统拦截距离通常远小于该类目标的射程， 难以触及纵深部署的高弹道区域； 对于吸气式高超声速飞行器， 当该类目标进入标准-6和S-400的攻击区内时， 存在被拦截的可能性。

因此， 针对高超声速飞行器防御问题， 空基拦截具有得天独厚的优势， 能够有效弥补陆基拦截系统和海基拦截系统的不足， 通过在现有装备系统的基础上不断优化性能指标， 结合空基拦截的灵活性、 自主性、 拓展性， 可有效拓展防御空间， 创造有利的拦截窗口， 形成由远及近的多层次拦截态势， 实现对该类目标的精准拦截。

3.2 空基拦截方案

基于前文分析的高超声速飞行器典型弹道特征， 结合现有防御体系发展趋势， 采用空地协同和梯度配置的防御原则， 论述了基于空基平台高超声速飞行器防御作战的系统组成和作战流程， 并给出了典型的空基拦截作战时序。

3.2.1 系统组成

目前， 世界各国缺乏有效应对高超声速飞行器的防御能力， 且相关基础研究处于起步阶段。 例如， 对于地基防御系统， 高超声速飞行器的主动机动将会使得对其运动特性分析和拦截点预测有一定难度， 进而使得拦截任务失败； 对于天基防御系统， 一方面， 其在轨道上的部署费用较高， 后期维护难度较大， 另一方面大规模的建设天基系统将会扩展到太空军备竞赛， 违背和平开发太空环境的初衷； 对于超高速射弹系统， 一般将其作为最后的防御手段。 该拦截策略主要在飞行末段进行拦截， 此时高超声速飞行器具有极强的破坏能力， 一旦拦截失败， 将会对作战目标造成毁灭性打击。 因此， 综合考虑现有的技术储备、 经济成本以及拦截效果， 本文将主要围绕空基拦截高超声速飞行器开展相关研究， 设计如图3所示的空基拦截平台防御作战示意图［23］。

高超声速飞行器防御作战过程中需要充分协调和发挥防御体系内各分系统的性能优势， 以应对其带来的战略威慑。 如图4所示， 在结合国内外防御体系的基础上， 空基拦截高超声速飞行器防御系统大致可以概括为以下三个部分：

（1） 通信管理系统

通信管理系统包括指挥控制、 作战管理和数据通信三大子系统。 其中， 指挥控制系统有两个主要功能： 一是感知战场态势， 了解作战单元的状态、 能力， 监视作战数据， 评估作战结果等； 二是规划作战任务， 包括作战方案的预先制定和动态调整； 作战管理系统主要负责如传感器、 火力资源、 能源资源等的协调管理； 数据通信系统主要实现各子系统之间的安全通信。

（2） 预警跟踪系统

预警跟踪系统包括天基红外预警、 地海雷达探测和空基雷达跟踪三大子系统， 在整个拦截过程中均发挥着重要作用。 该系统能实现对高超声速飞行器发射后飞行状态识别和预警预测、 飞行中的实时跟踪以及拦截后的毁伤评估。 实际上， 虽然吸气式高超声速飞行器在巡航段的红外特征明显， 弹道相对平直， 但容易受到云層的遮挡； 此外， 受地球曲率影响， 预警系统早期对该类目标的探测范围有限。 因此， 空基拦截系统需要通过联合空基、 天基、 地基、 海基等多平台， 构建全领域信息网络。

（3） 空基拦截系统

空基拦截系统包括空射载机平台和拦截弹两大子系统。 其中， 空射载机平台有两个主要功能： 一是必须具有一定的载荷能力以适应挂载多枚拦截弹的防御需求， 并且具备迅速进入战场和为导弹编队提供合适拦截态势的功能； 二是有一定隐蔽能力及主动保护能力以保证其安全飞行。 作为防御作战指令的最终响应载体， 拦截弹性能的好坏直接影响到防御作战任务能否顺利进行。 因此， 拦截弹在满足自身外形设计的基础上， 还需要突破实时精准探测、 精准制导打击、 高效姿态控制等关键技术。

3.2.2 作战流程

针对空基拦截高超声速飞行器防御作战过程， 在空基拦截系统的基础上需要制定相应的作战流程。 本文将作战流程分为五个时段， 如图5所示。

（1） 战备阶段

当高超声速飞行器发射后， 防御方启动战略准备， 开启防御系统、 部署作战单元、 分配作战资源， 并保护空射载机平台， 作战僚机随时准备执行防御任务。

（2） 预警阶段

当高超声速飞行器被防御方成功预警探测后， 及时发布预警信号。 随后， 预警跟踪系统对其进行进一步识别判断， 并及时反馈至通信管理系统， 经过综合分析后对其攻击意图进行判断， 从而决策是否进行防御作战。 预警探测的时机越早， 留给防御系统的准备时间和拦截时间就越充分。 一般而言， 红外预警卫星的部署不受国界的限制， 是早期预警的重要手段。 陆基和海基雷达也可以提供预警和探测信息， 由于受到地球曲率和高超声速飞行器特性的影响， 其有效探测距离被严重压缩， 最大不超过750 km。

（3） 准备阶段

通信管理系统制定相应作战计划， 并为空基拦截系统分配目标， 空射载机平台也同步向拦截区飞行。 此外， 通信管理系统根据预警探测信息向预警跟踪系统发送高超声速飞行器的相关信息， 从而针对性地对目标进行探测跟踪。

（4） 拦截阶段

预警跟踪系统一旦完成对高超声速飞行器的截获且实现稳定跟踪， 此时通信管理系统向空基拦截系统发射信号， 同时向空射载机平台发送拦截指令。 当高超声速飞行器进入了拦截弹的拦截区， 拦截弹启动发射， 进入拦截过程， 直到拦截结束。

（5） 评估阶段

如果拦截弹成功拦截高超声速飞行器， 则进行作战资源回收； 否则将由通信管理系统中心决策是否进行二次拦截或采取地基拦截。

3.2.3 作战时序

进一步， 结合前面描述的空基拦截系统组成和作战流程， 以俄罗斯“锆石”高超声速飞行器为例，  其主要性能参数如表2所示［24］。 假设沿直线对作战目标进行攻击， 给出如表3所示的典型空基拦截作战时序。

如表3所示， 在T1时刻， 高超声速飞行器发射， 天基红外预警系统发现目标后将信息传送给预警跟踪和通信管理系统。 参考美国天基红外预警系统性能数据， 经过T2时间， 预警跟踪系统完成对目标的预警观测， 通信管理系统启动拦截。 随后， 经过T3时间， 拦截弹完成发射前的准备工作并开启拦截任务。 经过T4时间， 拦截弹完成初制导阶段。 在T5时间内， 拦截弹将进行中制导飞行， 并在该阶段调整飞行姿态满足末制导初始拦截态势。 最后， 在T6时刻， 拦截弹导引头锁定目标， 开启末制导拦截。

4 结 束 语

高超声速飞行器打破了攻防体系之间的平衡， 对现阶段防御体系构成了极大挑战。 为了应对高超声速飞行器的快速发展带来的战略威胁， 本文以高超声速飞行器为拦截对象， 分析了高超声速飞行器五大性能优势、 典型弹道特性和空基拦截的优势， 并从系统组成和作战流程两个方面建立了空基拦截方案， 给出了典型的空基拦截作战时序。

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Design of Air-Based Interception Scheme for Hypersonic Vehicles

Abstract： The defense of hypersonic vehicles in combat poses a significant challenge for all countries. However， the  related research is still in the demonstration stage and there is no unified understanding of specific combat methods. In response to the defense problem of hypersonic vehicles in near-space， this paper presents a design process for the defense against near-space hypersonic vehicles based on a typical anti-air defense missile system. The design work of air-based interception schemes for hypersonic vehicles is conducted on the basis of reasonable combat scenarios. Firstly， it describes the five major performance advantages of hypersonic vehicles. Then， it analyzes the typical trajectory characteristics of hypersonic vehicles and the advantages of air-based interception. Finally， it describes the air-based interception scheme of hypersonic vehicles from three aspects： system composition， operational process， and operational timing， which provides a reference for future near-space defense system construction.

Key words： hypersonic vehicle； air-based interception； air and space defense； near-space