临近空间防御技术发展态势及突防策略

熊俊辉，李克勇，刘 燚，吉 雨

（1.江苏大学能源与动力工程学院，江苏镇江 212013；2.上海机电工程研究所，上海 201109）

0 引言

临近空间通常指高度20～100 km 空间区域，这个范围内的飞行器不仅可以借助稀薄大气环境实现更高的飞行速度，还可以利用高度优势和变轨机动能力避开中低空防御系统的拦截。近几十年来，世界各主要军事强国将高超声速飞行技术视为未来军事科技的制高点，开展了一系列技术攻关及演示验证项目，在超燃冲压发动机、高超声速气动优化、制导与控制、气动热防护等技术领域不断取得成果，推动了临近空间高超声速飞行器的装备化进程［1-2］。从美国早期多次开展X-51A 高超声速巡航导弹飞行验证、俄罗斯完成“锆石”舰载高超声速巡航导弹试射［3］、美国依托助推-滑翔飞行器项目（tactical boost glide，TBG）加紧研发“空射快速响应武器”（AGM-183A 空射导弹）项目、俄罗斯抢先列装“匕首”空射导弹和“先锋”陆基导弹来看，临近空间高超声速飞行器将成为未来强国对抗的关键装备［4］。不同技术体制的临近空间高超声速飞行器相继面世，特别是俄罗斯等国高超声速助推-滑翔导弹的实战化部署，已经引起了各国对临近空间防御体系的高度重视［5］。美国在改造升级现有防御系统的同时，还启动了“高超声速防御”和“滑翔破坏者”（glide breaker）项目，以研发针对性的防御技术与装备来弥补临近空间防御能力的不足［6-7］。因此，临近空间高超声速飞行器在高科技战场中将面临新的威胁，其被寄以厚望的突防能力存在被抵消风险。

1 临近空间高超声速飞行器的突防能力特征

根据动力体制和飞行速度剖面的不同，临近空间高超声速飞行器通常可分为高超声速巡航飞行器（hypersonic cruise vehicle，HCV）和高超声速助推-滑翔飞行器。

1.1 临近空间高超声速巡航飞行器

HCV 一般通过固体火箭或其他组合动力将巡航体助推到较高马赫数（常见3～5Ma）后，依靠超燃冲压发动机在临近空间内以超过5Ma速度持续飞行，典型代表有美国的X-51A（验证机）和俄罗斯的“锆石”高超声速巡航导弹。这种飞行器在突防上有以下性能优势。

1）飞行速度快。当前美、俄等研发验证的超燃冲压发动机适宜工作高度约25～35 km，对应较经济的巡航速度约5～7Ma，采用该动力系统的飞行器绝大多数飞行轨迹的速度超过5Ma，是亚音速巡航导弹的5倍以上。速度快给突防带来的好处为：一是可以大幅缩短目标射程下的飞行时间，从而压缩C4I 系统的发射时机窗口，增加拦截难度；二是根据二者交会原理，拦截器的速度明显小于目标的速度，甚至出现速度比小于1的情况，这会增大拦截器的需用过载、增加末段交会脱靶量、减小有效拦截区域［8］。

2）飞行高度高。虽然HCV 多采用固体火箭从陆地、海上或低空发射来将其助推到一定高度和高马赫数，但整体上助推段的时间和航迹短，飞行器大多数时间处于25 km 以上高度飞行，对当前各主要国家采用的助推段防御、中段防御、末段防御而言，其巡航飞行高度仍属于拦截能力短板［4，9］。

3）临近空间内全程带动力机动。HCV 在临近空间内带动力飞行，可以随时进行纵向和横向机动，使得防御系统无法准确预测其航迹及攻击目标。此外，虽然发动机的进气道一定程度上限制了大攻角飞行，但在高超声速飞行时即使以较小的攻角机动也可以引起拦截器较大的导引过载，从而导致拦截弹脱靶量增大。

1.2 临近空间高超声速助推-滑翔飞行器

高超声速助推-滑翔飞行器基于弹道导弹技术，装备化进程更快，俄罗斯的“先锋”和“匕首”导弹已经开始服役，美国AGM-183A 导弹则已完成了适应性挂飞［10］。这种飞行器虽然不能实现全程带动力，但与HCV 相比，其平均飞行速度接近甚至更高，有其独特之处。

1）飞行高度跨度大。助推-滑翔飞行器轨迹可分为助推上升段和滑翔机动段，主要轨迹为临近空间内的滑翔机动段。滑翔机动段可根据射程和落速等要求进行多次拉升，无动力、纯气动控制的二次拉升高度一般不高于70 km，航区内拉起高度一般不低于15 km，多数时间处于末段防御系统和中段防御系统的防御高度范围之外。得益于较大的飞行高度跨度，助推-滑翔飞行器只在其飞行末段处于末段防御系统的拦截范围，且很难被二次拦截。

2）变射面和变轨机动。由于速度大，而且滑翔体针对高超声速飞行进行了优化设计，在高超声速区间具有较好的升阻特性，即使在较稀薄气体下也可以实现滑翔体的纯气动控制，在约20 km 高度下的机动过载可达3～8g，可在临近空间进行较长时间机动飞行，包括纵向跳跃滑翔和横向大范围机动，实现变射面和变轨机动。

2 主要防御系统对临近空间飞行器的适应性

目前的防御体系主要由弹道导弹防御系统和中低空防空系统组成，根据临近空间飞行器的目标特性可分为助推段防御、中段防御和末段防御，主要防御系统的性能见表1［11-13］，临近空间突防对抗态势见图1。

表1 主要防御系统的性能参数Tab.1 Performance parameters of typical defense systems

图1 临近空间高超声速飞行器突防对抗态势Fig.1 Penetration confrontation situation of near space hypersonic vehicle

2.1 助推段防御系统

助推段防御系统也称助推段/爬升段防御系统。高超声速飞行器在助推段一般不作机动，轨迹平直、特征明显，美国、以色列曾开展空基拦截器的助推段拦截系统研究和验证[14]，主要用于不对称战争中对弹道导弹进行拦截。这种空基拦截器作战距离较短，要求载机平台抵近发射，在高强度对抗中实用性不佳，难以构成实质威胁。对于助推-滑翔飞行器，其弹道最高度点附近的区域处于末段高空区域防御系统（terminal high altitude area defense, THAAD）的拦截高度范围内。THAAD系统主要用来拦截防区内的末段高层目标，拦截距离通常远小于临近空间助推-滑翔飞行器的射程，难以触及纵深部署的远射程飞行器的高弹道区域。

2.2 中段防御系统

中段防御系统也称巡航段/滑翔段防御系统。目前可用来拦截临近空间飞行器的典型防御系统包括“宙斯盾”系统的标准-6 和S-400 反导系统。对于HCV，在进入标准-6 或S-400 的拦截范围后存在被拦截风险，但二者以迎击方式超过10Ma速度交会，即使较小的导引信息误差或目标机动也会导致较大的脱靶量，在高超声速巡航段的拦截难度较大；对于助推-滑翔飞行器，滑翔体主要在临近空间内进行跳跃滑翔，中段多处于25～40 km 高度范围，速度一般在5Ma以上，拦截器需要将交会点控制在射程和射高范围内，且同样存在相对速度过大的问题，滑翔中段拦截难度较大。

2.2 末段防御系统

由于有效载荷落速、探测器工作等要求，两种高超声速飞行器在接近目标区域都要降高、减速，给防御系统提供了最佳时机。当高超声速飞行器高度降至20 km 以内，速度减至3Ma以下，标准-6、S-400/S-300、PAC-3、海拉姆等防御系统可以把其当成惯性弹头或中低空目标进行拦截，具有拦截可行性。考虑到巡航体或滑翔体进入末段时的速度仍然较大，且在中低空可以产生较大的纵向和横向机动过载，末段拦截仍将产生比拦截低速目标或再入式弹头更大的需用过载和脱靶量。此外，HCV带动力飞行可在末段进行大范围的机动，甚至绕到防御弱点方向进行攻击，进一步提高突防机率。因此，现有末段防御系统作为最后的屏障拦截，其可靠性依然不够。

3 临近空间防御技术发展态势

整体上，临近空间高超声速飞行器对现有防御系统仍具有突防优势。随着多型临近空间高超声速装备入役，临近空间防御薄弱已经引起美、俄等国高度重视，各国正积极开发针对性的临近空间防御技术与装备。

3.1 改善现有防御系统的拦截适应性，快速形成反临近空间基本能力

根据目标特性，国外对防御系统的改进主要围绕预警探测、指控系统和拦截器本身来开展。

更早地获取高超声速飞行器的轨迹可以提高后续轨迹预测的精度。美国启动了一系列预警探测系统改进工作：一是改进THAAD 系统的AN/TPY-2雷达，使其具备更强的高超声速导弹探测能力，为拦截器提供更充裕的反应时间；二是对可长时间滞空侦察的MQ-9 无人机进行改造，形成对中高空目标的被动探测能力，战时可以充当防区外临近空间目标探测的移动节点；三是新一代天基导弹预警系统将高超声速飞行器作为关键目标，针对其红外散射特性布置了安装天基红外探测系统的4 颗大椭圆轨道（highly elliptical orbit，HEO）卫星和4 颗地球同步轨道（geosynchronous earth orbit，GEO）卫星，弥补陆/海基预警系统对远距离、大高度目标探测能力的不足［15］；四是美国导弹防御局（missile defense agency，MDA）2018年发布了“高超声速与弹道导弹跟踪空间传感器”（hypersonic and ballistic tracking space sensor，HBTSS）计划，以设计能跟踪高超声速和弹道导弹的天基传感器。未来美国还将对陆基、海基、空基和天基预警探测能力进行整合，形成一体化的探测预警网络体系［16］。

在指挥控制系统方面，MDA 基于现有的卫星资源及通信设施，通过改进用于弹道导弹防御体系（ballistic missile defense system，BMDS）的地基雷达和指挥、控制、作战管理与通信（C2BMC）系统，使其初步具备应对高超声速武器威胁的能力［15］。同时MDA 还计划构建天空地一体化的通信系统，使其具备对高超声速导弹探测预警后的有效指控、管理与通信能力，为防御临近空间飞行器探测提供通信保障。

在拦截器改进方面，主要对当前防空反导导弹采取增加射程、增加拦截高度和机动能力等措施来提高拦截适应性。2014年，MDA 启动了增程型萨德系统（THAAD-ER）研究，实现对高超声速助推-滑翔目标的拦截能力。据悉，通过增加直径更大的第二级助推器，THAAD-ER 的拦截距离和拦截高度可达基础型的3倍，拦截范围可扩大至9～12 倍［17］。在MDA 公布“高超声速防御武器系统”项目后，洛马公司提出的“标枪”高超声速防御武器系统采取基于PAC-3 MSE导弹改进的思路，用于在滑翔末段低层进行拦截，与THAAD-ER 形成分层防御［18］。俄罗斯近年来也采取了一些措施补充反临近空间能力：一是S-400 防御系统配置的9M96E2 型拦截弹，设计之初就考虑了30 km 高度附近的拦截需求，采用了鸭式布局、燃气推力矢量控制、末段轨控直接力控制、多点起爆定向战斗部等技术，与S-300相比，能够应对更大速度和更强机动的目标，反临近空间能力得到显著提升［19-20］。

3.2 开发反临近空间专项技术与装备，弥补立体化防御体系短板

针对临近空间高超声速飞行器威胁，美国主要推进了两个防御项目：一个是MDA 主导的“高超声速防御”项目；二是美国国防高级研究计划局（defense advanced research projects agency，DARPA）主导的“滑翔破坏者”项目。“高超声速防御”项目包括“高超声速防御武器系统”（hypersonic defense weapon system，HDWS）和“区域性滑翔段拦截武器系统”（hypersonic defense regional glide phase weapon system，RGPWS）两个子项。HDWS 主要用于探索高超声速武器防御概念，2018年初次授予的21份合同涉及了动能/非动能、陆基/空基/天基、助推段/末段拦截等多种防御概念，2019年优选了4 个动能拦截方案和1个非动能拦截方案，包括洛马公司的THAAD-ER和“标枪”高超声速防御系统方案；RGPWS 于2020年公布项目招标书草案，属于原型设计阶段研发项目，主要针对临近空间助推-滑翔飞行器［16］。DARPA 在2018年发布了“滑翔破坏者”项目的招标文件，主要用于研发可以解决在远距离、高层大气内拦截机动式高超声速飞行器的关键技术，第1 阶段重点攻关拦截器的关键技术，第2阶段进行技术集成与演示验证［15］。

俄罗斯也在新型反导装备研发中将反临近空间目标作为关键需求。S-500 第五代防御系统可配置适应防空和反导的多种拦截弹，拦截高度包括整个临近空间，拦截距离将增至600 km，适应目标速度达20Ma。第3 代莫斯科反导系统A-235 配备了远、中、近程拦截弹，其中近程拦弹（77N6）的拦截高度为15～40 km，拦截距离为350 km，采用常规破片式杀伤方式［18］，几乎为临近空间HCV“量身定制”。

欧盟将推进“龙卷风”高超声速导弹防御计划，将高超声速巡航导弹、超声速滑翔机动飞行器作为拦截对象［19］。除了传统的动能拦截，定向能武器也被列入反目标武器之列，MDA在“高超声速防御武器系统”项目第2轮优选的5个方案中就包括雷神公司提出的基于高功率微波武器的“非动力学高超声速防御概念”。

4 突防策略分析

随着防御系统的不断改进，针对性的反临技术和装备的逐步应用，临近空间高超声速飞行器的突防能力优势正在逐渐被抵消，需要探索策略性改进。

4.1 程序机动突防向智能机动突防改进

由于特殊的飞行轨迹和气动热效应，高超声速飞行器难以逃避陆基预警雷达和天基红外探测系统等平台的网络化探测。考虑到射程和速度损失，高超声速飞行器在临近空间内的程序机动过载并不大，反临拦截器通过增程和直气复合控制，可在交会末段产生足够的法向机动和响应速度来减小脱靶量，程序化机动突防可能失灵。为此，针对临近空间交会碰撞问题，从增大拦截器的脱靶量出发，将程序化机动向智能机动规避转变。通过外部数据链或自身探测器获取拦截器数量和运动信息，智能飞行控制系统根据二者交会的导引方法特性，在交会临界点生成对应拦截器最大需用过载的机动模式和机动方向，采取“拦截器运动-态势感知-机动策略生成-机动控制实施”的闭环机动方案，实现适时机动、视需机动，以此增大脱靶量，提高突防概率。

4.2 单飞行器突防向集群博弈突防改进

拦截器一旦具备发射条件，单一飞行器面对“二拦一”或“多拦一”的情况时，其突防效果不佳［20-21］。为此，基于智能化和网络化发展趋势，引入多飞行器组网协同的博弈对抗思维，高超声速飞行器以集群发射后在临近空间内编队组网，根据对抗态势可适时变换编队构型以改变目标特性、分配飞行器偏离射面以诱骗掩护主攻飞行器，甚至根据对抗强度指派飞行器主动牺牲并碰撞掩护编队，从而提高集群对抗的综合突防效能。

4.3 利用临近空间诱饵增加防御成本

随着智能化、无人化装备发展，强国之间的对抗很大程度上是高科技装备的消耗战。防御方将临近空间作为拦截的关键窗口，对此可利用该空间内的气体环境特性，助推-滑翔飞行器可携带伴飞式诱饵，在下滑段密集施放后可以产生和母体相似的轨迹和速度特性，从而导致防御系统拦截器过量发射，同时也干扰拦截器的目标选定，增大母体的生存机率。

4.4 更加注重电子干扰的应用

临近空间飞行器可根据外形和结构特点，在滑翔体或助推器上安装电子干扰装置，结合轨迹特点和探测器协同工作，干扰防御系统火控雷达和拦截器探测器的工作，使其不能截获目标，从而使拦截器不满足发射条件或发射后无法准确命中。

5 结束语

临近空间高超声速飞行器已经被视为未来高科技战场上的关键装备，各主要强国针对其目标特性正在积极研发针对性的防御技术和装备，其突防性能优势面临新的威胁。通过分析临近空间高超声速飞行器的突防能力特征和防御技术发展态势，探讨了可以采取的突防改进策略，为临近空间攻防对抗技术发展提供参考。