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深度解析无人机集群反高超声速武器作战概念设计[新闻]换气扇辉县

发布时间:2020-11-26 17:08:41 来源:诺特机械网

原标题:【深度】 无人机集群反高超声速武器作战概念设计

临近空间高超声速武器,指飞行速度大于马赫数5,飞行高度位于临近空间( 25~100km)的军用飞行器。美国战术高超声速武器在2020年技术成熟度可达到6级,美国空军则能够在2025年前部署空射战术高超声速武器。日本、印度、澳大利亚等国也展开了对临近空间高超声速武器的研究。

对此,世界各军事强国都对高超声速武器的防御技术给予了足够的重视。空基拦截是一种较为新颖的反高超作战概念,已有研究中描述了关于空基拦截方案的顶层概念、作战流程、技术框架等方面,认为空基拦截具备部署灵活、拦截弹发射初速度高、目标在巡航/滑翔段机动能力弱的优势,适合执行随遇突发作战任务。但该方案也存在作战运用方面的一些限制,而无人机集群技术作为无人机作战运用的未来趋势,具备极高的作战效能。

因此本文将探讨无人机集群技术在临近空间高超声速武器防御作战中的应用,以弥补空基拦截方案中存在的不足,提高其作战效率。

1现有空基拦截方案存在哪些问题

按照现有空基拦截方案的设想,采用高空长航时无人机,携带空基拦截弹,在被保护要地上空巡逻待战。一旦发现敌方高超声速目标,无人机则迅速向截击位置机动,占据来袭目标前方正迎头位置,向目标发射拦截弹,并进行毁伤效果评估。拦截弹制导采取与美国空射撞击杀伤系统( airlaunched hit-to-kill,alhtk) 类似的地面火控雷达制导。该方案的不足体现在以下几个方面。

01 对无人机平台能力需求的矛盾

飞行速度为马赫数6的高超声速飞行器飞行1000km需要用时556 s,而无人机从地面起飞爬升至12km的作战高度,其用时与这一时间接近。这就要求无人机不能在得到预警信息后再从地面起飞,而必须采取巡逻待战的作战方式,因此对其留空能力有较高需求。无人机为实现长时间留空,通常采用与全球鹰无人机类似的大展弦比设计,要求航空发动机具备较好的燃料经济性。另外,作战中也要求无人机在得到预警信息后迅速向估计的截击位置机动,需要具备较快的飞行速度和优良的转弯性能,这就要求无人机具备较好的气动设计,并采用大推力的航空发动机。

以上对无人机两个方面的能力需求带来了飞行包线上的矛盾。反映在装备上,目前各国现役无人机平台还没有可以很好兼顾这两方面能力需求的型号。而如果降低设计指标以求折衷,则将造成无人机平台能力上的缺陷。

02 无人机平台占位的困难

图1是平均速度为马赫数4的拦截弹对马赫数6的目标进行拦截时在不同弹目距离下所允许攻击范围的仿真图。由图可见, 拦截弹必须位于以来袭目标为顶点的圆锥底面上,也就是说必须采取近似正迎头的攻击方式,否则脱靶量将呈现急剧发散趋势。这就要求无人机需要在拦截弹发射前尽可能占据来袭目标的正迎头位置。但临近空间高超声速武器可以进行1~2g长时间机动, 具备大范围机动能力,具体来袭方向难以估计,这使得无人机平台占据目标正迎头截击位置的设想难以实现。特别是如sr-72的平台级高超声速飞行器,在执行侦察或打击任务时,完全可以牺牲部分时效性,通过环绕目的地飞行的方式,完全摆脱携带拦截弹的无人机平台。此时,在机动范围上与高超声速飞行器的差距会导致无人机无法获得拦截窗口。

图1 不同距离上拦截弹攻击区示意图

03 平台可用载荷的不足

当前大型无人机平台可用任务载荷普遍为百千克级别,载荷较大的如美国已终止的x-47b项目,其任务载荷约为2 t。因此无人机平台在面临反高超任务时存在可用载荷的不足,体现在:难以携带体积较大、所需功率较高的传感器设备,平台自身的态势感知能力较弱;对所挂载的拦截弹长度、弹径、重量有严格限制,影响了拦截弹性能;也不能携带较多拦截弹,抗击多批次目标能力弱。

04 作战体系鲁棒性的不足

无人机上不同任务载荷之间存在总可用载荷限制下的矛盾。 因此在现有设想中,放弃了无人机平台自身的探测能力,仅将其作为拦截弹的空基挂载平台,作战中的信息支援完全依靠天基红外卫星、陆基远程预警探测雷达、预警机等其它传感器节点。一旦在作战中这些节点遭受破坏,或者在离开我方纵深进行作战时,无人机平台面临缺乏其它节点信息支援的作战环境,就会失去作战能力。与敌方体系对抗时我方空基反高超体系的鲁棒性明显不足。

2无人机集群反高超作战典型能力需求

无人机集群用于反高超作战的优势,主要在于可通过对各平台分散化的部署,实现对广阔战场空间的控制,各平台也可根据自身的任务划分,高效利用任务载荷。根据空基拦截作战的一般流程,可认为无人机集群在反高超作战中有以下几项典型能力需求。

集群的自主协同决策能力

在反高超作战中,无人机集群需要通过任务分工,实现对大范围内的覆盖搜索和探测跟踪, 并对来袭目标实施火力打击。因此,在自主协同决策能力上有4个方面的需求:1) 协同任务规划能力,实现不同无人机平台间优势互补,确保拦截过程闭环;2 ) 战场目标管理与资源分配能力,实现战场资源的优化配置, 并在个别无人机节点失效时重新整合剩余资源,发挥最大系统效用;3) 无人机系统在线和离线信息融合能力,以产生和维持与集群的高级操作员一致的态势感知;4) 冲突消解和避撞能力,以保证在复杂环境下集群的飞行安全和顺利协同作战。以上需求在美军无人机自主控制等级(autonomous control level) 标准中位于5~7级,而目前自主能力较高的全球鹰无人机位于2~3级, 可见反高超作战对无人机系统的自主控制能力有较高要求。

02

由于高超声速目标的飞行速度为空基拦截弹平均速度的1.5~2倍,那么对目标实施拦截的前提是无人机集群至少要能够在拦截弹动力射程的3倍距离上( 约300~400km) 发现并跟踪来袭目标。结合无人机集群各平台分散化的特点,可由不同无人机平台搭载的多个传感器协同工作,生成精确目标信息,再将信息直接发送给拦截弹载机,拦截弹采取网络化制导的方式攻击目标。网络化瞄准可降低对单个传感器的性能需求,也摆脱了对地面火控系统的依赖,提高了空基拦截系统的行动自由度和鲁棒性。美军目前的战术瞄准网络技术( tactical targeting network technology,ttnt) 可针对地面移动目标实现网络化瞄准,aim120d空空导弹可实现对空中目标的第三方制导,表明了该项能力需求的技术可行性。

03 信息的超视距传输能力

在作战中,为实现对广大区域的监视探测和控制,需要将无人机分散布置,因此平台之间距离较远。为了能在目标机动能力较弱的巡航/滑翔段实施拦截,也需要无人机集群前出部署,可能会远离地面控制站和中继站。 为了保证集群与操作员以及无人机平台间的信息交互,需要无人机集群具备信息超视距传输能力。超视距信息传输可以通过在无人机集群中设置专门的通信中继无人机实现,目前以色列iai公司的el/k-1850数据链通过中继方式将通讯距离从200km扩展至370km。此外,也可通过卫星中继天线进一步扩展无人机集群和平台的活动范围,目前美国rq-4a 全球鹰、mq-9死神等大型无人机即采用该方案。

04 面向各自任务的良好飞行和载荷能力

根据对拦截杀伤力链闭合的需求,初步设想无人机集群中包括预警探测和火力打击两类无人机平台。其中,预警探测类无人机需要携带体积较大的主动或被动探测设备,实现对周边半径超过200km的360°空域探测,飞行高度应当位于稠密大气层上方(约20km) ,有利于红外和光学探测设备发挥优势,预警探测类无人机部署位置靠前,因此也需要具备较长飞行时间,以减少出动频次;火力打击类无人机需要携带多枚( 考虑现有技术水平设想4~6枚) 空基拦截弹在要地上空巡逻待战,在收到拦截指令后快速机动调整,拦截弹发射前需要迅速抬起40°~50°仰角,使拦截弹获得良好的发射角度。所以,它应当在携带较多任务载荷时具备短时间内的快速飞行能力和优良可用过载,而为了保证充足的任务载荷可降低对飞行高度和留空时间的需求。

3 01 无人机集群反高超作战过程

设想无人机集群由预警探测和火力打击两类无人机构成,为简化集群构成,各平台数据交互通过卫星中继实现。地球同步轨道红外预警卫星提供早期预警信息,由集群控制席位和战区级反高超bm/c3i 两级指控系统实施协调指挥。体系中各元素的信息交互关系如图2所示,其典型作战过程可分为以下阶段:

1) 战备阶段。在战备情况下,我方陆基拦截系统在被保护区域附近就近部署,无人机集群在要地上空附近待战巡逻,准备执行作战任务。

2) 预警阶段。敌方高超声速武器发射后,我方预警卫星发现敌方目标,首先进行目标识别,初步判断目标属性后将目标信息发送给战区级bm /c3i,保持对目标的监视。指挥中心对目标的攻击意图进行判断,在判断为威胁后,发出二级预警信息,下达作战任务。

3) 准备阶段。无人机集群高级控制员进行部队作战的适宜性检查,制定作战计划。根据早期预警信息引导预警探测无人机发现目标,并命令火力打击无人机调整自身位置和姿态, 同时向战区级bm/c3i反馈战场态势。

4) 拦截阶段。无人机通过协同探测得到目标精确位置, 目标进入拦截区后,集群高级控制员指挥无人机发射拦截弹, 拦截弹在其它无人机平台的网络化中制导导引下飞向目标, 接近目标后导引头截获目标, 中/末制导交班后进入末制导直至弹目遭遇。进行毁伤效果评估,若未摧毁,则战区级bm/c3i决定继续拦截或转入陆基拦截流程。

图2 无人机集群反高超作战概念顶层视图

02 无人机集群反高超作战运用

根据集群中无人机平台所承担的任务种类,结合现有技术水平,对无人机平台战技指标提出的需求如表1所示。其中火力打击无人机携带6枚质量为250kg、动力射程为200km的空基拦截弹;预警探测无人机携带可全向探测的红外传感器,对典型高超声速目标作用距离为300km,通过双机或多机协同对目标精确定位,其空间位置关系如图3所示。

表1 无人机平台设想战技指标

距离要地200km以内由陆基系统进行防御,200~600km范围为空基拦截区。火力打击无人机部署于距离要地100km处,拦截区为满足拦截弹发射条件区域,杀伤区为弹目遭遇区域。根据仿真结果,拦截和杀伤区近似扇形,宽度约为270km,在距离要地100km处等间隔部署6架火力打击无人机,其杀伤区即可覆盖所有方向,无人机只需小幅度调整自身位置和朝向即可。预警探测无人机部署于距离要地400km处,通过双机定位方式获得目标位置信息,因此需要双机探测范围完全覆盖空基拦截区,满足这一条件时双机与要地的最大夹角为0.46rad,那么覆盖所有方向则需要至少14架预警探测无人机。按照以上设想,由14架预警探测无人机和6架火力打击无人机构成的无人机集群,可实现对要地周边空域的全面探测,携带36枚空基拦截弹,具备抗击多方向、多批次高超声速武器攻击的能力。

无人机集群反高超作战概念与单平台陆基制导方案相比具备明显优势,主要包括:1) 陆基雷达探测范围受部署位置、天线朝向等因素的影响,存在探测盲区,而空基平台可实现对作战空域的全方位覆盖;2) 高超声速目标由于等离子鞘套现象的存在,其雷达散射特征较弱,影响了雷达作用距离,但它的蒙皮和尾焰的高温使得其红外特征异常明显,通过无人机搭载红外传感器进行协同定位更符合高超声速飞行器的目标特性;3)无人机集群具有很强的机动能力,作战范围不受陆基雷达系统位置的限制, 可以远离国土纵深作战,在作战运用上更灵活,战场生存能力也更强;4) 集群中由多架火力打击无人机携带拦截弹,火力连续性比单架平台更强。

图3 无人机集群战场部署示意图

4无人机集群反高超关键技术

根据无人机集群实施反高超作战的能力需求以及作战概念的设计辨识关键技术,为实现该作战概念需要具备以下技术支撑。

智能化的航空集群自主协同技术

实现无人机集群的反高超作战需要高度智能化的自主协同技术,具体包括4个方面:1) 编队飞控技术。它对控制精确程度和实时性要求很高,除了对单机的飞行姿态进行控制以外,还需要解决编队生成、队形保持、队形变换以及协同避障问题,是无人机编队作战的前提;2) 态势评估技术,即客观反映战场情况,根据敌方兵力、部署和可能采取的策略,估计敌方意图和行动,为我方下一步行动提供决策依据;3) 任务分配技术。它不仅要实现在战前根据全局信息为无人机预分配任务,为无人机的行动提供重要参考,也要在作战中客观环境发生变化时完成在线更改,实现动态规划,以适应千变万化的战场环境;4) 航迹规划技术。在执行任务前,高级控制站需要完成全局参考航迹规划,并将该数据装订于无人机平台上,任务过程中发生突发情况时,无人机也需要根据自身机动能力的约束条件实时进行冲突消解、威胁规避或地形跟随。

02

红外探测是无人机集群实现战场感知的主要手段,因此首先需要实现对临近空间高超声速目标的及早发现,这就要求无人机对监视空域内进行全方位的快速扫描,具备大范围红外扫描技术。发现目标后,要对目标进行识别和定位,这就要求建立准确而完备的高超声速目标特征模型和信息库,尽可能减小俯仰角和方位角的测角误差,具备跟踪精度较高的红外凝视技术。同时由于高超声速武器不同飞行阶段的红外辐射峰值频段不同,为了实现对不同类型飞行器的全程跟踪预警,也要求红外探测系统具备3~5μm和8~12μm的双波段探测技术。在实现精确探测的基础上还要通过交叉定位技术正确识别目标位置,剔除虚假目标,特别是在视界内有多个目标时要实现对目标的准确定位。

面向高超声速目标的网络

瞄准技术用于实现无人机集群网络瞄准能力的数据链应当是专用链路。区别于通用的指挥、控制、 通信战术数据链,网络瞄准数据链需要具备更短的数据链更新周期和传输延迟,具备较大传输带宽,才能满足对高超声速目标的作战需求。此外,为了与预警探测无人机的作战样式相适应,数据链应当强调动态组网,不设置中心节点,建立扁平化的通讯网络,并且实现作用距离400km以上的超视距传输。为了提高平台生存能力,网络瞄准数据链应当采用定向通讯模式,以保证在高强度电子战环境下的反无源探测能力,在天线的设计上也需要考虑兼顾平台隐身性能。

04 无人机相关设计技术

用于反高超作战的高性能无人机平台涉及多项无人机制造的共性重要技术,包括总体设计技术、气动布局、飞控系统、航电系统、隐身技术等。此外,针对无人机具体作战环境,满足无人机长滞空时间和大载荷的需求, 必须降低结构重量以携带更多燃油和任务载荷,这就需要提高高强度轻质复合材料的性能和使用率。美国rq-170无人机复合材料使用率超过90% ,并且洛马公司已经开展了全复合材料验证机试验。集群中两型无人机都对飞行高度、速度、滞空时间方面有明确要求,这就要求采用的航空发动机相比于常规发动机,需要具备低油耗、可用飞行高度高、高空推力损失小、高空边界特性好的特点,火力打击无人机还需要具备短时间内的较大推力。在高新技术的应用中,可通过变循环发动机来实现无人机对于动力的需求。

05 临近空间拦截弹设计技术

拦截弹首先需要实现在临近空间环境下超过高超声速目标的可用过载,与此相关的关键技术包括直/气复合控制导弹外形与布局优化技术、高温高加热率的结构材料与热防护技术,长工时轨控发动机、双脉冲发动机和摆动喷管推力矢量等动力技术;拦截弹要实现临近空间环境下对目标的精确制导,适宜在主动段采取红外制导方案,其关键技术包括远距离红外探测技术、高精度跟踪技术、大动态范围红外探测技术、气动热适应技术、高帧频信息处理技术等,同时也要具备适用于大机动目标的新型制导律技术。拦截弹最终需要实现对目标的有效毁伤,但面对可进行主动机动的高超声速目标其脱靶量往往无法达到直接碰撞所需的精度,因此需要探索新的毁伤机制, 包括复合材料金属球、碳化硼颗粒、人造金刚石颗粒等高硬度轻质破片,针对超燃冲压发动机的可吸入气溶胶等,以及在弹目交会极快情况下的引战配合技术。

本文提出了无人机集群反高超作战概念,设想以预警探测和火力打击无人机组成集群,实现对广阔战场空域的监视探测与控制,通过多站定位和网络瞄准技术实现对高超声速目标的制导与拦截,从而构建起灵活可靠的空基反高超能力,同时辨识了支撑该作战概念实现的5个关键技术。该方案充分发挥了无人机平台的空基探测优势,较好解决了空基拦截反高超作战中无人机占位困难和可用载荷不足的问题,具备较高的作战效率。随着后续研究中对无人机集群反高超作战想定的细化,该研究将进一步丰富和完善反高超作战手段,拓展无人机集群的作战应用范围。

本文刊载自《飞航导弹》2018年第10期

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