天基紅外系統(tǒng)對滑翔式高超目標探測性能分析

劉曉磊,董小萌,王 通,王虎妹,王世濤

(中國空間技術(shù)研究院總體部,北京 100094)

1 引 言

臨近空間高超聲速飛行器是未來具有顛覆性的全球打擊武器。近年來,高超武器的連續(xù)試飛成功給防空反導系統(tǒng)帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。高超武器是一種新研制的空天武器,其區(qū)別于彈道導彈以及空中目標,傳統(tǒng)防空反導系統(tǒng)難以實現(xiàn)對其有效預(yù)警探測,對高超目標探測技術(shù)研究意義重大。

天基系統(tǒng)具有“站得高、看得遠”特點,且不受國界限制,對此類高速目標探測相比于地基探測系統(tǒng)優(yōu)勢明顯,據(jù)調(diào)研分析,美國早在20世紀60年代就提出并實施采用天基系統(tǒng)探測彈道導彈目標的計劃(天基紅外系統(tǒng))。因此,天基探測是未來實現(xiàn)高速目標探測的有效途徑之一。本文以HTV-2助推滑翔類高超目標為探測對象,針對目標全程特性分析,以天基紅外系統(tǒng)為探測系統(tǒng),開展了天基紅外系統(tǒng)對滑翔類高超目標全程探測的可行性分析工作。

2 高超目標特性分析

當前,臨近空間高超目標主要分為兩種類型,一種是類似HTV-2的助推滑翔類高超目標,其采用運載火箭發(fā)射到一定高度,后進入大氣層做類似“打水漂”的滑翔運動,該類目標速度最大可達20 Ma(即20倍聲速),后續(xù)將詳細介紹目標特性；另一種是主動巡航式高超目標,典型的是X-51A目標,該類目標具有超燃沖壓發(fā)動機,可主動巡航,速度為3～5 Ma[1]。本文的高超目標探測主要是針對速度達到20 Ma的助推滑翔類高超目標。

2.1 HTV-2目標運動特性分析

被動滑翔類臨近空間高超目標飛行全過程可分為助推段、再入段、滑翔段,圖1為HTV-2典型飛行剖面示意圖。

圖1 HTV-2飛行剖面示意圖Fig.1 The flight section of HTV-2

各階段運動特點如下:

(a)助推段

助推段指從運載火箭起飛至HTV-2與火箭分離的階段,此階段類似于衛(wèi)星的發(fā)射階段,首先運載火箭點火起飛,當達到預(yù)定高度和速度后,與HTV-2分離,隨后HTV-2進入再入段。

根據(jù)美國開展試驗的HTV-2計劃情況,助推段特征:

分離點高度:約150 km

飛行距離:1000 km～1800 km

分離時間:約5 min

(b)再入段

再入段是指HTV-2與運載火箭分離后,由150 km高度再入大氣層內(nèi)的階段,此階段目標為自由滑行狀態(tài)。該階段的特征為:

滑行高度:150 km(運載分離高度)至60 km(高超滑翔高度)之間；

滑行距離:1800 km～2600 km

滑行時間:6～9 min

(c)滑翔段

滑翔段是HTV-2的主要飛行階段,由于HTV-2特殊的升力體構(gòu)型,保證了其能夠進行無動力滑翔,根據(jù)目前資料分析,其滑翔段的主要特征為:

滑翔高度:30 km～60 km

滑翔距離:3000 km至上萬千米

滑翔速度:約20 Ma

滑翔時間:10 min～50 min

2.2 HTV-2目標輻射特性分析

(a)助推段

由上面的分析可知,高超目標助推段由常規(guī)的火箭發(fā)動機推動飛行,其紅外特性與彈道導彈類似,發(fā)動機噴焰是主要的輻射源。根據(jù)調(diào)研結(jié)果,導彈主動段在2.7～2.95 μm波段輻射強度為50000 W/sr,4.2～4.45 μm波段為40000 W/sr。

(b)再入段

高超目標與運載火箭分離后,最初一段時間將延續(xù)在整流罩中狀態(tài),沒有經(jīng)過大氣摩擦生熱,屬于常溫目標。其溫度變化特性與常規(guī)彈頭類似,在太陽輻照、自身紅外輻射及地球輻照等綜合作用下溫度慢變,由于滑行時間短,溫度變化不大,紅外輻射以長波為主。

假定彈頭溫度300 K,以黑體輻射定律計算,其中心波長位于10 μm,根據(jù)中遠程彈頭發(fā)射率0.7,高超彈頭面積2 m2,可計算得出其再入段8～10 μm紅外輻射強度為39 W/sr,8～12 μm紅外輻射強度為77.2 W/sr。

(c)滑翔段

滑翔段的高超目標進入高超音速飛行階段,在30～60 km高度高速飛行時,彈體與大氣摩擦生熱,致使彈體的溫度很高。圖2為飛行高度50 km,速度15 Ma的HTV-2流場分析結(jié)果,從圖中可以看出,彈體溫度為1000～2000 K左右。根據(jù)調(diào)研,HTV-2滑翔段3.7～4.8 μm輻射強度為4000～10000 W/sr(不同俯仰、方位角下目標特性不同)[2-4]。

圖2 HTV-2流場仿真分析結(jié)果Fig.2 HTV-2 flow emulation analysis result

3 天基紅外系統(tǒng)對高超目標探測可行性分析

3.1 天基紅外系統(tǒng)簡介

(1)高軌預(yù)警系統(tǒng)

天基紅外系統(tǒng)由高軌預(yù)警系統(tǒng)和低軌預(yù)警系統(tǒng)組成,根據(jù)資料調(diào)研,高軌預(yù)警系統(tǒng)包括4顆GEO衛(wèi)星和2顆HEO衛(wèi)星。GEO衛(wèi)星主要實現(xiàn)全球中低緯度地區(qū)的覆蓋,HEO衛(wèi)星主要實現(xiàn)對北極地區(qū)的覆蓋。由于資料有限,對于高軌預(yù)警衛(wèi)星星座軌道詳細參數(shù)尚不清楚,只是一些研究文獻對其可能的星座構(gòu)型進行了推測分析。尤其對于HEO衛(wèi)星,其可能的軌道參數(shù)如表1所示。

表1 美國HEO預(yù)警衛(wèi)星一種可能的軌道參數(shù)Tab.1 One possible orbit parameter of HEO satellites

高軌預(yù)警衛(wèi)星配備大區(qū)域掃描載荷,其中GEO衛(wèi)星載荷視場可達10°×20°,HEO載荷視場為15°×15°。兩類衛(wèi)星載荷均采用大氣吸收波段(2.7 μm、4.3 μm)對彈道導彈主動段進行探測發(fā)現(xiàn),采用此波段的原因是,一方面,此波段為導彈尾焰的發(fā)射峰波段,目標特性強；另一方面,此為大氣吸收波段,當導彈飛離地面一定高度時,大氣將地面復(fù)雜背景吸收,探測背景簡單,目標與背景形成較大對比度,信噪比高。

(2)低軌預(yù)警系統(tǒng)

美國的低軌預(yù)警系統(tǒng),又稱STSS系統(tǒng),STSS主要任務(wù)是對中段導彈進行跟蹤識別,提供技術(shù)情報。根據(jù)文獻[5-7]的研究,認為STSS采取的是Walker-Delta構(gòu)型,由20～30顆衛(wèi)星組成。一種假設(shè)的星座軌道為,低軌預(yù)警系統(tǒng)由3個軌道面的24顆衛(wèi)星組成(每個軌道面8顆),均采用太陽同步極地近圓軌道,軌道傾角90°,軌道高度為1600 km,其架構(gòu)可描述為24/3/1[5-7]。

STSS每顆衛(wèi)星都配置大視場掃描的捕獲相機和帶有二維指向機構(gòu)的凝視跟蹤相機,工作波段包括短波紅外、中波紅外和長波紅外等多個波長。捕獲相機可實現(xiàn)對助推段導彈和中段目標的初始捕獲,跟蹤相機主要實現(xiàn)目標持續(xù)跟蹤。根據(jù)資料調(diào)研,跟蹤相機本身視場為3°×3°,二維指向范圍為方位向360°,俯仰向60°(+15°～-45°)。

根據(jù)上述分析,結(jié)合高超目標與彈道導彈特性類比,天基紅外系統(tǒng)的高軌部分主要面向?qū)椫鲃佣蔚脑缛疹A(yù)警,可擴展至對高超目標助推段的早期探測。低軌部分搭載指向跟蹤相機,且面向彈道導彈主動段初始捕獲和中段低溫彈頭探測跟蹤,可應(yīng)用于高超目標再入段及滑翔段的探測及跟蹤。

3.2 天基紅外系統(tǒng)對高超目標探測覆蓋性分析

探測覆蓋性分析與觀測模式息息相關(guān),而觀測模式需要綜合考慮目標背景特性及載荷能力。首先分析天基紅外系統(tǒng)對高超目標不同運動階段的觀測模式。

3.2.1 觀測模式

(1)助推段

基于高超目標特性分析,滑翔式高超目標助推段與導彈/火箭主動段相同,天基紅外系統(tǒng)對此階段目標觀測模式以地球為背景,采用大氣吸收波段(2.75～2.95 μm,4.2～4.45 μm)進行探測，其探測模式如圖3所示。

圖3 助推段目標探測模式示意圖Fig.3 Detection mode of launch phase

(2)再入段初期

再入段初期目標輻射強度較小,若以地球為背景進行探測,目標很可能會湮沒在地球較強的背景輻射中,因此再入段目標探測應(yīng)以深空為背景進行探測。如圖4所示,根據(jù)再入段目標飛行高度,目標探測區(qū)域為以目標視線下界切90 km高度線,視線上界切150 km高度線之間的以深空為背景的區(qū)域。

(3)再入段后期及滑翔段

目標再入大氣層后,與大氣層劇烈摩擦,目標本體溫度升高,滑翔段溫度可達2000 K左右,目標紅外輻射特性明顯。再入段后期及滑翔段可采取對地和對臨邊探測,如圖5所示,探測區(qū)域為以目標視線下界切30 km高度線,視線上界切80 km高度線的以地球和大氣臨邊為背景的區(qū)域。

圖4 再入段目標探測模式示意圖Fig.4 Detection mode of reentry phase

圖5 滑翔段目標探測模式示意圖Fig.5 Detection mode of glide phase

3.2.2 覆蓋性分析

(1)助推段

高軌預(yù)警系統(tǒng)對高超目標助推段早期探測,文獻[6-7]已經(jīng)分析過,GEO可實現(xiàn)全球中低緯度地區(qū)的雙重覆蓋,HEO彌補對北極地區(qū)的覆蓋。也就是說,高軌預(yù)警系統(tǒng)可實現(xiàn)對全球(除南極)的覆蓋。

(2)再入段初期

再入段探測由低軌預(yù)警系統(tǒng)完成,根據(jù)調(diào)研的低軌預(yù)警系統(tǒng)星座及載荷參數(shù),結(jié)合再入段初期觀測模式,分析低軌預(yù)警系統(tǒng)對目標不同運動高度的空間覆蓋性如圖6所示。

從圖中可以看出,低軌系統(tǒng)對高超目標再入段典型運動高度,北緯各緯度一重覆蓋性優(yōu)于85%,二重覆蓋優(yōu)于50%,部分緯度可實現(xiàn)100%覆蓋。

圖6 低軌系統(tǒng)對目標再入段覆蓋性分析Fig.6 Space coverage performance of reentry phase detection by STSS

(3)再入段后期及滑翔段

同樣,基于再入段后期及滑翔段觀測模式,分析低軌預(yù)警系統(tǒng)對目標不同運動高度的空間覆蓋性如下所示。

從圖7中可以看出,低軌系統(tǒng)對高超目標滑翔段運動高度,北緯全緯度可實現(xiàn)100%一重覆蓋,北緯40°以上可實現(xiàn)100%二重覆蓋。

圖7 低軌系統(tǒng)對目標滑翔段覆蓋性分析Fig.7 Space coverage performance of glide phase detection by STSS

3.3 天基紅外系統(tǒng)對高超目標探測能力分析

高超目標助推段與彈道導彈主動段目標特性相同,目前天基紅外系統(tǒng)高軌部分可實現(xiàn)對助推段的探測,信噪比滿足檢測處理要求。再入段目標與彈道導彈中段類似,屬常溫弱目標,輻射強度約幾十瓦每思,低軌跟蹤相機采用長波波段以深空弱輻射背景,可實現(xiàn)對再入段目標探測,探測信噪比滿足檢測要求。

對于滑翔段目標,對地探測時,為復(fù)雜背景下的點目標探測,信噪比計算分析公式如下:

相關(guān)參數(shù)說明如下:

調(diào)研的低軌預(yù)警衛(wèi)星相關(guān)參數(shù)如表2所示。

基于低軌衛(wèi)星相關(guān)參數(shù),結(jié)合modtran仿真計算的背景輻射、大氣透過率結(jié)果,以及根據(jù)光學系統(tǒng)參數(shù)利用zemax計算分析的能量集中度,采用上述公式,計算了中波3.7～4.8 μm,不同觀測視角下的,對滑翔段高超目標的探測信噪比,如表3所示。

表2 低軌衛(wèi)星相關(guān)參數(shù)Tab.2 The parameter of STSS satellites

表3 探測信噪比計算結(jié)果Tab.3 Analysis of SNR for space-based detection

從上表中可以看出,低軌預(yù)警衛(wèi)星跟蹤相機采用3.7～4.8 μm時,對滑翔段高超目標探測信噪比較高。

4 結(jié) 論

根據(jù)調(diào)研的天基紅外系統(tǒng)相關(guān)參數(shù),通過分析,可以得出以下結(jié)論:

(1)高軌預(yù)警系統(tǒng)可實現(xiàn)對全球(南極除外)助推段高超目標的預(yù)警探測；

(2)低軌預(yù)警系統(tǒng)可實現(xiàn)對目標再入段典型高度,北緯所有緯度85%以上一重覆蓋,50%以上二重覆蓋,部分區(qū)域100%覆蓋；對滑翔段典型高度,北緯所有緯度100%一重覆蓋,北緯40°以上100%二重覆蓋。

(3)低軌預(yù)警系統(tǒng)跟蹤相機對再入段及滑翔段高超目標具備一定探測能力。

本文僅從覆蓋性及探測能力角度分析了美國天基紅外系統(tǒng)對助推滑翔類高超目標的探測可行性。針對高超目標全程跟蹤性能未進行分析研究,后續(xù)將作為一項重點研究工作。