平流层飞艇空间控制作战样式分析*

车学科，聂万胜，桂启山

（装备指挥技术学院，北京 101416）

平流层飞艇具有隐身性能好、驻空时间长、起降要求低、作战半径大等特点，使其在通信、侦察监视、导航制导等方面具有广阔的应用前景[1]，但是也使其成为未来战争的重点打击对象之一。随着美国要求其高空飞艇装备激光武器[2-3]，临近空间武器化不可避免，研究基于平流层飞艇的临近空间防御作战具有重要意义。自从1914年兰彻斯特方程出现以后，它在各种作战理论研究中发挥了重要作用，并被逐渐改进以适应现代作战条件下的研究需求[4-6]。本文建立了包含通信、侦察以及打击三种平台的平流层飞艇编队兰彻斯特方程，对影响平流层飞艇编队作战效能的因素进行了分析研究。

1 平流层飞艇编队作战模型

1.1 作战特点分析

平流层飞艇编队对抗和战斗机空战类似，主要的区别是平流层飞艇作战的杀伤机制更类似于地面作战，这是因为平流层飞艇的抗毁能力强，在受到一定程度的损伤之后并不会立即失去战斗力而会继续坚持一定程度的作战，可以说平流层飞艇作战兼具陆战和空战的性质，其作战过程具有以下特点：

1）平流层飞艇的作战过程完全由后方遥控指挥或者利用人工智能技术进行编队的智能化自主作战，在这种情况下作战过程中将不会受到心理素质、战斗意志、健康状况等士气因素的影响；

2）在临近空间作战时，飞艇之间的相互直视距离可以达到1000km（高度为20km）以上，考虑到导弹、激光武器的射程情况，认为作战时双方飞艇相互暴露，能否进行作战的条件是侦察能力和武器载荷性能；

3）为了争夺临近空间控制权，大规模临近空间防御作战不可避免，由于平流层飞艇价格比较便宜（美国“攀登者”仅为 50万美元[7-8]），投入作战的数量相当多，可以作为连续量处理；

4）临近空间不存在雨、雪现象，双方均不存在可以提供遮蔽掩护的地形优势，即双方均可以利用数量优势，一方的损耗率仅与敌方的作战实力有关。

从以上分析可以看出，平流层飞艇编队对抗作战具有兰彻斯特平方律模型的特点，下面将根据临近空间作战的特点对兰彻斯特方程进行改进，建立平流层飞艇作战模型。

1.2 作战模型建立

一般的兰彻斯特作战模拟均针对某一种作战方式进行研究，比如仅考虑武力平台或者仅考虑信息平台，忽略了二者之间的关系，并且在大多数研究中认为双方能够完全确切知道对方所有战斗单位的位置和状态，这显然不符合平流层飞艇高隐身、超视距作战的实际情况，在平流层飞艇作战仿真中必须考虑侦察、通信等信息系统的作用。

平流层飞艇载重量不是很大，每个飞艇通常具有某一种主要功能，整个作战过程由功能不同的各个系统共同完成，作战过程为在卫星系统的支援下首先使用侦察平台获取敌方目标情况，然后将其传输给通信指挥系统，通信指挥系统进行综合处理后分配目标并将相应的打击信息下发给打击平台，最后由打击平台发射导弹或者高能激光打击特定目标。

作战过程中每一种平台的损失对编队作战能力的影响各不相同，必须考虑各类平台的数量以及在战斗实力中的作用，因此将平流层飞艇作战仿真对象分为平台和作战实力两部分。平台包括通信（X1、Y1）、侦察（X2、Y2）和打击平台（X3、Y3）三类，作战实力包括信息战能力（X4、Y4）和打击实力（X5、Y5）。借鉴非战斗减员模型和异类作战单位模型[9]，建立的平流层飞艇编队对抗兰彻斯特方程组如下（红方平流层飞艇编队的作战编成为Xi，蓝方作战力量编成为Yi，i=1,2…5）：

式（1）中i=1、2、3，φi、φi为双方作战实力分配系数，βxi、βyi为双方第i类平台的自然耗损系数，γxi、γyi为双方第i类信息平台在其信息战作战能力的作用系数，Vxs、Vys为双方天基信息平台引起的信息战能力系数，λx4、λy4为双方信息战能力造成的战斗力影响系数，αx、αy为双方作战力量造成的对方平台最大平均耗损系数。

其中， Px（ t）、 Py（ t）为双方侦察系统发现对方编队平台的概率[10]。

对于一个武器系统而言，它的作战能力包括信息支援与武力打击两个方面。当系统能够提供足够数量的信息，则确保武力打击系统能够连续不停地准确发射武器载荷，使得武器系统的作战能力发挥到最佳水平，但是实际情况下武器系统的信息支援能力并不足，无法保证武力打击系统的连续准确射击，甚至无法实施有效射击，导致战斗力的下降。从这个思想出发，下面首先确定武器的最高作战效率，然后由所获得的信息量与所需要的信息量之比来确定实际作战效率,见式4、式5。

其中，ω为1个打击平台为保持最大连续战斗力所需要的信息量系数。

导弹武器造成的损耗系数为

其中，ta为目标捕获时间，Ri为发射第i发导弹时与目标的距离，V为导弹飞行速度，tlaunch为飞艇投放导弹花费的时间，n为摧毁一个目标所需导弹数量，它可以通过建立导弹的空气动力、制导策略、毁伤效能等模型针对单个目标进行仿真计算得到。

某一距离R上高能激光武器造成的损耗速率为

其中，tlaser为激光武器的发射准备和转火时间，l为激光武器摧毁一部飞艇所需要烧毁的目标总长度，在本文的计算中取 l ＝ 400.0m ，λ为激光波长（1.06μm），R为到目标的距离，β为激光束衍射极限，Q0为达到烧蚀条件所需要的杀伤能量密度，D为发射望远镜主镜直径，P为激光器功率，λτ为大气透射率，激光透射率为[11]

综合式（6）中提到的导弹攻击模型，以及式（7）式（8），可用于研究少量飞艇作战样式，从而与本文研究形成更加完善的临近空间作战仿真系统。

2 平流层飞艇编队作战样式分析

2.1 作战初始条件及仿真结果

假设红/蓝方通信、侦察、打击平台的初始数量分别为2/1、6/3、40/10，初始位置相距300.0km，机动速度分别为150.0km/h和120.0km/h，红方打击平台使用射程为120.0km、平均飞行速度为3.0Ma的导弹，蓝方使用功率为 50.0kW 的激光武器，红方电子干扰作战对蓝方通信、侦察系统的降级能力分别为 80.0%和50.0%，蓝方则相应的为70.0%和40.0%。

图1和图2显示了作战过程中双方作战平台数量的变化过程，从中可以看出作战最终结果是红方损失31.9%通信平台、31.9%侦察平台和15.3%作战平台，蓝方的损失则分别为39.0%、39.0%、95.1%，双方损失的平台总数之比为0.813，红方取得惨胜。

图1 红方编队平台变化过程

图2 蓝方编队平台变化过程

2.2 武器性能差异分析

图3表示双方战斗力和毁伤系数变化过程，从中可以看出在作战初期的大约6200s内，红方由于导弹射程不足而无法打击蓝方，其作战实力一直保持为0，当红方进入射程之后其造成的损耗系数迅速增大，但是此后随着距离的减小，损耗系数增加幅度不大，激光的透射率有一定程度的增大，因此激光武器造成的损耗系数增加速度更快一些，这说明使用导弹时应在尽可能远的距离上进行作战。

图3 双方战斗力和毁伤系数变化过程

如果导弹射程降低，则会出现完全不同的作战结果，经过多次仿真计算后发现97.0km是一个分水岭，当导弹射程小于97.0km时蓝方获胜，因此导弹的射程在一定程度上决定了战争的结局，必须尽可能提高导弹射程。

由于激光武器造成的损耗系数比导弹高出5倍以上，如果进一步提高激光武器的功率，则红方的损失会增大，当达到一定程度后红方的数量优势将不会发生作用，蓝方将取得胜利。通过计算，发现该功率临界值为90.0kW。从图4中可以看到，当激光功率达到150.0kW 之后蓝方的损伤近似为 0，再考虑到激光武器的射程比导弹远，在临近空间使用高能激光武器进行作战具有明显优势。

图4 激光武器功率不同时蓝方平台损失率

2.3 防御措施的影响

如果蓝方采取了一定的干扰防御措施，红方导弹的作战效率将会下降，摧毁一个目标需要消耗的导弹数量将会增加。表1给出了红方摧毁一个目标的导弹消耗量对作战结果的影响，从中可以看到红方通信和侦察平台的平均损失率基本相同，三种平台的损失率都随着导弹消耗量的增加而有小幅增加；蓝方通信和侦察平台的损失率也基本相同，但是随导弹消耗量的增加而减小，作战平台的损失率则基本都在 95.1%。总体来讲，采取防御措施后最主要的作用是增加了导弹成本，对双方平台损失率的影响相对较小。

2.4 信息对抗的作用

图5显示了红蓝双方探测能力的变化过程，从中可以看到双方的侦察平台虽然相差一半，但是都在近似相同的时间内发现对方的几乎全部作战平台，而且数量上处于劣势，性能上处于优势的蓝方发现速度更快一些，所以在临近空间作战中侦察平台的性能比数量更重要。

表1 摧毁一个目标的导弹消耗量的影响

侦察平台数量的降低增加了搜索发现时间，但是增加的搜索时间倍数并不和平台数量的变化完全相符，从图5中可以看到在平台数量相差3倍的情况下发现时间仅相差2倍。但是搜索发现时间的增加对作战结果造成了严重影响，红蓝双方侦察平台分别为 2和1时三种平台的作战损失率分别为38.0%/37.0%、38.0%/37.0%、18.2%/95.1%。该结果与表1中耗弹量为9的结果比较接近，因此为了降低飞艇的损失率，增加侦察平台的数量、提高侦察设备的性能具有重要意义。

图5 双方探测能力变化过程（数字代表平台数量）

电子干扰的主要目的是降低敌方的信息获取和信息传输能力。本文计算了双方电子干扰降级能力从 0到100.0%共14641种情况，其中，红方获胜总概率为53.6%。对仿真结果进行分析后发现，侦察干扰的作用不如通信干扰明显，双方侦察干扰的作用主要是增加对方作战损失，对作战胜负没有根本性影响，通信干扰则不同，以蓝方通信干扰为例，随着蓝方通信干扰降级能力的增强，红方必须不断提高通信干扰能力才能取得胜利，这说明通信系统是平流层飞艇作战编队的弱点所在，因此作战过程中应首先重点打击敌方的通信系统。

3 结束语

本文建立的平流层飞艇兰彻斯特作战模型包含了通信、侦察、打击三种不同的作战平台，以作战过程中所需要的最大信息支援为标准将实际信息支援能力引入到作战实力的形成中，满足了临近空间高度智能化作战仿真的需求。关于信息对抗能力、防御能力和武器性能的仿真结果为发展临近空间武器装备、研究临近空间作战理论提供了一定参考。

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