空基高超声速导弹防御系统关键技术研究

战略前沿技术

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来源：战术导弹技术

作者：赵玉杰，杨晨，宋琛

摘要：随着中俄临近空间高超声速导弹陆续部署，美国在加快高超声速技术武器化的同时，开始全面开展高超声速导弹防御体系建设。介绍了美国临近空间高超声速导弹及其防御技术的发展现状，分析了高超声速导弹弹道特性、红外辐射特性和雷达散射特性等目标特性，梳理了空基高超声速导弹防御作战特点，从观察—定位—决策—行动（ObservationOrienttion Decision Action,OODA）的空战博伊德循环角度分析了空基高超声速导弹防御系统的关键技术，分析结果能够为未来空基高超声速导弹防御系统的建设提供参考。

关键词：空基高超声速导弹防御系统；目标特性；作战特点；博伊德循环；关键技术‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

临近空间高超声速导弹具有“速度隐身”、弹道不确定、突防能力强的特点，主要用于对敌方核心通信/指挥枢纽、战略机动弹道导弹武器系统、大型水面舰艇等作战体系内关键节点进行打击，达到使敌方作战体系失效的目的，未来将对作战产生深远影响，已经成为以美国为首的军事强国研究热点。近年来美国开展了涵盖海陆空多平台、涉及吸气式巡航和助推滑翔多种弹道的临近空间高超声速导弹的研发项目，特别是2018年美国空军正式给予空基快速响应武器（ARRW）AGM-183A编号，标志着临近空间高超声速导弹从关键技术演示验证向型号研制转变，预计2022年完成原型机研制。

临近空间高超声速导弹的高速发展必然需要加快对其防御技术的研究。从防御体系的完备性来看，应该构建基于多平台多段防御的体系，空基高超声速导弹防御具有作战灵活、快速部署等特点，是高超声速导弹防御体系的重要组成部分，也具有自身独特的技术特点。

传统地空导弹和空空导弹均不具备防御临近空间高超声速目标的能力，本文基于空基高超声速导弹防御的作战特点，提出了空基防御的技术困难，梳理空基防御的关键技术和发展启示。

1、高超声速导弹及其防御技术发展现状

1.1 高超声速导弹发展现

近几年美国明显加快了高超声速导弹的研究进度，2020年财年在高超声速领域申请的科研经费预算总额高达26亿美元，并计划在2020～2024财年累积申请105亿美元。不同于俄罗斯和中国，美国近期发展的高超声速武器主要采用非核战斗部，因此需要采用更具挑战性的技术，达到更高的命中精度。目前美国开展的临近空间高超声速导弹项目主要有海军常规快速打击项目（CPS）、陆军远程高超声速武器项目（LRHW）、空军AGM-183A项目（空基快速响应武器，ARRW）以及DARPA战术助推滑翔项目（TBG）、作战火力项目（OpFires）和吸气式高超声速武器概念项目（HAWC)。

CPS导弹采用两级火箭推进，弹体直径约为875 mm，采用通用高超声速滑翔体（C-HGB），预计2028财年具备初始作战能力，导弹将首先装备于弗吉尼亚级潜艇。CPS导弹与美国陆军射程达2250 km左右的公路机动LRHW导弹均采用由美国桑迪亚国家实验室设计研发的C-HGB通用滑翔弹头。

图1 通用滑翔体C-HGB

美国空军取消了常规快速打击武器（HCSW）项目，目前仅保留了空基快速响应武器AGM-183A导弹项目，AGM-183A导弹采用助推器+楔形滑翔弹头的方案，沿用了DARPA的TBG项目技术成果，射程约925 km，主要打击地海面目标，预计2022年完成全部飞行试验，具备初始作战能力。

图2 AGM-183A概念图

临近空间高超声速导弹不受《削减和限制进攻性战略武器条约》限制，未来可作为新的进攻性战略武器，对我国构成重大战略威胁；随着美俄相继退出中导条约，未来美国可借助其东北亚基地群，搭配亚音速巡航导弹，发射射程在900～5500 km的临近空间高超声速导弹，打击我方时敏目标、固定/移动的地/海面目标等，在作战中为空中力量和地面部队进入战场进行定点清除，大幅压缩杀伤链的时间，改变传统常规战争的运行模式。

1.2 高超声速导弹防御技术发展现状

美国在开展临近空间高超声速导弹研发的同时，基于中俄高超声速导弹威胁，也在加紧开展临近空间高超声速导弹防御技术研究。在导弹防御局（MDA）为主导，DARPA、太空发展局（SDA）参与下，美国自2018年开始进行相关技术研究，并且逐年增加预算，2018年、2019年和2020年分别拨付6303万美元、3.59亿美元和5.89亿美元。

目前美国开展的相关研究涉及预警探测、指挥控制、防御武器等全杀伤链要素，主要情况如下表。在防御武器方面主要涉及两项，一是MDA的“高超声速防御”项目，目前包括两个子项目，“高超声速防御武器系统”（HDWS）和“区域性滑翔段拦截武器系统”（RGPWS），二是DARPA的“滑翔破坏者”项目。

表1　美国高超声速导弹防御项目

对于“高超声速防御”项目，MDA于2018年9月授出21项“高超声速防御武器系统”合同，涉及拦截方案包括动能/非动能、陆基/空基/天基、改进/新研、助推段/末段拦截等各种概念。2019年9月选出“高超声速防御武器系统概念-标枪”、“女武神末段高超声速防御拦截器”、“SM3-HAWK”、“针对高超声速武器的超高速拦截器概念（HYVINT）”和“非动能高超声速防御概念”5个方案进行深化研究；2020年1月，MDA公开发布了“区域性滑翔段拦截武器系统”（RGPWS）项目招标书草案，这是首个原型设计阶段研发项目，防御处于滑翔阶段的高超声速滑翔弹头。

图3 诺格高超声速防御概念

2018年11月，DARPA发布了“滑翔破坏者”项目招标预告文件，旨在研发先进拦截器的某项支撑技术，以支撑其能够在高层大气拦截机动式高超声速目标，提升美国临近空间高超声速导弹防御能力。

图4 滑翔破坏者

通过分析美国临近空间高超声速导弹及其防御技术发展状态发现，美国已在筹备建设覆盖陆海空天多平台的传感器网络，实现对高超声速导弹的预警探测以及全程跟踪监视的目标；采用主被动防御相结合的思路，开展了一系列的拦截武器方案研究，拟建成涵盖助推上升段、滑翔/巡航段、高速下压段的多层次防御体系。

2、高超声速导弹目标特性分析

临近空间高超声速导弹主要包括助推滑翔导弹和吸气式巡航导弹，两种导弹具有不同的弹道特性。助推滑翔导弹弹道主要包括助推段、上升段、再入拉起段、滑翔机动段和高速下压段。助推段和上升段与弹道导弹类似，再入拉起段主要是将滑翔体调整到滑翔段的初始点，根据导弹射程的不同，滑翔段高度一般在20~70 km范围，飞行马赫数在5~20范围，在该段飞行时导弹横向机动能力较强，能够规避敌方防御阵地，压缩敌方拦截作战响应时间；滑翔体接近目标后，在较短距离内快速下压，以近乎垂直角度对目标实施打击。吸气式巡航导弹主要包括助推段、巡航段和高速下压段，导弹由助推发动机助推到转级点后超燃冲压发动机开始工作，将巡航体推进到指定速度和高度开始巡航，一般高度在20~40 km范围，飞行马赫数在5~8范围，巡航体在该段同样具备较强的横向机动能力，下压段的飞行模式与助推滑翔导弹相似。

图5 弹道对比

高超声速导弹一般采用乘波体或升力体等高升阻比外形，雷达反射面积较小，一般为0.001~0.1 ㎡，当导弹以高超声速飞行时“等离子鞘套”会对高超声速导弹的雷达散射特性带来较大影响，不利于地基雷达或弹上雷达导引头探测。

在大气层内高超声速飞行时，由于气动热的影响，高超声速导弹的红外辐射特性相对较为明显。对于吸气式巡航导弹，超燃冲压发动机工作时也会大幅提高导弹的红外辐射强度。

3、空基高超声速导弹防御系统关键技术

空基高超声速导弹防御作战指在天基预警探测体系提供初始预警信息基础上，通过空基平台自身探测系统，为拦截导弹提供火控信息用于导弹发射及初/中制导，摆脱地基制导雷达束缚，从而实现全域机动、快速部署，既能够在国土范围内与地基防御系统构成多层防御体系提高拦截概率，又能够前出海岸线外独立作战，保护我方岛屿、航母等地基防御系统难以覆盖的目标。另外携带核弹头/生化弹头的高超声速导弹即使在我国国土范围内被拦截，也将对我国造成较大损失，而空基高超声速导弹系统能够远离本土作战，实现“御敌于国门之外”。

考虑到我国面临的战场环境，空基高超声速导弹防御作战暂时不具备抵近目标发射点的助推/上升段拦截条件，而高速下压段持续时间短，目标乘波体或升力体外形的低空机动能力强，拦截窗口较小，防御系统可能来不及响应，因此空基防御主要应对处于滑翔或巡航段的目标进行拦截。由于拦截导弹较难取得绝对的速度和机动性优势，攻击方式应尽可能选择正迎头拦截。

空基高超声速导弹防御作战归根结底还是空战体系的延伸，是具有“低对抗强度、高打击难度”特点的空中作战。OODA循环是支持空战体系发展的理论基础，空战致胜的本质在于快速完成OODA循环，而临近空间高超声速导弹是具备飞行速度快、飞行时间短的低可探测目标，大幅压缩了拦截作战响应时间，对闭合OODA循环带来极大挑战。

图6 空基高超声速导弹防御示意

3.1 天基高超声速目标预警探测技术

发现目标是空战的前提，对高超声速导弹进行早期预警探测是实现OODA循环中的“观察”环节。现有防空反导体系对目标的预警探测手段主要有天基红外预警卫星、地基预警雷达、预警机等。以美国SBIRS系统为代表的天基红外预警卫星目前仅能实现高超声速导弹的助推段预警，不具备滑翔/巡航段预警能力，无法满足空基高超声速防御需求，可采用大面阵器件、改进星上处理等措施增强对弹道导弹和高超声速导弹的预警探测能力，同时提升自动化程度，使作战人员专注于威胁应对。地基P/X波段预警雷达受部署阵位、地球曲率和目标RCS较小等因素影响，存在较大的探测盲区，难以实现目标全弹道、远距离预警探测。而预警机对RCS较小的高超声速目标探测距离较近，目标飞行速度快，拦截窗口较小，现阶段基本不具备对临近空间高超声速导弹有效的“观察”手段。

3.2 高超声速目标轨迹预测技术

高超声速导弹能够采取各种机动措施规避我方防御阵地，运动特征复杂，难以预测其机动策略，弹道预报精度较低，难以实现OODA循环中对目标的精确“定位”，甚至无法确定目标的打击对象，从而对拦截作战的任务部署带来一定困难，需要深入研究临近空间高超声速导弹机动突防与打击策略、博弈类攻防对抗目标建模和高超声速导弹轨迹预测等技术。

3.3 空基远距火控信息获取技术

目前机载雷达基本不具备对高超声速导弹探测能力；机载激光测距能力在百公里以内，探测距离较近；现有的机载光电雷达受制于空间质量约束探测距离较近，且仅能获取目标角度信息不具备测距能力，较难提供远距高精度的火控信息。为充分发挥空基高超声速防御灵活机动的特点，需要摆脱地基雷达对作战飞机的束缚，因此也无法由地基雷达对拦截导弹进行制导。空基远距火控信息获取技术是飞行员能够完成OODA循环中“决策”发射阵位、发射时机的基本保障，是制约空基高超声速导弹防御作战的关键技术之一。

3.4 空基跨域拦截导弹技术

现有防御弹道导弹目标的如THAAD、SM-3等反导拦截弹作战高度在40 km以上，一般采用红外导引方式，基于预测拦截点的制导策略，依靠姿轨控直接力发动机实现高空环境的精确制导控制，通过碰撞杀伤摧毁目标；而防御飞机类低空目标的AIM-120等空空导弹和SM-2等地空导弹，一般采用气动力控制，采用红外或雷达导引方式，依靠战斗部破片杀伤目标。OODA循环的“行动”主要指拦截导弹从发射到毁伤目标，临近空间高超声速导弹飞行高度介于弹道导弹和飞机类目标典型作战高度之间，且具有较强的横向机动能力，目前的防空反导武器在跨空域、跨速域拦截高超声速导弹时受过载能力、响应速度、探测距离等因素约束难以覆盖目标典型飞行高度范围，而对于空基高超声速导弹防御系统，又存在武器小型化、环境适应性等其他技术要求。

图7 现有武器装备对高超声速导弹的拦截能力

空基跨域拦截导弹主要需要解决以下技术问题：

3.4.1 小型化技术

临近空间高超声速目标飞行速度快、时间短，且弹道不可预测，作战飞机由地面起飞拦截很可能来不及构建拦截态势。空基高超声速防御系统一般要求多架作战飞机处于空中战备值班状态，作战飞机除执行高超声速防御任务外，可能还要兼顾制空、对地或侦察任务，这就要求挂装的拦截导弹具备尺寸小、重量轻的特点。而拦截导弹又需具备远距跨大空域大速域作战能力以扩大目标攻击区，为拦截导弹小型化设计带来较大困难。

3.4.2 小型宽视场抗热导引技术

拦截导弹的导引方式主要有红外和雷达两种，红外导引系统探测精度高、尺寸小、质量轻，有利于武器小型化设计，且目标红外辐射强度较大，红外导引探测距离远，更有利于中末制导顺利交接。但采用红外导引方式在高速飞行时存在严重的气动热问题，尽管在飞行中段可通过抛罩技术等降低气动热对导引头影响，但为确保中末制导顺利交接，对末制导距离提出较高要求，头罩分离后红外导引头温度急剧上升，一般能达到1000 K以上，现有红外导引头采用蓝宝石头罩难以适用，气动加热和激波辐射带来的气动光学效应也大幅降低了探测系统性能。另外红外导引无法实现精确测距，为降低制导精度要求采用战斗部杀伤目标时，需要解决末端测距问题，以给出战斗部精确起爆指令。

雷达导引系统能够避免气动热的影响，且能够获取目标较高精度距离信息，利于制导引信一体化设计降低引战系统设计难度，提高对目标杀伤概率，当拦截导弹最大作战距离指标要求较小且目标以“较低”的高超声速飞行时，雷达导引方式是拦截导弹可行的导引方式；当拦截导弹最大作战距离指标要求较高时，为确保中末制导顺利交接，要求雷达导引头探测距离更远，但高超声速导弹较小的RCS制约了雷达导引头的探测距离，且随着目标速度的增加，“等离子鞘套”带来的不确定性影响愈加严重，雷达导引将很难适用。尽管随着毫米波相控阵技术的发展，雷达导引头在尺寸、质量、探测距离上取得较大技术突破，但相对红外导引头优势不明显，不利于武器小型化设计。

3.4.3 跨域拦截制导控制技术

在临近空间高超声速导弹典型飞行空域，纯气动控制的拦截导弹难以满足过载和响应时间需求，需要引入直接力控制。空基武器小型化特点约束了导弹尺寸质量，从而导致侧向直接力最大推力受限。、一般采用助推器+拦截器的拦截导弹方案提高直接力控制效率，大气层内直接力工作时受高度、速度、攻角和气动外形等因素影响，侧向喷流干扰机理较为复杂，对控制精度带来不利影响。跨大空域大速域作战的中制导算法设计需考虑最大/最小作战距离、最大/最小末速、交会角以及中末制导交接等多约束条件。末制导算法需要考虑可用过载小、直接力/气动力复合等因素。作战过程涉及头罩分离、助推分离等复杂环节，可能包含气动舵、推力矢量、姿轨控直接力等多执行机构控制，这都为拦截导弹制导控制系统设计增加了难度。

3.4.4 大推质比固体姿轨控

直接力发动机技术

空基高超声速导弹防御武器挂装于长期处于战备值班的作战飞机，需要承受较为严酷的挂飞冲击振动载荷，对武器使用安全性、挂飞寿命等提出较高要求，因此拦截导弹的姿轨控直接力发动机应采用安全性更高的固体推进剂。由于最大作战距离对末制导距离约束以及目标机动影响，姿轨控发动机大推力状态工作时间较长，固体推进剂的工作特性导致姿轨控发动机质量尺寸较大，不利于拦截导弹小型化设计，应尽可能提高姿轨控发动机推质比，同时对发动机推力精度、快速性、质心漂移等均提出更高要求，以降低控制系统设计难度。

3.4.5 高效毁伤技术

拦截导弹与目标交会时飞行马赫数一般在10以上，侧向喷流干扰带来的制导控制系统不确定性以及目标较强的机动能力使实现动能碰撞的难度较大；采用传统战斗部毁伤方式时，由于弹目交会速度过大，且无线电或激光体制的周向引信探测距离较近，引战系统存在炸点滞后的问题。可采用杀伤增强、定向战斗部等技术，结合活性含能材料破片等措施在尽可能降低引战系统尺寸质量的条件下增加杀伤范围。为实现精确起爆，解决现有周向探测引信探测距离较近的问题，可采用前向探测引信技术，通过导引引信一体化设计实现较远距离精确测距，降低引战配合难度，在高交会速度条件下提高对机动高速小目标的杀伤概率。

图8 弹目交会示意图

4、结论

空基高超声速导弹防御系统作为高超声速导弹防御体系的重要组成部分，能够在未来要地防空中发挥独特的作用，本文结合近年来美国开展的高超声速导弹防御系统中预警探测、指挥控制和火力打击项目的发展现状，分析了高超声速导弹不同于弹道导弹和飞机类目标的目标特性，依据空基高超声速导弹滑翔/巡航段拦截的作战特点，从空战OODA环的角度梳理了观察、定位、决策和行动各环节存在的问题及关键技术，相关技术的突破，既有助于闭合空基高超声速导弹防御武器系统，又能够为其他战术导弹系统的研究提供技术支撑。

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