高超聲速導彈攻防對抗及其試驗數字化仿真研究?

張政超 張德欣 于衛(wèi)剛 馬亞濤

（63891部隊 洛陽 471000）

1 引言

俄烏戰(zhàn)爭自2022 年2 月24 日爆發(fā)以來，至今還在持續(xù)。在這場戰(zhàn)爭中，俄羅斯航空航天部隊至少3 次使用了“匕首”高超聲速導彈，對烏克蘭的大型軍工廠、燃料庫、彈藥庫等高價值目標實施了多次打擊，其打擊效果令人嘆為觀止。這是人類歷史上首次在實戰(zhàn)中使用高超聲速導彈，其重要意義不容忽視，如普京總統所言：“它們能夠改變世界戰(zhàn)爭力量格局”。超高聲速導彈武器由于其極高的速度和蛇形規(guī)避的機動能力，不但能夠突破導彈防御系統，還有倍增的武器動能，使得其穿透力、毀傷效能成指數級增加。

正是由于高超聲速導彈優(yōu)越的突防性能和良好的毀傷效果，世界各國對其研究方興未艾，一方面致力于研制出性能更為先進的高超聲速導彈，另一方面，也著力于研制能防御對抗高超聲速導彈的措施和導彈防御系統。

2 國內高超聲速導彈研究技術現狀

高超聲速導彈指以高超聲速飛行技術為基礎、飛行速度超過5 倍音速的導彈。高超聲速導彈具有航程遠、速度快、結構簡單、性能優(yōu)良等優(yōu)點，能夠準確快速地打擊目標，被譽為航空史上繼螺旋槳、噴氣推進其后的第3 次革命。高超聲速導彈主要包括制導炮彈、巡航導彈、鉆地導彈等。

在總體技術及目標關鍵技術等方面，張斌等［1］從氣動特性、氣動防熱、操穩(wěn)特性、結構性能等構建了高超聲速導彈的總體性能指標體系，并在此基礎上提出了面對高超聲速挑戰(zhàn)的指揮信息系統發(fā)展架構，包括聯合指揮架構、預警探測體系、動態(tài)任務規(guī)劃和攔截防御手段等四個方面。郭玥［2］則從基于結構方程模型（SEM）的方法，構建了反映高超聲速飛行器使用能力指標與技術指標關系的結構方程模型，并進行了驗證分析。也有學者對雷達探測臨近空間高超聲速目標關鍵技術［3］進行了研究，主要從臨空高超目標軌道特性、運動特性、電磁散射特性對雷達探測帶來的技術挑戰(zhàn)出發(fā)，分析雷達探測臨空高超目標需解決的關鍵技術問題，提出了在臨空高超聲速導彈的高速、大機動、等離子鞘套帶來的目標檢測、跟蹤、鞘套目標識別等問題的技術解決路徑。

在高超聲速飛行器結構技術方面，馬征以第六代戰(zhàn)斗機、高超聲速飛機等航空裝備為重點，分析了國外先進飛機在速度性能、續(xù)航能力、處理任務方面、隱身性能、生命穩(wěn)定性、經濟成本等典型技術特征，并針對技術特征提出了先進飛機結構技術的發(fā)展需求，梳理了先進復合材料結構、變體結構、多功能結構、熱防護結構等關鍵技術的發(fā)展現狀［4］。

在導航技術方面，文獻［5］對比臨近空間高超聲速導彈的發(fā)展歷程，梳理了高超聲速導彈采用的慣性導航、GNSS、天文導航等技術方案；對各種導航技術運行的特性和局限性進行了探討，分析了高超聲速導彈面向復雜環(huán)境進行自主導航應用的難點問題，給出了高超聲速導彈自主導航技術的發(fā)展方向，即為改善抗干擾性能和保證系統的性能穩(wěn)定和優(yōu)越，從而對現有的導航技術進行合理拼接和有效復用。胥涯杰則針對目前慣性導航系統誤差補償模型對靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差處理能力不足的問題，為適應高超聲速導彈長航時、高精度的慣性導航要求，提出了一種基于神經網絡的加速度擬合模型［6］。陳凱等認為導航坐標系直接受到發(fā)射坐標系的限制和影響，但無論是原理還是實際運用的效果，不同的導航坐標系實質上都是對目標時空信息的度量，同時介紹了一種二子樣發(fā)射系捷聯慣導離散化算法，并且分析了發(fā)射坐標系導航的特點［7］。

在制導技術方面，主要有協同制導方法的研究［8］，魯棒軌跡優(yōu)化、變體制導、智能制導研究［9］，基于剛體/彈性模型的控制技術［10］。在彈道技術方面，孟夏瑩針對臨近空間中高超聲速導彈的飛行彈道的規(guī)劃和難以預估等現實問題，對高超聲速導彈進行了縱平面運動軌跡建模、氣動參數估計及攻角模型設計［11］。劉滔則從運動特性分析、機動目標跟蹤和目標軌跡預測三個方面提出應重點加強的研究方向［12］。張君彪等人選取了氣動加速度作為預測參數，提出了一種基于集合經驗模態(tài)分解和注意力長短時記憶網絡的HGV軌跡智能預測方法［13］。

3 國外高超聲速導彈系統

區(qū)別于常規(guī)彈道導彈，助推滑翔導彈、空射彈道導彈、吸氣巡航導彈構成了目前各國發(fā)展的高超聲速導彈類武器，由于其具有遠射程、高速度以及強機動性的優(yōu)良特性，所以具有重要的戰(zhàn)略意義。國外的高超聲速飛行器，特別是導彈武器系統，主要集中在俄羅斯［14～15］、美國［16～18］、韓國、朝鮮、日本［19～21］等國家。

其中，助推滑翔式高超聲速導彈主要以彈道導彈或助推火箭作為加速器，其彈頭可以在大氣層內高速滑翔一段時間，并且這個滑翔過程是可控的，彈道也是可變的。其彈頭為乘波體結構高超聲速飛行器，但其滑翔彈頭是無動力的，或者具有小動力。俄羅斯“先鋒”和美國AGM-183A 高超聲速導彈都是助推滑翔導彈的典型代表。

3.1 俄羅斯

俄羅斯已成功地研制出“先鋒”（陸基）、“匕首”（空基）、“鋯石”（?；└叱曀賹棥?/p>

“先鋒”是超高聲速滑翔導彈，其作戰(zhàn)目標包括美國導彈發(fā)射井、指揮中心等堅固目標，目前已成功完成最少5 次試驗，2019 年12 月已裝備俄羅斯戰(zhàn)略火箭兵部隊。其最高速度可達20Ma，試驗最大射程6000km，可攜帶常規(guī)或核彈頭，核當量150kt。

“匕首”是超高聲速空射彈道導彈，2017 年已裝備部隊，其作戰(zhàn)目標包括敵方的陸基、艦載平臺等反導系統。其最高速度可達10Ma，試驗最大射程2000km，可攜帶常規(guī)或核彈頭，核當量10kt～50kt，“匕首”導彈可由米格-31K 載機攜帶發(fā)射，采用較強的助推加速能力實現作戰(zhàn)性能的跨越式發(fā)展。

“鋯石”是超高聲速巡航導彈，其在脫離前半段傳統的火箭助推的彈道后進入后半段，導彈主體通過超燃沖壓發(fā)動機獲得相對持久的動力，從而實現大幅度提速。這種兩階段的持續(xù)動力來源使得“鋯石”高超聲速巡航導彈“技高一籌”。此外，超燃沖壓發(fā)動機使用的是吸氣式發(fā)動機，無需攜帶氧化劑，因此從體積和重量層面提高了其適裝性?！颁喪庇糜诜磁炞鲬?zhàn)，其最高速度可達9Ma，試驗最大射程1000km，可攜帶常規(guī)彈頭，采用Decilin-M 高能燃料，增加導彈射程，并研制出一種新型金屬合金，能承受高超聲速飛行產生的高溫。

俄羅斯研制的典型高超聲速導彈如圖1～圖4所示。

圖1 “先鋒”高超聲速導彈試射

圖2 米格-31K機載Kh-47M2“匕首”高超聲速導彈

圖3 3M22“鋯石”高超聲速巡航導彈

圖4 “鋯石”巡航導彈試射場景

3.2 美國

美國目前正要研究或開發(fā)的高超聲速武器主要有8 種。5 種助推滑翔式導彈和3 種吸氣式巡航導彈，其主要特性如表1所示。

表1 美國高超聲速導彈一覽表

美國研制的典型高超聲速導彈如圖5～圖10所示。

圖5 可多平臺發(fā)射的CPS

圖6 AGM-183A 高超聲速導彈

圖7 陸基發(fā)射的LRHW

圖8 高超聲速吸氣式巡航導彈HAWC

圖9 高超聲速吸氣式巡航導彈TBG

圖10 陸基車載型OpFires

3.3 韓國

2021年9月，韓國國防發(fā)展局和韓華集團公布“Hycore”陸基高超聲速巡航導彈原型，該項目計劃于2022 年開展原型機試飛，2024 年完成預研。其概念模型如圖11 所示。當高度約19.8km 時，助推器分離后，超燃沖壓發(fā)動機工作，使其以至少5Ma的速度巡航飛行，最終完成打擊任務，最大射程500km～1000km，可執(zhí)行對地或對海打擊任務。

3.4 朝鮮

朝鮮國防科學院分別于2021 年9 月28 日、2022 年1 月5 日、11 日共3 次試射了“火星-8”型高超聲速導彈。試射中檢驗了高超聲速飛行戰(zhàn)斗部在多次滑翔跳躍飛行和強橫向機動相結合下的操縱性和穩(wěn)定性等性能。該導彈射高60km，最大飛行速度10Ma，射程超過700km。

3.5 日本

2022年8月，日本宇宙航空研究開發(fā)機構在鹿兒島成功試射了一枚裝備了超燃沖壓的高超聲速發(fā)動機火箭，完成了技術驗證，這款發(fā)動機主要用途就是研制速度5Ma～6Ma 以上的高超聲速飛行器。這枚“S-520-RD1號”小型火箭在起飛3min30s飛至168km 的高空，釋放出了9.15km 的試驗裝置。然后，該裝置以5.5Ma 的速度降落，進行了長約6s 的燃燒試驗。日本高超聲速反艦巡航導彈模型如圖12所示。

圖12 日本高超聲速反艦巡航導彈模型

4 國外高超聲速導彈攻防對抗技術、發(fā)展趨勢

4.1 高超聲速導彈防御

目前針對包括高超聲速導彈在內的導彈防御，美國、俄羅斯等國家構建了完整的反導防御體系。但也面臨著預警探測困難、難以持續(xù)跟蹤、攔截難度大的困難［20］。構建多平臺預警探測網、構建完善火力攔截網、加強網絡化指揮控制技術研究等已成防御高超聲武器的著力選項［21］。

美國典型的反導防御系統主要有“宙斯盾”反導系統、“愛國者”反導系統、“THAAD”反導系統等，俄羅斯的反導防御系統主要有第二代莫斯科反導系統（A135）、戰(zhàn)役戰(zhàn)術導彈防御系統（含國土、陸軍和海上等3個防空反導分系統）等［22］。

4.2 高超聲速導彈突防

高超聲武器具有速度快、機動性強、部署靈活的優(yōu)勢，但也存在紅外特性明顯、過載約束、探測有限等不足。由于飛行原理的不同，滑翔式飛行的機動性、速度比吸氣式飛行略高一籌，但在彈道特性方面則遜于后者［22］。

4.3 高超聲速導彈發(fā)展趨勢

高超聲速滑翔飛行器成為高超聲速領域優(yōu)先發(fā)展重點［23］，優(yōu)于其軌跡的不可預測性，高超聲速飛行器目前正成為各國爭先研究的對象；同時，高超聲速導彈的通用化、實戰(zhàn)化也是各國考慮的重點。

另外，在制導與彈道規(guī)劃方面，高超聲速導彈武器既可根據自身狀態(tài)選擇打擊目標，也可預定打擊目標。前者不受速度、射程等控制，可增加機動范圍和提高突防概率［22］。

多高超飛行器協同與自主決策的策略［24］（包括協同信息獲取、協同網絡通信、協同自主決策、協同自主制導、協同飛行控制等）能夠提高信息的準確度、網絡傳輸的健壯性、彈群作戰(zhàn)效果和突防概率等。

5 高超聲導彈試驗數字化仿真

超聲速導彈從研制到列裝一般都有較長的周期，需經多次試飛打靶后才能定型。為了進一步提高高超聲速導彈的試驗效率和展示試驗效果，對高超聲速導彈試驗進行了數字化仿真分析，主要包括規(guī)劃和想定、試驗設計和試驗過程仿真、試驗數據錄取與分析評估等。

5.1 高超聲速武器試驗的規(guī)劃與想定

與其它裝備試驗一樣，高超速聲速導彈武器的試驗也需進行規(guī)劃和想定，主要是根據任務的性質和特點，對任務的相關情況進行界定和約束。主要的規(guī)劃內容有創(chuàng)建試驗任務、團隊配置、試驗規(guī)劃和任務發(fā)布等規(guī)劃和管理內容。

5.2 試驗設計與試驗過程仿真

5.2.1 滑翔式高超聲速導彈

按照“5.1 高超聲速武器試驗的規(guī)劃與想定”的內容，滑翔式高超聲速飛行器的試驗設計主要包括被試裝備的選擇和狀態(tài)設計、試驗飛行區(qū)域的劃分、電磁環(huán)境的構建和分析、電子對抗裝備的選取及飛行航線的確定等，一個典型的滑翔式高超聲速導彈的飛行仿真效果如圖13所示。

圖13 滑翔式高超聲速導彈飛行效果圖

5.2.2 吸氣式高超聲速導彈

與滑翔式高超聲速導彈相類似的是，在其試驗設計及仿真過程中，需要考慮其飛行彈道的巡航特性，其飛行效果如圖14所示。

圖14 吸氣式高超聲速導彈飛行效果仿真圖

5.3 試驗數據錄取與分析評估

在高超聲速導彈試驗數字化仿真過程中，除了重點對試驗區(qū)域的界定和導彈飛行航線的規(guī)劃外，還要考慮導彈在突防過程中其彈載電子干擾機與導彈防御雷達的電子對抗過程中，錄取電子干擾機的功率、雷達的探測數據等。根據錄取的數據，及時評估導彈突防效果。

經過數字化的仿真試驗，可以在地圖上作業(yè)并規(guī)劃飛行軌跡，觀察彈載電子信息裝備等的工作狀態(tài)，收集相關數據后分析突防效果，為飛行試驗提供參考，節(jié)約試驗時間。

6 結語

高超聲速導彈以其優(yōu)越的性能（速度快速、機動性強）成為世界各國爭先研究的對象，成為高技術條件下打勝的利器。俄羅斯、美國等軍事強國花費大量精力開發(fā)和研制，并逐步部署用于實戰(zhàn)。一方面，高超聲速武器發(fā)揮了巨大的軍事效益，一方面導彈防御系統面臨著轉型升級的窗口和機遇。通過對高超聲武器的技戰(zhàn)術研究，可以牽動新型武器的研制和作戰(zhàn)理論的豐富創(chuàng)新，為打贏現代化高科技戰(zhàn)爭打下堅實基礎。