臨近空間高超聲速飛行器目標特性及突防威脅分析

余協(xié)正，陳 寧，陳萍萍，陳 亮，劉國生，楊梅森

(中國航天科工集團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)在臨近空間高度進行持續(xù)飛行且能完成指定任務的飛行器，稱為臨近空間高超聲速飛行器[1]。目前，世界主要工業(yè)強國都對臨近空間高超聲速飛行器投以相當?shù)难芯烤ΓR近空間高超聲速飛行器已經從早期的概念與原理探索階段逐步進入到以高馬赫數(shù)作戰(zhàn)飛機、導彈為應用背景的先期技術開發(fā)與演示驗證階段。可以預見，隨著臨近空間高超聲速飛行器的快速發(fā)展，臨近空間的攻防對抗也將拉開序幕并呈現(xiàn)日趨激烈的態(tài)勢。雖然臨近空間高超聲速飛行器具有機動靈活、高速飛行等優(yōu)勢，且從當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，目標可探測距離會大大增加；與此同時，臨近空間高超聲速飛行器在無動力滑翔或巡航段彈道的飛行時間較長，留給攔截系統(tǒng)的時間窗口較大，在該段成功實施攔截的可能性更大[3]。

本文通過對臨近空間高超聲速飛行器兩種典型技術體制的對比，分析了不同體制臨近空間高超聲速飛行器的目標特性及其與傳統(tǒng)彈道導彈和巡航導彈的差異，并對臨近空間高超聲速飛行器當前及將來可能面臨的突防威脅進行梳理與分析。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措施和突防裝備。

1 臨近空間高超聲速飛行器典型技術體制介紹

目前，臨近空間高超聲速飛行器按飛行動力來源主要分為兩大類[4]：第一類是高超聲速助推-滑翔飛行器，如美國開展演示驗證項目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，如美國開展演示驗證項目X-51A高超聲速助推巡航飛行器。下面分別以美國的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情況。

1.1 高超聲速助推-滑翔飛行器

HTV演示驗證項目是由美國空軍和DARPA共同承擔研制的[5]。HTV項目的目的是發(fā)展驗證高超聲速飛行器技術，以支撐快速全球到達任務，其發(fā)展的飛行器是可重復使用的類航空器外形的高超聲速飛行器，能夠在普通機場起飛和降落。HTV項目始于2003年，是美國全球快速打擊計劃的重要項目，計劃演示驗證三種飛行器：HTV-1、HTV-2和HTV-3。HTV-3飛行器由于2009年美國國會削減財政預算而被迫擱淺，DARPA只好轉而開發(fā)HTV-2。HTV-2是FALCON項目中研制的第二代飛行器，屬于無動力高超聲速飛行器。HTV項目涉及到高升阻比氣動外形技術、輕質高溫材料技術、熱管理技術、導航和自動飛行控制技術以及渦輪組合循環(huán)發(fā)動機(TBCC)技術等眾多關鍵技術。2010年4月，HTV-2進行了首次發(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，經過再入段、拉升段，HTV-2任務按計劃進展，進入滑翔段，后因無法獲得飛行器的遙測信號而失敗。在失去信號前，DARPA收集到了約9 min有價值的飛行數(shù)據。HTV-2試驗飛行器如圖2所示，整體為乘波體構型，飛行器總長為3.05 m，最大寬度為1.17 m，總質量為908 kg。HTV-2飛行試驗規(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飛行試驗規(guī)劃的飛行剖面示意圖

作為技術驗證與數(shù)據收集平臺，HTV-2主要針對長航時高超聲速飛行所需的三大關鍵技術開展研究：氣動特性、氣動熱效應以及制導、導航與控制。通過對HTV-2飛行器建模與仿真、風洞試驗以及兩次飛行試驗獲得高超聲速數(shù)據，以應用于美國國防部常規(guī)快速全球打擊計劃之中，最終獲得在2 h內到達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。首先，HTV-2的第一次飛行試驗創(chuàng)造了許多“第一”：

1)使用了當時最大數(shù)量的地面、海上、空中以及太空數(shù)據收集平臺，收集了獨特的飛行數(shù)據，其中包括139 s的Ma數(shù)為17～20的氣動數(shù)據；

2)當以5794 m/s的速度飛行時可以維持GPS信號；

3)驗證了與飛行器雙向通信；

4)檢驗了直接力控制系統(tǒng)(RCS)的有效使用。HTV-2第二次試飛則成功驗證了能夠以Ma數(shù)為20的速度穩(wěn)定控制飛行長達3 min，驗證了飛行器氣動設計，并揭示了有關飛行器熱材料特性的新的認知。

HTV-2的研究成果不僅可直接應用于助推-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鍵技術，同樣會極大地促進高超聲速巡航導彈、高超聲速飛機、空天飛行器相關項目的推進。

1.2 高超聲速助推-巡航飛行器

20世紀90年代，美國軍方啟動全球敏捷打擊計劃，該計劃旨在未來美國必須具備能針對各種稍縱即逝的時間關鍵目標(又稱時敏目標)，在1 h內甚至數(shù)分鐘內做出反應，并用高超聲速武器實施致命打擊。為此，美國國防部探索和研制了各種先進的能夠全球打擊時敏目標的高技術武器，X-51A計劃也隨之應運而生[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彈打擊戰(zhàn)區(qū)時敏目標，實施常規(guī)快速全球打擊，邁出了重要的一步。

2013年5月1日，美國空軍X-51A乘波者試驗項目最后一次飛行試驗獲得突破性進展，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飛機升空(如圖4所示)，飛行員克服了最小燃油的限制，使轟炸機爬升至15.2 km，在到達香奈爾島南側和圣尼古拉斯島西北側的發(fā)射點之后，X-51A被釋放，此時速度Ma數(shù)為0.8。固體火箭點火，推動長度為7.6 m的飛行器飛行了29 s，直到其到達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)動機通過乙烯啟動。之后發(fā)動機轉換為JP-7碳氫燃料，成功突破2011年6月第二次試驗時的故障點，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)動壓，峰值加速度超過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，只不過燃料耗盡。發(fā)動機關閉后，隨后在400 s左右，飛行器開始無動力滑行下降，墜落在加州西部太平洋試驗場的海域中。這臺無動力的飛行器進行了各種“參數(shù)驗證”的機動飛行，以驗證其氣動操控性。X-51A試驗飛行器如圖5所示，包括巡航飛行器、超燃沖壓發(fā)動機、連接器以及火箭助推器，整體稱為飛行演示器。飛行器總長為7.62 m，最大寬度為0.58 m，發(fā)動機流動通道寬度為0.23 m，總質量為1780 kg，其中巡航器長度為4.27 m，質量為671 kg。X-51A飛行試驗規(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

圖5 X-51A飛行器

圖6 X-51A飛行試驗規(guī)劃的飛行剖面示意圖

X-51A的試飛成功將為美國空軍研究實驗室的高速打擊武器項目(HSSW)提供助力，項目負責人布林克表示：“我們預測超燃沖壓發(fā)動機技術將能夠驅動類似X-51A尺寸的導彈以Ma數(shù)為5～6的速度在10～12 min之內打擊270～320 km的目標?！笨梢灶A見，未來美國高超聲速導彈采用超燃沖壓發(fā)動機提供動力，具有發(fā)射平臺多樣、飛行速度快、可機動、多彈道變化選擇、能夠打擊時敏目標和突防能力強等突出優(yōu)勢。它的飛行距離為1100 km以上，飛行速度Ma數(shù)可達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特性分析

2.1 彈道特性

根據第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彈，主要包括：助推段、慣性段、再入拉起段、滑翔機動段和下壓段。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：當運載和載荷分離后，載荷在大氣層外進行慣性拋物線運動，相當于彈道導彈的中段。再入拉起段：再入拉起段主要是指飛行器再入大氣層后，通過姿態(tài)控制系統(tǒng)，在40～50 km向上拉起機動，實現(xiàn)到達滑翔初始點的過渡飛行?；铏C動段：飛行器能夠在20～80 km進行長時間滑翔飛行，具有一定的橫向機動能力。下壓段：飛行器接近目標后，在較短距離內進行急速下壓，做近垂直運動。

高超聲速助推-巡航飛行器的彈道更接近于巡航導彈，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)動機啟動工作所需的啟動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，具有較強的橫向機動能力。下壓段：飛行器接近目標后，在較短距離內進行急速下壓，做近垂直運動。

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

圖7 不同彈道對比示意圖

無論是高超聲速助推-滑翔飛行器還是助推-巡航飛行器，其航跡規(guī)劃和俯沖點的選擇除了需要滿足精確打擊的作戰(zhàn)目標要求外，還需要滿足多個再入飛行軌跡約束條件，包括過載、熱流率、總加熱量、最大表面溫度、動壓、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、強耦合性、不確定性和多約束的特點[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，氣動特性隨飛行參數(shù)變化劇烈，舵機等執(zhí)行機構存在飽和、死區(qū)等，呈高度非線性；

2)強耦合性

高超聲速助推-巡航飛行器采用超燃沖壓發(fā)動機為動力裝置，發(fā)動機性能與飛行高度、速度、姿態(tài)等參數(shù)密切相關，同時發(fā)動機推力特性直接影響飛行狀態(tài)，即動力與飛行狀態(tài)間耦合嚴重；高超聲速助推-巡航飛行器一般為細長體外形，其固有頻率和結構剛度較低，易造成顯著的彈性變形，影響飛行器動力學特性和發(fā)動機推力，即機體、動力、結構動態(tài)間耦合嚴重；兩類高超聲速飛行器均存在嚴重的氣動加熱現(xiàn)象，氣動加熱導致材料性能與剛度下降，影響飛行器結構模態(tài)頻率和模態(tài)振型，進而通過氣動伺服熱彈性問題影響飛行控制，即氣動熱、結構動力學、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、高溫效應以及低密度流導致飛行器氣動特性的嚴重不確定性；氣動加熱導致結構振型和固有振動頻率變化，結構動力學存在不確定性；臨近空間環(huán)境復雜多變，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長時間飛行，飛行速度快，飛行器熱力學環(huán)境十分惡劣，為保證飛行器熱防護、飛行器機體載荷等要求，對飛行熱流率、動壓以及過載等約束嚴格；針對軌跡優(yōu)化問題，高超聲速飛行器往往具有航路點、禁飛區(qū)等約束；高超聲速飛行器控制執(zhí)行機構存在運動速率、舵面偏轉范圍等能力約束；高超聲速飛行器對機載計算機計算量和計算速度提出了較強的約束。

2.3 雷達散射特性

典型的高超聲速飛行器一般采用乘波體構型，雷達散射面積通常只有0.01～0.1 m2。高超聲速飛行器在跨大氣層飛行時，飛行速度Ma數(shù)達到6～20，劇烈摩擦其周圍的空氣并對空氣產生壓縮，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。無線電波在等離子體中傳播時，自由電子和離子在電磁場的作用下往復振動，振動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，無線電波在其中傳播時會產生反射，這種反射也會造成無線電波的損失，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?！昂谡稀爆F(xiàn)象將嚴重影響目標的RCS[9]。

相關研究表明，等離子鞘套對于雷達目標探測，一般表現(xiàn)為目標RCS增大，特殊情況下，等離子體厚度和濃度處于某個特定值時，對于某個特定頻率的雷達探測信號，等離子鞘套具有發(fā)散和吸收照射電磁信號的作用，此時目標RCS會減小，需要說明的是，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，反導雷達在跟蹤滑翔變軌飛行彈道導彈方面，理論上沒有不可逾越的障礙。另外，觀察以往慣性彈道導彈飛行試驗時，地面雷達一般均能完整跟蹤導彈的再入過程，包括彈道末段的導彈俯沖過程，這說明雷達能夠跟蹤導彈的變軌飛行，可以推斷，導彈滑翔變軌飛行對反導雷達的目標截獲不會產生難以克服的困難[10]。

2.4 紅外輻射特性

文獻[11]計算了X-51A在臨近空間以Ma數(shù)為5的速度飛行時，中波(3～5 μm)和長波(8～14 μm)波段的紅外段輻射強度最大可達25595.9 W·sr-1和3935.3 W·sr-1，而傳統(tǒng)彈道導彈[12]彈道中段目標動態(tài)紅外輻射特性仿真計算中段飛行時彈頭目標的紅外輻射強度中波一般在幾十瓦，長波一般在幾百瓦。前者長波紅外輻射強度是后者的十幾倍，而中波輻射強度更是達到了近千倍之多。如果飛行速度繼續(xù)增加，溫度將繼續(xù)升高，各波段輻射強度也將隨之進一步上漲，輻射峰值波長將移到短波(1～3 μm)甚至可見光、紫外波段。

文獻[13]構建的紅外探測系統(tǒng)和高超聲速飛行器構成的體系中，以探測器為被輻照對象，設兩者之間的距離為R，導出探測距離具有如下關系：

R=(τaI)1/2((π/4)τ0Dlens/(F/#))1/2·

(D*)1/2(SNR(ΔfnΩd)1/2)-1/2

(1)

式中，τa為大氣透過率，I為相應探測波段的輻射強度；τ0為光學系統(tǒng)透過率，Dlens為透鏡直徑，F(xiàn)/#為光學系統(tǒng)的F數(shù)；D*為探測率；SNR為探測系統(tǒng)的信噪比，Δfn為噪聲等效帶寬，Ωd為探測器立體角。式(1)可以分為四個部分，其中第一部分與飛行器輻射強度和大氣透過率有關，后三部分取決于接收光學系統(tǒng)的性能，探測器性能以及探測器光敏面積和系統(tǒng)噪聲等效帶寬。假設臨近空間透過率按0.7計算(大氣層外為1)，以上述中波輻射強度代入計算，前者可被探測距離將是后者的20多倍，如果進一步考慮探測系統(tǒng)自身性能升級的情況，探測距離應該能夠達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——探測系統(tǒng)升級

面對高超聲速導彈快速發(fā)展態(tài)勢，美國在導彈防御系統(tǒng)的升級上也是同步推進的。如開發(fā)了基于臨近空間的飛艇、浮空氣球、臨近空間長航時無人機等新型探測平臺[14-15]，同時通過升級天基紅外系統(tǒng)(SBIRS)紅外傳感器性能等[16]，進一步增加對這類高超聲速導彈的早期預警時間，此外通過地基、?；?、空基、臨基和天基等各預警平臺的協(xié)同工作，能夠對導彈進行精確定位和持續(xù)跟蹤甚至指引攔截彈進行攔截[13]。文獻[17]指出，浮空平臺探測30 km和50 km飛行高度下的目標時，理論最大探測距離分別為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、長波波段的最大探測距離已超過浮空平臺的理論最大可探測距離，即此時該浮空平臺在其可探測區(qū)域內均能探測到目標。

文獻[4]考慮到臨近空間高超聲速目標滑翔段或巡航段的紅外輻射強度遠高于彈道導彈的中段，如果將LEO的凝視傳感器改進，以中波紅外作為主要工作波段，并可下視對地觀測，通過STK仿真分析，LEO對在20～100 km這部分區(qū)域活動的臨近空間高超聲速目標，能夠完成雙重覆蓋。即通過對LEO凝視傳感器進行改進，能夠對無動力滑翔段或巡航段目標進行連續(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

國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防御的系統(tǒng)有:美國陸基的戰(zhàn)區(qū)導彈防御系統(tǒng)(PAC-3/Erint)、“宙斯盾”武器系統(tǒng)(標準系列攔截彈)、末段高層區(qū)域防御系統(tǒng)(THAAD)、歐洲防空導彈武器系統(tǒng)和反導武器系統(tǒng)(Aster-30)、俄羅斯“凱旋”防空導彈系統(tǒng)(S-400)等，其中PAC-3和Aster-30攔截高度小于20～24 km，THAAD的攔截空域為40～150 km(注:有文獻報道為30～150 km)，“標準-6”的攔截空域則為70～370 km的大氣層內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，作為美國現(xiàn)役反導系統(tǒng)中，能夠實現(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)(簡稱THAAD)，已經籌劃改進升級，發(fā)展增程型THAAD(THAAD-ER)系統(tǒng)，THAAD-ER將采用兩級發(fā)動機設計，助推器較原來更大，使一子級能將攔截彈助推至大氣層內高空或大氣層外。二子級能縮短殺傷器在釋放前與目標的距離。同時通過集成更加先進的姿態(tài)控制系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)、紅外導引系統(tǒng)等，進一步拓寬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的攔截能力。

文獻[18]設想從臨近空間飛行器平臺上發(fā)射改進型紅外成像空空導彈，以迎頭方式攻擊臨近空間高超聲速飛行器，并進行了系統(tǒng)仿真。結果表明，從臨近空間平臺上發(fā)射改進型紅外成像空空導彈的攔截方法，對無機動高超聲速目標迎頭攻擊距離達到500 km，脫靶量僅為0.5 m。

3.3 威脅3——傳統(tǒng)突防措施受限

傳統(tǒng)彈道導彈突防可使用多種手段[19]，有整形隱身、調姿隱身、機動變軌飛行等，另外還使用自衛(wèi)式(簡稱彈載突防干擾裝置)進行突防。彈載突防干擾裝置的作用是干擾反導雷達和攔截彈導引頭對導彈的探測、識別和跟蹤，使反導武器難以攔截進攻導彈。彈道導彈突防常用的突防干擾裝置有：內置式雷達干擾機、伴飛式雷達干擾機、伴飛式紅外誘餌、伴飛式紅外雷達復合誘餌。

由于臨近空間具有“大氣過濾”作用，各類伴飛式突防干擾裝置將無法繼續(xù)使用；同時由于臨近空間飛行器的“等離子鞘套”現(xiàn)象，內置式雷達干擾機傳播電磁波受限也將無法繼續(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；機動變軌需要消耗大量的燃料，且飛行過程中受到氣流、熱防護等多約束條件限制，導致飛行器機動能力和機動次數(shù)有限，也難以起到可靠突防作用。

4 結束語

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其技術體制進行對比，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、雷達散射特性和紅外輻射特性等主要目標特性及其與傳統(tǒng)彈道導彈和巡航導彈的差異，最后對臨近空間高超聲速飛行器當前及將來可能面臨的突防威脅進行梳理與分析。研究結果表明，隨著探測系統(tǒng)和攔截彈的升級，以及傳統(tǒng)突防措施在臨近空間使用受到限制，未來臨近空間高超聲速飛行器的突防威脅不容小覷。在開展臨近空間高超聲速飛行器研制過程中，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措施和突防裝備。