反高超聲速導彈網格化攔截戰法初步研究 *

王松，邵圣祥，欒曉文，張帥欽

（再入動力學與目標特性實驗室，新疆 庫爾勒 841001）

0 引言

高超聲速導彈以其速度快、精度高、突防能力強等特點，也已成為大國打破戰略平衡、打贏未來戰爭的新型“殺手锏”［1］。識變應變，積極變革，探索提升反高超聲速導彈作戰能力，對于應對國家空天威脅和維護國家安全穩定具有重要意義［2］。目前已有多個國家部署或正在研制高超聲速武器［3-7］，與此同時，世界主要大國爭相發展高超聲速目標防御作戰能力［8-12］。在高超防御體系建設方面，美國強勢領先［13-15］，俄羅斯穩步推進［2］。

當前利用動能攔截彈實施高超聲速導彈防御作戰，需要依賴有效的目標軌跡預報技術［16-17］。因為攔截彈從發射到攔截交會，需要經歷一定時間（通常約百秒量級），所以只有在軌跡預報支援的基礎上，才能實現攔截彈預先發射。目標軌跡預報精度的高低直接影響攔截成功率。大體上，可將攔截彈飛行軌跡分為2 段：一是在火控雷達（或指控中心）引導下達到預定的區域；二是采用自主尋的技術實現彈目交會，即利用KKV（kinetic kill vehicle）實現自主攔截交會。目標軌跡預報可以有效支援攔截作戰，就是因為攔截彈飛行的第一段需要預知攔截交會點的大概位置，而且該位置越精確越有利于KKV 實現自主尋的制導。

在高超聲速導彈防御作戰領域，預警探測方面已有很多公開報道［10，18-19］，但攔截戰法方面鮮有報道［20］。反高超聲速導彈作戰與彈道導彈防御作戰存在很大不同，必須探索新戰法。與彈道導彈相比，高超聲速導彈飛行高度較低，造成防御作戰高度空間被壓縮，又因為機動飛行的特點，導致難以實現目標軌跡的長時間預報。因此，本文提出了分布式網格化攔截戰法，實現了目標短期軌跡預報下的攔截規劃，并結合高超聲速巡航導彈的來襲場景完成了初步演示。

1 反高超聲速導彈攔截戰法轉型的必要性

1.1 反高超聲速導彈攔截作戰的難點分析

高超聲速導彈主要包括助推滑翔式導彈和吸氣式巡航導彈，2 種導彈具有不同的彈道特性，見圖1。圖中可見，高超聲速導彈飛行高度較彈道導彈更低，受地球曲率影響，地基雷達的有效探測弧段較短，這給導彈預警探測和目標指示帶來很大挑戰。

圖1 高超聲速/彈道導彈彈道示意圖Fig. 1 Diagram of hypersonic and ballistic missiles

助推滑翔式高超導彈具有較強的機動特性，而吸氣巡航式可發揮主動飛行優勢（類似于飛機一類的空氣動力目標），可完成橫向轉彎，也就是說二者均具有較好的機動特性，且飛行速度比普通飛機快得多。機動和高速特性的結合，給攔截作戰帶來極大挑戰。總之，在較低空域的高速機動特性，讓現有導彈防御系統難以發揮應有的作戰效能，對現有攔截戰法造成很大沖擊。

1.2 識變和應變，必須探索新的攔截戰法

在攔截彈道導彈過程中，能夠充分利用其軌跡可預報的特點，從而實現地基動能反導作戰。中段反導時，攔截彈通常是守時發射，也就是利用預報軌跡和預定交會點，可預先設定攔截彈的飛行軌跡并完成守時發射。中段反導可實現區域防御作戰，僅需分散部署少數攔截陣地，即可實現國土區域的反導作戰。然而，高超聲速來襲目標的高速機動特性導致中段反導這類作戰樣式不再適用。探索新作戰樣式和戰法，謀求高超聲速導彈攻防兩端的戰略平衡，勢在必行。

2 反高超聲速導彈的網格化攔截戰法

2.1 網格化攔截戰法的提出

考慮高超聲速導彈的多個飛行階段，比較可行的攔截階段是飛行中段，即滑翔段或巡航段。雖然針對高超聲速目標防御作戰已有多方面的論述，但是目前仍然沒有成熟的防御方案。一方面受限于跟蹤探測能力，另一方面受限于對攔截彈性能的苛刻需求，通常需要機動能力達到來襲導彈的2～3 倍，這對攔截彈機動過載能力提出了較高要求。

跟蹤探測方面，隨著低軌傳感器的部署，高超聲速導彈的跟蹤探測正在得到解決。一般要求攔截彈能夠實時追蹤高超聲速導彈的軌跡，利用雷達和紅外導引頭完成自主尋的制導。

在彈道導彈防御作戰中，按攔截高度實現了分層防御的作戰方案，如中段攔截、末段高層攔截和末段低層攔截等。相比之下，高超聲速導彈飛行高度較低，巡航彈基本在30 km 高度內飛行，分層攔截戰法不再適用。此外，高超聲速導彈機動能力強，導致無法制定遠程攔截預案，只能根據短期的軌跡預報靈活制定攔截方案。當攔截方案只是面向短期目標時，對攔截彈的機動過載性能要求就會有所降低。因此，提出了分布式網格化攔截戰法。在地面部署多個攔截器（和探測器），形成防御作戰網格，當來襲高超聲速導彈飛入防御網格后，任憑其如何機動飛行，都在攔截網格防御范圍內。

2.2 新戰法的可行性和優勢分析

網格化攔截戰法離不開對來襲目標的短期軌跡預報，而基于短期軌跡預報的攔截作戰規劃是可行的。通過短期軌跡預報，比如100 s 的預報時長，可有力支援攔截規劃。高超聲速導彈雖然號稱機動能力強，但受限于發動機能力和目標運動慣性，其轉彎不可能是直角，必然存在較大的轉彎半徑。況且機動飛行對導彈本體結構沖擊較大，巡航式機動飛行油耗猛增，導致目標不可能無限制進行飛行機動。因此，短期軌跡預報結果通常是可信的，結合攔截器網格的優化部署，短期軌跡預報能夠有效支撐攔截作戰規劃。

網格化攔截戰法體現了分布式作戰思想，作戰彈性足，抗毀能力強。“星鏈”模式讓全世界看到分布式組網的巨大優勢，即便在戰時某些載荷受到強電磁干擾甚至失效，也不影響“星鏈”整體效能的穩定發揮，這種作戰優勢已經在俄烏沖突中得到了實戰驗證。采用網格化攔截戰法能夠發揮分布式作戰優勢，滿足反導作戰的抗毀傷與快速反應需求，在若干節點無法響應作戰時，能夠通過即時最優式作戰管理來確定當前作戰網格的最優攔截規劃，從而達成既定作戰目的。

網格化攔截戰法可發揮體系作戰優勢，并通過降低單個攔截器的性能指標，顯著降低攔截器單價。在中段反導作戰系統中，攔截武器自身技術先進、作戰能力突出，但造價十分昂貴，且中段反導作戰配屬的高精度火控雷達同樣是價值不菲。如果不求革新，單純照搬中段反導的作戰模式，就無法實現反高超聲速導彈的國土防御作戰，起碼經濟上是負擔不起的。而網格化攔截戰法可有效降低單個攔截器的性能需求。因為高超聲速導彈飛行高度較低，所需攔截器具備中短程攔截能力即可（如射程200 km），如此可顯著降低單枚攔截器成本（例如美軍陸基中段反導攔截彈單枚成本達到1.09 億美元，而“愛國者”攔截彈單枚造價約300 萬美元）。依靠大批量生產和模塊化組裝及維護保養，可進一步降低單枚攔截彈的成本。因此，網格化部署雖然所需攔截器數量多，但單價的顯著降低，為控制建設成本提供了一種可能。

2.3 攔截器網格化部署模型

確定網格尺度大小需要綜合考慮攔截器性能參數和攔截成功率等因素，可歸納為一種多約束條件下的最優化問題。網格劃分越密，越容易達成作戰目的，但費效比也越高。以正方形網格為例，建立如下估計模型。

假設當來襲目標進入攔截網格上空時，需要保證實時不少于n個網格節點處的攔截彈具備攔截條件，可得到約束關系為

其中：x為網格邊長；Rx為有效攔截斜距；R為地球半徑；h為來襲導彈飛行高度，a取值由n決定，當n=1時，，當n=2 時，a= 1。

該約束條件代表的幾何關系見圖2，其中ax為來襲目標對應的經緯度位置（導彈星下點）到攔截器網格節點的大地線長。攔截器位于正方形網格節點處，考慮星下點與攔截器網格的位置關系，不難得到，如果星下點位于網格中心（圖中n=1 的情況）時具有至少1 枚攔截彈的攔截條件，那么對于其他位置的星下點也滿足至少1 枚可攔截的需求。同理可分析n=2 的情況。實際上，a代表幾倍的網格邊長，從約束關系來看，a取值越小，可取的網格邊長越大。

圖2 2 種情況下計算攔截器部署網格邊長示意圖Fig. 2 Diagram of interceptor deployment grid size computation with two cases

攔截器部署網格邊長隨攔截器攔截斜距和導彈高度的變化結果如圖3 所示。可見網格邊長隨來襲導彈高度增大而緩慢變小，網格邊長主要受制于攔截彈的有效攔截斜距。隨著攔截斜距增大，網格邊長顯著增大。2 個點位可攔截約束下的網格邊長小于1 個點位情況，且差距隨著攔截斜距的增大而變大。

圖3 網格邊長隨攔截斜距和導彈高度的變化Fig. 3 Grid size versus interceptor slant-range and target height

根據上述計算模型，可制定攔截器網格化部署方案。例如，當攔截器最遠攔截斜距為200 km、來襲導彈高度不超過40 km 情況下，攔截器部署網格邊長上限為195 km，在緯度方向大概跨越1.75°。攔截器有效攔截斜距受到彈道有效預報時長的影響，有效攔截斜距不超過平均飛行速率與預報時長之積，提高攔截器飛行速度和提高有效預報時間，都可以提升有效攔截斜距。從另一方面講，如果有效預報時間不超過100 s，那么攔截器的射程設計指標應當參考平均飛行速度而定。例如，如果平均飛行速度為2 km/s，那么其射程設計指標僅需滿足攔截斜距200 km 即可。

2.4 基于短期軌跡預報的攔截規劃流程

利用天基低軌傳感器網絡實現對來襲導彈目標的實時探測，并結合攔截彈的火控雷達，獲取來襲導彈的實時位置、速度信息。利用目標軌跡短期預報算法，將來襲導彈的軌跡實時外推預報100 s。對攔截彈飛行軌跡進行動力學建模，得出當前預報軌跡上的可行交會點、攔截窗口和交會參數（如交會角度、相對速度、經緯度等）。根據交會參數進行攔截任務快速規劃，確定出用幾個攔截點的幾發攔截彈實施攔截。各個攔截點實時共享規劃結果并完成攔截彈守時發射。攔截彈發射后，按預定交會點飛行，在預定交匯點與實際偏差小于一定閾值時，適時開啟自主尋的并完成自主攔截。

在特殊情況下指揮員可進行否定式干預，終止攔截彈發射。利用天基傳感器和地基探測設備及時評估攔截效果，如果不成功，則快速規劃下一次攔截。直到所有來襲導彈被攔截，攔截任務規劃流程詳見圖4。

圖4 基于短期軌跡預報的攔截規劃流程Fig. 4 Intercept process using short-term trajectory prediction

3 某作戰場景下的網格化攔截運用與分析

想定強敵從海上發射高超聲速巡航導彈襲擊我內陸關鍵目標。來襲導彈的飛行彈道在上海地區出現了大范圍橫向機動，如圖5 中虛線所示。預定的多個攔截點部署情況見圖中“mx-x”格式的標注，攔截點部署網格邊長為195 km。

圖5 攔截態勢Fig. 5 Example of intercept situation

通過目標軌跡的短期實時預報，可得到來襲導彈飛行的預報彈道見圖5 中彩色軌跡。以“m8-10”攔截點為例，從發射點到交會點先后存在多個可行的攔截彈飛行軌跡（從右向左）。由于來襲導彈的橫向機動，導致首批攔截交會點與目標實際位置存在較大偏差，此時依靠后續攔截仍然能夠完成攔截任務。即便“m8-10”錯失攔截機會，下一網格點“m7-9”仍可遂行攔截任務。

假設單枚攔截彈的攔截成功率為p，每次攔截規劃n1枚攔截彈實施攔截任務，共攔截n2次，那么最終攔截成功概率為，式中指數項n2體現出網格化分布式攔截的優勢。當總攔截成功率P=99%時，單枚攔截彈攔截概率p隨n1和n2的變化關系見表 1。可見當攔截規劃3 次，每次發射2 枚攔截彈，僅需單枚攔截概率約0.54 即可達到99%的攔截成功率。因此，網格化攔截戰法可降低對單枚攔截彈的性能要求。

歸納作戰規劃原則為：①首次預報軌跡后，具備攔截條件，應攔盡攔；②優先選擇交會窗口近的攔截點實施攔截；③當前預報軌跡上交會點太晚，等待5 s 再次攔截規劃；④發現目標機動（如偏出預報位置超過2 km），立即再次攔截規劃；⑤無機動可待攔截評估做決策。

表1 達成攔截概率99%情況下所需單枚攔截彈成功率Table 1 Needed interception success rate for one interceptor when meeting the 99% total success rate

4 結束語

當前，高超聲速導彈技術迅猛發展，為維持大國競爭優勢和戰略平衡，反高超作戰力量建設也應提上日程。應對高超聲速導彈威脅，必須做到識變和應變，打破原有反彈道導彈的作戰思路。彈道導彈防御中，通常采用分層攔截方案，而高超聲速導彈巡航/滑翔飛行高度較低（20～40 km），需要創新攔截手段。為此，提出了反高超聲速導彈的網格化攔截戰法，以期實現由分層防御向分布式防御的轉型發展。

網格化攔截戰法體現了分布式作戰思想，滿足作戰彈性和快速響應需求。該戰法可發揮體系作戰優勢，降低對單個攔截武器的性能需求，從而顯著降低單枚攔截器成本。給出了攔截器網格化部署模型，和基于短期軌跡預報的攔截規劃流程。通過作戰推演，初步完成了網格化攔截戰法的模擬，并歸納了攔截規劃戰法原則。其核心是基于目標軌跡短期預報的攔截任務規劃，利用攔截器的網格化分布式部署，根據來襲目標的短期預報彈道，可有效應對高超聲速目標機動飛行帶來的不確定性威脅。