反临近空间高超声速飞行器若干研究进展

赵良玉，雍恩米，王波兰

(1. 北京理工大学宇航学院，北京 100081；2. 中国空气动力研究与发展中心，绵阳 621000；3. 上海机电工程研究所，上海 201109)

0 引 言

临近空间高超声速飞行器是指在距地面20～100 km的临近空间能够以大于5Ma的速度做巡航或滑翔飞行的一类飞行器，按照其实现和维持高超声速飞行的动力来源不同，主要可分为高超声速巡航飞行器(Hypersonic cruise vehicle，HCV)和高超声速滑翔飞行器(Hypersonic glide vehicle，HGV)两类，前者通常采用超燃冲压发动机作为动力源，而后者通常采用固体火箭发动机进行助推。由于临近空间高超声速飞行器通常具备响应迅速、航程远、打击范围广、毁伤威力大、打击精度高、突防能力强等独特优势，正逐渐成为世界军事强国的空天竞争要地和高地，并不断影响着大国冲突背景下的导弹防御策略和军备控制策略[1]。

自2001年以来，美国已完成多次基于X-43A、X-51A、HTV-2 (Hypersonic technology vehicle 2)和AHW(Advanced hypersonic weapon)等平台的临近空间高超声速飞行试验[2]。2020年3月20日，美国成功进行了海、陆、空三军通用型高超声速滑翔体(Common-hypersonic glide body，C-HGB)的发射和飞行测试，为其在2025年前将战术高超声速武器投入现役奠定了基础[3]。俄罗斯则在成功进行YU-71高超声速助推滑翔导弹、“锆石(Zircon)”高超声速巡航导弹、“匕首(Kinzhal)”高超音速武器和“先锋(Avangard)”高超声速滑翔导弹的飞行实验后，于2019年12月24日宣称其是世界上唯一拥有高超声速武器的国家。中国于2018年8月成功试射飞行速度达5.5Ma的“星空-2号(Xingkong-2或Starry Sky-2)”高超声速滑翔飞行器后，在2019年10月1日举行的庆祝中华人民共和国成立70周年阅兵式上，向全世界展示了“乘波体”外形的高超声速飞行器DF-17，意味着我国已在此领域实现从跟跑到并跑甚至领跑的跨越。除了综合实力处于领先地位的美国、俄罗斯和中国之外，包括澳大利亚、印度、日本、法国等在内的其他许多国家也在采用多种手段发展各自的临近空间高超声速飞行器技术[4]。正如2020年伊始美国人Richard Stone在《Science》上撰文指出的那样：尽管存在夸张成分和技术障碍，但高超声速军备竞赛正在加速(Despite hype and technological hurdles, a hypersonic arms race is accelerating)[5]。

作为一种可“改变战争规则”的穿透型“速度隐身”武器，临近空间高超声速飞行器甚至有望取代核武器成为新的常规快速全球打击手段[6]，并将凭借其独特优势降低全球战略格局的稳定性[7]，也必将对未来的国家空天安全形成重大威胁。高超声速武器时代的来临，使得各军事强国在加速研制自有高超声速飞行器的同时，也在大力研发应对这类飞行器的防御技术和拦截装备。美国的研究报告曾指出，对高超声速武器防御的最好措施是对等发展本国的高超声速武器[8]，这从一个侧面说明了反临近空间高超声飞行器之难，也同时说明了对反临近空间高超声飞行器相关技术的需求之迫切。为此，美国除了在研制增程型“萨德”(Extended range variant of the terminal high altitude area defense, THAAD-ER)拦截导弹之外，还在2018年7月启动了名为“滑翔破坏者(Glide breaker)”的高超声速武器防御项目，其反制对象就定位于俄罗斯“先锋”和中国“星空-2号”等高超声速滑翔飞行器[9]。俄罗斯除了即将列装的新一代空天防御系统S-500之外，还计划构建“防空反导一体化地空导弹武器系统”，以实现与空天进攻武器之间的体系对抗能力，甚至不惜再次抛出核威慑。

简而言之，反临近空间高超声速飞行器面临探测难、跟踪难、预测难、拦截难“四难”问题[10]。针对上述“四难”问题和反高超声速飞行器所涉及的诸多关键技术，国内外专家学者已经取得了一些具有重要参考价值的研究成果。为了应对临近空间高超声速飞行器日趋武器化对国家空天安全造成的巨大挑战，支撑我国反临近空间高超声速飞行器的基础研究和工程研制，非常有必要对国内外在反临近空间高超声速飞行器相关领域，尤其是目标预警探测、轨迹跟踪预测、制导控制方法、拦截攻击策略等方面的最新研究进展进行梳理归纳，这些研究成果和研究方法同时对我国发展临近空间高超声速飞行器本身也具有十分重要的参考价值。需要指出的是，虽然洲际弹道导弹(Intercontinental ballistic missile，ICBM)在再入大气层后的临近空间区域也满足高超声速飞行的特点，但由于其基本沿着可预测的弹道轨迹进行飞行，机动能力和突防能力相对较弱，对其拦截方法和攻击策略与临近空间高超声速飞行器相比存在较大差异，故本文不对反ICBM的相关技术进行过多描述。

1 临近空间高超声速飞行器任务剖面

《孙子·谋攻篇》言道“知己知彼，百战不殆”。为有效防御和拦截临近空间高超声速飞行器，应首先了解其典型的飞行特性和作战任务剖面。近十多年来，国内外专家学者持续紧密关注临近空间高超声速飞行器及其关键技术的发展情况，并不断有相关的技术论文、综述论文或学术专著出版[11-16]，限于篇幅在此不一一列举。自2013年以来，北京海鹰科技情报研究所已连续7年发布世界高超声速飞行器的年度研究总结或成果综述[17]，为我国高超声速飞行器及反高超声速飞行器的技术发展和装备研制提供了十分有价值的参考。综合国内外临近空间高超声速飞行器的发展情况及相关专家学者知识，通常认为其主要特性如下：

1)飞行高度为20～100 km，巡航或滑翔飞行高度通常为20～60 km左右。

2)在临近空间的巡航或滑翔速度大于5Ma，最大可超过25Ma。

3)航程远，打击范围广，理论上可以在1～2 h内攻击全球任何地域。

4)机动过载能力为2～4。

5)雷达反射截面积为0.01～0.1 m2。

6)几何尺寸为1～20 m。

7)受气动外形约束，再入角度不太大。

一般情况下，高超声速临近空间飞行器采用助推-再入和助推(飞)-超燃两种方式进入临近空间，在临近空间的巡航/滑翔飞行段则存在无动力的跳跃滑翔/拟平衡滑翔和有动力的巡航飞行两种弹道形式，并在抵近目标区域后通过弹道快速下压攻击目标。本文以陆射型助推-再入式滑翔飞行器和助推-超燃式巡航导弹为例，给出二者典型作战任务剖面如图1所示，空射型和潜射型可根据发射平台和发射方式同类推之。

图1 临近空间高超声速飞行器任务剖面Fig.1 Mission profile of near space hypersonic vehicle

无论是助推-再入还是助推-超燃进入临近空间的高超声速飞行器，其助推段(含惯性段)均通常位于进攻方区域，防御方难以及时探测和拦截。下压攻击段的弹头机动过载较大，拦截器的机动能力并无明显优势，拦截剩余时间较短，拦截也相对困难[18]。而巡航/滑翔飞行段的持续时间较长，相对机动过载小，容易发现和跟踪，如对于射程约10000 km的助推滑翔导弹来说，其滑翔段飞行时间约为3000 s，即便对于1000 km左右射程的高超声速飞行器来说，其巡航/滑翔段飞行时间也通常超过480 s，是防御拦截的最有利时机，这也是目前国内外大部分相关领域专家学者的研究共识。

2 目标预警探测技术

只有尽早发现目标才能为防御系统留出足够的响应和作战时间，预警系统和拦截器本身对高超声速目标及时准确的感知是实现临近空间高超声速飞行器防御和拦截的前提，也是首要解决的难题。飞行器高超声速飞行时会在其表面产生等离子体鞘套，严重影响电磁波的正常传输，且飞行速度越高，电磁波受等离子体的吸收及散射越严重，越不利于常规雷达体制的敏感器探测。与此同时，粘性摩擦导致高超声速飞行器蒙皮存在强烈的气动加热现象，使其成为一个明显区别于工作环境的红外辐射源，所以红外传感器或以红外为主的多模传感器成为预警系统和拦截器探测目标的主要敏感手段。此外，受地球曲率和大气散射特性的影响，传统防空反导系统的地基、海基和空基预警体系通常难以达到防御临近空间高超声速目标所要求的600～800 km以上预警范围，这大大地推动了天基和临近空间红外预警平台的发展。

2.1 高超声速目标的探测技术

针对高超声速飞行器的等离子体尾迹对其电磁散射特性的影响，于哲峰等发现高超声速飞行器的雷达散射截面积(Radar cross section，RCS)会出现由转捩引起的突增现象，并指出等离子体尾迹的RCS远大于高超声速滑翔飞行器本体的RCS，可利用此特点通过超视距雷达实现目标探测[19]。许稼等[20]通过多维参数空间相参积累和能量聚焦，提高了常规和新体制雷达在目标检测、机动跟踪和特征提取等方面的性能。针对高超声速目标对雷达回波产生的尺度效应、脉内多普勒效应和徙动效应，Niu等[21]提出了一种相干长时间积分算法，与全参数空间搜索算法相比有效降低了计算复杂度。

为了明确临近空间高超声速飞行器的红外辐射特性，张海林等给出了X-51A在3～5 μm和8～14 μm波段上不同探测方向和不同工作状态下的红外辐射强度，指出在预警探测临近空间高超声速导弹时应选择中波段为主[22]。张胜涛等[23]给出了典型乘波体临近空间高超声速飞行器在20 km高度以6Ma速度飞行时的3～5 μm中波红外波段辐射特性，并指出其红外辐射主要集中于上下表面强激波的波后空间区域，且下表面比上表面更强。何苹等分析了X-51A在飞行速度为1.5～6.0Ma范围内的红外辐射特性，并指出后视探测的辐射源以尾喷管和尾焰为主，而前向和侧向探测的辐射源以蒙皮和尾焰为主[24]。为弥补单一模式敏感器的不足，李炯等提出了双色红外、红外/毫米波、红外/激光成像等多种复合导引头形式，并给出了总体优化设计、多模信号转换及融合、目标自动识别等若干关键技术的解决思路[25]。梁海燕[26]则指出反临近空间高超声速飞行器的导引头应重点关注远距离多波段目标探测、大范围角度跟踪、高帧频大容量信息处理、高精度快响应伺服控制、气动光学效应抑制等关键技术。

2.2 天基和临近空间预警平台

由静止轨道、大椭圆高轨道和低轨道卫星组成的天基预警平台，因理论上具备覆盖全球范围的目标探测能力，成为美国、俄罗斯和中国等竞相发展的新一代预警技术。美国已经完成了国防支援计划(Defense support program，DSP)系统和天基红外系统(Space based infrareds system，SBIRS)的部分建设任务[27]，并在2018年启动了下一代过顶持续红外预警卫星项目(Next generation overhead persistent infrared program，Next-Gen OPIR)，同时希望在2030年前将完整的高超声速和弹道空间传感器网络(Hypersonic and ballistic tracking space sensor network)投入使用，用以探测和跟踪高超声速导弹等先进武器。俄罗斯则构建了与美国SBIRS功能类似的穹顶(Купол)太空反导预警系统，并于2015年将该系统首颗苔原(Kosmos)预警卫星发射入轨，虽然目前仅有3颗苔原卫星在轨服役，但在2019年就成功探测到了64枚弹道导弹和136枚运载火箭的发射。我国在2016年曾公开报道拥有“前哨”系列红外预警卫星，并于2017年成功发射天基红外战略导弹预警卫星，从而在天基红外预警卫星领域与美国、俄罗斯形成三足鼎立之势。

相较于天基红外预警平台，工作于临近空间的高空气球或平流层飞艇可以在有效工作范围内获得更准确更及时的探测信息，并可以达到长时间监视重点区域的目的，也因此受到了各军事强国的重点研究并逐渐进入实用。美国国家航空航天局、法国空间研究中心、日本宇航航空研究开发机构、欧洲航天局、中国科学院等单位均在研究用于临近空间探测活动的高空气球，其中美国在1997年就启动了超长航时气球(Ultra long duration balloon，ULDB)的研制计划，设计飞行高度为35～38 km，目前已基本可以实现预期目标；中国科学院光电研究院研制的超压气球在2017年实现了高度为25 km的验证飞行任务。杨虹等提出了通过部署在20 km高度的浮空飞艇组网对临近空间高超声速飞行器进行探测的方案，9艘飞艇即可实现对7000 km×7000 km正方形区域95%左右的覆盖率[28]。美国国防部建造的大型高空飞艇(High altitude airship，HAA)可以对直径为1200 km圆形区域进行搜索，空军研究实验室(Air force research laboratory，AFRL)负责实施的集成传感器结构(Integrated sensor is structure，ISIS)飞艇探测距离达到600 km以上，在20～21 km的工作高度留空1年以上，可为临近空间目标探测提供大量及时准确的数据。我国的中国科学院光电研究院、电子科技集团公司第三十八研究所、北京航空航天大学等单位也均在开展平流层飞艇的技术攻关和装备研制，有力地支撑了我国平流层飞艇在世界军事强国中的领先地位[29]。

3 轨迹跟踪预测技术

对临近空间高超声速飞行器飞行轨迹的准确跟踪和有效预测是实现拦截攻击的基础和难点，也是成果最为丰富的研究方向之一。一方面，临近空间高超声速飞行器通常采用高升阻比的气动外形，飞行速度之快甚至超出了雷达数据处理波门，且会在其表面形成等离子体鞘套，导致难以连续捕获，更难以实现连续、稳定跟踪。另一方面，临近空间高超声速飞行器还通常采用非惯性弹道，部分临近空间飞行器甚至采用跳跃弹道。以高超声速滑翔飞行器为例，除了横向机动之外，纵向飞行主要包括钱学森弹道和桑格尔(Sanger)弹道两种典型形式，前者表现为几乎没有波动的平坦滑翔弹道，故也称为拟平衡滑翔弹道；后者则表现为波动幅度逐渐减小的跳跃滑翔弹道。对于以超燃冲压发动机作为动力的高超声速巡航飞行器来说，无疑将可以实现更为复杂的飞行轨迹，这进一步增加了目标追踪和准确预测轨迹的难度[30]。

3.1 高超声速目标的轨迹跟踪技术

高超声速目标的轨迹跟踪必须以高超声速飞行器的有效探测为基础。如何建立符合临近空间高超声速飞行器运动特性的数学模型和如何通过有效的滤波跟踪算法来自适应调整测量和状态误差，是实现稳定跟踪的关键问题。针对高超声速目标在经纬方向呈现高超声速运动、在高度方向做滑翔跳跃的特点，张翔宇等提出了一种经度-纬度-高度坐标系下的三维投影跟踪算法，通过加速度突变检测和补偿实现了高机动频率运动下的可靠跟踪[31]。假设短时间内的目标航迹为直线，李林等[32]提出了一种基于时间-径向距离量测数据Hough变换及速度和航向等多条件约束的检测前跟踪算法，实现了杂波环境下临近空间高超声速目标的检测。郭相科等[33]采用多周期多模型估计方法实现模型集自适应，并采用最大熵模糊数据关联思想处理杂波环境下的多传感器航迹断续、点迹关联问题，提升了临近空间高超声速飞行器滑跃段跟踪中的稳定性。文献[34]则通过Keystone变换和多普勒搜索进行距离走动及多普勒扩展补偿，实现了高超声速目标回波信号的长时间相参积累，为复杂背景下的运动目标检测创造了条件。李凡等[35]通过将气动加速度建模为具备周期性和衰减性的二阶马尔科夫过程，并引入强跟踪滤波进行有无动力段转换的误差突变点补偿，提出了一种高超声速目标的跟踪动力学模型。

交互多模型(Interactive multiple model, IMM)滤波方法不需要建立准确的目标运动学模型，而是采用多个模型的组合方式对目标的真实运动状态进行逼近，是一类普遍认为比较适合跟踪高超声速高机动目标的滤波算法。司玉洁等[36]采用包含匀速模型(Constant velocity，CV)、匀加速模型(Constant acceleration，CA)和辛格模型(Singer)的三模型交互滤波器对高超声速滑翔飞行器的无动力段飞行轨迹进行滤波估计，在位置和速度两方面均表现出良好的跟踪性能。叶泽浩等[37]通过在协方差矩阵更新中引入多重次稳定因子提高平方根无迹卡尔曼滤波(Unscented kalman filter，UKF)的鲁棒性，仿真显示对临近空间高超声速飞行器跳跃滑翔轨迹和拟平衡滑翔轨迹的速度和位置均表现出了良好的跟踪性能。邢清华等[38]从临近空间高超声速目标的运动特性、电磁特性和红外特性出发，指出对于现有的天/海/地基传感器来说，实现临近空间高超声速飞行器的精准探测和全程持续跟踪极其困难，需要合理部署并调度多源异构传感器，尤其需要解决存在多种不确定因素情况下的多传感器频繁交接问题。最近，何山等[39]通过对目标非线性量测信息的无偏转换，提出了一种基于回顾成本输入估计的无偏转换量测卡尔曼滤波方法，实现了高超声速再入滑翔目标的有效跟踪。

3.2 高超声速目标的轨迹预测技术

在飞行轨迹或弹道预测方面，目前国内外的研究重点主要包括基于弹道规划设计的弹道预测方法、基于滤波理论的弹道预测方法和基于几何理论的弹道预测方法等[40]。在拟平衡滑翔条件下，李广华等[41]给出了高超声滑翔飞行器高度、速度倾角和速度的数学模型，为弹道跟踪和预测提供了参考。Gaiduchenko等[42]则提出通过卷积神经网络并利用测得的飞行轨迹信息来区分弹道导弹、高超声速滑翔飞行器和高超声速巡航导弹等高超声速目标，但由于后两者飞行轨迹相似，容易出现混淆。魏喜庆等[43]结合Singer模型提出了一种对高超声速飞行器周期跳跃运动状态进行估计的扩展卡尔曼滤波方法，取得了较好的跟踪和预测精度。翟岱亮等[44]建立了采用气动参数作为控制量的高超声速飞行器运动模型，并设计了一种自适应IMM跟踪方法，在给定的目标机动方式下，100 s的位置预测误差小于5 km，速度预测误差小于100 m/s，为高超声速飞行器的中长期轨迹预测提供了理论基础和方法指导。张博伦等[45]选取阻力、升力和侧向力作为状态变量，在飞行器攻角和侧滑角变化幅度不剧烈的情况下通过三次多项式函数拟合侧向机动模式，对高超声速飞行器的机动弹道预报取得了较好的效果。

针对高超声速滑翔飞行器飞行过程中难以回避的未知机动问题，张凯等[46]通过构造机动模式集提出了一种基于意图推断的贝叶斯轨迹预测方法，结合飞行意图合理构造代价函数，在假定高超声速滑翔飞行器攻击目标已知的情况下，提高了目标机动不确定条件下的轨迹预测精度。针对轨迹预测在预警探测交接班和基于预测命中点拦截制导中的应用需求，韩春耀等[47]结合高超声速飞行器滑翔段运动轨迹几何特征明显、转弯半径大、需要保持大升阻比的特点，提出了一种基于不变力预测法的中长期轨迹预测策略，但仍难以实现全程预测。

4 拦截器的制导控制方法

拦截器的制导控制方法同样是反临近空间高超声速飞行器领域的研究热点和难点之一。由于临近空间高超声速飞行器本身具有5Ma以上的飞行速度，现有防空反导武器在攻击时很难形成速度上的优势，故关于拦截器导引方法的研究也大概分为两个方向:(1)研究在拦截器处于速度劣势的时候，如何通过非后向追击目标的方式进行有效攻击；(2)通过调整拦截器自下而上的传统弹道形式，形成相对于高超声速目标的速度优势，从而实现更广泛的攻击方式。

4.1 拦截器的先进制导律

在考虑拦截器处于速度上的劣势时，熊俊辉等[48]发现迎击和前向拦截两种制导方式在合适的末制导初始条件下均可以实现理论上的交会，但迎击拦截可能导致需用过载在交会末段过早地趋于发散。Zhu等[49]通过将线性滑动变量和快速幂次趋近律相结合，提出了拦截高超声目标的末端顺轨滑模导引律。在考虑输入饱和的情况下，Si等[50]提出了拦截高超声速目标的三维顺轨滑模导引律，尽管可以保证滑模面有限时间稳定和渐近稳定，但却无法应对未知边界的外部扰动。针对现有防空导弹速度普遍低于高超声速飞行器但机动性远好于它的现实问题，于志鹏等[51]通过引入末角约束导航比来充分利用拦截弹的高过载承受能力并加快拦截器达到期望末视线角的速度。王华吉等[52]综合考虑成功截获和成功拦截条件，给出了采用比例导引律拦截助推滑翔目标时的中末制导交接班窗口，但其研究过程中忽略了空气动力影响和目标机动，并假设拦截弹与目标处于同一纵向平面且前者攻角为0，为实际应用提出了严苛的约束条件。Ann等[53]考虑捷联导引头的视场及拦截弹飞行攻角和侧滑角的控制约束，通过轨迹优化得到了中末制导交班点，为提高直接碰撞杀伤高超声速目标的概率创造了有利条件。

赵杰等[54]指出自上而下的探测方式有利于增加导引头探测距离，建议拦截器中制导段采用高抛再入式弹道。为实现自上而下的探测和打击方式并有效提高射程和末段速度，李宁波等[55]采用弹道与制导律独立设计的思路，为临近空间拦截器设计了一种先垂直上升然后转弯滑翔的高抛再入弹道。张大元等[56]指出采用高抛再入形式的弹道还可有效降低气动热效应影响。为了缓解视线角速率微分对高超声速机动目标比较敏感的问题，Chen等[57]基于非线性跟踪微分器提出了一种分数阶微积分制导律，在不同的目标机动和噪声情况下表现出较小的脱靶量和较强的鲁棒性。周聪等[58]通过将临近空间高超声速滑翔目标机动轨迹近似为圆弧，提出了一种在飞行全程中合理分配需用过载且满足可用过载和终端交会角约束的变系数显式拦截中制导方法。

为确保对目标的有效拦截，尤其为了应对临近空间高超声速飞行器协同攻击的发展潜力[59]，赵启伦等[60]设计了一种具有领弹-从弹拓扑结构的异类导弹协同拦截策略，配备高性能导引头的领弹负责探测高超声速目标运动信息，未配备导引头的从弹则利用通信网络接收领弹信息，并和领弹组成异类导弹攻击网络，与高超声速目标形成“多对一”的拦截态势。易芳则提出了一种采用多个拦截器分时发射、分时拦截的方案，并对该拦截方案的工作时序、加速度跟踪模型、多拦截器的信息传递方法等进行了研究和仿真校验[61]。

4.2 拦截器先进控制方法

在拦截器姿态控制技术方面，由于其本身通常仍然是一类高超声速飞行器，同样具备强耦合、强非线性、强时变、强干扰的动力学特征，同样需要面对跨空域、大飞行包线、多执行机构、热流受限、不确定性等多种难题，国内外诸多专家学者已经就此类飞行器的高品质姿态控制问题进行了较为详细的论述[62]，本文不再赘述。但需要指出的是，由于在临近空间工作的拦截器动力学响应较慢，如在低空具备0.3 s左右响应能力的导弹在中高空则需要0.7～1.8 s左右，且临近空间空气密度较低，无法产生足够的升力和机动过载能力，有必要采用直接力(Direct force flight control，DFC)[63]或质量矩[64]等其他执行机构来改善临近空间拦截器的控制响应时间和可用过载[65]。同时，为了降低导引和控制两个回路之间延迟及时间尺度不一致的影响，还可以对反临近空间高超声速飞行器的拦截器进行制导控制一体化设计[66]。

5 拦截攻击策略

拦截策略和攻击方式是防御和拦截临近空间高超声速飞行器的工作终端，在整个作战任务流程中起着决定成败的作用。目前国内外研究人员关注比较多的拦截攻击方式主要分为两类:(1)传统防空反导系统的物理杀伤模式，但发射阵地已不再局限于传统的地基和海基平台，而是逐渐扩展至空基、天基甚至是临近空间平台；(2)采用以高能激光和高功率微波为主的新型定向能武器进行非接触杀伤，发射阵地也同样包括地基、海基、空基、天基和临近空间等平台。

5.1 物理攻击策略

针对临近空间高超声速导弹的地基拦截策略，张海林等从拦截时间、拦截空间以及拦截物质三个方面建立了定量的可行性数学模型，并根据实际情况进行了定性分析[67]。Peace等[68]从巡航阶段直接碰撞杀伤高超声速飞行器的角度，采用多学科优化方法设计了一种拦截器，可以防御在36～43 km以12～15Ma飞行的高超声速滑翔飞行器。许惠丽等[69]建议借鉴美国以空基反导为突破口的理念，并通过低成本设计方案开展演示验证。针对空基反高超声武器缺乏清晰目标装备和成熟作战模式的问题，肖吉阳等[70]建立了空基反高超声速武器的顶层作战概念和作战规则模型，随后在充分利用自主协同决策、网络化瞄准、信息超视距传输等集群能力的基础上，提出了一种可分散部署以控制广域空间的无人机群反高超声速目标的策略[71]。

Guo等[72]指出再入式动能拦截器可满足远程拦截临近空间高超声速目标的要求，并可为动能拦截器的红外导引头提供比较好的工作环境。文献[73]提出一种使用高超声速再入飞行器进行拦截临近空间高速机动目标的策略，实现了“由上打下”、“发现即拦截”和“跟踪打击”的探测打击一体化效果。赵良玉等[74]提出了一种基于天基平台反临近空间高超声速飞行器的快速响应策略，可通过具备快速响应能力的分布式天基武器平台由上而下攻击临近空间目标。戴静等[75]提出了一种通过临近空间平台攻击临近空间高超声速飞行器的方案，当防御系统探测到目标后，由截击机快速搭载拦截器至30 km左右的临近空间，采用固体火箭发动机发射并从前向撞击目标。

5.2 非接触攻击策略

针对现有防空反导体系在跟踪、制导及机动性等方面的不足，于滨等提出了一种采用激光技术拦截高超声速武器的设想，并对该设想涉及的关键技术和实现途径进行了论证[76]。美军提出通过配属150 kw级高能激光武器的无人机进行空中巡逻，并打击来袭弹道导弹或高超声速滑翔导弹的防御方案。由于高功率微波武器可利用电磁能破坏或干扰飞行器传感器、制导系统或其他电子系统，美国、俄罗斯、中国等国家正不断发展此类武器，并将其作为对付敌方高超声速巡航导弹、无人机蜂群或其他威胁的一种候选手段[77]。文献[78]提出通过干扰、入侵高超声速飞行器的通信或导航信号，进而篡改航迹、落地任务指令或干扰卫星导航信息，使其偏离预定航迹从而达到无损防御方的目的，尽管在有效时间内突破敌方通信导航网络中的安全防护并成功引导至预设区域是一大难题，但仍不失为一种防御临近空间高超声速飞行器的候选方式。

6 存在的问题及未来发展思考

1)由于存在地基预警系统受地球曲率影响探测距离有限、空基预警系统长时间监测能力不足、天基红外预警卫星系统尚未形成全球覆盖能力等问题，面对尽早预警高超声速临近空间飞行器的迫切需求，除了进一步完善现有防空反导预警系统尤其是天基红外预警系统、发展高空气球和平流层飞艇等新型预警探测系统之外，还应注意将天基、地基、空基、海基和临近空间等多种区域的探测设备进行组网探测，实现空天一体化的协同预警探测系统，并注意在全球探测力量尚有限的前提下，根据主要威胁国家临近空间高超声速武器的部署情况，针对重点方向、重点目标增强探测密度，提高及早发现目标的概率。

2)对于预警系统和拦截器自身的目标敏感问题，目前国内外研究人员普遍认为应以红外探测体制为主，故应进一步明确典型高超声速飞行器尤其是未来可武器化的高超声速飞行器的目标特性，特别是其飞行全过程的红外辐射特性。考虑到拦截器也通常处于高超声速飞行状态，故应重点解决其所采用红外导引头的环境适应性问题，如高超声速热防护、图像信息快速处理、大机动下目标自主识别等瓶颈技术。同时，发展红外与激光或红外与毫米波等复合体制的多模导引头，突破一体化集成设计、远距离精准敏感、多源信息智能融合、快速准确识别等关键技术。

3)目前国内外在轨迹跟踪和预测这两个方向的研究成果均是基于一定程度的简化和假设，即通常假设一种运动模型用于轨迹跟踪，给定几种机动模式用于轨迹预测，对于跟踪和预测性能的评估也均是基于预设模型的数学仿真，尚缺乏有效的实验验证进行支撑。同时，一个无法回避的事实是，无论如何精准地跟踪和预测轨迹，都无法事先准确获取敌对高超声目标的长期机动行为，也就无法在强对抗、强博弈的作战环境中准确预测其真正的攻击点，导致防御方拦截器本就有限的可用响应时间更加捉襟见肘。为此，可根据预警探测系统早期获得的高超声速目标位置和飞行速度等信息，通过参数辨识以及考虑飞行路径及控制变量约束，得到由临近空间高超声速飞行器极限弹道落点构成的地球表面区域，即建立该高超声飞行器的可攻击区，然后根据拦截器的攻击范围，规划发射多枚拦截器对可攻击区形成全域覆盖式的协同防御态势，以应对临近空间高超声速飞行器的未知机动特性。

4)面对现有防空反导武器不足以形成速度优势的现实，宜在综合考虑预警探测能力、拦截器感知能力、工作环境复杂不确定、直接撞击杀伤等多重约束和需求条件下，更深入地研究存在速度劣势下的拦截器导引方法，进一步降低制导律对拦截器机动能力的需求、降低制导律对拦截器执行机构响应速度的需求、提高制导律对不确定工作环境及不确定目标机动的鲁棒性，同时从阵地部署、作战应用、能力需求等多方面积极探索多拦截器协同防御临近空间高超声速飞行器的解决方案。在高性能拦截器的高品质姿态控制方面，采用气动力和直接力等复合的先进执行机构已逐渐成为共识，但面对强时变、强非线性的被控对象和强不确定性的临近空间作战环境，需要更深入研究控制方法的鲁棒自适应策略、复合执行机构的智能调度和分配、制导控制一体化设计等基础问题，同时进一步发展响应更迅速、能耗更经济的新型控制方法和新型执行机构。

5)定向能武器、天基武器等有潜力的拦截高超声速临近空间飞行器的新概念武器仍处于理论探索阶段，很难在短期内形成现实的防御能力。因此，对现役地基防空导弹和空空导弹进行改进升级仍将是未来一段时间内的重要发展方向，为此需要进一步提升防空反导系统的体系作战能力、提升作战单元的有效作战半径及机动能力、拓展防空反导系统的多平台适应范围、压缩从态势评估到指挥决策的作战响应时间。同时，结合不断发展的信息和能源技术，在高能激光、高功率微波定向能武器的基础上，探索新的拦截攻击方式，如电磁炮弹、假目标诱骗及导航信号劫持等。

除了重点研究预警探测、跟踪预测、制导控制和拦截攻击等关键技术之外，要做到有效拦截临近空间高超声速飞行器，全杀伤链涉及的其他内容如防御体系建设、拦截装备研制、智能指挥控制和闭环战损评估等方面也值得关注和深入研究。

7 结束语

临近空间高超声速飞行器正随着相关技术的不断发展成熟而逐步走向战场，国家空天安全将面临新的重大威胁，迫切需要发展有效的防御和拦截技术并研制自主可信的反制装备。针对反临近空间高超声速飞行器面临的探测难、跟踪难、预测难、拦截难“四难”问题，本文在介绍临近空间高超声速目标飞行特性和典型任务剖面的基础上，综述了目标预警探测、轨迹跟踪预测、制导控制方法、拦截攻击策略等四个方面的国内外若干研究进展。从目前的研究现状看，国外关于反临近空间高超声速飞行器的研究成果相对较少，但这绝不意味着国外没有积极开展相关技术的研究，这从为数不多公开发布的美国军方报告和政府咨询报告里仍然可一窥端倪。国内学者的研究成果较多，且研究范围较广，覆盖从预警探测、轨迹预测到制导控制、拦截攻击和杀伤评估等的全杀伤链技术，但公开报道的国内外研究成果均以定性分析和虚拟目标的数学仿真为主，尚缺乏有效的实验验证。

尽管中国已陆续启动了多个有关反临近空间高超声飞行器的基础研究和重大工程项目，但存在的基础理论和工程技术难题仍然很多。相关研究人员如果能够抓住这个机遇与挑战并存的历史时刻，面向国家重大需求和世界科技发展前沿，扎实解决基础理论难题的同时注重解决工程实践问题，无疑具有十分重要的战略意义和前瞻价值。综合国内外近年来的研究进展和临近空间高超声速飞行器的发展趋势，建议未来从天/临/空/地/海体系预警、红外多模复合敏感、可攻击区轨迹预测、直/气复合等先进控制、协同拦截防御等五个方面给予重点关注，同时关注体系建设、装备研制、指挥控制和战损评估等具体实施方面的关键技术问题。