深度解析無人機集群反高超聲速武器作戰(zhàn)概念設計

原標題：【深度】 無人機集群反高超聲速武器作戰(zhàn)概念設計

臨近空間高超聲速武器，指飛行速度大于馬赫數5，飛行高度位于臨近空間( 25～100km)的軍用飛行器。美國戰(zhàn)術高超聲速武器在2020年技術成熟度可達到6級，美國空軍則能夠在2025年前部署空射戰(zhàn)術高超聲速武器。日本、印度、澳大利亞等國也展開了對臨近空間高超聲速武器的研究。

對此，世界各軍事強國都對高超聲速武器的防御技術給予了足夠的重視?？栈鶖r截是一種較為新穎的反高超作戰(zhàn)概念，已有研究中描述了關于空基攔截方案的頂層概念、作戰(zhàn)流程、技術框架等方面，認為空基攔截具備部署靈活、攔截彈發(fā)射初速度高、目標在巡航/滑翔段機動能力弱的優(yōu)勢，適合執(zhí)行隨遇突發(fā)作戰(zhàn)任務。但該方案也存在作戰(zhàn)運用方面的一些限制，而無人機集群技術作為無人機作戰(zhàn)運用的未來趨勢，具備極高的作戰(zhàn)效能。

因此本文將探討無人機集群技術在臨近空間高超聲速武器防御作戰(zhàn)中的應用，以彌補空基攔截方案中存在的不足，提高其作戰(zhàn)效率。

1現有空基攔截方案存在哪些問題

按照現有空基攔截方案的設想，采用高空長航時無人機，攜帶空基攔截彈，在被保護要地上空巡邏待戰(zhàn)。一旦發(fā)現敵方高超聲速目標，無人機則迅速向截擊位置機動，占據來襲目標前方正迎頭位置，向目標發(fā)射攔截彈，并進行毀傷效果評估。攔截彈制導采取與美國空射撞擊殺傷系統( airlaunched hit-to-kill，alhtk) 類似的地面火控雷達制導。該方案的不足體現在以下幾個方面。

01 對無人機平臺能力需求的矛盾

飛行速度為馬赫數6的高超聲速飛行器飛行1000km需要用時556 s，而無人機從地面起飛爬升至12km的作戰(zhàn)高度，其用時與這一時間接近。這就要求無人機不能在得到預警信息后再從地面起飛，而必須采取巡邏待戰(zhàn)的作戰(zhàn)方式，因此對其留空能力有較高需求。無人機為實現長時間留空，通常采用與全球鷹無人機類似的大展弦比設計，要求航空發(fā)動機具備較好的燃料經濟性。另外，作戰(zhàn)中也要求無人機在得到預警信息后迅速向估計的截擊位置機動，需要具備較快的飛行速度和優(yōu)良的轉彎性能，這就要求無人機具備較好的氣動設計，并采用大推力的航空發(fā)動機。

以上對無人機兩個方面的能力需求帶來了飛行包線上的矛盾。反映在裝備上，目前各國現役無人機平臺還沒有可以很好兼顧這兩方面能力需求的型號。而如果降低設計指標以求折衷，則將造成無人機平臺能力上的缺陷。

02 無人機平臺占位的困難

圖1是平均速度為馬赫數4的攔截彈對馬赫數6的目標進行攔截時在不同彈目距離下所允許攻擊范圍的仿真圖。由圖可見， 攔截彈必須位于以來襲目標為頂點的圓錐底面上，也就是說必須采取近似正迎頭的攻擊方式，否則脫靶量將呈現急劇發(fā)散趨勢。這就要求無人機需要在攔截彈發(fā)射前盡可能占據來襲目標的正迎頭位置。但臨近空間高超聲速武器可以進行1～2g長時間機動， 具備大范圍機動能力，具體來襲方向難以估計，這使得無人機平臺占據目標正迎頭截擊位置的設想難以實現。特別是如sr-72的平臺級高超聲速飛行器，在執(zhí)行偵察或打擊任務時，完全可以犧牲部分時效性，通過環(huán)繞目的地飛行的方式，完全擺脫攜帶攔截彈的無人機平臺。此時，在機動范圍上與高超聲速飛行器的差距會導致無人機無法獲得攔截窗口。

圖1 不同距離上攔截彈攻擊區(qū)示意圖

03 平臺可用載荷的不足

當前大型無人機平臺可用任務載荷普遍為百千克級別，載荷較大的如美國已終止的x-47b項目，其任務載荷約為2 t。因此無人機平臺在面臨反高超任務時存在可用載荷的不足，體現在：難以攜帶體積較大、所需功率較高的傳感器設備，平臺自身的態(tài)勢感知能力較弱；對所掛載的攔截彈長度、彈徑、重量有嚴格限制，影響了攔截彈性能；也不能攜帶較多攔截彈，抗擊多批次目標能力弱。

04 作戰(zhàn)體系魯棒性的不足

無人機上不同任務載荷之間存在總可用載荷限制下的矛盾。 因此在現有設想中，放棄了無人機平臺自身的探測能力，僅將其作為攔截彈的空基掛載平臺，作戰(zhàn)中的信息支援完全依靠天基紅外衛(wèi)星、陸基遠程預警探測雷達、預警機等其它傳感器節(jié)點。一旦在作戰(zhàn)中這些節(jié)點遭受破壞，或者在離開我方縱深進行作戰(zhàn)時，無人機平臺面臨缺乏其它節(jié)點信息支援的作戰(zhàn)環(huán)境，就會失去作戰(zhàn)能力。與敵方體系對抗時我方空基反高超體系的魯棒性明顯不足。

2無人機集群反高超作戰(zhàn)典型能力需求

無人機集群用于反高超作戰(zhàn)的優(yōu)勢，主要在于可通過對各平臺分散化的部署，實現對廣闊戰(zhàn)場空間的控制，各平臺也可根據自身的任務劃分，高效利用任務載荷。根據空基攔截作戰(zhàn)的一般流程，可認為無人機集群在反高超作戰(zhàn)中有以下幾項典型能力需求。

集群的自主協同決策能力

在反高超作戰(zhàn)中，無人機集群需要通過任務分工，實現對大范圍內的覆蓋搜索和探測跟蹤， 并對來襲目標實施火力打擊。因此，在自主協同決策能力上有4個方面的需求：1) 協同任務規(guī)劃能力，實現不同無人機平臺間優(yōu)勢互補，確保攔截過程閉環(huán)；2 ) 戰(zhàn)場目標管理與資源分配能力，實現戰(zhàn)場資源的優(yōu)化配置， 并在個別無人機節(jié)點失效時重新整合剩余資源，發(fā)揮最大系統效用；3) 無人機系統在線和離線信息融合能力，以產生和維持與集群的高級操作員一致的態(tài)勢感知；4) 沖突消解和避撞能力，以保證在復雜環(huán)境下集群的飛行安全和順利協同作戰(zhàn)。以上需求在美軍無人機自主控制等級(autonomous control level) 標準中位于5～7級，而目前自主能力較高的全球鷹無人機位于2～3級， 可見反高超作戰(zhàn)對無人機系統的自主控制能力有較高要求。

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由于高超聲速目標的飛行速度為空基攔截彈平均速度的1.5～2倍，那么對目標實施攔截的前提是無人機集群至少要能夠在攔截彈動力射程的3倍距離上( 約300～400km) 發(fā)現并跟蹤來襲目標。結合無人機集群各平臺分散化的特點，可由不同無人機平臺搭載的多個傳感器協同工作，生成精確目標信息，再將信息直接發(fā)送給攔截彈載機，攔截彈采取網絡化制導的方式攻擊目標。網絡化瞄準可降低對單個傳感器的性能需求，也擺脫了對地面火控系統的依賴，提高了空基攔截系統的行動自由度和魯棒性。美軍目前的戰(zhàn)術瞄準網絡技術( tactical targeting network technology，ttnt) 可針對地面移動目標實現網絡化瞄準，aim120d空空導彈可實現對空中目標的第三方制導，表明了該項能力需求的技術可行性。

03 信息的超視距傳輸能力

在作戰(zhàn)中，為實現對廣大區(qū)域的監(jiān)視探測和控制，需要將無人機分散布置，因此平臺之間距離較遠。為了能在目標機動能力較弱的巡航/滑翔段實施攔截，也需要無人機集群前出部署，可能會遠離地面控制站和中繼站。 為了保證集群與操作員以及無人機平臺間的信息交互，需要無人機集群具備信息超視距傳輸能力。超視距信息傳輸可以通過在無人機集群中設置專門的通信中繼無人機實現，目前以色列iai公司的el/k-1850數據鏈通過中繼方式將通訊距離從200km擴展至370km。此外，也可通過衛(wèi)星中繼天線進一步擴展無人機集群和平臺的活動范圍，目前美國rq-4a 全球鷹、mq-9死神等大型無人機即采用該方案。

04 面向各自任務的良好飛行和載荷能力

根據對攔截殺傷力鏈閉合的需求，初步設想無人機集群中包括預警探測和火力打擊兩類無人機平臺。其中，預警探測類無人機需要攜帶體積較大的主動或被動探測設備，實現對周邊半徑超過200km的360°空域探測，飛行高度應當位于稠密大氣層上方(約20km) ，有利于紅外和光學探測設備發(fā)揮優(yōu)勢，預警探測類無人機部署位置靠前，因此也需要具備較長飛行時間，以減少出動頻次；火力打擊類無人機需要攜帶多枚( 考慮現有技術水平設想4～6枚) 空基攔截彈在要地上空巡邏待戰(zhàn)，在收到攔截指令后快速機動調整，攔截彈發(fā)射前需要迅速抬起40°～50°仰角，使攔截彈獲得良好的發(fā)射角度。所以，它應當在攜帶較多任務載荷時具備短時間內的快速飛行能力和優(yōu)良可用過載，而為了保證充足的任務載荷可降低對飛行高度和留空時間的需求。

3 01 無人機集群反高超作戰(zhàn)過程

設想無人機集群由預警探測和火力打擊兩類無人機構成，為簡化集群構成，各平臺數據交互通過衛(wèi)星中繼實現。地球同步軌道紅外預警衛(wèi)星提供早期預警信息，由集群控制席位和戰(zhàn)區(qū)級反高超bm/c3i 兩級指控系統實施協調指揮。體系中各元素的信息交互關系如圖2所示，其典型作戰(zhàn)過程可分為以下階段：

1) 戰(zhàn)備階段。在戰(zhàn)備情況下，我方陸基攔截系統在被保護區(qū)域附近就近部署，無人機集群在要地上空附近待戰(zhàn)巡邏，準備執(zhí)行作戰(zhàn)任務。

2) 預警階段。敵方高超聲速武器發(fā)射后，我方預警衛(wèi)星發(fā)現敵方目標，首先進行目標識別，初步判斷目標屬性后將目標信息發(fā)送給戰(zhàn)區(qū)級bm /c3i，保持對目標的監(jiān)視。指揮中心對目標的攻擊意圖進行判斷，在判斷為威脅后，發(fā)出二級預警信息，下達作戰(zhàn)任務。

3) 準備階段。無人機集群高級控制員進行部隊作戰(zhàn)的適宜性檢查，制定作戰(zhàn)計劃。根據早期預警信息引導預警探測無人機發(fā)現目標，并命令火力打擊無人機調整自身位置和姿態(tài)， 同時向戰(zhàn)區(qū)級bm/c3i反饋戰(zhàn)場態(tài)勢。

4) 攔截階段。無人機通過協同探測得到目標精確位置， 目標進入攔截區(qū)后，集群高級控制員指揮無人機發(fā)射攔截彈， 攔截彈在其它無人機平臺的網絡化中制導導引下飛向目標， 接近目標后導引頭截獲目標， 中/末制導交班后進入末制導直至彈目遭遇。進行毀傷效果評估，若未摧毀，則戰(zhàn)區(qū)級bm/c3i決定繼續(xù)攔截或轉入陸基攔截流程。

圖2 無人機集群反高超作戰(zhàn)概念頂層視圖

02 無人機集群反高超作戰(zhàn)運用

根據集群中無人機平臺所承擔的任務種類，結合現有技術水平，對無人機平臺戰(zhàn)技指標提出的需求如表1所示。其中火力打擊無人機攜帶6枚質量為250kg、動力射程為200km的空基攔截彈；預警探測無人機攜帶可全向探測的紅外傳感器，對典型高超聲速目標作用距離為300km，通過雙機或多機協同對目標精確定位，其空間位置關系如圖3所示。

表1 無人機平臺設想戰(zhàn)技指標

距離要地200km以內由陸基系統進行防御，200～600km范圍為空基攔截區(qū)。火力打擊無人機部署于距離要地100km處，攔截區(qū)為滿足攔截彈發(fā)射條件區(qū)域，殺傷區(qū)為彈目遭遇區(qū)域。根據仿真結果，攔截和殺傷區(qū)近似扇形，寬度約為270km，在距離要地100km處等間隔部署6架火力打擊無人機，其殺傷區(qū)即可覆蓋所有方向，無人機只需小幅度調整自身位置和朝向即可。預警探測無人機部署于距離要地400km處，通過雙機定位方式獲得目標位置信息，因此需要雙機探測范圍完全覆蓋空基攔截區(qū)，滿足這一條件時雙機與要地的最大夾角為0.46rad，那么覆蓋所有方向則需要至少14架預警探測無人機。按照以上設想，由14架預警探測無人機和6架火力打擊無人機構成的無人機集群，可實現對要地周邊空域的全面探測，攜帶36枚空基攔截彈，具備抗擊多方向、多批次高超聲速武器攻擊的能力。

無人機集群反高超作戰(zhàn)概念與單平臺陸基制導方案相比具備明顯優(yōu)勢，主要包括：1) 陸基雷達探測范圍受部署位置、天線朝向等因素的影響，存在探測盲區(qū)，而空基平臺可實現對作戰(zhàn)空域的全方位覆蓋；2) 高超聲速目標由于等離子鞘套現象的存在，其雷達散射特征較弱，影響了雷達作用距離，但它的蒙皮和尾焰的高溫使得其紅外特征異常明顯，通過無人機搭載紅外傳感器進行協同定位更符合高超聲速飛行器的目標特性；3)無人機集群具有很強的機動能力，作戰(zhàn)范圍不受陸基雷達系統位置的限制， 可以遠離國土縱深作戰(zhàn)，在作戰(zhàn)運用上更靈活，戰(zhàn)場生存能力也更強；4) 集群中由多架火力打擊無人機攜帶攔截彈，火力連續(xù)性比單架平臺更強。

圖3 無人機集群戰(zhàn)場部署示意圖

4無人機集群反高超關鍵技術

根據無人機集群實施反高超作戰(zhàn)的能力需求以及作戰(zhàn)概念的設計辨識關鍵技術，為實現該作戰(zhàn)概念需要具備以下技術支撐。

智能化的航空集群自主協同技術

實現無人機集群的反高超作戰(zhàn)需要高度智能化的自主協同技術，具體包括4個方面：1) 編隊飛控技術。它對控制精確程度和實時性要求很高，除了對單機的飛行姿態(tài)進行控制以外，還需要解決編隊生成、隊形保持、隊形變換以及協同避障問題，是無人機編隊作戰(zhàn)的前提；2) 態(tài)勢評估技術，即客觀反映戰(zhàn)場情況，根據敵方兵力、部署和可能采取的策略，估計敵方意圖和行動，為我方下一步行動提供決策依據；3) 任務分配技術。它不僅要實現在戰(zhàn)前根據全局信息為無人機預分配任務，為無人機的行動提供重要參考，也要在作戰(zhàn)中客觀環(huán)境發(fā)生變化時完成在線更改，實現動態(tài)規(guī)劃，以適應千變萬化的戰(zhàn)場環(huán)境；4) 航跡規(guī)劃技術。在執(zhí)行任務前，高級控制站需要完成全局參考航跡規(guī)劃，并將該數據裝訂于無人機平臺上，任務過程中發(fā)生突發(fā)情況時，無人機也需要根據自身機動能力的約束條件實時進行沖突消解、威脅規(guī)避或地形跟隨。

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紅外探測是無人機集群實現戰(zhàn)場感知的主要手段，因此首先需要實現對臨近空間高超聲速目標的及早發(fā)現，這就要求無人機對監(jiān)視空域內進行全方位的快速掃描，具備大范圍紅外掃描技術。發(fā)現目標后，要對目標進行識別和定位，這就要求建立準確而完備的高超聲速目標特征模型和信息庫，盡可能減小俯仰角和方位角的測角誤差，具備跟蹤精度較高的紅外凝視技術。同時由于高超聲速武器不同飛行階段的紅外輻射峰值頻段不同，為了實現對不同類型飛行器的全程跟蹤預警，也要求紅外探測系統具備3～5μm和8～12μm的雙波段探測技術。在實現精確探測的基礎上還要通過交叉定位技術正確識別目標位置，剔除虛假目標，特別是在視界內有多個目標時要實現對目標的準確定位。

面向高超聲速目標的網絡

瞄準技術用于實現無人機集群網絡瞄準能力的數據鏈應當是專用鏈路。區(qū)別于通用的指揮、控制、 通信戰(zhàn)術數據鏈，網絡瞄準數據鏈需要具備更短的數據鏈更新周期和傳輸延遲，具備較大傳輸帶寬，才能滿足對高超聲速目標的作戰(zhàn)需求。此外，為了與預警探測無人機的作戰(zhàn)樣式相適應，數據鏈應當強調動態(tài)組網，不設置中心節(jié)點，建立扁平化的通訊網絡，并且實現作用距離400km以上的超視距傳輸。為了提高平臺生存能力，網絡瞄準數據鏈應當采用定向通訊模式，以保證在高強度電子戰(zhàn)環(huán)境下的反無源探測能力，在天線的設計上也需要考慮兼顧平臺隱身性能。

04 無人機相關設計技術

用于反高超作戰(zhàn)的高性能無人機平臺涉及多項無人機制造的共性重要技術，包括總體設計技術、氣動布局、飛控系統、航電系統、隱身技術等。此外，針對無人機具體作戰(zhàn)環(huán)境，滿足無人機長滯空時間和大載荷的需求， 必須降低結構重量以攜帶更多燃油和任務載荷，這就需要提高高強度輕質復合材料的性能和使用率。美國rq-170無人機復合材料使用率超過90% ，并且洛馬公司已經開展了全復合材料驗證機試驗。集群中兩型無人機都對飛行高度、速度、滯空時間方面有明確要求，這就要求采用的航空發(fā)動機相比于常規(guī)發(fā)動機，需要具備低油耗、可用飛行高度高、高空推力損失小、高空邊界特性好的特點，火力打擊無人機還需要具備短時間內的較大推力。在高新技術的應用中，可通過變循環(huán)發(fā)動機來實現無人機對于動力的需求。

05 臨近空間攔截彈設計技術

攔截彈首先需要實現在臨近空間環(huán)境下超過高超聲速目標的可用過載，與此相關的關鍵技術包括直/氣復合控制導彈外形與布局優(yōu)化技術、高溫高加熱率的結構材料與熱防護技術，長工時軌控發(fā)動機、雙脈沖發(fā)動機和擺動噴管推力矢量等動力技術；攔截彈要實現臨近空間環(huán)境下對目標的精確制導，適宜在主動段采取紅外制導方案，其關鍵技術包括遠距離紅外探測技術、高精度跟蹤技術、大動態(tài)范圍紅外探測技術、氣動熱適應技術、高幀頻信息處理技術等，同時也要具備適用于大機動目標的新型制導律技術。攔截彈最終需要實現對目標的有效毀傷，但面對可進行主動機動的高超聲速目標其脫靶量往往無法達到直接碰撞所需的精度，因此需要探索新的毀傷機制， 包括復合材料金屬球、碳化硼顆粒、人造金剛石顆粒等高硬度輕質破片，針對超燃沖壓發(fā)動機的可吸入氣溶膠等，以及在彈目交會極快情況下的引戰(zhàn)配合技術。

本文提出了無人機集群反高超作戰(zhàn)概念，設想以預警探測和火力打擊無人機組成集群，實現對廣闊戰(zhàn)場空域的監(jiān)視探測與控制，通過多站定位和網絡瞄準技術實現對高超聲速目標的制導與攔截，從而構建起靈活可靠的空基反高超能力，同時辨識了支撐該作戰(zhàn)概念實現的5個關鍵技術。該方案充分發(fā)揮了無人機平臺的空基探測優(yōu)勢，較好解決了空基攔截反高超作戰(zhàn)中無人機占位困難和可用載荷不足的問題，具備較高的作戰(zhàn)效率。隨著后續(xù)研究中對無人機集群反高超作戰(zhàn)想定的細化，該研究將進一步豐富和完善反高超作戰(zhàn)手段，拓展無人機集群的作戰(zhàn)應用范圍。

本文刊載自《飛航導彈》2018年第10期

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