临空高超声速飞行器目标特性分析*

孙文，王刚，姚小强，王晶晶

（空军工程大学防空反导学院，西安710051）

临空高超声速飞行器目标特性分析*

孙文，王刚，姚小强，王晶晶

（空军工程大学防空反导学院，西安710051）

临空高超声速飞行器经过几十年的发展，已经从概念原理探索阶段进入到成果应用阶段，其军事潜力和作战效能日益凸显。主要以美军高超声速无人飞行器、空天飞机和高超声速巡航导弹为研究对象，从临空高超声速飞行器的运动特性、电磁特性和红外特性3个方面展开论述，同时结合典型目标进行建模仿真分析；着重探讨了目标特性对未来作战性能的影响。临空高超声速飞行器目标特性的分析研究，为新型防空体系的构建提供了参考，为未来探测跟踪拦截此类目标奠定了基础。

临空高超声速飞行器，目标特性，建模仿真，作战性能

0 引言

临近空间（Near Space）是指距地面20 km～ 100 km的空域，跨越电离层和非电离层，空气稀薄、气温较低，没有复杂多变的气候现象，在情报搜集、侦察监视、通信保障以及作战方面具有重要的军事价值［1-2］。临近空间高超声速飞行器（Near Space Hypersonic Vhicle，NSHV）是指在临近空间飞行，速度大于5 Ma，执行远程投送、作战攻击、战略威慑等特定任务的飞行器，具有优越的目标特性，已经成为军事大国谋求空天优势，抢占战争先机的重要利器［3-4］。NSHV目标特性主要是指内在属性特征和外部运行规律，包括结构特性、运动特性、气动特性、电磁特性和红外特性等，受临空环境和自身性能的影响，与传统目标相比，突出的特性主要是速度快、空域高、隐身性能好、突防攻击能力强等［5-8］。

目前，美国在研制NSHV方面已经取得了一系列成果，特别是X系列经过了60多年的发展，形成了空天飞机（X-37B）和高超声速巡航导弹（X-51A）等性能优越的试验机型；FALCON计划中的高超声速无人飞行器（HTV-2）也已经进行了2次飞行试验，得到了重要的飞行数据，关于NSHV目标特性特别是运动特性和红外特性的研究也取得了一定成果［9-11］，但是大多是在理论推理和数据整合阶段，缺乏实质性的论证分析。

1 NSHV运动特性及建模仿真分析

1.1 典型NSHV运动轨迹

到目前为止，美国已经完成了多次试验，包括2次HTV-2、3次X-37B和4次X-51A飞行试验，并取得了重要的飞行数据。其中，HTV-2第1次飞行试验时，以17 Ma～20 Ma的速度飞行了139 s，第2次飞行试验时，以20 Ma的速度稳定飞行了3 min；X-37B第3次飞行试验在轨飞行674 d，最高速度达25 Ma；X-51A第4次飞行试验时，以5.1 Ma飞行了240 s，依据试验情况，假定未来典型NSHV飞行过程如图1所示。

由图1分析可知，在飞行高度方面，NSHV跨越对流层、平流程和热层，介于空气动力学目标最高飞行高度和弹道目标最低飞行高度之间；在机动性能方面，HTV-2可以进行滑翔跳跃，X-37B可以进行机动变轨，X-51A可以进行俯冲攻击，所以，NSHV普遍具有较强的机动性能。

1.2 运动特性建模分析

不同类型的NSHV具有各自的运动特性，HTV-2滑翔跳跃特性明显，返程飞行能够携带大量原始数据，并且各飞行段有一定的规律性，有利于实现分段建模，所以本节重点对HTV-2进行建模分析。假定，其未来详细的飞行过程如图2所示。

假定，控制系统是理想无误差无延迟工作的，不考虑发射时姿态的影响，仅研究运载器质心的运动［12-13］，其上升段和滑翔跳跃段的运动模型如下：

1.2.1 上升段质点运动模型式中，L、D分别为升力、阻力，CL、CD分别为升力、阻力系数，V为速度，r为地心距，m是飞行器的质量，是航迹倾角。

1.2.2 滑翔跳跃段质点的运动模型

式中，θ和φ分别是经度和纬度，V为速度，r为地心距，γ为航迹角，ψ为航向角，β为侧倾角，ω为地球自转角速度，gr为地球引力常数。假定式（1）和式（2）中的参数设置如表1所示。

表1 建模参数设置

得到飞行过程中速度、高度和航迹角变化情况如图3和图4所示。

由图分析可知，HTV-2高度和航迹角的变化充分表明其横向和纵向具有较强的机动特性；速度和高度的变化表明其速度快、速域变化范围大、空域跨度宽等特性。

依据HTV-2、X-37B和X-51A的试验飞行情况，得到运动特性如表2所示。

表2 典型NSHV的运动特性

由上述分析可知，结合对作战的影响，未来NSHV的运动特性主要体现在以下3点：

①飞行速度快。NSHV的飞行速度在5 Ma～ 25 Ma，能够快速投放有效作战载荷，具备在1 h～2 h打遍全球的能力。

②机动性能好。NSHV能够进行滑翔跳跃，横、纵向机动，轨道的可预测性低，难以进行有效的探测跟踪。

③飞行空域高。NSHV飞行空域主要在20 km ～100 km，相对于空气动力学目标具备更大的作战空间。

2 NSHV电磁特性及建模仿真分析

2.1 电磁特性分析

NSHV的电磁特性主要是指目标雷达散射截面积（RCS），主要由飞行器本体、周围流场、尾迹流场的散射特性以及飞行器结构本身的运动特性所决定［14］。

NSHV具有极快的飞行速度、超强的机动能力，并且本体结构复杂。当以高超声速进入大气层后，由于强烈的激波压缩和粘性摩擦作用，使飞行器周围的温度迅速升高，高温足以使空气发生离解和电离，也使防热材料被烧蚀，这样在飞行器周围形成十分复杂的、由几十种化学组分组成的电离层即等离子体鞘套，造成电磁特性的剧烈变化。同时，飞行器的尾部将形成较长的等离子体尾流，等离子体是由大量的自由电子、离子和中性粒子（包括不带电荷的粒子，如原子、分子以及原子团）组成且在宏观上表现为近似电中性的非凝聚系统，等离子运动和电磁运动的紧密耦合，存在极其丰富的集体效应和运动模式，对雷达波束的散射产生了复杂的作用［15-16］。等离子体湍流尾迹造成的电磁特性与飞行状态密切相关，在某些飞行条件下，尾迹对雷达波造成强烈的散射，形成雷达电磁特性突增现象。

2.2 电磁特性建模仿真分析

目前，关于NSHV电磁散射特性计算主要采用高频电磁散射方法，计算流程如图5所示。

由于X-37B的体积相对较大，在轨运行时周期长、飞行稳定，有利于电磁特性的研究分析，所以本节主要以X-37B为例进行建模分析。其电磁计算模型如图6所示。

由于不同波段的探测效果是不同，P波段频率较低，其中心频率约为435 MHz，适合远距离探测，以P波段为例，得到X-37B在俯仰角为-45°、0°和45°的电磁散射特性，如图7～图9所示。

由图分析可知，在0°俯仰面内机头正前向RCS为7 dB，尾部为28 dB，尾部RCS较大的原因是发动机进气道口用金属堵住了，造成尾部反射较大；在45°俯仰面内，机头方向RCS为-4 dB；在-45°俯仰面内，机头方向RCS为-7.5 dB，其RCS较小。

同样的方法，得到HTV-2和X-51A的RCS曲线如图10、图11所示。

由图分析可知，HTV-2由于该飞行器采用流线型的隐身设计，其前向RCS最小，大约在-20 dB（0.01 m2），其侧向RCS也较小，其次为飞行器上方，最大RCS区域集中在飞行器下腹部。对X-51A，在0°俯仰面内机头正前向RCS为-8 dB，尾部为3 dB，相对X-37B而言大大减少。

所以，NSHV的RCS较小，一般在0.01 m2～0.1 m2之间，属于高度隐身目标，对现役的探测跟踪体系提出了巨大的挑战，可以通过增大探测频率，采用P波段或频率更低的超视距雷达等方式，提高对其探测范围和精度。

3 NSHV红外特性及建模仿真分析

3.1 红外特性分析

NSHV的红外辐射源主要有发动机尾焰、尾喷管和气动加热造成的蒙皮及其邻域高温气体［17-19］，具体体现在以下几个方面：

3.1.1 目标发动机及尾喷管红外辐射

尾喷管或发动机外罩辐射，长时间受热气流加热，使这部分金属在高温氧化后形成氧化膜，金属氧化膜的辐射率一般都高于金属本身的辐射率；辐射温度一般在600 K～1 100 K之间。

3.1.2 尾焰辐射

尾焰是指发动机喷管炽热的火球，目标的速度越大，尾焰的火球越大，温度也越高，目标尾焰的辐射强度与发动机推力、燃料种类等直接相关；尾焰的辐射温度在800 K～2 000 K。

3.1.3 蒙皮辐射

随着目标速度的增加，其温度呈指数上升，蒙皮的红外辐射温度与飞行速度的平方成正比，因而红外辐射能量急剧增加；目标在大气中高速飞行时，蒙皮由于气动加热使温度升高，通过驻点温度求蒙皮辐射，驻点温度是贴近蒙皮表面的空气气流变为静止点时的温度。

3.1.4 尾后羽状废气柱的红外辐射

目标尾后羽状废气柱也是一种红外辐射源。高温、运动的废气柱主要辐射波段在3 μm～5 μm和8 μm～14 μm，随着废气在空气中不断扩散，温度急剧下降，辐射能量很快下降，而且辐射曲线的峰值波长也迅速向波长方向移动。尾后羽状废气柱的温度一般在500 K～1 000 K。

3.2 红外特性建模仿真分析

由于NSHV红外辐射源的类型多，各阶段的特性也不相同，所以对其进行建模分析时，具体思路：首先对红外辐射源的辐射特性进行综合分析，建立模型；运用模型和相关试验数据获得目标各运动阶段各辐射源若干关键状态的红外特性；综合得到目标的红外特性。计算思路如图12所示。

目前，关于巡航导弹红外特性的研究相对深入，计算的方式算法较为成熟，而NSHV中X-51A隶属于巡航导弹类型，所以本节主要以X-51A为例进行建模分析。其红外辐射主要来自于发动机尾焰、尾喷口和蒙皮，计算公式为：

3.2.1 蒙皮辐射强度（J蒙皮）

考虑到环境温度对蒙皮温度的影响，目标在对流层和平流层时，其蒙皮温度变化规律如图13所示。

3.2.2 尾焰辐射强度（J尾焰）

假设喷管中流动是理想的绝热等熵流动，对于涡轮喷气发动机，取P3/P2=0.5，对于超燃冲压发动机，取P3/P2=0.8，则有

在尾焰流中，主要是燃烧后生成的CO2和H2O，这两种气体是典型的选择性辐射体，经过大气的吸收后，主要剩下2.4μm～3.1μm和4.3 μm～4.55 μm两个窗口的红外辐射，计算公式为：

式中，L尾焰是尾焰的辐射亮度，A尾焰为尾焰的投影面积，ε尾焰为尾焰的有效辐射率（ε尾焰=0.5），T尾焰为尾焰温度。在2.4 μm～3.1 μm和4.3 μm～4.55 μm两个波段下辐射通量与波段尾焰温度的三维关系图及辐射亮度与尾焰温度的二位关系图，如图14、图15所示。3.2.3尾喷口辐射强度（J尾喷口）

依据X-51A的试验飞行数据，按照不同的飞行阶段对其尾喷管的温度进行假定。

助推段尾喷管平均温度在1 000 K；动力飞行段尾喷管平均温度在1 200 K；无动力飞行段尾喷管平均温度在400 K，无尾焰。

依据红外辐射与温度、波段的关系，如图16所示，进行红外辐射计算，得出X-51A在4种状态下的红外辐射强度量级如表3所示。

表33 种阶段下X-51A的红外辐射强度量级

由表3分析可知，X-51A的动力飞行段的红外辐射强度最大，此时速度较大，蒙皮由于空气摩擦剧烈升温，尾喷管的温度也达到1 000°以上；侧视观察的效果最好，因为侧视能较好地捕捉到尾喷管和尾焰的红外辐射。

由以上分析可知，NSHV在发动机点火、速度较大时，红外辐射强度较高；在助推段时，一般选用红外传感对NSHV进行预警探测，在末端飞行时，红外特征不明显，需要雷达进行探测跟踪。对NSHV红外特性的研究有利于未来对此类目标的探测跟踪。

4 NSHV目标特性对未来作战性能的影响

4.1 战场空间更广，全球作战势在必行

NSHV的作战高度在20 km～100 km的临近空间，飞行速度极快，能够在很短的时间内抵达地球上任意一点，迅速打击数千或上万公里外的任何实质性目标，大大拓展了战场空间，使得全球作战成为可能。因此，必须要确立超远距快速打击的全球作战理念。

4.2 作战节奏更快，空防任务艰巨

NSHV可以更快地投送有效载荷，预计美军的高超声速飞行器从本土起飞，完成一次全球作战任务后，再回到本土只需1 h～2 h，探测预警体系难以及时捕捉到运动轨迹并进行有效识别，空防体系面临巨大挑战。因此，必须大力建设空防体系，适应快速作战的节奏。

4.3 突防能力更强，制空权唾手可得

NSHV凭借其超快的飞行速度、极好的隐身性能和超强的打击能力，使得武器系统的反应时间更短、拦截概率更低，同时提高了自身的生存能力。现有的防空武器和拦截武器没有足够的反应时间和实施拦截的飞行速度，从而可以轻易夺取战场控制权。

4.4 战略威慑效果显著

NSHV具有高速、高空、高隐身和强机动等特性，必将使其成为新型强大战略威慑力的空天利器，使得传统的作战样式发生革命性的变化，成为“后核武时代”的战略“杀手锏”，有利于军事强国获取有决定意义的战略筹码。

5 结论

NSHV的高速、高空、高隐身等目标特性给防空系统有效探测跟踪拦截带来了巨大的挑战，对空天安全形成了极大的威胁。通过对NSHV运动特性、电磁特性和红外特性的建模仿真分析研究，加深了对其作战性能的认识，有利于未来对其防御对策和手段的提升。下一步研究的重点将是NSHV目标特性在未来作战中的具体应用。

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Target Characteristics Analysis of Near Space Hypersonic Vehicle

SUN Wen，WANG Gang，YAO Xiao-qiang，WANG Jing-jing
（School of Air and Missile Defense，Air Force Engineering University，Xi’an 710051，China）

After several decades of development，the near space hypersonic vehicle has entered to the stage of achievement application from exploring concept and principle，the military potential and combat efficiency are growing.The hypersonic unmanned aerial vehicle，aerospace plane and hypersonic cruise missile are considered in this paper，the NSHV is discussed from kinetic characteristic，electromagnetic property and infrared characteristic，the typical target is analysed by modeling and simulating.The influence of target characteristic to the future combat performance is mainly discussed.The analytic study of NSHV can provide reference to build the new air defense system and establish foundation of detecting，tracking and intercepting.

near space hypersonic vehicle，target characteristic，modeling and simulating，combat performance

TJ761.5；TP212

A

1002-0640（2017）01-0014-07

2015-10-05

2016-01-30

国家自然科学基金（612742011）；国家自然科学青年基金资助项目（61102109）

孙文（1992-），男，山东青州人，硕士研究生。研究方向：临空高超声速飞行器多传感器探测跟踪。