舷外高功率微波平台作战使用初探

翁 辉,周徐昌,毛 超

(海军工程大学,武汉 430033)



舷外高功率微波平台作战使用初探

翁 辉,周徐昌,毛 超

(海军工程大学,武汉 430033)

针对水面舰艇反导防御作战能力存在的短板,提出了利用舷外高功率微波平台进行电磁反导作战,构建了舷外高功率微波平台反导作战基本流程,建立了其反导作战仿真模型,分析了舷外高功率微波平台影响有效辐射时间的作战要素。仿真结果表明,舷外高功率微波平台投射布设方式优于拖拽布设方式,且投射布设应该依据作战态势确定最优布设距离和布设方向。

高功率微波;舷外平台;反舰导弹

0 引言

2012年美国成功进行了先进反电子设备高功率微波导弹项目的首次作战飞行试验[1],作为一种新概念武器,在不久的将来高功率微波作战平台将成为海战场攻防两端的利器。利用舰载舷外高功率微波平台作为有效的舰艇自卫反导防御手段,将是传统有源/无源软干扰手段的重要补充。同传统有源/无源干扰手段相比,舷外高功率微波平台可实现软/硬杀伤[2],实现硬杀伤和软干扰相结合的反导机制,同时舷外高功率微波平台可避免高功率微波武器容易误伤友邻单位雷达电子设备的缺陷。随着高功率微波技术的不断进步,利用舷外高功率微波平台实现反导防御作战,将是一种极具作战潜力的反导作战技术手段。文中运用仿真的方法,构建舷外高功率微波平台作战仿真环境,为舷外高功率微波平台的论证提供了有益的参考。

1 对抗反舰导弹的毁伤机理

以靶目标上的功率密度为序,高功率微波毁伤效应的等级[3]如下:1)烧毁:电子系统的物理性破坏;2)扰乱:电子系统中的记忆或逻辑电路短时间工作失常;3)干扰:微波射频接收器或雷达不能正常工作;4)迷惑:欺骗系统使其不能正确判断。上述后两类是相当于高功率水平的电子对抗系统,基于高功率微波的超级干扰机将彻底掌握主动权,不给对方“烧穿”干扰的机会。随着毁伤等级的升高,高功率微波主要毁伤的就是电子系统电子元器件的物理特性,也就是说能够毁伤不同类型目标的电子元器件,增大了其攻击目标种类。反之,只具有常规电子对抗功率水平的话,可攻击目标就很确定,要实现有效攻击还需要适当的重复频率、幅度和频率调制等,才能使电子干扰/迷惑的效果达到预期目标,也就是提高了高功率微波系统自身的设计难度。因此这里主要考虑对平台自身性能参数要求较低的软/硬杀伤的反导防御应用。

基于上述毁伤机理,舷外高功率微波平台的优势有以下几点:一是远离舰船,减少对舰载电子设备造成的误伤;二是辐射微波功率高,电磁毁伤范围大;三是可全天候作战;四是既可软/硬杀伤,也能够进行压制性干扰;五是攻防兼备,既可干扰敌方平台,又可以电磁杀伤来袭导弹;六是杀伤目标多元,目标先验信息需求少。当然战术使用过程中,为避免舷外高功率微波平台对被保护舰船目标电子设备造成误伤,舷外高功率微波平台在使用过程中要与被保护舰船保持一定距离,可称为安全距离。

2 问题描述及数学模型

反舰导弹攻击过程一般分为助推、下降、掠海飞行、跃升和俯冲等几个阶段[4]。反舰导弹由平台发射并指向行进中的舰艇,至预定开机距离后,末制导雷达开机,对目标进行搜索、捕获和跟踪。从导引头开启末制导雷达至正确锁定目标为止是导引头的搜索阶段,导引头对预定区域同时进行角度和距离上的搜索,若波门内判断有目标回波信号时,即被末制导雷达锁定,进入跟踪阶段。

当舰载电子侦察设备探测到有高速逼近的目标时,根据作战准则,选择合适时机,发射舷外高功率微波平台,平台飞行至预定位置,对反舰导弹进行电磁毁伤。若末制导雷达接收脉冲功率达到一定强度,将对反舰导弹造成电磁毁伤;若末制导雷达接收功率不够,可降功能使用,形成舷外大功率有源干扰诱饵,导弹将跟踪目标舰艇和诱饵的雷达回波能量中心(质心点)[5],从而实现有源诱饵质心干扰。

图1 舷外高功率微波平台保护舰船示意图

2.1 反舰导弹运动模型

对于反导电子对抗仿真,其关键在于研究导弹质心点位置的变化,通过运动学方程,利用导弹和目标质心运动的有关信息描绘导弹与目标间的关系[6]。相关的模型如飞行控制系统、动力学模型[7]等可做相应的简化,在此基础上导弹质心运动的动力学方程未考虑过载。

由于距离、速度等因素,导弹航向与其切线方向相对变化率较小,可近似认为导弹实际指向为其切线方向。

综上所述,假定反舰导弹以恒定速度飞行,则t时刻反舰导弹质心点坐标为:

(1)

式中:vm为反舰导弹的速度;βm为反舰导弹的跟踪航向角,认为反舰导弹跟踪航向角与末制导雷达天线指向相同,始终指向水面舰艇;t-1时刻表示当前时刻t的上一个仿真步长时间。

2.2 舰艇运动模型

为简化计算,对舰艇模型做如下处理:1)不考虑其高度、宽度和长度,将其位置简化为质心所对应的点;2)不考虑导弹不同来袭方向所对应的舰艇雷达反射面积(RCS)的不同,并且假定雷达反射面积为定值。则t时刻舰艇的运动方程为:

(2)

式中:vw为我舰运动的速度值;βw为舰艇航向;

(xw(0),yw(0))为舰艇初始位置坐标。

2.3 舷外高功率微波平台运动模型

借鉴现有舷外有源诱饵的基本布设方式,舷外高功率微波平台可以有舰艇拖拽和投射布设两种方式。采用舰艇拖拽方式布设,舷外高功率微波平台运动方程和我舰运动方程相同,区别是初始位置不同;采用投射方式布设,舷外高功率微波平台在海面稳定后,其运动主要受洋流影响,由于反舰导弹在视距内攻击飞行时间较短,这里不考虑洋流流速及方向的改变对作战的影响。则t时刻舷外高功率微波平台的运动方程为:

(3)

式中:Rd为舷外高功率微波平台初始布设位置,φ为布设角度;vf为洋流速度,βf为洋流方向。

2.4 高功率微波前门耦合模型

反舰导弹末制导雷达锁定本舰后,将舷外高功率微波平台发射或预置于离舰合适位置,进行高功率微波电磁毁伤,末制导雷达接收高功率微波平台的信号功率为P1:

(4)

式中:Ph为舷外高功率微波平台发射脉冲功率;Gh为舷外高功率微波天线的增益;Gm(α)为偏离末制导雷达天线主瓣最大方向α角的雷达天线接收增益;Rh为末制导雷达与诱饵的距离。

由于来袭导弹的末制导雷达天线参数未知,对Gm(α)利用经验公式近似表示:

(5)

式中:k为与制导雷达天线相关的常数,取0.04～0.10;θ0.5为制导雷达天线主瓣宽度;α为制导雷达与目标连线和制导雷达与诱饵连线之间的夹角。根据反舰导弹攻击态势,如图1所示,应用三角形余弦定理可以得到任意时刻反舰导弹末制导雷达天线接收舷外高功率微波平台辐射电磁脉冲微波功率。

舷外高功率微波平台要完成对反舰导弹高功率微波电磁毁伤一般需要满足两个条件:1)反舰导弹末制导雷达开机;2)高功率微波辐射天线辐射方向位于末制导雷达天线主瓣内。由此可以定义舷外高功率微波平台的有效辐射时间te为:

(6)

3 仿真算例分析

仿真参数基本设置:我舰初始位置(0,0),航速30kn,航向-30°,反舰导弹初始位置(20 000m,5 000m),飞行速度300m/s;不考虑洋流的影响,假定舷外高功率微波平台位置(4 000m,1 000m)。基本对抗态势如图2所示。

图2 舷外高功率微波平台作战基本态势

1)基本态势分析

首先分析基本作战态势舷外高功率微波平台辐射指向偏离末制导雷达天线主瓣方向角度的影响因素,如图3所示。由图可以看出,假定末制导雷达天线主瓣宽度为10°,当反舰导弹与舰艇之间距离小于我舰6.8km后,舷外高功率微波平台辐射信号将处于末制导雷达天线主瓣之外,将大幅降低舷外高功率微波平台的作战效能;其次是末制导雷达开机距离的影响,假定末制导雷达开机距离为10km,前述作战态势下舷外高功率微波平台在末制导雷达开机后的有效辐射时间约为10s。因此,末制导雷达开机距离增大,将有效提高舷外高功率微波平台有效辐射时间;反舰导弹飞行速度增加,则压缩了舷外高功率微波平台有效辐射时间。在实际作战中应根据电子侦察预警系统提供的来袭反舰导弹速度和开机距离合理确定舷外高功率微波平台的辐射时机。

图3 舷外高功率微波平台偏离角度

2)拖拽布设方式分析

显然拖拽布设方式能够影响有效辐射时间的因素仅为拖拽距离,如图4所示。随着拖拽距离的增大,舷外高功率微波平台有效辐射时间将迅速减小。但舷外高功率微波平台距离我舰距离越近,其辐射高功率微波旁瓣对我舰电子设备影响越大。因此在设计实现舷外高功率微波平台过程中应确定其辐射安全距离,确保我舰电子设备安全。

图4 拖拽布设距离对偏离角度影响

3)投射布设方式分析

首先分析布设距离对投射布设方式偏离末制导雷达天线主瓣方向角度的影响,投射方位为我舰右舷60°方向,洋流速度0.5m/s,洋流方向与我舰航向相同。仿真结果如图5所示。与拖拽布设方式相比,显然投射布设方式中投射距离对有效辐射时间影响要小,也就是说采用投射布设方式可以将舷外高功率微波平台布设至离我舰更远的距离,更加有利于向反舰导弹辐射更高功率,同时造成我舰电子设备误伤的可能性更低。其次分析布设角度对投射布设方式偏离末制导雷达天线主瓣方向角度的影响,投射距离为2.5km,洋流速度0.5m/s,洋流方向与我舰航向相同。仿真结果如图6所示。可以看出,仿真区间为40°～80°,按20°仿真步长,其最优布设角度为60°,此时舷外高功率微波平台有效辐射时间最长。

图5 距离对偏离角度影响

图6 方向对偏离角度影响

4)有效辐射时间分析

由以上分析可知,投射布设方式优于拖拽布设方式。依据投射布设方式仿真结果可知,影响舷外高功率微波平台有效辐射时间的因素主要为布设距离和布设角度。首先分析布设距离对有效辐射时间的影响,设定反舰导弹末制导雷达开机距离为10km,雷达天线主瓣宽度为10°,洋流速度0.5m/s,洋流方向与我舰航向相同。

仿真结果如图7所示。可以看出,随着布设角度的增大,布设距离越远其下降趋势更平缓;而布设角度小,则存在最佳布设距离,最佳布设距离随着布设角度的减小而缩小。其次分析布设角度对有效辐射时间的影响,仿真条件同上。仿真结果如图8所示。可以看出,随着布设角度增大,特定布设距离上存在最佳布设角度。在实际作战应用中,应该根据舷外高功率微波平台的安全距离,合理选择布设距离并在最优布设方向上布置舷外高功率微波平台,以达到最佳作战效果。

图7 距离对有效辐射时间影响

图8 方向对有效辐射时间影响

4 结论

高功率微波武器作为一种新型的电子作战技术手段,随着高功率微波技术不断发展,水面舰艇在利用高功率微波武器对抗反舰导弹,提高水面舰艇反导防御能力,极具作战潜力。舷外高功率微波平台是水面舰艇利用高功率微波对抗反舰导弹的潜在技术手段,文中所建立的舷外高功率微波平台作战仿真流程能够在一定程度上预见未来海上高功率微波武器的作战样式并评估其作战能力,为今后研制高功率微波平台和更深层次的作战使用分析提供理论基础。

[1] 葛悦涛, 蒋琪, 文苏丽, 等. 美国CHAMP项目先进反电子设备高功率微波导弹首次作战试飞评估分析 [J]. 飞航导弹, 2013(4): 29-32.

[2] Bischoff R, Charon R, Duperoux J P, et al. Study of ultra-compact, repetitive Marx generator for high-power microwave applications [J]. Acta Physica Polonica, 2009, 115(6): 964-966.

[3] Benford J, Swegle J A, Schamiloglu E. High power microwave [M].2nd.Boca Raton: Taylor Francis Group, 2007.

[4] Kim, Yoon-Hwan, Ryoo, et al. Guidance synthesis for evasive maneuver of anti-ship missiles against close-In weapon systems [J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2010, 46(3): 1376-1388.

[5] 邓杏松. 舰载舷外有源诱饵干扰效果研究与分析 [J]. 舰船电子对抗, 2011, 34(6): 42-47.

[6] 卢发兴, 吴玲, 董银文. 无航路规划能力的反舰导弹盲目射击 [J]. 系统工程与电子技术, 2009, 31(11): 2658-2662.

[7] 龚铮. 舰载电子对抗的视景仿真技术研究与应用 [D]. 西安: 西北工业大学, 2007.

Preliminary Application on the Operational of High Power Microwave Outboard Platform

WENG Hui,ZHOU Xuchang,MAO Chao

(Naval University of Engineering, Wuhan 430033, Chian)

In view of short slab of anti-ship missile defense, application of outboard high power microwave (HPM) in antimissile defense operation was proposed. The basic anti-missile operational flow of HPM outboard platform was constructed. The anti-missile operational simulation model was built. The influencing factors of effectiveness radiation operational time of the HPM outboard platform were analyzed. Simulation experiments demonstrate that the projecting distribution is better than the dragging distribution for the HPM outboard platform and the projecting distribution should be based on operational environment to choose optimal distribution distance and distribution direction.

high power microwave; outboard platform; anti-ship missile

2014-07-19

翁辉(1975-),男,湖北咸宁人,副教授,硕士,研究方向:舰炮武器系统作战使用研究。

TP391;N94

A