助推滑翔導彈突防對區域反導雷達威脅分析

羅 冰

(中國電子科技集團公司第38研究所，合肥 230031)

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助推滑翔導彈突防對區域反導雷達威脅分析

羅 冰

(中國電子科技集團公司第38研究所，合肥 230031)

在考察助推滑翔導彈運動特點和突防區域的基礎上，總結分析了其臨近空間高速運動形成的等離子隱身問題，指出消除隱身威脅可采取的方法途徑。并進一步探討了助推滑翔導彈兼具彈道導彈和巡航導彈高速高機動的特點，以及在臨近空間突防路徑條件下的反搜索和跟蹤的比較優勢，并舉例說明多功能反導雷達在面臨其威脅時需要面臨的問題和對策。

助推滑翔導彈；反導；隱身；跟蹤；搜索

0 引 言

隨著具有高速突防能力的戰略彈道導彈體系及技術的普遍戰術化、高機動化，出現大量強突防的中長程導彈，在此形勢下，也加速了雷達對反導能力的需求。比如：基于相控陣多功能技術，將防空與反導功能一體化、具備高機動前沿部署、戰略與戰術能力兼具的雷達也就越來越受到親睞。多數反導多功能雷達是陸海部署，視野有限，資源入不敷出，在反導功能上都存在相同或相似的弱點，特別是對于高速、低空和機動彈道的導彈往往會出現預警探測距離不夠、捕獲概率不足的問題。

目前多數文獻主要針對具有準拋物線的彈道導彈和低空巡航導彈攔截問題進行分析。彈道導彈突防速度高但軌道可預測性較好，往往采用預警引導和高精度跟蹤的多級防御方式[1]；巡航導彈一般采用低空突防方式但速度多為音速以下，相當于低空突防的小飛機，一般強調升空預警和雷達下視雜波探測能力[2]。

一直以來國內外在加速研究和部署兼具彈道導彈高速性能和飛航導彈機動性能的“助推滑翔”導彈和飛行器。助推滑翔導彈或飛行器兼具彈道導彈高速突防能力和飛航導彈機動變軌能力的特點，并且其突防方式往往會給許多雷達的反導能力制造了較大威脅，有必要對這種導彈的攔截和預警過程中可能出現的問題進行分析，探討其威脅所在。

1 助推滑翔導彈(飛行器)簡介

1933年，德國科學家Eugene Sanger首先提出了助推-滑翔式彈道的概念，20世紀40年代末，錢學森教授也提出了一種助推-滑翔式彈道，后來被人們稱為“錢學森彈道”，其前段采用彈道式彈道，后段為滑翔彈道。助推-滑翔式彈道確實沉寂過一段時間，但近些年成為研究熱點，得到國內外廣泛關注。國外的相關研究已經進入飛行試驗和部署階段，二戰后，美國就開始了助推-滑翔飛行器的研究，比較富有代表性的計劃包括BOMI、Dyna-Soar、AlphaDraco、BGRV、HGV、CAV等，其中比較著名的是CAV，可以攻擊15 000 km以外的目標，比如X-43A已經達到10 Ma的速度，2010年5月26日，X-51A首次進行了高超聲速動力飛行試驗，試驗時間接近3.5 min，最高速度達5 Ma；俄羅斯的“白楊”高機動導彈也可以在外大氣層變軌，也可在大氣層內多次機動變軌，突破防御系統；國內也有很多專家在開展相關研究，且有了很多論證方案，并在核心技術方面有不斷的突破。助推-滑翔導彈由助推器和滑翔飛行器組成，一般采用運載火箭或運輸機等作為運載和助推器，滑翔飛行器采用高升阻比氣動外形，所謂助推-滑翔式彈道，其核心特點，就是在助推段利用運載火箭加速爬升，在滑翔段，利用導彈的氣動外形，可以依靠氣動升力實現遠距離的滑翔式飛行。運載火箭助推-滑翔式導彈，將身兼彈道導彈和飛航導彈的特點，導彈射程遠，飛行速度大，在增大射程與提高生存能力方面跟常規彈道相比具有獨特的優勢。在超聲速或高超聲速飛行條件下，可實現遠距離快速打擊，且滑翔段彈道可為跳躍式或S形，有高機動性的特點，能有效突破導彈防御系統的攔截，軍事用途十分突出[3-5]。其參考彈道示意圖如圖1所示。

圖1 地基助推滑翔導彈(飛行器)飛行軌跡示意圖

助推滑翔導彈的發射角、關機點、主動段行程的參數確定需要根據射程決定，并根據機動能力要求進行優化[6]。無論是助推滑翔導彈或是所謂超高音速飛行器，其基本飛行特點歸結如下：

(1) 采用火箭或其他運載工具助推，短時間內將導彈或飛行器加速到超高聲速以上，比如大于18 Ma或更高(計入再入速度)，整個飛行階段可以維持在不低于3～5 Ma以上的速度。屬于高音速或超高音速目標。

(2) 臨近空間是其主要突防飛行區間(20～100 km)，即在飛行中段(包括：自由飛行階段，再入滑翔或補充動力飛行階段)；再入滑翔階段也可能因跳躍彈道而短時間超出臨近空間高度。

(3) 飛行軌跡的基本特點是：助推段和自由飛行段主要在外空間以彈道導彈的準拋物線軌跡飛行，再入滑翔段則類似飛航導彈基本水平或跳躍滑翔，特別在再入飛行段，利用氣動特性可以在一定范圍內變動軌跡，彈道具有不可預測性。

以上幾個基本特點，將為雷達反導功能帶來一系列威脅：

首先，高速彈頭或飛行器在臨近空間將產生等離子鞘套和拖尾，從而影響照射目標雷達截面(RCS)，嚴重情況會形成隱身，導致雷達失去目標。

其次，飛行器往往以高超聲速機動飛行在近空間，突防區域基本在雷達的遠距離低仰角區，將影響雷達搜索跟蹤效率，需要分析其影響。

2 等離子鞘套對雷達目標RCS影響分析及對策

高速近空間飛行器以大約≥5～25 Ma的速度在近空間飛行時，與周圍的空氣劇烈摩擦并對空氣產生壓縮，使飛行器周圍的空氣溫度急劇上升(一般情況下：速度為6 Ma時，飛行器的表面溫度會超過1 500℃；速度為8 Ma時，飛行器的表面溫度會超過3 000℃)，致使空氣和被燒蝕的材料均發生電離，從而在飛行器四周形成高溫等離子體，稱之為“等離子鞘(套)”。等離子體和電磁波發生相互作用，會引起電磁波傳輸衰減、天線的阻抗失配、方向圖畸變、輻射效率下降甚至被擊穿，從而影響飛行器無線通信嚴重失效，甚至完全中斷，這就是所謂 “黑障”現象；當然，同樣也會影響其RCS，可能導致RCS大幅度下降以至丟失目標，這也可稱為等離子“隱身”。

臨近空間飛行器產生等離子鞘及尾流是一個復雜的物理、化學、熱力學、氣動力學過程，非線性特征十分突出，分析方法和手段目前并不完善，往往通過試驗結合算法分析驗證數據。但基本作用機理是清晰的：電磁波進入等離子體時，帶正電荷的離子和帶負電荷的自由電子，在電磁場的作用下運動，電磁波把能量傳遞給帶電粒子。運動過程中，帶電粒子不斷與中性離子發生碰撞，碰撞過程中把能量傳遞給中性粒子，結果電磁波的功率受到衰減,這種衰減稱為吸收衰減。吸收衰減隨等離子體厚度增加而變大。因為各種因素，等離子體不可能是均勻的，電磁波在等離子體的分界面處會發生反射，形成反射衰減。等離子體中電磁波的衰減主要是這2種，其中，吸收衰減是“黑障”或“隱身”形成的主要原因。

電磁分析上一般把等離子體看作一種系數動態變化的介質。不妨以非磁化均勻等離子體衰減特性為例做一個簡單的定性分析。

等離子體中電磁波數：

(1)

式中：k0=ω/c為真空波數;c=3×108m/s,為真空光速;β和α分別為等離子體中電磁波的相位常數和衰減常數;εr為非磁化等離子體相對介電常數：

(2)

式中：ω為電磁波角頻率;ven為等離子體碰撞頻率(一般是電子密度和溫度的函數);ωp為等離子頻率,并有：

式中：ne和ni分別為等離子體電子密度和離子密度，且ne=ni;ε0=8.85×10-12F/m,為真空介電常數;me=9.11×10-31kg,為電子質量;mi=1.67×10-27kg,為離子質量;e=1.6×10-19C,為電子電量。

最后可以算得(以α為例，β代入影響參數相同)：

電磁波在上述的等離子(均勻非磁化)內傳播單位距離時，衰減率理論值為(單程)：

A=abs(10lge-2αd)≈8．68α(dB/m)

可以從衰減常數α對飛行器周圍等離子體鞘套中的電磁波衰減量進行簡單的估算，從而評估等離子體對電波的電磁屏蔽或目標反射吸收的效果。從公式不難發現，影響等離子體對電波衰減的內在因素是：電子密度、碰撞頻率、電磁波頻率。電子密度、碰撞頻率與空氣(嚴格說包括燒氣混合物)密度和溫度相關聯。至于產生等離子體的外在因素則是：產生電離的溫度和壓力。

試驗觀察和理論分析證明臨近空間飛行器等離子鞘有如下規律[7-8]：

(1) 等離體黑障或隱身往往只能發生在100～20km的臨近空間高度。更高空間空氣稀薄，ne和ven都很小，故ω?ωp，ω?ven，則有α→0；更低空間空氣密度大，ven很大，一般有ven?ωp，ven?ω，則α→0。

(2) 等離體對電磁波呈現高通趨勢頻率特性，同等條件下頻率越高衰減越小，臨界頻率是碰撞頻率ven。在實際應用中，等離子體應當處于高碰撞頻率的狀態，這在大氣壓非平衡等離子體中一般能滿足要求。臨近空間飛行體一般再入速度≥5 Ma，典型截止頻率大約在1～9 GHz左右，會因運動狀態和空間位置情況的不同而有變化。

(3) 相同角度入射的電磁波在碰撞頻率高的等離子體中入射深度大，吸收衰減大。相對于低碰撞頻率，高碰撞頻率等離子體對低頻率的電磁波的衰減能力較低，對高頻率的電磁波衰減能力較高。即所謂的“諧振吸收”優先原則。

(4) 同等條件下，厚度越厚，對電波的衰減越大。現有飛行器典型再入速度條件下，等離子體鞘厚度大約10～20 cm左右。

(5) 彈頭再入速度越高，彈頭溫度壓力越高，等離子對電磁波的影響程度越嚴重，時間越長。

綜合來說，飛行器出現無線中斷或隱身的高度一般在100～20 km之間。飛行器無線中斷或隱身的高度、時間與飛行器外形、攻角、表面材料、再入速度、飛行高度、工作頻率、發射機功率、接收機靈敏度等因素有關。

雷達隱身的試驗數據和理論分析則指出等離子鞘對RCS影響解釋如下[9-10]：

(1) 飛行器等離子體尾流的強體散射和弱面散射的方式轉換(同樣與速度、溫度和氣流狀態關聯)。

(2) 飛行器包覆等離子體折射和吸收隱身。

(3) 對于L、S、C等頻段，飛行器本體RCS降低，尾跡也偏小。

(4) 在頻率比較低的頻段，尾跡RCS有可能大于飛行器本體RCS，因而可以考慮利用低頻段雷達，例如P波段或頻率更低的超視距雷達，對其進行探測。

鑒于以上分析，針對助推滑翔導彈在臨近空間RCS不確定性的探測可采用如下應對措施：

(1) 選用高頻雷達做探測跟蹤，比如X波段或更高；

(2) 針對等離子體尾流，選用較低頻率的進行探測跟蹤，比如P波段或更低；

(3) 避開容易黑障的頻率，比如：L、S、C波段；

(4) 部署多頻段雷達組網或雙多基地雷達；

(5) 提高雷達功率孔徑能力；

3 助推滑翔導彈臨近空間突防對區域反導雷達搜索和跟蹤能力的影響

為便于分析，假設導彈隱身的威脅不存在，助推滑翔導彈仍然具有高速和機動變軌的威脅能力。并結合具體對比例子，分析高速機動助推滑翔導彈對雷達截獲、機動跟蹤能力的影響。

根據導彈防御的基本策略和區域防空多功能雷達在防御體系中的角色，區域防空多功能雷達作用距離一般在1 000 km的量級，這從SPY-1和TPY-2兩型典型雷達的公開指標可以看出。對導彈等高速小RCS目標的關鍵作用距離應當在500～200 km，因為反導指控系統需要足夠的反應時間，根據愛國者、S-400等反導導彈的發射準備時間判斷，實際需求應當在60～90 s以上的發現和準備時間，極限條件下不能少于10 s。

3.1 對反導搜索截獲的影響分析

當雷達工作于自主搜索的反導模式時，為在最大距離上發現導彈這類小目標，多功能雷達多數發射針狀波束以獲取最大增益，這往往需要設置反導截獲屏[11]，針對巡航導彈超低空突防和高速彈道導彈助推段速度相對慢且可獲得更多預警時間的特點和目的出發，反導截獲屏往往設置在低仰角區域。特別對于自主搜索來說，數據率與目標速度對性能結果影響比較大。助推滑翔導彈兼具高速和高機動的優點，因而先就速度與巡航導彈作對比分析。

反導搜索截獲時間原理計算公式如下：

(5)

式中：T為波束駐留時間；φ為SPY雷達方位覆蓋范圍；Δφ為波束寬度；η為波束掃描間隔，為簡化分析這里取1。

以SPY-1為例，波束寬度為0.87°×0.87°，假設方位面覆蓋90°，遠程工作模式重頻選100Hz，雷達在方位上設置一道截獲屏，在忽略波位切換時間影響的條件下可以計算出雷達刷屏一次消耗時間資源為1 030ms。

繼續假設助推滑翔導彈速度為3.4km/s(全程平均速度10Ma)，突防高度20km；巡航導彈飛行在亞音速并假設為0.3km/s(全程平均速度0.9Ma)，突防高度100m；SPY-1架高100m；則理論上的發現距離(僅僅考慮地球曲率的影響，不計距離和功率關聯因素)約為：助推滑翔導彈為620km，預警時間為182s；巡航導彈為82km，預警時間273s。相對于巡航導彈，助推滑翔導彈將可能縮短雷達的預警時間約30%。

圖2 導彈穿越截屏示意圖

導彈穿屏時間原理計算公式(單波束)：

(6)

式中： Δφ為仰角空間截獲屏的覆蓋區域；R為導彈與雷達的相對距離；α為導彈穿屏夾角。

從目標探測信噪比積累來說，穿屏時間長短將影響檢測概率。繼續引用前述條件，假設都是垂直穿屏(穿屏角取90°，距離最短)，則助推滑翔導彈的穿屏時間為2.7s(單屏)，脈沖累積次數為2.6；巡航導彈的穿屏時間為4s(單屏)，脈沖累積次數為3.9次。對相參雷達，助推滑翔導彈理論上可以使得雷達的檢測信噪比增益降低約1.5dB，也就是降低了雷達截獲概率或者截獲距離。

對于高速目標，為提高截獲概率,往往會設置數道截獲屏，以保證穿屏速度或小目標的可靠截獲。當然，這是以犧牲雷達資源為代價的。

3.2 對跟蹤搜索能力的影響

一般防空雷達跟蹤數據率在6s/次量級，這是因為目標速度很少超過3Ma，多數情況下基本不會超過1個波位覆蓋區域。對于彈道導彈等高速目標，則可以輕易跳出幾個波位空間范圍，因而反導雷達的跟蹤數據率要求高，一般水平大約1～10采樣/s，需要具備三維相掃或空域寬覆蓋能力，多功能相控陣雷達是主流配置[1]。

對于數據率的要求,可以從上節有關穿屏時間上得出結論：繼續以SPY-1為例，假如滑翔導彈和巡航導彈距離雷達位置相同,都是100km處，考慮單波束跟蹤的理想情況，則滑翔導彈穿過單個波束逃逸時間為0.45s，那么，要保證連續跟蹤不丟目標需要的數據率是0.45s/次；巡航導彈的逃逸時間為5.1s，兩者數據率相差很大。

高數據率帶來的代價是：雷達處理目標的批次數目將會大大降低。同等條件下，假如都采用一個重頻(10ms)完成目標檢測，則雷達能跟蹤的高速導彈數目是4批，對低速目標則是51批。

雷達進入跟蹤狀態后，往往根據測量精度設置跟蹤波門，并根據目標運動模型，在獲取目標參數后進行目標狀態更新和預測。模型準確、測量精度高，則波門設置緊湊，跟蹤運算就能及時實施，多目標條件下運算壓力就小。

彈道導彈在助推后進入外大氣空間，并關閉動力，基本只在星空條件下飛行，再入大氣后也基本是在一種自由飛行狀態下高速向目標運動，其軌道曲線基本呈準拋物線狀態，軌道是基本可以預估的[11]。但助推滑翔導彈因突防區域在近空間，在關閉動力條件下仍然具有較強的機動變軌能力且能在較長時間內保持初速度基本不變，這種能力將會使反導雷達跟蹤目標丟失。雷達必須重新搜索截獲，或者將跟蹤波門增大并執行跟蹤狀態下的搜索。顯然跟蹤狀態下的搜索對目標探測來說不會造成增批，更為合理，資源消耗更少。

可對此情況做一簡要分析，這個問題其實仍然是一個搜索問題，不過范圍有所區別。可在兩種情況下啟用這種搜索方式：外部信息引導產生范圍誤差過大或是目標高速運動產生的穿越效應，都有可能造成重新搜索或在跟蹤條件下的二次搜索并確定搜索區域和動態變化情況。

機動目標變軌是在三維空間內變化，搜索則在立體空間內進行。具體到雷達波束，則可以認為是波束橫切面的平面覆蓋問題，圖3為一種比較簡單直接的重新搜索區域示意圖(拓撲形式之一)，中心波束為當前目標存在區域(假設為單個波束跟蹤)，周圍波束覆蓋區域為目標可能逃逸的位置或二次搜索區域。

圖3 二次跟蹤搜索原理示意圖

二次搜索可能需要的搜索次數可用以下公式界定：

(7)

式中：n為搜索總次數;τ為采樣間隔時間。

不妨繼續以前述SPY-1為例，假設雷達因故執行的采樣率是1s/次。助推滑翔導彈在突防區飛行到離雷達100km處，突然以3.4km/s速度向下俯沖并造成目標逃逸，則雷達二次搜索需要進行24次才可能再次捕獲跟蹤目標，并擠占跟蹤資源，但這相比重新進入搜索狀態來說消耗的資源要小。當二次搜索范圍出現多目標，則需要進行較為復雜的關聯問題處理，或者引起目標增批。

另外，助推滑翔導彈的中段在近空間區域，相對彈道導彈來說與雷達距離近數倍，同等速度下的高仰角跟蹤需要更高的數據率才能保證可靠跟蹤。

4 結束語

通過以上對助推滑翔導彈的運動特點、突防區間等簡要定性和舉例分析，不難看出這類導彈或飛行器兼具彈道導彈超高速和巡航導彈高機動的雙重特點，當從臨近空間進行突防將對多功能雷達反導能力發出嚴峻的挑戰。首先，在臨近空間的高速運動條件下將會產生熱隱身現象，對雷達的工作頻率、體制、功率孔徑積都造成威脅；其次，臨近空間高速運動的助推滑翔導彈相對于低空飛行的巡航導彈可能對雷達截獲距離、截獲概率有進一步壓縮，可靠截獲需要消耗更多的雷達資源；第三，助推滑翔導彈高速高機動運動能力，相對于彈道導彈跟蹤更容易逃逸，需要進行跟蹤條件下的二次搜索，相當于間接擴展了雷達跟蹤波門，直接造成雷達資源消耗過大；另外，由于其特殊的突防區間，在高仰角跟蹤條件下與雷達距離遠小于彈道導彈，穿屏時間更短，更容易丟失目標。

有關助推滑翔導彈和飛行器臨近空間突防對反導雷達的威脅和應對手段涉及雷達系統和技術的方方面面[12-13]。隨著多功能雷達在區域反導中的地位不斷提高，助推滑翔導彈及全球打擊飛行器的不斷普及，探討多功能雷達反導性能在針對助推滑翔導彈的探測跟蹤所需要注意的關鍵問題顯得尤其有必要，這對目前討論較多的彈道導彈和巡航導彈的探測、截獲、跟蹤問題同樣是有益的。

[1] 張光義，王德純.彈道導彈防御系統中的預警探測雷達[J].系統工程與電子技術，1996(5)：39-47.

[2] 李瑜，于榮.巡航導彈的預警探測與反突防總體設計[J].指揮信息系統與技術，2014，5(3)：28-88.

[3] 關世義.基于錢學森彈道的新概念飛航導彈[J].飛航導彈，2003(1)：1-4.

[4] 李瑜，崔乃剛，郭繼鋒.助推-滑翔導彈發展概況及關鍵技術分析[J].戰術導彈技術，2008(5)：13-19.

[5] 葉潔.美國高超聲速飛行器技術發展初步研究[J].飛航導彈，2014(8)：15-20.

[6] 劉欣，楊濤，張青斌.助推-滑翔導彈彈道優化與總體參數分析[J].彈道學報，2012，24(3)：43-48.

[7] 趙向陽.黑障對無線電信號的影響分析與研究[D].蘭州:蘭州大學，2012.

[8] 鄭靈.飛行器等離子體鞘套對電磁波傳輸特性的影響研究[D].成都:電子科技大學，2013.

[9] 朱方.返回艙再入段雷達散射特性研究[D].蘭州:蘭州大學，2007.

[10]于哲峰，劉佳琪，劉連元.臨近空間高超聲速飛行器RCS特性研究[J].宇航學報，2014，35(6)：713-719.

[11]張海成，楊江平，王晗中.艦載SPY雷達對彈道導彈探測效能分析[J].現代雷達，2012，34(1)：1-24.

[12]余繼周，黃鸝，曹哲.臨近空間高超聲速飛行器探測雷達技術[J].控制與制導，2014(9)：74-76.

[13]關欣，趙靜，何友.臨近空間高超聲速飛行器跟蹤技術[J].四川兵工學報，2011，32(8)：4-6.

Threat Analysis Booster Glide Missile Penetration to Area Antimissile Radar

LUO Bing

(No.38 Research Institute of CETC，Hefei 230031,China)

Based on inspecting the motion characteristics of booster glide missile and penetration area,this paper sums up and analyzes the plasma stealth formed by high-speed movement in near space,points out the approach to eliminate the stealth threat,and further discusses that the booster glide missile has characteristics of high-speed and high-mobility like ballistic missile and cruise missile concurrently,and the comparative advantage of anti-searching and anti-tracking under the condition of near space penetration path,and illustrates the problem and countermeasure that multi-function anti-missile radars need confront when they face threats.

booster glide missile;anti-missile;stealth;tracking;searching

2015-03-16

TN959

A

CN32-1413(2015)04-0044-06

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.04.012