軍用直升機主動防御系統及其關鍵技術分析*

史志富

(1.航空工業慶安集團有限公司，陜西 西安 710077;2.西安航空學院，陜西 西安 710077)

0 引言

軍用直升機不受地形限制，能夠低速低空飛行，能夠機動靈活地執行多種任務，是陸軍航空兵執行突擊登陸、救護運輸、偵察搜索、指揮控制等多種任務的主戰裝備[1]。根據作戰用途不同，軍用直升機可分為武裝、運輸和戰勤三大類。除武裝直升機在機上安裝有武器系統可用于攻擊和戰斗外，運輸和戰斗勤務類直升機通常沒有加裝裝甲和自衛武器，容易成為敵方攻擊的對象。

在現代戰爭中，軍用直升機為配合地面部隊作戰，一般要在低空、戰斗前沿或敵方縱深地域執行任務，面臨的威脅主要是地面的防空導彈、重型機槍和便攜式火箭助推榴彈發射器(rocket propelled grenade,RPG)等[2-3]。對于防空導彈，目前直升機的主要對抗措施是采用電子干擾機干擾、箔條/紅外誘餌彈誘騙等軟殺傷手段，但是隨著導彈抗干擾能力的提升，對其干擾和誘騙不但成本高，技術復雜，而且效果越來越差；對于高射機槍、RPG等直射型無制導武器，直升機的干擾和誘騙手段是不起作用的，唯一的措施是靠飛機的機動能力進行機動規避。但是直射型無制導武器通常是近距離隱蔽發射，對其早期的預警和探測難度大，一旦命中直升機幾無生存可能。

借鑒目前裝甲車輛的主動防御技術、艦船反導防護技術等為作戰支援保障類飛機提供主動攔截手段的機載主動防御系統應運而生，發展主動防御技術正成為一種新概念手段。與機動規避/軟殺傷手段相比，主動防御從根本上改變、甚至顛覆了傳統的直升機防護模式，使其由消極被動的躲避、干擾、誘騙，轉向積極主動的探測、跟蹤、消滅來襲威脅，突破傳統思想觀念給軍機防護技術帶來的桎梏，給軍機防護能力帶來革命性的提升。

1 主動防御系統的原理與需求分析

1.1 直升機主動防御系統的基本原理

主動防御系統(active protection systems,APS)，是指通過探測裝置獲得來襲彈藥(反坦克導彈、火箭彈)的運動特征，然后通過計算機控制對抗裝置，使來襲彈藥無法直接命中被防護目標的系統。直升機的主動防御原理與地面裝甲車輛的主動防御原理類似，均是按照OODA環的方法分為探測、識別、決策和行動環節。其基本原理是飛機在執行任務過程中，依靠預警探測設備對任務區域進行警戒搜索，當探測到來襲目標后，由綜合控制單元根據來襲目標的光電特征和運動特征進行目標的識別、態勢估計和威脅判斷，并對有威脅的目標進行航路濾波和預測，計算來襲彈藥的空中“提前命中點”和攔截裝置的發射諸元，適時將射擊信息和指令發送給攔截單元發射攔截彈藥，完成對來襲目標的攔截，其原理如圖1所示。

圖1 主動防御系統原理圖Fig.1 APS schematic diagram

1.2 直升機主動防御系統的功能需求

按照主動防御系統的原理，直升機的功能需求包括預警探測、指揮控制和發射攔截3個方面。

(1) 預警探測

預警探測單元應該能夠利用光電、激光等探測和告警設備完成對地面RPG、便攜式導彈等非合作目標的探測；能夠在發現目標后及時進行目標識別及時發出預警信號。

(2) 指揮控制

指揮控制單元應該能夠根據非合作目標的信息快速進行來襲航跡建立；能夠根據對非合作目標的態勢評估判斷出目標的威脅程度；能夠對非合作目標未來航跡做出預測；對多個目標應能夠做出攔截分配；能夠計算出空中預定攔截點；能夠計算出攔截單元的發射諸元；能夠做出攔截發射決策。

(3) 攔截發射

攔截發射單元應能夠快速精確隨動到空中預定攔截點；應能夠根據攔截發射指令快速完成發射；攔截彈藥應能夠在預定攔截點以破片、撞擊等方式完成目標攔截；攔截彈藥不應對飛機造成附帶損傷。

1.3 直升機主動防御系統的組成

為滿足主動防御系統的功能需求，主動防御系統組成通常包括預警探測設備、綜合信息處理設備、攔截武器三大部分。其系統組成如圖2所示。

圖2 主動防御系統組成結構圖Fig.2 APS system construction diagram

預警探測設備主要通過光學、紅外、電磁等設備完成對載機環境與來襲彈藥的預警、探測、跟蹤和確認等，是主動防御系統發揮作戰的前提基礎。

綜合信息處理設備主要是對預警探測設備的預警探測信息進行預處理和信息融合，完成對環境和來襲彈藥的識別判斷、態勢綜合、威脅估計，進而根據攔截武器情況作出任務規劃、攔截計算、發射決策、毀傷評估等，同時也負責對系統狀態進行監控顯示和處理，并能與預警探測設備和攔截設備進行雙向信息交互。該子系統通過由態勢顯示設備、信號/任務處理計算機、操控設備和信息傳輸設備等組成，是主動防御系統的信息處理中樞。

攔截武器負責根據綜合信息處理設備的指令控制武器發射裝置瞄準預定攔截點或攔截區，并根據發射指令發射攔截彈藥完成對來襲彈藥的攔截毀傷，通常由武器彈藥、武器發射設備和武器控制設備等構成，是主動防御系統執行攔截的直接力量。

不同的主動防御系統在物理結構上不盡相同，有些是將預警探測設備、攔截設備和綜合信息處理設備分布式地部署于平臺各個部位，便于對平臺進行全方位地預警監視；有些將預警探測設備與攔截武器集成于一體，便于精確攔截。

2 國內外軍機主動防御系統研究現狀

目前主動防御系統大量列裝于坦克等裝甲車輛之上，可以攔截敵方的火箭彈，導彈甚至穿甲彈。比較著名的有以色列拉斐爾先進防御系統(Rafael advanced defense)制造的“戰利品”(Trophy APS)，以色列“鐵拳”(iron fist APS)和美制“鐵簾”(iron curtain)、俄羅斯的“競技場”等[4-5]。但是對于飛機的主動防御系統來說，地面裝甲車輛的主動防御系統由于體積和質量的限制無法直接應用到飛機上。出于實用性方面的考慮，飛機更愿意加裝厚重的裝甲和低空躲避等方式等來對付來自導彈的威脅。截止目前，還沒有成熟的主動防御系統裝備到飛機上，但是作為一種防護理念，國內外一致沒有放棄飛機主動防御技術研究。美國、以色列、俄羅斯等國家一直在進行持續不斷的研究，技術也越來越接近實用化。

2.1 美國

2015年，美國軌道-阿連特技術系統公司(Orbital ATK)研發的世界第一款直升機主動防御系統在美國特種作戰產業大會上亮相[6]，如圖3所示。該系統由一個交戰管理模塊、一個稍加改造的干擾彈發射裝置(例如ALE-47紅外干擾彈裝置)和多枚殺傷飛行器組成，其中殺傷飛行器從干擾彈發射裝置的標準曳光彈/箔條發射管發射。該系統可識別一個來襲威脅，發射并制導1枚殺傷飛行器飛抵某個精確位置，然后引爆戰斗部使來襲RPG失效。該裝置不但小巧輕便，還可以利用現有的ALE-47紅外干擾彈裝置發射，不需要加裝額外的設備，對武裝直升機飛行性能影響小，也可以與原有的紅外干擾彈混合使用。

圖3 美國ATK公司的直升機主動防御系統Fig.3 Helicopter APS of American ATK Corporation

此外，美國還開展了固定翼飛機的主動防御系統研究，如2017年美國諾斯羅普·格魯曼公司提出了一種名為“微型導彈防御系統”的動能主動防御概念[7]，如圖4所示，4a)為微型導彈防御系統在固定翼飛機上的布置圖；4b)為微型發射艙結構示意圖；4c)為微型發射艙位置圖；4d)為微型動能攔截彈對來襲目標的跟蹤攔截示意圖。該概念設想利用隱身戰機裝載的動能攔截彈，在空戰中攔截來襲導彈，用于提升隱身戰機的生存能力。系統主要包括4個部分：機載微型發射艙，配備目標獲取和尋的系統的微型攔截彈，用于捕獲目標威脅的機載傳感器，能夠接收傳感器信號的機載控制器。

圖4 美國微型導彈防御系統Fig.4 Minisize Missile Defense System of American

目前，洛克希德馬丁公司在美國空軍支持下還開展了SHiELD(self-protect high energy laser demonstrator)[8]項目研制,計劃在21世紀20年代中期將其安裝在戰斗機機身或機翼上可以擊落來襲的空對空和地對空導彈。

2.2 以色列

以色列一向重視作戰平臺主動防護技術的發展，不僅是地面裝甲主動防御系統的領導者，其目前在研的“Fliker”使以色列在直升機防護領域再次走在世界最前列[9]。2011年以色列拉法爾武器公司下屬的MANOR技術分部在以色列國防部防務研究發展局的支持下，提出了名為“Fliker”的武裝直升機HAPS主動防御系統的設計原型(圖5)。其作戰原理是與目前的坦克主動防護系統基本相同，也是通過高性能的探測和火控設備，對來襲的導彈和RPG等武器進行快速探測跟蹤、評估其威脅程度、計算最佳攔截點，并在其戰斗部起爆前發射攔截彈將其摧毀或使之偏離目標。戰時，當對來襲武器的各種“軟殺傷”措施均告失敗后，“Fliker”將作為最后一層防御手段使用。按照設計，全套“Fliker”系統將由專門設計的轉塔、攔截武器及控制軟件組成。2011年9月，拉菲爾公司成功地對“Fliker”進行了一次可行性測試，初步驗證了該系統保護直升機免遭RPG之類武器襲擊的能力。

圖5 以色列“Fliker”主動防御系統Fig.5 “Fliker”APS of Israel

圖6 以色列直升機載小型遙控武器站Fig.6 Small RCS for Helicopter of Israel

2014年法國防務展上，以色列杜克機載系統公司展出一款直升機載遙控武器站(圖6)，其具有360°的全方位射擊能力，內嵌一套先進的顯示系統，具備自主作戰能力。可安裝與飛機艙門附近用于支援、運輸類直升機的近程主動防御武器，提高戰術支援類直升機的戰場生存力。

2.3 俄羅斯

俄羅斯也非常重視平臺的防護技術，其地面裝甲車輛的“鶇”、“競技場”等主動防御系統也是處于世界的領先水平。在飛機主動防御領域，早在20世紀60年代蘇聯就研究了利用航炮攔截空空導彈的技術，并研制了AM-23/Gsh-23航炮使用的23 mm榴霰彈，內裝24枚預制彈丸，可在發射后1.4～1.8 s內起爆，將彈丸成球面拋向目標，連續發射多枚可在來襲導彈航路上形成密集攔截彈幕。

3 直升機主動防御系統需要解決的關鍵技術

直升機主動防御系統要解決的問題是易安裝、看得到、瞄的準、打的狠，且在有限的時間內要完成整個作戰過程，所以要求及早發現，快速處理，精準發射。故要使得直升機主動防御系統能夠達到預定作戰能力，需要解決總體集成、目標處理、指揮控制、伺服控制、火力等多項關鍵技術。

(1) 主動防御系統頂層分析與總體設計技術

直升機主動防御系統需要根據攔截目標特征和直升機使用特征，對主動防御系統進行頂層分析，確定系統的需求，構建應用場景和攔截致勝機理，從而確定系統架構和主要設備組成。該工作可按照基于DoDAF的方法進行系統研究，主要確定如下內容：

1) 直升機主動防御系統的系統需求；

2) 直升機主動防御系統的應用場景；

3) 直升機主動防御系統的應用模式與工作機理；

4) 直升機主動防御系統的總體架構與功能分配；

5) 直升機主動防御系統的信息與邏輯關系；

6) 直升機主動防御系統防御效能評價與分析。

(2) 高速近程非合作目標探測與精確跟蹤技術

根據軍用直升機的應用場景，需要對近程高速非合作目標進行預警探測和精確跟蹤，以確定來襲目標的類型、特征、數量等基礎信息，供信息處理單元進行分析判斷和制定攔截策略。其難點是來襲目標通常處于隱蔽狀態，在發現時距離通常較近，為此，需要利用高精度的光電、激光等預警探測設備進行綜合探測和精確跟蹤[10]，需要解決的技術包括：

1) 復雜環境下高速非合作目標的光電探測技術；

2) 高速近程非合作目標的高精度測量技術；

3) 高速非合作目標的軌跡自動穩定跟蹤方法；

4) 高速非合作目標的運動特征提取與屬性識別技術。

(3) 高速非合作目標航跡濾波與預測技術

對軍用直升機的主動防御系統來說，確定來襲目標的航跡是攔截的基礎。確定來襲目標航跡的目的是對航跡進行預測以使得攔截系統提前準備，而要精確的預測航跡就需要根據目標跟蹤數據進行航跡建模和數據濾波，從而進行航跡參數的辨識[11]。對軍用直升機的主動防御系統來說，目標的航跡濾波和預測主要要解決的技術如下：

1) 基于短時少量測量數據的目標航跡構建；

2) 近程高速非機動目標的航跡濾波方法；

3) 近程高速非機動目標的航跡外推方法。

(4) 系統的操作控制與指揮控制技術

操作控制和指揮決策是信息處理的核心功能，對于軍用直升機主動防御系統來說，其需要在秒級或毫秒時間范圍內完成對探測信息的處理和顯示，形成攔截方案，計算出攔截位置和火力發射諸元，根據最新目標信息對攔截參數進行微調，并控制火力攔截單元瞄準預定攔截點，在滿足攔截條件時發出攔截指令[12]。在其設計過程中需要解決的主要技術包括：

1) 基于CAN總線的直升機主動防御系統即時通信方法；

2) 直升機主動防御系統綜合處理單元的設計技術；

3) 直升機主動防御系統任務綜合顯示與綜合技術；

4) 基于多傳感器數據融合的態勢綜合與顯示技術；

5) 基于多屬性決策方法的目標群威脅判斷方法。

(5) 空中攔截計算技術

空中攔截計算結果的準確性直接決定攔擊效果甚至攔截成敗，必須在目標信息綜合處理的基礎上結合攔截火力單元的射擊特效進行綜合快速計算[13]，其結果應給出空中預定攔截位置、火力攔截單元的火力射擊參數并發送給火力攔截單元進行精確隨動。其需要解決的技術包括：

1) 直升機主動防御系統空中“預測命中點”計算方法；

2) 直升機主動防御系統空中攔截射擊火力諸元解算模型與方法；

3) 有限時間下火力隨動單元的高精高速隨動控制技術。

(6) 攔截彈藥的高效毀傷技術

攔截彈藥是否能夠對目標進行有效殺傷是主動攔截系統的關鍵點之一。必須考慮要攔截的目標和攔截彈藥特征，既保證有足夠的毀傷能力，又能不對飛機進行附帶損傷或少量損傷。目前研究的有破片式、沖擊波式或子母彈式等殺傷原理[14-15]，對此應該考慮的技術包括：

1) 高效攔截彈藥的設計技術；

2) 多攔截彈齊射技術；

3) 多攔截彈彈幕形成與保持技術。

4 結束語

隨著直升機作戰應用環境的復雜性增大，未來直升機面臨的威脅也會越來越大，現有的防御性手段急需升級，但是被動防御效果的效費比將會越來越低，直升機主動防御系統是未來提高直升機戰場生存力的關鍵。但是其全面的研究和應用還處于論證階段，本文在研究軍用直升機面臨的主要威脅的基礎上，按照OODA環給出了主動攔截系統的功能需求，通過梳理國內外軍機主動攔截系統的研究狀況和攔截原理的基礎上，形成了軍用直升機主動攔截系統要重點研究的關鍵技術。研究成果可為未來直升機主動防御系統的發展提供技術支撐和理論借鑒。