臨近空間高超聲速飛行器目標(biāo)特性及突防威脅分析

余協(xié)正，陳 寧，陳萍萍，陳 亮，劉國(guó)生，楊梅森

(中國(guó)航天科工集團(tuán)8511研究所，江蘇 南京 210007)

0 引言

臨近空間一般是指距地面20～100 km的空間區(qū)域，主要包括大氣的平流層大部、中間層全部和部分熱層，處于現(xiàn)有飛機(jī)的最高飛行高度和衛(wèi)星的最低軌道高度之間。能夠以高超聲速(Ma數(shù)>5)在臨近空間高度進(jìn)行持續(xù)飛行且能完成指定任務(wù)的飛行器，稱為臨近空間高超聲速飛行器[1]。目前，世界主要工業(yè)強(qiáng)國(guó)都對(duì)臨近空間高超聲速飛行器投以相當(dāng)?shù)难芯烤ΓR近空間高超聲速飛行器已經(jīng)從早期的概念與原理探索階段逐步進(jìn)入到以高馬赫數(shù)作戰(zhàn)飛機(jī)、導(dǎo)彈為應(yīng)用背景的先期技術(shù)開(kāi)發(fā)與演示驗(yàn)證階段。可以預(yù)見(jiàn)，隨著臨近空間高超聲速飛行器的快速發(fā)展，臨近空間的攻防對(duì)抗也將拉開(kāi)序幕并呈現(xiàn)日趨激烈的態(tài)勢(shì)。雖然臨近空間高超聲速飛行器具有機(jī)動(dòng)靈活、高速飛行等優(yōu)勢(shì)，且從當(dāng)前防空武器及天基武器的覆蓋范圍可知，臨近空間處于各種空天武器的攔截能力之外[2]，但這并不意味著臨近空間高超聲速飛行器不可探測(cè)和攔截。相反，由于高超聲速飛行器飛行速度高，與空氣高速摩擦使自身紅外輻射特性明顯增大，目標(biāo)可探測(cè)距離會(huì)大大增加；與此同時(shí)，臨近空間高超聲速飛行器在無(wú)動(dòng)力滑翔或巡航段彈道的飛行時(shí)間較長(zhǎng)，留給攔截系統(tǒng)的時(shí)間窗口較大，在該段成功實(shí)施攔截的可能性更大[3]。

本文通過(guò)對(duì)臨近空間高超聲速飛行器兩種典型技術(shù)體制的對(duì)比，分析了不同體制臨近空間高超聲速飛行器的目標(biāo)特性及其與傳統(tǒng)彈道導(dǎo)彈和巡航導(dǎo)彈的差異，并對(duì)臨近空間高超聲速飛行器當(dāng)前及將來(lái)可能面臨的突防威脅進(jìn)行梳理與分析。最后提出在臨近空間高超聲速飛行器研制過(guò)程中，必須同步考慮適用于臨近空間高超聲速飛行器的突防技術(shù)措施和突防裝備。

1 臨近空間高超聲速飛行器典型技術(shù)體制介紹

目前，臨近空間高超聲速飛行器按飛行動(dòng)力來(lái)源主要分為兩大類[4]：第一類是高超聲速助推-滑翔飛行器，如美國(guó)開(kāi)展演示驗(yàn)證項(xiàng)目HTV-2，AHW高超聲速助推-滑翔飛行器；第二類是高超聲速助推-巡航飛行器，如美國(guó)開(kāi)展演示驗(yàn)證項(xiàng)目X-51A高超聲速助推巡航飛行器。下面分別以美國(guó)的HTV-2和X-51A為典型代表介紹兩類不同體制臨近空間高超聲速飛行器的相關(guān)情況。

1.1 高超聲速助推-滑翔飛行器

HTV演示驗(yàn)證項(xiàng)目是由美國(guó)空軍和DARPA共同承擔(dān)研制的[5]。HTV項(xiàng)目的目的是發(fā)展驗(yàn)證高超聲速飛行器技術(shù)，以支撐快速全球到達(dá)任務(wù)，其發(fā)展的飛行器是可重復(fù)使用的類航空器外形的高超聲速飛行器，能夠在普通機(jī)場(chǎng)起飛和降落。HTV項(xiàng)目始于2003年，是美國(guó)全球快速打擊計(jì)劃的重要項(xiàng)目，計(jì)劃演示驗(yàn)證三種飛行器：HTV-1、HTV-2和HTV-3。HTV-3飛行器由于2009年美國(guó)國(guó)會(huì)削減財(cái)政預(yù)算而被迫擱淺，DARPA只好轉(zhuǎn)而開(kāi)發(fā)HTV-2。HTV-2是FALCON項(xiàng)目中研制的第二代飛行器，屬于無(wú)動(dòng)力高超聲速飛行器。HTV項(xiàng)目涉及到高升阻比氣動(dòng)外形技術(shù)、輕質(zhì)高溫材料技術(shù)、熱管理技術(shù)、導(dǎo)航和自動(dòng)飛行控制技術(shù)以及渦輪組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)(TBCC)技術(shù)等眾多關(guān)鍵技術(shù)。2010年4月，HTV-2進(jìn)行了首次發(fā)射，以飛行速度Ma數(shù)17～22飛行了139 s。2011年8月11日，美軍在加利福尼亞州范登堡空軍基地再次利用“牛頭怪”-4 Lite火箭(如圖1所示)將HTV-2發(fā)射升空。與火箭成功分離后，利用直接力控制系統(tǒng)再入，經(jīng)過(guò)再入段、拉升段，HTV-2任務(wù)按計(jì)劃進(jìn)展，進(jìn)入滑翔段，后因無(wú)法獲得飛行器的遙測(cè)信號(hào)而失敗。在失去信號(hào)前，DARPA收集到了約9 min有價(jià)值的飛行數(shù)據(jù)。HTV-2試驗(yàn)飛行器如圖2所示，整體為乘波體構(gòu)型，飛行器總長(zhǎng)為3.05 m，最大寬度為1.17 m，總質(zhì)量為908 kg。HTV-2飛行試驗(yàn)規(guī)劃的飛行剖面如圖3所示。

圖1 試飛前“牛頭怪”-4 Lite火箭和HTV-2高超聲速飛行器

圖2 HTV-2高超聲速飛行器

圖3 HTV-2飛行試驗(yàn)規(guī)劃的飛行剖面示意圖

作為技術(shù)驗(yàn)證與數(shù)據(jù)收集平臺(tái)，HTV-2主要針對(duì)長(zhǎng)航時(shí)高超聲速飛行所需的三大關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展研究：氣動(dòng)特性、氣動(dòng)熱效應(yīng)以及制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制。通過(guò)對(duì)HTV-2飛行器建模與仿真、風(fēng)洞試驗(yàn)以及兩次飛行試驗(yàn)獲得高超聲速數(shù)據(jù)，以應(yīng)用于美國(guó)國(guó)防部常規(guī)快速全球打擊計(jì)劃之中，最終獲得在2 h內(nèi)到達(dá)世界上任何地方的能力。HTV-2的兩次試飛盡管均失敗，但卻取得了不容忽視的成績(jī)。首先，HTV-2的第一次飛行試驗(yàn)創(chuàng)造了許多“第一”：

1)使用了當(dāng)時(shí)最大數(shù)量的地面、海上、空中以及太空數(shù)據(jù)收集平臺(tái)，收集了獨(dú)特的飛行數(shù)據(jù)，其中包括139 s的Ma數(shù)為17～20的氣動(dòng)數(shù)據(jù)；

2)當(dāng)以5794 m/s的速度飛行時(shí)可以維持GPS信號(hào)；

3)驗(yàn)證了與飛行器雙向通信；

4)檢驗(yàn)了直接力控制系統(tǒng)(RCS)的有效使用。HTV-2第二次試飛則成功驗(yàn)證了能夠以Ma數(shù)為20的速度穩(wěn)定控制飛行長(zhǎng)達(dá)3 min，驗(yàn)證了飛行器氣動(dòng)設(shè)計(jì)，并揭示了有關(guān)飛行器熱材料特性的新的認(rèn)知。

HTV-2的研究成果不僅可直接應(yīng)用于助推-滑翔武器的研制，還解決了吸氣式高超聲速飛行器的許多關(guān)鍵技術(shù)，同樣會(huì)極大地促進(jìn)高超聲速巡航導(dǎo)彈、高超聲速飛機(jī)、空天飛行器相關(guān)項(xiàng)目的推進(jìn)。

1.2 高超聲速助推-巡航飛行器

20世紀(jì)90年代，美國(guó)軍方啟動(dòng)全球敏捷打擊計(jì)劃，該計(jì)劃旨在未來(lái)美國(guó)必須具備能針對(duì)各種稍縱即逝的時(shí)間關(guān)鍵目標(biāo)(又稱時(shí)敏目標(biāo))，在1 h內(nèi)甚至數(shù)分鐘內(nèi)做出反應(yīng)，并用高超聲速武器實(shí)施致命打擊。為此，美國(guó)國(guó)防部探索和研制了各種先進(jìn)的能夠全球打擊時(shí)敏目標(biāo)的高技術(shù)武器，X-51A計(jì)劃也隨之應(yīng)運(yùn)而生[6]。X-51A臨近空間高超聲速飛行器的試飛成功為美軍研制高超聲速巡航導(dǎo)彈打擊戰(zhàn)區(qū)時(shí)敏目標(biāo)，實(shí)施常規(guī)快速全球打擊，邁出了重要的一步。

2013年5月1日，美國(guó)空軍X-51A乘波者試驗(yàn)項(xiàng)目最后一次飛行試驗(yàn)獲得突破性進(jìn)展，用6 min飛越了426 km。期間搭載X-51A飛行器和固體火箭助推器的B-52H飛機(jī)升空(如圖4所示)，飛行員克服了最小燃油的限制，使轟炸機(jī)爬升至15.2 km，在到達(dá)香奈爾島南側(cè)和圣尼古拉斯島西北側(cè)的發(fā)射點(diǎn)之后，X-51A被釋放，此時(shí)速度Ma數(shù)為0.8。固體火箭點(diǎn)火，推動(dòng)長(zhǎng)度為7.6 m的飛行器飛行了29 s，直到其到達(dá)19.2 km，Ma數(shù)為4.9。巡航段分離，滑行到Ma數(shù)4.8，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)乙烯啟動(dòng)。之后發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換為JP-7碳?xì)淙剂希晒ν黄?011年6月第二次試驗(yàn)時(shí)的故障點(diǎn)，X-51A又飛行了210 s，爬升至19.5 km，承受著0.51～0.55 MPa的持續(xù)動(dòng)壓，峰值加速度超過(guò)0.2 g。飛行器速度從Ma數(shù)4.8加速到Ma數(shù)5.1，還能繼續(xù)加速，只不過(guò)燃料耗盡。發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉后，隨后在400 s左右，飛行器開(kāi)始無(wú)動(dòng)力滑行下降，墜落在加州西部太平洋試驗(yàn)場(chǎng)的海域中。這臺(tái)無(wú)動(dòng)力的飛行器進(jìn)行了各種“參數(shù)驗(yàn)證”的機(jī)動(dòng)飛行，以驗(yàn)證其氣動(dòng)操控性。X-51A試驗(yàn)飛行器如圖5所示，包括巡航飛行器、超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、連接器以及火箭助推器，整體稱為飛行演示器。飛行器總長(zhǎng)為7.62 m，最大寬度為0.58 m，發(fā)動(dòng)機(jī)流動(dòng)通道寬度為0.23 m，總質(zhì)量為1780 kg，其中巡航器長(zhǎng)度為4.27 m，質(zhì)量為671 kg。X-51A飛行試驗(yàn)規(guī)劃的飛行剖面如圖6所示。

圖4 搭載X-51A飛行器和固體火箭助推器的B-52H飛機(jī)

圖5 X-51A飛行器

圖6 X-51A飛行試驗(yàn)規(guī)劃的飛行剖面示意圖

X-51A的試飛成功將為美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室的高速打擊武器項(xiàng)目(HSSW)提供助力，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人布林克表示：“我們預(yù)測(cè)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)將能夠驅(qū)動(dòng)類似X-51A尺寸的導(dǎo)彈以Ma數(shù)為5～6的速度在10～12 min之內(nèi)打擊270～320 km的目標(biāo)。”可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)美國(guó)高超聲速導(dǎo)彈采用超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，具有發(fā)射平臺(tái)多樣、飛行速度快、可機(jī)動(dòng)、多彈道變化選擇、能夠打擊時(shí)敏目標(biāo)和突防能力強(qiáng)等突出優(yōu)勢(shì)。它的飛行距離為1100 km以上，飛行速度Ma數(shù)可達(dá)6以上，飛行高度為20～30 km。

2 臨近空間高超聲速飛行器目標(biāo)特性分析

2.1 彈道特性

根據(jù)第1節(jié)中分析可知，兩種不同體制的臨近空間高超聲速飛行器，其彈道特性也略有區(qū)別：

高超聲速助推-滑翔飛行器的彈道更接近于彈道導(dǎo)彈，主要包括：助推段、慣性段、再入拉起段、滑翔機(jī)動(dòng)段和下壓段。助推段：采用的是火箭助推的方式，助推高度大概為80～100 km左右。慣性段：當(dāng)運(yùn)載和載荷分離后，載荷在大氣層外進(jìn)行慣性拋物線運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于彈道導(dǎo)彈的中段。再入拉起段：再入拉起段主要是指飛行器再入大氣層后，通過(guò)姿態(tài)控制系統(tǒng)，在40～50 km向上拉起機(jī)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)到達(dá)滑翔初始點(diǎn)的過(guò)渡飛行。滑翔機(jī)動(dòng)段：飛行器能夠在20～80 km進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間滑翔飛行，具有一定的橫向機(jī)動(dòng)能力。下壓段：飛行器接近目標(biāo)后，在較短距離內(nèi)進(jìn)行急速下壓，做近垂直運(yùn)動(dòng)。

高超聲速助推-巡航飛行器的彈道更接近于巡航導(dǎo)彈，主要包括：助推段、巡航段、下壓段。助推段：采用空基發(fā)射后利用火箭助推的方式，助推高度大概為20 km左右，助推至超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)工作所需的啟動(dòng)Ma數(shù)。巡航段：巡航高度一般為20～40 km，巡航Ma數(shù)為6左右，具有較強(qiáng)的橫向機(jī)動(dòng)能力。下壓段：飛行器接近目標(biāo)后，在較短距離內(nèi)進(jìn)行急速下壓，做近垂直運(yùn)動(dòng)。

不同彈道對(duì)比如圖7所示，自上向下分別為彈道導(dǎo)彈導(dǎo)彈、助推-滑翔彈道、助推-巡航彈道和巡航導(dǎo)彈彈道。

圖7 不同彈道對(duì)比示意圖

無(wú)論是高超聲速助推-滑翔飛行器還是助推-巡航飛行器，其航跡規(guī)劃和俯沖點(diǎn)的選擇除了需要滿足精確打擊的作戰(zhàn)目標(biāo)要求外，還需要滿足多個(gè)再入飛行軌跡約束條件，包括過(guò)載、熱流率、總加熱量、最大表面溫度、動(dòng)壓、配平升阻比等約束，這些約束條件將限制高超聲速飛行器的飛行高度和速度[7]。

2.2 飛行特性

高超聲速飛行器具有高非線性、強(qiáng)耦合性、不確定性和多約束的特點(diǎn)[8]。

1)高非線性

高超聲速飛行器飛行于臨近空間環(huán)境，飛行速度和高度跨度大，大氣壓力和密度變化大，氣動(dòng)特性隨飛行參數(shù)變化劇烈，舵機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)存在飽和、死區(qū)等，呈高度非線性；

2)強(qiáng)耦合性

高超聲速助推-巡航飛行器采用超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力裝置，發(fā)動(dòng)機(jī)性能與飛行高度、速度、姿態(tài)等參數(shù)密切相關(guān)，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)推力特性直接影響飛行狀態(tài)，即動(dòng)力與飛行狀態(tài)間耦合嚴(yán)重；高超聲速助推-巡航飛行器一般為細(xì)長(zhǎng)體外形，其固有頻率和結(jié)構(gòu)剛度較低，易造成顯著的彈性變形，影響飛行器動(dòng)力學(xué)特性和發(fā)動(dòng)機(jī)推力，即機(jī)體、動(dòng)力、結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)間耦合嚴(yán)重；兩類高超聲速飛行器均存在嚴(yán)重的氣動(dòng)加熱現(xiàn)象，氣動(dòng)加熱導(dǎo)致材料性能與剛度下降，影響飛行器結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率和模態(tài)振型，進(jìn)而通過(guò)氣動(dòng)伺服熱彈性問(wèn)題影響飛行控制，即氣動(dòng)熱、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、控制間存在耦合。

3)不確定性

高超聲速流的薄激波層、高熵層、黏性干擾、高溫效應(yīng)以及低密度流導(dǎo)致飛行器氣動(dòng)特性的嚴(yán)重不確定性；氣動(dòng)加熱導(dǎo)致結(jié)構(gòu)振型和固有振動(dòng)頻率變化，結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)存在不確定性；臨近空間環(huán)境復(fù)雜多變，大氣干擾存在不確定性。

4)多約束

高超聲速飛行器由于在大氣層內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間飛行，飛行速度快，飛行器熱力學(xué)環(huán)境十分惡劣，為保證飛行器熱防護(hù)、飛行器機(jī)體載荷等要求，對(duì)飛行熱流率、動(dòng)壓以及過(guò)載等約束嚴(yán)格；針對(duì)軌跡優(yōu)化問(wèn)題，高超聲速飛行器往往具有航路點(diǎn)、禁飛區(qū)等約束；高超聲速飛行器控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)存在運(yùn)動(dòng)速率、舵面偏轉(zhuǎn)范圍等能力約束；高超聲速飛行器對(duì)機(jī)載計(jì)算機(jī)計(jì)算量和計(jì)算速度提出了較強(qiáng)的約束。

2.3 雷達(dá)散射特性

典型的高超聲速飛行器一般采用乘波體構(gòu)型，雷達(dá)散射面積通常只有0.01～0.1 m2。高超聲速飛行器在跨大氣層飛行時(shí)，飛行速度Ma數(shù)達(dá)到6～20，劇烈摩擦其周圍的空氣并對(duì)空氣產(chǎn)生壓縮，使飛行器周圍的空氣溫度急劇上升，致使空氣發(fā)生離解和電離，從而在飛行器周圍形成等離子體，又稱“等離子鞘套”。這些等離子體是一種由中性粒子、離子和自由電子組成的帶電氣體，等離子體的形成還與飛行器的形狀、速度、材料以及大氣密度有關(guān)。無(wú)線電波在等離子體中傳播時(shí)，自由電子和離子在電磁場(chǎng)的作用下往復(fù)振動(dòng)，振動(dòng)的電子和離子與空氣中的中性粒子相碰撞，并把能量傳給中性粒子，使無(wú)線電波能量損失，這種損失稱為“吸收衰減”。等離子體越厚，吸收衰減就越大。此外，等離子體并不均勻，無(wú)線電波在其中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射，這種反射也會(huì)造成無(wú)線電波的損失，稱為“反射衰減”。這些衰減將可能造成通信中斷，出現(xiàn)“黑障”現(xiàn)象。“黑障”現(xiàn)象將嚴(yán)重影響目標(biāo)的RCS[9]。

相關(guān)研究表明，等離子鞘套對(duì)于雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)，一般表現(xiàn)為目標(biāo)RCS增大，特殊情況下，等離子體厚度和濃度處于某個(gè)特定值時(shí)，對(duì)于某個(gè)特定頻率的雷達(dá)探測(cè)信號(hào)，等離子鞘套具有發(fā)散和吸收照射電磁信號(hào)的作用，此時(shí)目標(biāo)RCS會(huì)減小，需要說(shuō)明的是，這種RCS減小現(xiàn)象是在一些特定條件下出現(xiàn)的特殊現(xiàn)象，而很多情況下，RCS具有增大特征。有理由相信，反導(dǎo)雷達(dá)在跟蹤滑翔變軌飛行彈道導(dǎo)彈方面，理論上沒(méi)有不可逾越的障礙。另外，觀察以往慣性彈道導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)時(shí)，地面雷達(dá)一般均能完整跟蹤導(dǎo)彈的再入過(guò)程，包括彈道末段的導(dǎo)彈俯沖過(guò)程，這說(shuō)明雷達(dá)能夠跟蹤導(dǎo)彈的變軌飛行，可以推斷，導(dǎo)彈滑翔變軌飛行對(duì)反導(dǎo)雷達(dá)的目標(biāo)截獲不會(huì)產(chǎn)生難以克服的困難[10]。

2.4 紅外輻射特性

文獻(xiàn)[11]計(jì)算了X-51A在臨近空間以Ma數(shù)為5的速度飛行時(shí)，中波(3～5 μm)和長(zhǎng)波(8～14 μm)波段的紅外段輻射強(qiáng)度最大可達(dá)25595.9 W·sr-1和3935.3 W·sr-1，而傳統(tǒng)彈道導(dǎo)彈[12]彈道中段目標(biāo)動(dòng)態(tài)紅外輻射特性仿真計(jì)算中段飛行時(shí)彈頭目標(biāo)的紅外輻射強(qiáng)度中波一般在幾十瓦，長(zhǎng)波一般在幾百瓦。前者長(zhǎng)波紅外輻射強(qiáng)度是后者的十幾倍，而中波輻射強(qiáng)度更是達(dá)到了近千倍之多。如果飛行速度繼續(xù)增加，溫度將繼續(xù)升高，各波段輻射強(qiáng)度也將隨之進(jìn)一步上漲，輻射峰值波長(zhǎng)將移到短波(1～3 μm)甚至可見(jiàn)光、紫外波段。

文獻(xiàn)[13]構(gòu)建的紅外探測(cè)系統(tǒng)和高超聲速飛行器構(gòu)成的體系中，以探測(cè)器為被輻照對(duì)象，設(shè)兩者之間的距離為R，導(dǎo)出探測(cè)距離具有如下關(guān)系：

R=(τaI)1/2((π/4)τ0Dlens/(F/#))1/2·

(D*)1/2(SNR(ΔfnΩd)1/2)-1/2

(1)

式中，τa為大氣透過(guò)率，I為相應(yīng)探測(cè)波段的輻射強(qiáng)度；τ0為光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率，Dlens為透鏡直徑，F(xiàn)/#為光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)；D*為探測(cè)率；SNR為探測(cè)系統(tǒng)的信噪比，Δfn為噪聲等效帶寬，Ωd為探測(cè)器立體角。式(1)可以分為四個(gè)部分，其中第一部分與飛行器輻射強(qiáng)度和大氣透過(guò)率有關(guān)，后三部分取決于接收光學(xué)系統(tǒng)的性能，探測(cè)器性能以及探測(cè)器光敏面積和系統(tǒng)噪聲等效帶寬。假設(shè)臨近空間透過(guò)率按0.7計(jì)算(大氣層外為1)，以上述中波輻射強(qiáng)度代入計(jì)算，前者可被探測(cè)距離將是后者的20多倍，如果進(jìn)一步考慮探測(cè)系統(tǒng)自身性能升級(jí)的情況，探測(cè)距離應(yīng)該能夠達(dá)到幾百甚至上千千米。

3 臨近空間高超聲速飛行器突防威脅分析

3.1 威脅1——探測(cè)系統(tǒng)升級(jí)

面對(duì)高超聲速導(dǎo)彈快速發(fā)展態(tài)勢(shì)，美國(guó)在導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的升級(jí)上也是同步推進(jìn)的。如開(kāi)發(fā)了基于臨近空間的飛艇、浮空氣球、臨近空間長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)等新型探測(cè)平臺(tái)[14-15]，同時(shí)通過(guò)升級(jí)天基紅外系統(tǒng)(SBIRS)紅外傳感器性能等[16]，進(jìn)一步增加對(duì)這類高超聲速導(dǎo)彈的早期預(yù)警時(shí)間，此外通過(guò)地基、海基、空基、臨基和天基等各預(yù)警平臺(tái)的協(xié)同工作，能夠?qū)?dǎo)彈進(jìn)行精確定位和持續(xù)跟蹤甚至指引攔截彈進(jìn)行攔截[13]。文獻(xiàn)[17]指出，浮空平臺(tái)探測(cè)30 km和50 km飛行高度下的目標(biāo)時(shí)，理論最大探測(cè)距離分別為1287.7 km和1468.5 km。如紅外傳感器靈敏度提升至10-11W·cm-2，則中波、長(zhǎng)波波段的最大探測(cè)距離已超過(guò)浮空平臺(tái)的理論最大可探測(cè)距離，即此時(shí)該浮空平臺(tái)在其可探測(cè)區(qū)域內(nèi)均能探測(cè)到目標(biāo)。

文獻(xiàn)[4]考慮到臨近空間高超聲速目標(biāo)滑翔段或巡航段的紅外輻射強(qiáng)度遠(yuǎn)高于彈道導(dǎo)彈的中段，如果將LEO的凝視傳感器改進(jìn)，以中波紅外作為主要工作波段，并可下視對(duì)地觀測(cè)，通過(guò)STK仿真分析，LEO對(duì)在20～100 km這部分區(qū)域活動(dòng)的臨近空間高超聲速目標(biāo)，能夠完成雙重覆蓋。即通過(guò)對(duì)LEO凝視傳感器進(jìn)行改進(jìn)，能夠?qū)o(wú)動(dòng)力滑翔段或巡航段目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)穩(wěn)定跟蹤，甚至指引攔截彈直接攔截。

3.2 威脅2——攔截彈升級(jí)

國(guó)外已部署的典型防御系統(tǒng)中，有可能用于臨近空間高超聲速目標(biāo)防御的系統(tǒng)有:美國(guó)陸基的戰(zhàn)區(qū)導(dǎo)彈防御系統(tǒng)(PAC-3/Erint)、“宙斯盾”武器系統(tǒng)(標(biāo)準(zhǔn)系列攔截彈)、末段高層區(qū)域防御系統(tǒng)(THAAD)、歐洲防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)和反導(dǎo)武器系統(tǒng)(Aster-30)、俄羅斯“凱旋”防空導(dǎo)彈系統(tǒng)(S-400)等，其中PAC-3和Aster-30攔截高度小于20～24 km，THAAD的攔截空域?yàn)?0～150 km(注:有文獻(xiàn)報(bào)道為30～150 km)，“標(biāo)準(zhǔn)-6”的攔截空域則為70～370 km的大氣層內(nèi)高空到大氣層外的廣闊空域，中間存在20～40 km間斷的空白區(qū)域，而這一區(qū)域正是目前高超聲速武器快速發(fā)展的區(qū)域。

但值得注意的是，作為美國(guó)現(xiàn)役反導(dǎo)系統(tǒng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)部分臨近空間區(qū)域攔截的末端高空區(qū)域防御系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱THAAD)，已經(jīng)籌劃改進(jìn)升級(jí)，發(fā)展增程型THAAD(THAAD-ER)系統(tǒng)，THAAD-ER將采用兩級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，助推器較原來(lái)更大，使一子級(jí)能將攔截彈助推至大氣層內(nèi)高空或大氣層外。二子級(jí)能縮短殺傷器在釋放前與目標(biāo)的距離。同時(shí)通過(guò)集成更加先進(jìn)的姿態(tài)控制系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)、紅外導(dǎo)引系統(tǒng)等，進(jìn)一步拓寬THAAD攔截彈的工作區(qū)域上下限，全面覆蓋并提高臨近空間高超聲速目標(biāo)的攔截能力。

文獻(xiàn)[18]設(shè)想從臨近空間飛行器平臺(tái)上發(fā)射改進(jìn)型紅外成像空空導(dǎo)彈，以迎頭方式攻擊臨近空間高超聲速飛行器，并進(jìn)行了系統(tǒng)仿真。結(jié)果表明，從臨近空間平臺(tái)上發(fā)射改進(jìn)型紅外成像空空導(dǎo)彈的攔截方法，對(duì)無(wú)機(jī)動(dòng)高超聲速目標(biāo)迎頭攻擊距離達(dá)到500 km，脫靶量?jī)H為0.5 m。

3.3 威脅3——傳統(tǒng)突防措施受限

傳統(tǒng)彈道導(dǎo)彈突防可使用多種手段[19]，有整形隱身、調(diào)姿隱身、機(jī)動(dòng)變軌飛行等，另外還使用自衛(wèi)式(簡(jiǎn)稱彈載突防干擾裝置)進(jìn)行突防。彈載突防干擾裝置的作用是干擾反導(dǎo)雷達(dá)和攔截彈導(dǎo)引頭對(duì)導(dǎo)彈的探測(cè)、識(shí)別和跟蹤，使反導(dǎo)武器難以攔截進(jìn)攻導(dǎo)彈。彈道導(dǎo)彈突防常用的突防干擾裝置有：內(nèi)置式雷達(dá)干擾機(jī)、伴飛式雷達(dá)干擾機(jī)、伴飛式紅外誘餌、伴飛式紅外雷達(dá)復(fù)合誘餌。

由于臨近空間具有“大氣過(guò)濾”作用，各類伴飛式突防干擾裝置將無(wú)法繼續(xù)使用；同時(shí)由于臨近空間飛行器的“等離子鞘套”現(xiàn)象，內(nèi)置式雷達(dá)干擾機(jī)傳播電磁波受限也將無(wú)法繼續(xù)使用；各類隱身涂層在高溫下也將被迅速燒毀而失去隱身作用；機(jī)動(dòng)變軌需要消耗大量的燃料，且飛行過(guò)程中受到氣流、熱防護(hù)等多約束條件限制，導(dǎo)致飛行器機(jī)動(dòng)能力和機(jī)動(dòng)次數(shù)有限，也難以起到可靠突防作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文選取HTV-2和X-51A兩種典型體制臨近空間高超聲速飛行器并對(duì)其技術(shù)體制進(jìn)行對(duì)比，分析了不同體制臨近空間高超聲速飛行器在彈道特性、飛行特性、雷達(dá)散射特性和紅外輻射特性等主要目標(biāo)特性及其與傳統(tǒng)彈道導(dǎo)彈和巡航導(dǎo)彈的差異，最后對(duì)臨近空間高超聲速飛行器當(dāng)前及將來(lái)可能面臨的突防威脅進(jìn)行梳理與分析。研究結(jié)果表明，隨著探測(cè)系統(tǒng)和攔截彈的升級(jí)，以及傳統(tǒng)突防措施在臨近空間使用受到限制，未來(lái)臨近空間高超聲速飛行器的突防威脅不容小覷。在開(kāi)展臨近空間高超聲速飛行器研制過(guò)程中，必須同步考慮適用于臨近空間高超聲速飛行器的突防技術(shù)措施和突防裝備。