臨近空間防御技術發展態勢及突防策略

熊俊輝，李克勇，劉 燚，吉 雨

（1.江蘇大學能源與動力工程學院，江蘇鎮江 212013；2.上海機電工程研究所，上海 201109）

0 引言

臨近空間通常指高度20～100 km 空間區域，這個范圍內的飛行器不僅可以借助稀薄大氣環境實現更高的飛行速度，還可以利用高度優勢和變軌機動能力避開中低空防御系統的攔截。近幾十年來，世界各主要軍事強國將高超聲速飛行技術視為未來軍事科技的制高點，開展了一系列技術攻關及演示驗證項目，在超燃沖壓發動機、高超聲速氣動優化、制導與控制、氣動熱防護等技術領域不斷取得成果，推動了臨近空間高超聲速飛行器的裝備化進程［1-2］。從美國早期多次開展X-51A 高超聲速巡航導彈飛行驗證、俄羅斯完成“鋯石”艦載高超聲速巡航導彈試射［3］、美國依托助推-滑翔飛行器項目（tactical boost glide，TBG）加緊研發“空射快速響應武器”（AGM-183A 空射導彈）項目、俄羅斯搶先列裝“匕首”空射導彈和“先鋒”陸基導彈來看，臨近空間高超聲速飛行器將成為未來強國對抗的關鍵裝備［4］。不同技術體制的臨近空間高超聲速飛行器相繼面世，特別是俄羅斯等國高超聲速助推-滑翔導彈的實戰化部署，已經引起了各國對臨近空間防御體系的高度重視［5］。美國在改造升級現有防御系統的同時，還啟動了“高超聲速防御”和“滑翔破壞者”（glide breaker）項目，以研發針對性的防御技術與裝備來彌補臨近空間防御能力的不足［6-7］。因此，臨近空間高超聲速飛行器在高科技戰場中將面臨新的威脅，其被寄以厚望的突防能力存在被抵消風險。

1 臨近空間高超聲速飛行器的突防能力特征

根據動力體制和飛行速度剖面的不同，臨近空間高超聲速飛行器通常可分為高超聲速巡航飛行器（hypersonic cruise vehicle，HCV）和高超聲速助推-滑翔飛行器。

1.1 臨近空間高超聲速巡航飛行器

HCV 一般通過固體火箭或其他組合動力將巡航體助推到較高馬赫數（常見3～5Ma）后，依靠超燃沖壓發動機在臨近空間內以超過5Ma速度持續飛行，典型代表有美國的X-51A（驗證機）和俄羅斯的“鋯石”高超聲速巡航導彈。這種飛行器在突防上有以下性能優勢。

1）飛行速度快。當前美、俄等研發驗證的超燃沖壓發動機適宜工作高度約25～35 km，對應較經濟的巡航速度約5～7Ma，采用該動力系統的飛行器絕大多數飛行軌跡的速度超過5Ma，是亞音速巡航導彈的5倍以上。速度快給突防帶來的好處為：一是可以大幅縮短目標射程下的飛行時間，從而壓縮C4I 系統的發射時機窗口，增加攔截難度；二是根據二者交會原理，攔截器的速度明顯小于目標的速度，甚至出現速度比小于1的情況，這會增大攔截器的需用過載、增加末段交會脫靶量、減小有效攔截區域［8］。

2）飛行高度高。雖然HCV 多采用固體火箭從陸地、海上或低空發射來將其助推到一定高度和高馬赫數，但整體上助推段的時間和航跡短，飛行器大多數時間處于25 km 以上高度飛行，對當前各主要國家采用的助推段防御、中段防御、末段防御而言，其巡航飛行高度仍屬于攔截能力短板［4，9］。

3）臨近空間內全程帶動力機動。HCV 在臨近空間內帶動力飛行，可以隨時進行縱向和橫向機動，使得防御系統無法準確預測其航跡及攻擊目標。此外，雖然發動機的進氣道一定程度上限制了大攻角飛行，但在高超聲速飛行時即使以較小的攻角機動也可以引起攔截器較大的導引過載，從而導致攔截彈脫靶量增大。

1.2 臨近空間高超聲速助推-滑翔飛行器

高超聲速助推-滑翔飛行器基于彈道導彈技術，裝備化進程更快，俄羅斯的“先鋒”和“匕首”導彈已經開始服役，美國AGM-183A 導彈則已完成了適應性掛飛［10］。這種飛行器雖然不能實現全程帶動力，但與HCV 相比，其平均飛行速度接近甚至更高，有其獨特之處。

1）飛行高度跨度大。助推-滑翔飛行器軌跡可分為助推上升段和滑翔機動段，主要軌跡為臨近空間內的滑翔機動段。滑翔機動段可根據射程和落速等要求進行多次拉升，無動力、純氣動控制的二次拉升高度一般不高于70 km，航區內拉起高度一般不低于15 km，多數時間處于末段防御系統和中段防御系統的防御高度范圍之外。得益于較大的飛行高度跨度，助推-滑翔飛行器只在其飛行末段處于末段防御系統的攔截范圍，且很難被二次攔截。

2）變射面和變軌機動。由于速度大，而且滑翔體針對高超聲速飛行進行了優化設計，在高超聲速區間具有較好的升阻特性，即使在較稀薄氣體下也可以實現滑翔體的純氣動控制，在約20 km 高度下的機動過載可達3～8g，可在臨近空間進行較長時間機動飛行，包括縱向跳躍滑翔和橫向大范圍機動，實現變射面和變軌機動。

2 主要防御系統對臨近空間飛行器的適應性

目前的防御體系主要由彈道導彈防御系統和中低空防空系統組成，根據臨近空間飛行器的目標特性可分為助推段防御、中段防御和末段防御，主要防御系統的性能見表1［11-13］，臨近空間突防對抗態勢見圖1。

表1 主要防御系統的性能參數Tab.1 Performance parameters of typical defense systems

圖1 臨近空間高超聲速飛行器突防對抗態勢Fig.1 Penetration confrontation situation of near space hypersonic vehicle

2.1 助推段防御系統

助推段防御系統也稱助推段/爬升段防御系統。高超聲速飛行器在助推段一般不作機動，軌跡平直、特征明顯，美國、以色列曾開展空基攔截器的助推段攔截系統研究和驗證[14]，主要用于不對稱戰爭中對彈道導彈進行攔截。這種空基攔截器作戰距離較短，要求載機平臺抵近發射，在高強度對抗中實用性不佳，難以構成實質威脅。對于助推-滑翔飛行器，其彈道最高度點附近的區域處于末段高空區域防御系統（terminal high altitude area defense, THAAD）的攔截高度范圍內。THAAD系統主要用來攔截防區內的末段高層目標，攔截距離通常遠小于臨近空間助推-滑翔飛行器的射程，難以觸及縱深部署的遠射程飛行器的高彈道區域。

2.2 中段防御系統

中段防御系統也稱巡航段/滑翔段防御系統。目前可用來攔截臨近空間飛行器的典型防御系統包括“宙斯盾”系統的標準-6 和S-400 反導系統。對于HCV，在進入標準-6 或S-400 的攔截范圍后存在被攔截風險，但二者以迎擊方式超過10Ma速度交會，即使較小的導引信息誤差或目標機動也會導致較大的脫靶量，在高超聲速巡航段的攔截難度較大；對于助推-滑翔飛行器，滑翔體主要在臨近空間內進行跳躍滑翔，中段多處于25～40 km 高度范圍，速度一般在5Ma以上，攔截器需要將交會點控制在射程和射高范圍內，且同樣存在相對速度過大的問題，滑翔中段攔截難度較大。

2.2 末段防御系統

由于有效載荷落速、探測器工作等要求，兩種高超聲速飛行器在接近目標區域都要降高、減速，給防御系統提供了最佳時機。當高超聲速飛行器高度降至20 km 以內，速度減至3Ma以下，標準-6、S-400/S-300、PAC-3、海拉姆等防御系統可以把其當成慣性彈頭或中低空目標進行攔截，具有攔截可行性。考慮到巡航體或滑翔體進入末段時的速度仍然較大，且在中低空可以產生較大的縱向和橫向機動過載，末段攔截仍將產生比攔截低速目標或再入式彈頭更大的需用過載和脫靶量。此外，HCV帶動力飛行可在末段進行大范圍的機動，甚至繞到防御弱點方向進行攻擊，進一步提高突防機率。因此，現有末段防御系統作為最后的屏障攔截，其可靠性依然不夠。

3 臨近空間防御技術發展態勢

整體上，臨近空間高超聲速飛行器對現有防御系統仍具有突防優勢。隨著多型臨近空間高超聲速裝備入役，臨近空間防御薄弱已經引起美、俄等國高度重視，各國正積極開發針對性的臨近空間防御技術與裝備。

3.1 改善現有防御系統的攔截適應性，快速形成反臨近空間基本能力

根據目標特性，國外對防御系統的改進主要圍繞預警探測、指控系統和攔截器本身來開展。

更早地獲取高超聲速飛行器的軌跡可以提高后續軌跡預測的精度。美國啟動了一系列預警探測系統改進工作：一是改進THAAD 系統的AN/TPY-2雷達，使其具備更強的高超聲速導彈探測能力，為攔截器提供更充裕的反應時間；二是對可長時間滯空偵察的MQ-9 無人機進行改造，形成對中高空目標的被動探測能力，戰時可以充當防區外臨近空間目標探測的移動節點；三是新一代天基導彈預警系統將高超聲速飛行器作為關鍵目標，針對其紅外散射特性布置了安裝天基紅外探測系統的4 顆大橢圓軌道（highly elliptical orbit，HEO）衛星和4 顆地球同步軌道（geosynchronous earth orbit，GEO）衛星，彌補陸/海基預警系統對遠距離、大高度目標探測能力的不足［15］；四是美國導彈防御局（missile defense agency，MDA）2018年發布了“高超聲速與彈道導彈跟蹤空間傳感器”（hypersonic and ballistic tracking space sensor，HBTSS）計劃，以設計能跟蹤高超聲速和彈道導彈的天基傳感器。未來美國還將對陸基、海基、空基和天基預警探測能力進行整合，形成一體化的探測預警網絡體系［16］。

在指揮控制系統方面，MDA 基于現有的衛星資源及通信設施，通過改進用于彈道導彈防御體系（ballistic missile defense system，BMDS）的地基雷達和指揮、控制、作戰管理與通信（C2BMC）系統，使其初步具備應對高超聲速武器威脅的能力［15］。同時MDA 還計劃構建天空地一體化的通信系統，使其具備對高超聲速導彈探測預警后的有效指控、管理與通信能力，為防御臨近空間飛行器探測提供通信保障。

在攔截器改進方面，主要對當前防空反導導彈采取增加射程、增加攔截高度和機動能力等措施來提高攔截適應性。2014年，MDA 啟動了增程型薩德系統（THAAD-ER）研究，實現對高超聲速助推-滑翔目標的攔截能力。據悉，通過增加直徑更大的第二級助推器，THAAD-ER 的攔截距離和攔截高度可達基礎型的3倍，攔截范圍可擴大至9～12 倍［17］。在MDA 公布“高超聲速防御武器系統”項目后，洛馬公司提出的“標槍”高超聲速防御武器系統采取基于PAC-3 MSE導彈改進的思路，用于在滑翔末段低層進行攔截，與THAAD-ER 形成分層防御［18］。俄羅斯近年來也采取了一些措施補充反臨近空間能力：一是S-400 防御系統配置的9M96E2 型攔截彈，設計之初就考慮了30 km 高度附近的攔截需求，采用了鴨式布局、燃氣推力矢量控制、末段軌控直接力控制、多點起爆定向戰斗部等技術，與S-300相比，能夠應對更大速度和更強機動的目標，反臨近空間能力得到顯著提升［19-20］。

3.2 開發反臨近空間專項技術與裝備，彌補立體化防御體系短板

針對臨近空間高超聲速飛行器威脅，美國主要推進了兩個防御項目：一個是MDA 主導的“高超聲速防御”項目；二是美國國防高級研究計劃局（defense advanced research projects agency，DARPA）主導的“滑翔破壞者”項目。“高超聲速防御”項目包括“高超聲速防御武器系統”（hypersonic defense weapon system，HDWS）和“區域性滑翔段攔截武器系統”（hypersonic defense regional glide phase weapon system，RGPWS）兩個子項。HDWS 主要用于探索高超聲速武器防御概念，2018年初次授予的21份合同涉及了動能/非動能、陸基/空基/天基、助推段/末段攔截等多種防御概念，2019年優選了4 個動能攔截方案和1個非動能攔截方案，包括洛馬公司的THAAD-ER和“標槍”高超聲速防御系統方案；RGPWS 于2020年公布項目招標書草案，屬于原型設計階段研發項目，主要針對臨近空間助推-滑翔飛行器［16］。DARPA 在2018年發布了“滑翔破壞者”項目的招標文件，主要用于研發可以解決在遠距離、高層大氣內攔截機動式高超聲速飛行器的關鍵技術，第1 階段重點攻關攔截器的關鍵技術，第2階段進行技術集成與演示驗證［15］。

俄羅斯也在新型反導裝備研發中將反臨近空間目標作為關鍵需求。S-500 第五代防御系統可配置適應防空和反導的多種攔截彈，攔截高度包括整個臨近空間，攔截距離將增至600 km，適應目標速度達20Ma。第3 代莫斯科反導系統A-235 配備了遠、中、近程攔截彈，其中近程攔彈（77N6）的攔截高度為15～40 km，攔截距離為350 km，采用常規破片式殺傷方式［18］，幾乎為臨近空間HCV“量身定制”。

歐盟將推進“龍卷風”高超聲速導彈防御計劃，將高超聲速巡航導彈、超聲速滑翔機動飛行器作為攔截對象［19］。除了傳統的動能攔截，定向能武器也被列入反目標武器之列，MDA在“高超聲速防御武器系統”項目第2輪優選的5個方案中就包括雷神公司提出的基于高功率微波武器的“非動力學高超聲速防御概念”。

4 突防策略分析

隨著防御系統的不斷改進，針對性的反臨技術和裝備的逐步應用，臨近空間高超聲速飛行器的突防能力優勢正在逐漸被抵消，需要探索策略性改進。

4.1 程序機動突防向智能機動突防改進

由于特殊的飛行軌跡和氣動熱效應，高超聲速飛行器難以逃避陸基預警雷達和天基紅外探測系統等平臺的網絡化探測。考慮到射程和速度損失，高超聲速飛行器在臨近空間內的程序機動過載并不大，反臨攔截器通過增程和直氣復合控制，可在交會末段產生足夠的法向機動和響應速度來減小脫靶量，程序化機動突防可能失靈。為此，針對臨近空間交會碰撞問題，從增大攔截器的脫靶量出發，將程序化機動向智能機動規避轉變。通過外部數據鏈或自身探測器獲取攔截器數量和運動信息，智能飛行控制系統根據二者交會的導引方法特性，在交會臨界點生成對應攔截器最大需用過載的機動模式和機動方向，采取“攔截器運動-態勢感知-機動策略生成-機動控制實施”的閉環機動方案，實現適時機動、視需機動，以此增大脫靶量，提高突防概率。

4.2 單飛行器突防向集群博弈突防改進

攔截器一旦具備發射條件，單一飛行器面對“二攔一”或“多攔一”的情況時，其突防效果不佳［20-21］。為此，基于智能化和網絡化發展趨勢，引入多飛行器組網協同的博弈對抗思維，高超聲速飛行器以集群發射后在臨近空間內編隊組網，根據對抗態勢可適時變換編隊構型以改變目標特性、分配飛行器偏離射面以誘騙掩護主攻飛行器，甚至根據對抗強度指派飛行器主動犧牲并碰撞掩護編隊，從而提高集群對抗的綜合突防效能。

4.3 利用臨近空間誘餌增加防御成本

隨著智能化、無人化裝備發展，強國之間的對抗很大程度上是高科技裝備的消耗戰。防御方將臨近空間作為攔截的關鍵窗口，對此可利用該空間內的氣體環境特性，助推-滑翔飛行器可攜帶伴飛式誘餌，在下滑段密集施放后可以產生和母體相似的軌跡和速度特性，從而導致防御系統攔截器過量發射，同時也干擾攔截器的目標選定，增大母體的生存機率。

4.4 更加注重電子干擾的應用

臨近空間飛行器可根據外形和結構特點，在滑翔體或助推器上安裝電子干擾裝置，結合軌跡特點和探測器協同工作，干擾防御系統火控雷達和攔截器探測器的工作，使其不能截獲目標，從而使攔截器不滿足發射條件或發射后無法準確命中。

5 結束語

臨近空間高超聲速飛行器已經被視為未來高科技戰場上的關鍵裝備，各主要強國針對其目標特性正在積極研發針對性的防御技術和裝備，其突防性能優勢面臨新的威脅。通過分析臨近空間高超聲速飛行器的突防能力特征和防御技術發展態勢，探討了可以采取的突防改進策略，為臨近空間攻防對抗技術發展提供參考。