李淑艷，任利霞，宋秋貴，王錦玉

(1.中國電子科學(xué)研究院 北京100041;2.北京航天拓?fù)涓呖萍加邢挢?zé)任公司， 北京100176)

(3.北方自動控制技術(shù)研究所， 太原030006)

0 引言

臨近空間是指高于一般航空器飛行高度，而又低于航天器軌道高度的空間區(qū)域。目前，國際上對臨近空間區(qū)域具體高度范圍尚無統(tǒng)一的定義，大多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為其高度下限為20 km ～30 km，上限為100 km ～150 km［1］，該高度區(qū)間大氣層大致包括:大部分大氣平流層、全部中間層和部分熱層區(qū)域。飛行在該空間區(qū)域，既可以避免絕大多數(shù)的地面攻擊，又可以提高軍事偵察和對地攻擊的精度。對于情報收集、偵察監(jiān)視、通信保障以及對空對地作戰(zhàn)等，臨近空間具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

臨近空間高超音速武器是指部署在臨近空間、執(zhí)行特定任務(wù)的飛行器以及與之配套的地面技術(shù)裝備所構(gòu)成的系統(tǒng)。該類武器具有飛行速度快(5 Mach～16 Mach，甚至更高。1 Mach=340 m/s)、飛行距離遠(yuǎn)、機(jī)動能力和生存能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可遠(yuǎn)程快速到達(dá)、高速精確打擊、快速組合發(fā)射、遠(yuǎn)程快速投送，即可攜帶核彈頭實(shí)施戰(zhàn)略威懾，又可靈活選載精確彈藥攻擊高價值或時間敏感目標(biāo)，也可攜帶傳感器實(shí)施全球重要目標(biāo)的快速戰(zhàn)略偵察。

目前，各軍事強(qiáng)國都在大力開展各類臨近空間高超音速武器的技術(shù)研發(fā)與樣機(jī)試驗(yàn)，其中美國和俄羅斯處于世界領(lǐng)先水平。

美國“FALCON”計劃的重要項目之一是研制通用再入飛行器(CAV)和高超聲速巡航飛行器(HCV)。CAV是一種高超聲速滑翔再入飛行器，可以投送約454 kg的戰(zhàn)斗載荷，打擊精度達(dá)3 m，基本型最大打擊距離5 560 km，橫向機(jī)動距離可達(dá)1 800 km，增強(qiáng)型最大打擊距離16 700 km，橫向機(jī)動距離可達(dá)5 500 km。HCV可從常規(guī)軍用跑道上起飛并可重復(fù)使用，其飛行高度為35 km～75 km，飛行速度約為10倍音速，能夠在2 h內(nèi)將5 500 kg的載荷投送至16 600 km遠(yuǎn)處的多個目標(biāo)。

除CAV和HCV外，美軍還研制了X-51超燃沖壓長航時飛行器，并在加利福尼亞州愛德華茲空軍基地進(jìn)行了一系列的試飛。該飛行器由包括美國空軍、美國國防部高級研究計劃局、美國國家航空和航天管理局、波音以及普拉特＆惠特尼公司聯(lián)合研制。在試飛中，X-51利用普惠公司制造的吸氣式超燃沖壓引擎，可提供超過200 s的動力沖壓支持，使飛機(jī)在短時間內(nèi)提速至5 Mach。一旦研制成功，X-51將為美國提供新的“全球快速打擊”能力［2］。

俄羅斯的臨近空間高超音速武器發(fā)展計劃為GLL-VK高超音速飛行器計劃。該計劃展示了俄羅斯獨(dú)特的武器設(shè)計思想，采用彈道導(dǎo)彈的發(fā)射系統(tǒng)和動力型高超音速巡航導(dǎo)彈技術(shù)相結(jié)合，形成“彈道+巡航”的組合式導(dǎo)彈，可在26 km～50 km的高度上以8 Mach～14 Mach的速度巡航。該型導(dǎo)彈已經(jīng)成功進(jìn)行了低彈道飛行試驗(yàn)，最高速度達(dá)到了14 Mach。

1 臨近空間高超音速武器的作戰(zhàn)特點(diǎn)

臨近空間高超音速武器與巡航導(dǎo)彈、戰(zhàn)斗機(jī)等現(xiàn)有空氣動力飛行器、彈道導(dǎo)彈等威脅目標(biāo)相比，具有以下4 個作戰(zhàn)特點(diǎn)［3］:

(1)與現(xiàn)有空氣動力飛行器相比，飛行高度高、速度快、打擊距離遠(yuǎn)，飛行過程易造成黑障。

現(xiàn)有空氣動力飛行器一般飛行速度小于3 Mach，且升限一般不超過30 km。臨近空間高超音速武器與之相比，飛行速度約在5 Mach～16 Mach，甚至更高。飛行高度在30 km～100 km之間，射程可達(dá)15 000 km。

高超音速飛行中，飛行器與大氣層的激烈摩擦及其對大氣層的擠壓，使得飛行器周圍的溫度激增，高溫高壓的作用使得大氣發(fā)生離解和電離，電子密度大大增加，在臨近空間高超音速武器周圍形成一個電離氣體層(即等離子體鞘套)。該電離層將對電磁波產(chǎn)生吸收和反射，造成信號的衰減，形成黑障［4］。

(2)與彈道導(dǎo)彈相比，臨近空間高超音速武器采用非慣性彈道飛行，具有一定的滑翔或巡航能力，隱蔽性高且突防能力強(qiáng)。

臨近空間高超音速武器通常采用軸對稱錐形體、翼身組合體、升力體和乘波體等氣動外形，具有一定的升阻比特性和高機(jī)動性，尤其橫向機(jī)動性很強(qiáng)，例如下滑彈頭橫向機(jī)動后還可繼續(xù)飛行3 000 km～5 000 km。與彈道導(dǎo)彈不同，臨近空間高超音速武器在大氣中進(jìn)行有動力巡航或無動力滑翔飛行，屬于航空動力學(xué)范疇，其飛行航跡具有很強(qiáng)的機(jī)動性，探測系統(tǒng)既無法使用類似軌道目標(biāo)的軌道動力學(xué)規(guī)律預(yù)測軌跡，也不能獲得類似空氣動力目標(biāo)的較大反應(yīng)時間，臨近空間高超音速武器具備很強(qiáng)的機(jī)動突防能力［5］。

(3)攻擊附帶損失小，戰(zhàn)斗部比重大［6］。

與現(xiàn)有空氣動力飛行器采用的渦輪(渦扇)等噴氣發(fā)動機(jī)相比，臨近空間高超音速武器沒有高轉(zhuǎn)速的渦輪(渦扇)機(jī)構(gòu)，與彈道導(dǎo)彈推進(jìn)火箭相比，臨近空間高超音速武器只攜帶燃料，不攜帶氧化劑，大大減輕了彈體重量，可裝載更多戰(zhàn)斗部件，提高戰(zhàn)略打擊毀傷能力。

(4)與其他飛行器相比，更需要不間斷的低時延、高可靠的超視距測控［7］。

在航天測控方面，衛(wèi)星按軌道動力學(xué)在空間開普勒橢圓軌道上無動力飛行，因此衛(wèi)星測控只需測量一段軌道就能實(shí)現(xiàn)動力學(xué)定軌;在彈道導(dǎo)彈方面，由于彈道導(dǎo)彈在末級關(guān)機(jī)點(diǎn)后基本是在空間慣性軌道上無動力飛行，因此末級關(guān)機(jī)點(diǎn)的運(yùn)動狀態(tài)基本決定了后續(xù)彈道和打擊精度，故測控的最重要任務(wù)是對關(guān)機(jī)點(diǎn)的狀態(tài)測量;和以上航天器不同，臨近空間高超音速武器在飛行全程依靠自主動力或空氣動力飛行，需進(jìn)行全過程連續(xù)跟蹤測量和實(shí)時定軌，其測控覆蓋范圍包括發(fā)射場覆蓋、飛行軌道覆蓋、過頂覆蓋等。

臨近空間高超音速武器比衛(wèi)星飛行高度低，比飛機(jī)飛行距離遠(yuǎn)、飛行速度高，其飛行軌跡往往會飛越人口稠密地區(qū)上空，需采用地基多站接力及天基測控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低時延、高可靠的超視距覆蓋，完成實(shí)時、精確的“飛行遙控”。綜合以上分析，臨近空間高超音速武器對實(shí)時測量和精確遙控具有高度依賴性。

2 臨近空間高超音速武器對防御系統(tǒng)的威脅

由于臨近空間高超音速武器具有以上特點(diǎn)，其對防御體系形成了以下三方面的嚴(yán)峻威脅和挑戰(zhàn)［8］。

1)防御方的反應(yīng)能力急劇縮短。

(1)攻擊突然性增強(qiáng)。未來的臨近空間高超音速武器可依托空基、地基、艦載發(fā)射，發(fā)射平臺多變，發(fā)射方式靈活，發(fā)射準(zhǔn)備時間短，導(dǎo)致發(fā)射突然性增強(qiáng)。作為時敏目標(biāo)，高超音速武器飛行速度快，故防御方的反應(yīng)能力形成了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

(2)預(yù)警時間急劇減小。針對國土邊境的預(yù)警時間(發(fā)現(xiàn)后判定為臨近空間目標(biāo))只有約3 min(按高度20 km、10 Mach的目標(biāo)計算)～11 min(按高度100 km、6 Mach的目標(biāo)計算);針對國土縱深要地防御(距邊境1 000 km)的預(yù)警時間也只有8 min～19 min，而現(xiàn)有國土防空系統(tǒng)對常規(guī)飛機(jī)的預(yù)警時間一般大于30 min，急劇壓縮的預(yù)警時間對防御系統(tǒng)反應(yīng)能力提出了嚴(yán)酷要求［2］。

2)增大了來襲方位的不確定性，形成了新的防御半徑和作戰(zhàn)空間。

由于臨近空間高超音速武器飛行距離遠(yuǎn)且機(jī)動性強(qiáng)，機(jī)動飛行距離可達(dá)數(shù)千千米，橫向機(jī)動范圍數(shù)百千米，增大了臨近空間目標(biāo)防御方位和作戰(zhàn)半徑的不確定性，需要防御方在更為廣域區(qū)域展開作戰(zhàn)。

3)進(jìn)一步凸顯了現(xiàn)代防空作戰(zhàn)“攻強(qiáng)防弱”的矛盾。

現(xiàn)代防空作戰(zhàn)“攻強(qiáng)防弱”矛盾具體體現(xiàn)在:

(1)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)更加困難。傳統(tǒng)防空體系主要針對飛機(jī)類空氣動力目標(biāo)，其中雷達(dá)等傳感器的探測距離小，探測高度低，仰角小，數(shù)據(jù)率低，對臨近空間飛行器這類高速高機(jī)動性基本沒有探測能力，現(xiàn)有空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)對空間目標(biāo)的監(jiān)視、編目能力差，對未知低軌目標(biāo)的全天候、全天時監(jiān)視和屬性判別能力不足，受地平線限制和目標(biāo)高機(jī)動影響，地基探測系統(tǒng)難于實(shí)現(xiàn)對臨近空間目標(biāo)的有效預(yù)警［2］。

(2)難以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的跟蹤和攔截。由于高超音速臨近空間目標(biāo)飛行高度一般處于傳統(tǒng)巡航導(dǎo)彈、作戰(zhàn)飛機(jī)、彈道導(dǎo)彈和空間目標(biāo)的飛行間隙，且過頂時間短，防空系統(tǒng)難以在這一高度攔截，此外彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)都是針對彈道導(dǎo)彈的彈道預(yù)測。高超音速臨近空間目標(biāo)具有比彈道導(dǎo)彈和亞音速巡航導(dǎo)彈更強(qiáng)的突防性能，需要研制能實(shí)現(xiàn)對高超音速臨近空間目標(biāo)有效跟蹤和攔截的新型裝備。

(3)傳統(tǒng)防御體系面臨清零危機(jī)。臨近空間高超音速武器的出現(xiàn)，進(jìn)一步增大了對傳統(tǒng)防御系統(tǒng)的時空壓力，且高機(jī)動性造成了傳統(tǒng)防御體系的更多盲區(qū)和能力缺失，現(xiàn)有防御能力面臨清零危機(jī)。

3 防御需求分析

臨近空間將成為未來戰(zhàn)場的戰(zhàn)略高地，快速發(fā)展的臨近空間飛行器將構(gòu)成高空威脅。臨近空間高超音速武器將戰(zhàn)爭擴(kuò)展到了臨近空間，使作戰(zhàn)模式發(fā)生革命性轉(zhuǎn)變，很可能成為未來威脅最大的空天武器。

臨近空間高超音速武器與現(xiàn)有空氣動力目標(biāo)相比，飛行高度高、飛行速度快，難以預(yù)警與跟蹤，因此臨近空間防御的首要需求是預(yù)警防御能力。針對臨近空間高超音速武器及其搭載平臺的防御能力需求，應(yīng)包括癥候情報支持、預(yù)警探測、精確持續(xù)跟蹤和準(zhǔn)確的航跡預(yù)測、指揮控制、電子對抗與火力攔截武器相結(jié)合的打擊、大范圍的信息傳輸與分發(fā)共計6方面打擊能力。

(1)癥候情報支持能力

由于臨近空間高超音速武器發(fā)射時間短，搭載平臺和發(fā)射方式多變，發(fā)射突然性加大，故對其癥候情報的獲取能力極為重要，應(yīng)能獲取臨近空間高超音速武器的部署位置、發(fā)射陣地等中長期信息。此外，能夠具備掌握與臨近空間高超音速武器相關(guān)的戰(zhàn)備動員、兵力補(bǔ)充、演習(xí)試驗(yàn)、后勤保障、裝備調(diào)動、部隊部署等綜合情況的能力，并通過綜合分析獲得癥候，實(shí)施超前預(yù)警，使得實(shí)時預(yù)警、持續(xù)跟蹤、全程電子對抗以及攔截武器系統(tǒng)等做好先期作戰(zhàn)準(zhǔn)備。

(2)預(yù)警探測能力

由于臨近空間高超音速武器飛行高度高，且可基于空基、地基、?；脚_發(fā)射，故需要研發(fā)平流層飛艇載預(yù)警雷達(dá)等空基探測裝備，超視距地發(fā)現(xiàn)和獲取臨近空間高超音速武器及其搭載平臺的方位、距離、速度三維探測信息，并完善地基遠(yuǎn)程預(yù)警探測網(wǎng)，完成地空一體，無縫覆蓋臨近空間高超音速武器的來襲空域，并盡早提供關(guān)于臨近空間目標(biāo)的實(shí)時預(yù)警信息，為作戰(zhàn)部隊(攔截武器系統(tǒng))預(yù)留作戰(zhàn)準(zhǔn)備時間。

(3)精確持續(xù)跟蹤和準(zhǔn)確航跡預(yù)測能力

臨近空間高超音速武器具有速度快、掠空時間短的特點(diǎn)，要求預(yù)警探測系統(tǒng)快速響應(yīng)，及時捕捉和精確跟蹤目標(biāo)。在預(yù)警雷達(dá)探測體制，由于機(jī)械掃描雷達(dá)具有響應(yīng)時間長、數(shù)據(jù)率低的不足，需探索具有方位和俯仰二維相掃能力的相控陣?yán)走_(dá)對臨近空間高超音速武器進(jìn)行精確跟蹤。

此外臨近空間高超音速武器的飛行航跡具有很強(qiáng)的機(jī)動性，預(yù)警探測系統(tǒng)無法用常規(guī)軌道動力學(xué)方法對臨近空間高超音速武器準(zhǔn)確定軌，故臨近空間高超音速武器的機(jī)動突防能力較強(qiáng)。要求預(yù)警探測系統(tǒng)能夠依據(jù)臨近空間高超音速武器的運(yùn)動模型，實(shí)施超視距的不間斷連續(xù)跟蹤，并準(zhǔn)確預(yù)測未來航跡和落點(diǎn)［9］。

(4)攔截臨近空間高超音速武器的指揮控制能力

高超音速技術(shù)飛行器再入最大速度可達(dá)20 Mach，能在1 h內(nèi)打擊全球任何目標(biāo)。應(yīng)對這一全新的空襲模式，指揮控制系統(tǒng)如何組織管理各類新研預(yù)警探測裝備、指揮控制武器實(shí)施攔截，尚是未解決的難題。相應(yīng)的防御作戰(zhàn)機(jī)理還在探索階段，指揮控制機(jī)制也尚未建立。防御臨近空間目標(biāo)的作戰(zhàn)，要求指揮控制系統(tǒng)要在極短的時間內(nèi)組織管理各類作戰(zhàn)資源，完成情報處理、屬性識別和威脅判別，實(shí)現(xiàn)全自動自主運(yùn)行，以提高系統(tǒng)的作戰(zhàn)反應(yīng)時間和作戰(zhàn)響應(yīng)能力。

(5)電子對抗和火力攔截武器相結(jié)合的打擊能力

在預(yù)警情報信息的支援下，需要臨近空間電子對抗系統(tǒng)針對來襲高超音速武器和作戰(zhàn)平臺的復(fù)合制導(dǎo)、指控信息傳輸鏈路(人在回路中鏈路、武器數(shù)據(jù)鏈、機(jī)間數(shù)據(jù)鏈等)和末制導(dǎo)，實(shí)施有效的壓制性或欺騙性干擾［10］。

(6)大范圍的信息傳輸與分發(fā)能力

臨近空間高超音速武器打擊距離遠(yuǎn)，飛經(jīng)區(qū)域廣，具有打擊大縱深目標(biāo)的能力。需要提供能夠支持覆蓋作戰(zhàn)地區(qū)的指揮控制、武器攔截、電子對抗等信息的有效傳遞，保障預(yù)警、跟蹤、辨識、決策、攔截、評估各個環(huán)節(jié)任務(wù)的有效實(shí)施。并具備惡劣電磁環(huán)境下各類信息的傳輸能力;能夠支持預(yù)警信息高效、安全的按需傳輸與分發(fā)，有效協(xié)調(diào)通信資源的調(diào)度和管理;能夠支持信息共享，并具備根據(jù)作戰(zhàn)需要快速開發(fā)和部署組合型應(yīng)用業(yè)務(wù)的能力;能夠支持傳感器平臺與作戰(zhàn)人員、武器平臺之間網(wǎng)絡(luò)互通和業(yè)務(wù)的互操作，從而完成通信覆蓋范圍保障，信息傳輸實(shí)時性保障，傳輸容量保障，傳輸可靠性保障，快速接入保障。

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