便携式防空导弹抗亚声速隐身巡航导弹能力研究

程彦杰，刘正堂，王　兴

(中国洛阳电子装备试验中心，河南 洛阳 471000)



便携式防空导弹抗亚声速隐身巡航导弹能力研究

程彦杰，刘正堂，王兴

(中国洛阳电子装备试验中心，河南 洛阳 471000)

摘要：研究了便携式防空导弹应对亚声速隐身巡航导弹能力的问题。首先在整体性能对比的基础上，分析得出第3代便携式防空导弹拦截亚声速隐身巡航导弹的可行性。然后根据巡航导弹不同方向的辐射强度,建立便携式防空导弹攻击目标数学计算模型并进行算例仿真，分析得出了便携式防空导弹应对亚声速隐身巡航导弹的有效范围和最佳指标。

关键词：便携式防空导弹；亚声速；隐身；探测距离；巡航导弹

0引言

近年来，各式巡航导弹在高技术局部战争的战场上屡立战功，LRASM-A亚声速隐身巡航导弹已经成为重要杀手锏武器之一，其低空突防能力超强，制导精度极高，战略威慑不亚于隐形战机[1]。而便携式防空导弹作为一种有效的低空/超低空反隐身防空武器，在多次局部战争中发挥了不可小觑的作用，取得了良好的战果。据有关文献记载，1991年海湾战争中，多国联合部队损失的37架飞机和巡航导弹，80%是被便携式导弹击落的；而便携式防空导弹在伊拉克战争和利比亚战争中后期也发挥了中坚力量的作用。因此，研究便携防空导弹拦截新型亚声速隐身巡航导弹的能力具有较重要的意义。

1基本能力分析

自海湾战争以后，防御巡航导弹的打击已经成为世界各国关注的焦点[2]。而便携式防空导弹成本低，质量轻，便于携带，可以单兵肩扛发射，或者兵组携带架式发射，作战使用灵活，可以抗击拦截多种低空或超低空入侵的飞机、武装直升机、巡航导弹等目标[3]，是一种有效的末端防空武器。

1.1　侦察发现目标

新型亚声速隐身巡航导弹采用了非圆截面气动外形隐身设计，并涂有抑制信号辐射的电磁波反射、散射的吸波材料，雷达反射截面更低，RCS仅为0.005m2,隐身性能超强，具有良好的低空超低空突防能力，因此常规的警戒雷达、火控雷达都难以发现。而便携式防空导弹依靠上级情况通报、远近方观察哨、红外探测器、目标观测仪和有效范围内目测侦察发现目标，剔除了该型巡航导弹隐身性强的重大优势，具备了发现目标的基本条件。便携式防空导弹可编配至导弹排、导弹班组，甚至单兵操作即可完成射击任务。据射击统计和理论计算，对高度为100m的巡航导弹类目标，其通视距离约10km，而采用红外源探测告警器时发现距离可达25～30km，可为便携式防空导弹操作手提供有效的射击指示。与此同时，配合在敌目标来袭航路上派出的远近方观察哨，能有效弥补警戒雷达探测隐身目标能力不足的弊端。远方观察哨可尽远配置，甚至可以前出至海岸突出部或岛上；近方观察哨配置在便携式防空导弹发射阵地周围8～15km为宜，发现巡航导弹时会及时通报，为便携式防空导弹拦截目标提供充分的准备，从而延长便携式防空导弹拦截该型巡航导弹的时间。

1.2　探测跟踪目标

据有关资料报道， LRASM-A亚声速隐身巡航导弹项目在提高隐身能力上下了很大功夫来降低其RCS,但是在削弱导弹弹体和发动机排气等产生的红外特征方面却进展不大，从而为便携防空导弹探测发现、跟踪和拦截亚声速隐身巡航导弹提供了有利的契机。

本文选取俄罗斯的第3代便携式防空导弹进行性能分析。亚声速隐身巡航导弹的红外辐射频谱波长约为3.5～3.9μm,而俄第1代便携式防空导弹由于采用的是硫化铅探测器，其红外谱段在1～3μm，因此不能有效探测并拦截该型巡航导弹；第2代便携式防空导弹多采用锑化铟探测器，探测灵敏度大大提高，其红外谱段集中在3.5～5μm之间，虽然可以探测该型巡航导弹，但是由于谱段覆盖不全面，造成导引头跟踪能力不稳定，容易丢失目标；第3代便携式防空导弹大多采用多模信道导引头，能够全方位探测目标的红外能量，其红外谱段在3～5μm之间，能够完全覆盖巡航导弹的红外辐射波长，因此完全具备探测发现该巡航导弹的能力。

1.3　飞行速度和机动性

LRASM-A亚声速隐身巡航导弹有效射程可达2500×103km，巡航速度Ma数为0.75～0.9。该型巡航导弹在飞行末段，为实施目标景物匹配、按图索骥以及规避防空阵地等目标，巡航速度会有所下降，一般Ma数为0.75，即255m/s,巡航高度一般为10～120m；在距离目标10km内进入攻击末段，巡航导弹速度加快，最大速度可达306m/s，因此便携式防空导弹发射阵地最好选在距离保卫目标10km以外。该型巡航导弹具有一定的飞行机动性，但考虑到其隐身特性强，设计之初对导弹的机动过载设计要求不高(约3g左右)，其飞行航路线也与地形匹配，有一定的规律性，因此使得便携式防空导弹在中途设伏有迹可循。

第2代便携式防空导弹已采用了锑化铟探测器，机动性能较好，可以全向攻击速度不大于300m/s的巡航导弹目标，但其杀伤目标的最小高度不低于20m，而该型亚声速隐身巡航导弹的飞行高度在10～120m之间，可以看出，第2代便携式防空导弹不能完全满足在最低飞行高度对其实施拦截。而第3代便携式防空导弹不仅导引头灵敏度比第2代提高了2倍多，可用最大过载也达到17g,而且杀伤区范围也有了较大改进，例如俄第3代某型便携式防空导弹可全向攻击不低于10m、不高于3500m、最大斜距5500m以内的目标，甚至可以全向攻击速度为330m/s左右的飞行目标。由此可以看出，在发现目标的前提下，俄第3代某型便携式防空导弹有能力拦截该型巡航导弹。

1.4　制导精度和杀伤威力

第3代便携式防空导弹已经初步迈向了智能化，多数还采用多模信道导引头，提高了导引头灵敏度，具有较大的搜索视场和自动搜索目标的能力，在操作手尚未稳跟目标时就可以发射导弹；带有目标识别逻辑器件，能对敌我目标和假目标进行分辨识别，抗干扰能力更强；安装有导弹瞄准点移位核准装置，能使导弹在引爆战斗部前根据接近目标的红外热量移位情况自动调整攻击点位置，将攻击点的散布中心沿着目标的位移方向适当前移，保证攻击点更接近目标的中心或要害部位。此类导弹的制导方式已经属精密范畴，其脱靶量一般不超过1.5m，而且命中精度不会因为作战斜距的增大而降低。

另外，第3代便携式防空导弹普遍采用新作战机理的战斗部，不仅引战配合效率高，制导精度准，保证了弹目遭遇时有足够高的直接碰撞概率，而且战斗部杀伤半径也有提高，近战爆破杀伤威力大幅增加，对于低空飞行、结构较为脆弱的亚声速隐身巡航导弹来讲，炸点距离要害部位较近，战斗部爆炸产生的冲击波超压、冲量及弹片对其的破坏作用尤为巨大，足以将其摧毁。

2便携式防空导弹对LRASM-A巡航导弹的探测距离

2.1　探测距离数学模型

根据第1节的分析，选取俄第3代某型便携式防空导弹为模型研究对象。俄第3代便携式防空导弹采用多模信道导引头，既可以白天实施射击，也可以进行夜间作战。其红外谱段在3~5μm之间[4]，不仅可以探测隐形巡航导弹发动机尾喷口处释放的热源，也可以捕捉到新型巡航导弹发动机蒙皮散发的气动热和摩擦热，因此可以对巡航导弹进行全向攻击。

便携式防空导弹导引头可采用旋转的圆形调制盘红外探测系统，也可采用二元或四元光敏元件的十字叉脉冲调制方式来探测跟踪目标。考虑到大多锑化铟探测器导引头通常采取后者，所以这里选取后者进行分析，建立其探测距离公式：

(1)

式中,D0为光学系统入射孔直径；(NA)为光学系统数值孔径；ρ为便携式防空导弹探测器的信噪比；F为隐身巡航导弹的红外辐射强度；D′为单位面积带宽下的探测度；ω为红外光敏元件的视场角；Δf为便携式防空导弹的信号处理系统带宽；τ0为光学系统的透过率；τa为红外辐射大气透过率。

2.2　LRASM-A巡航导弹不同方向的辐射强度

便携式防空导弹可对美亚声速隐身巡航导弹实施全向射击，因此根据便携式防空导弹对巡航导弹可能的射击方向将情况分为迎攻、尾追、垂直正侧面和有夹角φ(0<φ<π/2)或(π/2<φ<π)时射击，针对不同的情况对该型巡航导弹的辐射强度进行分析。同时根据查阅的相关资料，并结合文献[1]、[5]对巡航导弹红外辐射特性进行计算探讨，得出LRASM-A亚声速隐身巡航导弹的红外辐射强度如表1所示。

表1　LRASM-A亚声速隐身巡航导弹的红外辐射强度

当便携式防空导弹迎攻时,设巡航导弹的红外辐射强度为FA,此时便携式防空导弹正对着巡航导弹来袭的方向进行拦截，主要考虑蒙皮气动热FM1和羽流辐射FY1，由表1可得出红外辐射强度FA=FM1+FY1=17.971 W/sr。

当便携式防空导弹尾追时,设巡航导弹的红外辐射强度为FB,此时主要考虑尾喷管辐射FW和羽流辐射FY3,因此可得出此时的红外辐射强度FB=FW+FY3=66.32 W/sr。

当便携式防空导弹正侧方拦截时,其方向与巡航导弹飞行方向垂直，设巡航导弹的红外辐射强度为FC,此时主要考虑蒙皮气动热辐射FM2和羽流辐射FY2,因此可得出此时的红外辐射强度FC=FM2+FY2=43.186 W/sr。

当便携式防空导弹拦截方向与巡航导弹的前向轴线成夹角α时，设巡航导弹的红外辐射强度为FD，可以分下面两种情况进行计算：

1)当0<α<π/2时

FD=FM2sinα+FY1cosα+FY2sinα

=(FM2+FY2)sinα+FY1cosα

(2)

2)当π/2<α<π时

FD=FM2sinα+FY2sinα+FW(-cosα)+FY3(-cosα)

=(FM2+FY2)sinα+(FW+FY3)(-cosα)

(3)

式中，FY2sinα存在一定误差，取其近似值。

2.3　便携式防空导弹对LRASM-A巡航导弹的探测距离的仿真分析

根据获悉的俄第3代便携式防空导弹“针N”的部分参数，取其近似数据进行分析。光学系统入射孔直径D0=3.61cm，探测度D′=1.95×1010cmHz1/2W-1，光学系统数值孔径NA=0.177，光学系统的透过率τ0=0.5，便携式防空导弹探测器的信噪比ρ=5，红外光敏元件的视场角ω=1.31×10-5rad，便携式防空导弹的信号处理系统带宽约为Δf=2600Hz。

以上参数代入式(1)计算可得：

=1.029(Fτa)1/2

(4)

式中，R的单位为km。

当便携式防空导弹迎攻时,巡航导弹的红外辐射透过率低[4]，因此取τa=0.2,巡航导弹的红外辐射强度为FA=17.971W/sr,根据式(4)，则Ra=1.029×(17.971×0.2)1/2=1.951km。

当便携式防空导弹尾追攻击时,巡航导弹的红外辐射透过率较高，因此取τa=0.4，且巡航导弹的红外辐射强度为FB=66.32W/sr,根据式(4)，则Rb=5.299km。

当便携式防空导弹正侧方攻击时,巡航导弹的红外辐射不仅考虑蒙皮气动热，而且还有尾喷管产生的热辐射，透过率也相对较高，因此也取τa=0.4，巡航导弹的红外辐射强度为FC=43.186W/sr,根据式(4)，则Rc=4.277km。

当便携式防空导弹与巡航导弹的前向轴线成夹角α射击时，可由公式(2)、(3)得出：

1)当0<α<π/2时

Rd=1.029×105(((FM2+FY2)sinα+FY1cosα)·

τa)1/2

=1.029(17.27sinα+3.468cosα)1/2

(5)

2)当π/2<α<π时

Rd=1.029×105(((FM2+FY2)sinα-(FW+FY3)·

cosα)τa)1/2

=1.029(17.27sinα-26.528cosα)1/2

(6)

根据公式(5)、(6)可以仿真得出“针N”便携式防空导弹对亚声速隐身巡航导弹的探测区域图。因为该型便携式防空导弹具备全向攻击能力，所以将夹角α在(π,2π]之间的探测范围同时进行仿真绘图，如图1所示。

图1　便携式防空导弹对亚声速隐身巡航导弹的可探测区域仿真图

3便携式防空导弹拦截LRASM-A巡航导弹的遭遇区域分析

3.1　仿真初始条件及约束条件

由第1.3节可知，美军该型巡航导弹的亚声速巡航速度最大约为306m/s,末段巡航速度会有所下降，约为255m/s。这里为便于研究，选取该型巡航导弹的飞行速度为280m/s，高度为100m,且飞行状态为匀速平飞。“针N”便携式防空导弹的出筒初速度约为35m/s，出筒发射倾角β在15°～60°之间，两级推力发动机可以使导弹迅速加速至750m/s以上，推力加速度可达120m/s2。便携式防空导弹的发射点设为原点。假设条件及约束条件如下：

1)不考虑阵风等外力对便携式防空导弹的影响作用。

2)角度变化率。为避免便携式防空导弹飞行轨迹的过度摆动，对其弹道倾角和弹道偏角的变化率进行约束，表达式为：

(7)

3)不考虑火箭弹和目标绕各自重心的转动对战斗部和目标要害部位速度矢量的影响。

4)过载约束。考虑到便携式防空导弹自身构造的限制，还要对其在攻击巡航导弹过程中的过载ng进行限制，约束表达式表示为：

(8)

式中，ng,max为最大允许过载。

5)假定巡航导弹落入便携式防空导弹的杀伤范围内即受损，无法继续实施攻击任务，即易损性为1。

6)弹体与破片等爆炸产物只考虑径向飞散，不考虑轴向运动。

3.2　仿真分析

本文选择Matlab作为仿真工具，根据便携式防空导弹和巡航导弹的运动学和动力学方程，建立弹目拦截遭遇数学模型、便携式防空导弹控制关系模型，分别选取便携式防空导弹迎攻、尾追和在一定的航路捷径下拦截该型巡航导弹的典型情况进行模拟仿真，如图2～4所示。

图2　迎攻时便携式防空导弹拦截巡航导弹的遭遇曲线

图3　尾追时便携式防空导弹拦截巡航导弹的遭遇曲线

由图2可以看出，迎攻时，便携式防空导弹水平矢量速度相向,发射角较大，要求便携式防空导弹的机动可用过载必须大于需用过载，而该型巡航导弹最大的机动过载为3g左右，经过仿真分析，便携式防空导弹的炸点大致落在如图2所示的圆形区域内，基本可以满足在遭遇段毁伤该巡航导弹。同时分析可知，此种情况下便携式防空导弹的最大跟踪角速度Φ必须大于该型巡航导弹的视线角速度才能满足有效拦截的条件。

由图3可以看出，尾追射击时，便携式防空导弹的发射倾角可以根据目标离远情况进行适时调整, 目标离远，发射角较小，因此对弹目交会时所需的机动过载要求不高，便携式防空导弹不易丢失目标造成脱靶，炸点大致落在如图3所示的圆形虚线区域内。此种情况下，主要考虑巡航导弹的最大飞行速度和能否在便携式防空导弹的最大作战半径(射击远界)内毁伤目标。而由相关资料可知“针N”便携式防空导弹最大作战半径约为5600m，经仿真计算得出，要在尾追射击时能够有效拦截目标，该型巡航导弹的最大飞行速度不能超过351 m/s。又因为该型巡航导弹设计之初即已经定型为亚声速(声速为340 m/s)，所以所选便携式防空导弹具备尾追拦截该巡航导弹的能力。

图4是便携式防空导弹发射位置不在巡航导弹的正向飞行航迹上，存在一定的航路捷径时进行射击拦截的遭遇图。在此种情况下，对便携式防空导弹的射击要求更高，既要考虑便携式防空导弹能有效拦截目标的最大航路捷径，又要考虑巡航导弹的最大飞行速度，不满足射击条件脱靶的概率比较高。图4中巡航导弹的航路捷径取为2000m，飞行速度280m/s，高度为100m，由图可得出便携式防空导弹能够有效拦截巡航导弹的遭遇点。同时经仿真计算，“针N”便携式防空导弹最远能够有效拦截航路捷径在3660m的该型巡航导弹，而且巡航导弹的最大速度不能超过332m/s。这是由于目标速度越大，便携式防空导弹对其瞄准跟踪的难度也越大，导致偏转偏航系数增大，从而增大误差，降低了对目标的命中概率。

图4　在一定的航路捷径下射击巡航导弹的遭遇图

4结束语

通过对美军亚声速隐身巡航导弹的特性分析，得出第2代便携式防空导弹不完全具备而第3代便携式防空导弹具备拦截亚声速隐身巡航导弹能力的结论。同时建立数学模型进行仿真计算，得出以俄第3代某型为代表的便携防空导弹可以有效拦截该巡航导弹的有效距离和最佳指标，为运用便携式防空导弹抗击此类巡航导弹提供了较有价值的理论参考。■

参考文献：

[1]刁琳,秦明,贾利.美军巡航导弹的现状和发展[J].飞航导弹,2007(8):16-19.

[2]林玉琛.便携式防空导弹的改进与发展[J].现代防御技术,2002, 30(6):16-21.

[3]刘凤荣.地空导弹武器系统[M].郑州：防空兵指挥学院,2009.

[4]白渭雄,吴法文.便携导弹对巡航导弹的探测距离研究[J].空军工程大学学报(自然科学版),2004,5(1)：31-34.

[5]白渭雄,吴法文.巡航导弹的红外辐射特征研究[J].空军工程大学学报(自然科学版),2003,4(6)：26-29.

Research on the ability of protable air defense missile against

subsonic stealth cruise missile

Cheng Yanjie, Liu Zhengtang, Wang Xing

(Luoyang Electronic Equipment Test Center, Luoyang 471000,Henan,China)

Abstract：The problem on the ability of protable missile against subsonic stealth cruise missile is researched. Firstly, the feasibility that portable missile intercepts subsonic stealth cruise missile is analyzed on the basis of performance comparison. Then, the mathematical calculation models of protable missile against subsonic stealth cruise missile are established and the models are used for simulations. At last, the effective range and best indicators are given about protable missile intercepting subsonic stealth cruise missile.

Key words：portable air defense missile；subsonic；stealth；detection distance；cruise missile

中图分类号：TJ761.1+3；TJ761.6

文献标识码：A

作者简介：程彦杰(1985-)，男，硕士，研究方向为防空武器系统作战运用与仿真。

收稿日期：2015-06-25；2015-10-25修回。