臨近空間高超聲速飛行器預警探測系統(tǒng)探索

劉尊洋，陳天宇

(國防科技大學 電子對抗學院，安徽 合肥 230037)

0 引言

臨近空間高超聲速飛行器(near space hypersonic vehicle,NSHV)具有飛行速度快、機動性強和突防能力強等特點，世界軍事強國均積極開展相關研究[1]。人們在開展高超聲速技術攻關的同時，也已經(jīng)注意到對其高效預警的重要性，在紅外、雷達探測技術以及預警系統(tǒng)構建等方面都進行了有益探索。McIntyre等人[2]采用地基探測器獲取了“隼鳥號”飛行器再入階段在大氣層內高超聲速機動時的可見光和近紅外波段輻射特性；周金偉等人[3]采用工程算法，仿真分析了高超聲速乘波體飛行器紅外輻射特性以及地基紅外探測機理；楊霄等人[4]仿真分析了類HTV-2高超聲速滑翔飛行器的紅外輻射特征以及不同條件下紅外探測器對該目標的探測能力;ZHANG Zhao等人[5]建模研究了高超聲速巡航飛行器紅外探測技術。羅冰[6]分析了臨近空間高超聲速飛行器等離子效應對雷達探測的影響，并探索了消除隱身威脅的方法途徑。喻晨龍等人[7]分析了遠程警戒雷達對于固定雷達散射截面(radar cross section,RCS)臨近空間高超聲速目標探測能力。上述研究為臨近空間高超聲速飛行器探測系統(tǒng)構建提供了重要參考，但上述文獻在探測體系建設方面論述尚不夠充分，且沒有深入分析臨近空間高超聲速飛行器預警體系的運行機理和工作流程。

本文將在簡要分析目標輻射特性的基礎上，針對臨近空間高超聲速飛行器預警探測系統(tǒng)建設相關問題開展研究，具體工作包括目標特性分析、探測系統(tǒng)總體結構設計、各平臺探測器任務能力分析、系統(tǒng)工作流程與系統(tǒng)能力需求分析5個方面。

1 目標輻射特性分析

1.1 紅外輻射特性

NSHV在臨近空間高速飛行過程中，因氣動熱力效應彈體溫度急劇升高，再加上高溫尾焰，會發(fā)出強烈的紅外輻射，為對其實施紅外預警探測提供了有利條件。

不同類型的NSHV，其紅外輻射特性不同。以使用超燃發(fā)動機的高超聲速巡航(hypersonic cruise，HC)飛行器為例，其紅外輻射主要來自于飛行器表面、發(fā)動機表面及其尾焰。飛行器表面的紅外輻射，是飛行器在大氣空間高速飛行的過程中，頭部周圍的空氣受到劇烈壓縮，形成激波層，激波層內來流的動能轉化為內能，形成強烈的氣動加熱效應，使得飛行器上下表面溫度急劇升高(Ma數(shù)為5時，表面溫度約為1 122 K；Ma數(shù)為6時，表面溫度約為1 518 K)。飛行器表面由高溫(1 122 K)產(chǎn)生的紅外輻射與其背景環(huán)境(取30 km高空，環(huán)境溫度為220 K)相比十分明顯[8]。另外，飛行器表面對太陽的反射也會存在紅外輻射特征，但這一部分與飛行器表面的自身輻射相比一般可以忽略。發(fā)動機表面及其尾焰的紅外輻射，主要包括發(fā)動機工作時，發(fā)動機表面的高溫蒙皮(約600～1 100 K)以及發(fā)動機噴射的高溫尾焰(約800～2 000 K)[9]。

1.2 電磁波散射特性

NSHV在大氣空間高速飛行的過程中，與空氣劇烈摩擦所產(chǎn)生的氣動加熱效應，會使周圍空氣溫度急劇升高；在高溫作用下，飛行器表面材料被燒蝕形成氣體，與周圍空氣在高溫下發(fā)生電離，從而在飛行器周圍會形成一個約10～20 cm的高溫等離子薄層，即“等離子鞘套”[10-11]。

一方面，等離子鞘套與電磁波之間會發(fā)生折射、吸收等反應，從而造成電磁波傳輸衰減、能量大量吸收和輻射效率下降，嚴重影響了飛行器的無線電通信效能，甚至會造成通信中斷，也就是“黑障”現(xiàn)象。

另一方面，等離子體和拖尾會導致飛行器自身的雷達RCS下降，NSHV的RCS一般在0.01～0.1 m2，等離子體可覆蓋300 MHz～300 GHz的所有微波頻段，可能會使飛行器對雷達探測具有了“熱隱身”效果。

根據(jù)NSHV的雷達特性分析結果，由于等離子體效應，雷達對NSHV的探測面臨一定挑戰(zhàn)，需要結合理論和實驗研究優(yōu)選性能優(yōu)異的現(xiàn)有體制雷達，同時針對性開展對NSHV類目標具有較強探測能力的新型雷達研發(fā)工作。

2 預警探測系統(tǒng)結構設計

分析發(fā)現(xiàn)，臨近空間高超聲速飛行器的特點主要包括機動速度快，等離子體鞘套效應，彈體溫度高以及飛行高度相對傳統(tǒng)彈道導彈低4個方面。其自身特性導致現(xiàn)有導彈預警雷達的探測能力受到影響，同時為紅外探測和持續(xù)跟蹤提供了可能。本文在分析NSHV目標上述特性的基礎上，初步設計臨近空間高超聲速飛行器預警探測系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 臨近空間高超聲速飛行器預警探測系統(tǒng)結構

臨近空間高超聲速飛行器預警探測系統(tǒng)由地面指揮控制中心、信息處理中心以及各平臺探測器構成，用于及時對NSHV完成發(fā)現(xiàn)識別、分析判斷和提供攔截引導信息等工作。通過部署在天基、臨近空間/空基、陸基、?；脚_上探測器，全方位、分階段探測，為信息處理中心提供持續(xù)、精確的目標探測信息；信息處理中心通過融合處理多源情報信息，形成目標預警綜合情報并報告指揮控制中心；指揮控制中心生成探測器接力探測引導方案，同時開展決策部署，基于效能最優(yōu)化原則將攔截任務下發(fā)具體攔截器，并引導攔截武器系統(tǒng)進行攔截。各平臺的探測器主要負責對目標實施不間斷的探測，并將預警情報信息向其他預警探測平臺交接，同時傳輸給指揮控制中心，指揮控制中心負責對信息進行分析、融合處理，并引導各平臺探測器進行更精細的探測。

考慮到NSHV特有的輻射和機動特性，設計的系統(tǒng)綜合使用各平臺搭載的雷達和紅外探測器對其進行探測。傳統(tǒng)彈道導彈的紅外輻射主要是指初始段的尾焰，而在飛行中段彈體紅外輻射并不強烈，目前僅使用高、低軌紅外預警衛(wèi)星對其紅外輻射進行探測。NSHV飛行中段由于在大氣層內高速機動，彈體與大氣劇烈摩擦導致溫度急劇升高，目標將呈現(xiàn)出強烈的紅外輻射特性，對于高超聲速巡航飛行器而言，超燃沖壓發(fā)動機的高溫尾焰會進一步增大目標紅外輻射強度，這將為對其持續(xù)進行紅外探測提供有利條件。因此，可以繼續(xù)使用天基紅外探測器對其持續(xù)跟蹤，同時引導臨近空間/空基、陸基和?；脚_的雷達和紅外探測器對其精確探測。目標飛行的末段，距離地面較近，陸、?；脚_可發(fā)揮其距離近、分辨率高的優(yōu)勢對目標實施精確探測。

相比于彈道導彈的預警探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)的特點主要有：

(1) 針對巡航段目標的紅外輻射特性，增加了陸、海基紅外探測系統(tǒng)；

(2) 針對NSHV飛行中段強烈的紅外輻射特性，繼續(xù)使用高軌紅外預警衛(wèi)星進行持續(xù)探測和跟蹤，增強系統(tǒng)總體跟蹤能力。

3 各平臺探測器特點及任務分析

3.1 天基預警探測平臺

天基預警探測平臺以衛(wèi)星為載體，主要依靠搭載的紅外探測設備以實現(xiàn)對初始段高超聲速目標的預警探測及監(jiān)視。文獻[4]分析了各平臺紅外探測技術的基本探測范圍，由于本文討論探測器為紅外探測系統(tǒng)，不考慮折射、繞射情況，參考其紅外探測范圍，可得天基預警探測平臺基本探測區(qū)域示意圖，如圖2所示。天基預警探測平臺對NSHV的探測主要是以地表為背景的下視探測和以臨邊輻射為背景的側視探測。具有視場范圍大，探測距離遠、漏警率低的優(yōu)點，便于對廣闊的臨近空間進行探測搜索和概略識別。主要探測裝備包括：高軌紅外預警衛(wèi)星和低軌紅外預警衛(wèi)星等[12]。但由于探測距離遠而存在分辨率低的缺點，所以需要和其他平臺的探測器配合使用。

圖2 天基平臺探測示意圖

高軌紅外預警衛(wèi)星主要以地表為背景進行探測，其背景輻射復雜多變，通常選用大氣吸收波段以降低地球與大氣背景對探測的影響，可對全球范圍內的NSHV進行探測和跟蹤。由于部署高度較高，其具有視場范圍大、漏警率低的優(yōu)點，以地球同步軌道為例，只需要3顆衛(wèi)星就可以實現(xiàn)對除兩極高緯度區(qū)域外的全球區(qū)域的覆蓋。但同時高軌預警衛(wèi)星也存在分辨率較低的問題，以典型的美國SBIRS-GEO預警衛(wèi)星為例，其地面分辨率約為1 km。

低軌紅外預警衛(wèi)星軌道較低，相對高軌紅外預警衛(wèi)星視場范圍較小，但其距離目標較近，分辨率更高，能有效彌補高軌紅外預警衛(wèi)星分辨率低的缺陷。但由于軌道高度較低，視場范圍相對較小，需要更多衛(wèi)星才能實現(xiàn)全球覆蓋。以衛(wèi)星位于高度為1 600 km的太陽同步軌道為例，為實現(xiàn)對全球范圍的有效覆蓋，需要24顆衛(wèi)星組網(wǎng)工作。使用高、低軌紅外預警衛(wèi)星同時對目標跟蹤，更好地綜合了高、低軌道衛(wèi)星的特點，以實現(xiàn)對目標準確、穩(wěn)定、高效的探測。

3.2 臨近空間/空基預警探測平臺

臨近空間/空基預警探測平臺主要包括平流層飛艇、浮空氣球或各類飛機等。雖然劉重陽等人[13]探討了臨近空間基雷達對高超聲速目標的探測能力，但考慮實用性，建議臨近空間/空基探測平臺搭載探測載荷為高性能紅外探測器。該平臺探測設備在空間位置上處于天基和陸基之間，較天基預警探測具有更高的探測分辨率及更近的探測距離，較陸基預警探測具有更高的視角、更強的機動能力和生存能力；但是其同天基平臺一樣，受平臺承重能力的限制，無法承載重量過重，體積過大的探測器，從而影響其探測能力。主要任務是獨立對任務區(qū)域進行探測，或在指揮控制中心和天基預警探測平臺的引導下對指定空域進行探測搜索，并配合地基探測平臺共同完成探測工作。主要探測裝備包括：平流層飛艇、氣球以及各類飛機搭載的紅外探測器等。

臨近空間/空基預警探測平臺的紅外探測背景主要為臨近空間或太空背景，相比地表背景，背景更加純凈。在Ma數(shù)為5～6時，NSHV表面的溫度大約在1 122 K至1 518 K之間，遠高于其探測背景溫度，因而具有明顯的目標對比度。臨近空間/空基預警探測平臺的探測區(qū)域如圖3所示[4,14]。

圖3 臨近空間/空基平臺探測示意圖

3.3 陸基和?；A警探測平臺

陸基和海基預警探測平臺(如圖4所示)以陸地、島嶼和艦船為依托，以紅外和雷達探測器為主要裝備構成預警探測區(qū)，對高超聲速目標進行預警探測及跟蹤監(jiān)視[4]。通常在指控中心和天基、臨近空間/空基預警探測平臺的引導下對指定目標區(qū)域搜索監(jiān)視，探測精度高。主要探測裝備包括：陸、?；走_和紅外探測器。

圖4 陸、海基平臺探測示意圖

陸、?；t外探測器是以天空為背景的上視探測，其距離目標更近，分辨率更高，探測能力也更強，可用于巡航段目標的精確識別和跟蹤，但由于受地球曲率影響，對于25 km高度的NSHV，則位于海平面紅外探測器的最大探測距離約為648 km。但陸基和海基平臺受視場范圍小的影響，早期發(fā)現(xiàn)目標困難，因此，主要用于對探測范圍內目標巡航段和俯沖段的目標實施精確識別。

陸基和?；走_也可對巡航段和俯沖段的NSHV進行探測，由于NSHV特殊的雷達特性，在進行雷達探測時需要選擇合適的波段和合適的工作模式，保證其具有足夠的功率和持續(xù)的跟蹤能力?？刹捎靡恍┈F(xiàn)有體制雷達中適合NSHV探測的雷達，也可發(fā)展針對NSHV的新體制雷達[15]。

陸基平臺的雷達由于不受平臺承重能力的限制，可以建造體積龐大的高性能雷達，與陸基紅外探測器類似，由于受地球曲率影響，對于25 km高度的NSHV，位于海平面高度雷達平臺的最大探測距離約為648 km，且由于固定配置，容易被敵方實施打擊摧毀，生存能力不強。

?；脚_作為陸基探測平臺的補充，較陸基預警探測平臺具有部署位置更靈活、機動能力更強的優(yōu)點，可以與陸基平臺共同擔負對目標的高精度探測任務。

4 系統(tǒng)工作流程分析

NSHV的預警探測系統(tǒng)是在指揮控制系統(tǒng)的組織協(xié)調下，通過多種平臺搭載的雷達和紅外探測器之間的相互配合統(tǒng)一完成目標預警任務的，基本工作流程如圖5所示。

首先，利用高軌紅外預警衛(wèi)星探測目標的紅外輻射信息，及時發(fā)現(xiàn)目標，進而通過星間鏈路直接引導或通過指揮控制中心，引導合適的低軌紅外預警衛(wèi)星對目標區(qū)域進行重點探測，低軌衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)目標后，高、低軌紅外預警衛(wèi)星可以同時對目標實施跟蹤。如果能夠完成高低軌衛(wèi)星的全球組網(wǎng)運行，則可以確保對NSHV目標的及時發(fā)現(xiàn)和穩(wěn)定跟蹤。隨后，在指揮控制中心的引導下，臨近空間/空基雷達和紅外探測器對指定目標區(qū)域進行粗識別和跟蹤，并根據(jù)目標信息引導陸、海基平臺對目標區(qū)域實施精確識別。整個預警探測過程中，各探測平臺實時將目標信息報告指揮控制中心，指揮控制中心對各平臺探測器傳輸來的目標信息進行綜合分析處理，并及時引導攔截武器系統(tǒng)攔截目標。

5 系統(tǒng)能力需求分析

為了實現(xiàn)對臨近空間高超聲速目標的高效探測，預警探測系統(tǒng)應在以下4個方面加強建設。

(1) 提高探測器的探測能力

各平臺探測器是系統(tǒng)構成的基礎，探測器的探測能力在一定程度上決定著整個系統(tǒng)的探測能力。研發(fā)更有效、更有針對性的紅外和雷達探測器，可以從源頭上提高系統(tǒng)的探測能力。

(2) 提高信息傳輸能力

臨近空間高超聲速飛行器預警探測系統(tǒng)探測的范圍廣、目標多、信息量大，要求系統(tǒng)必須以最快的速度實時、準確地傳輸目標信息，最大程度地縮短信息在傳輸過程中的時間，保障攔截武器系統(tǒng)有足夠的時間實施攔截。

(3) 增強信息處理能力

臨近空間高超聲速飛行器預警探測系統(tǒng)覆蓋范圍廣、傳感器類型和平臺多，要求系統(tǒng)具有較強信息處理能力，能夠高效、準確地對多個平臺探測器傳輸來的目標信息進行分選識別，以便進一步引導各平臺探測器進行跟蹤監(jiān)視和武器系統(tǒng)進行攔截。

圖5 系統(tǒng)工作流程示意圖

(4) 合理調度系統(tǒng)內資源

臨近空間高超聲速飛行器預警探測系統(tǒng)融合了雷達和紅外2種探測手段，包含有陸、海、空、天4種探測平臺，這就要求系統(tǒng)能夠在特定時間準確、高效地調度各平臺探測器資源，從而提升系統(tǒng)的探測能力和作戰(zhàn)效能。

6 結束語

本文結合臨近空間高超聲速飛行器輻射和運動特性，結合各類探測器的性能特點，開展了對以指揮控制中心、信息處理中心和各平臺探測器為主要組成單元的臨近空間高超聲目標預警探測系統(tǒng)的探索，并初步分析了系統(tǒng)各平臺探測能力特點、系統(tǒng)工作流程以及系統(tǒng)建設的能力需求。