空空导弹空天高超声速攻防对抗的优势与挑战

郭正玉，董 蒙, 杜苗苗

(1.中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009； 2.航空制导武器航空科技重点实验室，河南 洛阳 471009; 3. 空装驻洛阳地区第一军事代表室, 河南 洛阳 471009)

0 引 言

谁掌握了制空权，谁就掌握了战争的主动权。传统空空导弹是由空基平台发射、 打击空中战斗机等目标的导弹武器，其是夺取制空权的重要武器装备，在打击空中战斗机目标时发挥了极其重要的作用。随着技术的发展和装备能力的进步，在传统空域的目标性能提高的同时，出现了飞行高度更高、 飞行速度更快的临近空间高超声速目标和太空飞行目标，现有空空导弹武器装备不具备打击这些新目标的能力，其给制空权的争夺带来了新的挑战。如何构建探测、 跟踪和打击空天高超声速目标的新能力，突破飞行、 制导、 毁伤等关键技术是摆在技术研究人员面前的新难题。

1 国外空天攻防对抗发展和现状

1.1 国外发展的空天高超声速目标

美国和俄罗斯于20世纪50年代起，先后开展空天飞行器的研究和设计工作，典型代表项目的指标见表1。美国主要研究和发展的是空天往返飞行器、 临近空间助推滑翔飞行器和吸气式高超声速飞行器，典型的代表型号和项目包括： 战术助推滑翔(Tactical Boost Glide, TBG)、 先进高超声速武器(Advanced Hypersonic Weapon, AHW)、 空射快速响应武器(Air-Launched Rapid Response Weapon, ARRW)、 常规快速打击(Intermediate Range Conventional Prompt Strike, IRCPS)、 远程高超声速武器(Long Range Hypersonic Weapon, LRHW)、 吸气式高超声速武器概念(Hypersonic Air-Breathing Weapon Concept, HAWC)(如图1所示)等。俄罗斯主要研究和发展的是空间轨道机动飞行器、 临近空间助推滑翔飞行器和吸气式高超声速飞行器，典型的代表型号和项目包括： “匕首”(如图2所示)、 “先锋”、 “锆石”、 “锋利”、 “精灵”和“克列沃克-D2”等。目前俄罗斯高超声速技术已居世界领先地位。这类目标飞行速度快、 高度范围覆盖广，而且还具有一定的机动能力，给防御系统有效防御带来了更大的困难。

表1 国外高超声速目标的基本参数

图1 美国HAWC导弹概念假想图

图2 俄罗斯“匕首”高超声速导弹

1.2 国外发展的空天高超声速目标防御系统

为了有效地防御和打击空天高超声速目标，世界各国不但在技术领域大力投入，通过不同种类的技术研究项目发展多种拦截手段，还通过组织机构调整和建设，从政策层面加强对于技术方向的把握和项目的管理。

技术和项目方面，美国自2017年以来，导弹防御局(MDA)和国防高级研究计划局(DARPA)等机构从系统方案、 关键技术等多方面加强了关于空天领域高超声速武器防御能力的建设。2018年9月26日，MDA签署了21份合同，合作单位包括雷神公司、 洛克希德·马丁公司、 诺斯罗普·格鲁曼公司、 波音公司等美国传统军工企业，用于开展“高超声速防御武器系统概念”研究，每份合同经费约100万美元，合同周期平均5个月。2018年，DARPA启动“滑翔破坏者”(Glide Breaker)项目，授予诺斯罗普·格鲁曼公司1 800万美元研究动能直接碰撞的方式在大气层外拦截和摧毁来袭的高超声速武器。2020和2021财年，MDA分别申请3.9亿美元和2.1亿美元开展滑翔段区域武器系统(Regional Glide Phase Weapon System, RGPWS)项目研究，发展高超声速武器防御技术，研制拦截器原型并开展飞行测试，降低拦截器关键技术和集成的风险。

组织机构方面，美国于2019年10月批准2020财年国防授权法案，成立第六大军种——太空军。2020年6月颁布《太空防御战略》，明确太空体系整合至作战系统中，并把目标确定为空间段、 地面段和链路段三大类，有计划、 有重点地发展相关能力。2022财年，美国国防部为太空军的研究、 开发、 试验与鉴定项目申请113亿美元资金，同比增长7%。美国国防部2022财年计划试射LRHW，争取2023财年正式部署； ARRW预算为2.38亿美元，中程常规快速打击武器(IRCPS)预算为0.75亿美元，高超声速攻击巡航导弹(HACM)预算为2亿美元，空天高超声速技术领域的投入持续增大。

俄罗斯于2015年设立了由空军、 太空部队、 防空反导防御部队组成的空天军，并于2018～2019年期间大范围地更换和列装了俄军新型现代化武器装备，以增强防空反导能力。2021年7月20日，俄罗斯国防部首次公布了S-500“普罗米修斯”防空导弹空中靶试试验视频，并计划将该系统优先配备俄罗斯空天军空天防御兵。S-500系统中配备的拦截弹，具备拦截马赫数10以上目标的“超高速、 超高空、 超远程”的反高超声速目标能力，增强了俄罗斯对于空天高超声速目标的拦截打击能力。2021年11月8日，俄罗斯网站对“锆石”导弹研制原因、 关键指标等问题进行了分析和预测，导弹的技术路线逐步浮现。

随着世界各国空天高超声速飞行目标的出现和技术的不断成熟，针对它的拦截系统也在不断发展和完善。从美俄近几年不断加大对于空天高超声速飞行目标拦截能力建设和资金投入的角度看，证明了空天高超声速飞行目标对于传统作战概念的颠覆性、 挑战性和威胁性，除了传统地基导弹防御系统的拦截外，还需要有针对性地分析研究，并采取更加有针对性的措施进行防御。

2 空空导弹空天高超声速攻防对抗的优势

使用空基平台发射空空导弹进行空天攻防对抗将在飞行弹道、 探测目标和打击范围三个方面具有独特的优势。首先，空基平台与地基/海基发射平台相比，其已经将导弹带载到10 km以上的空中，距离空天目标更近，并且已经越过了阻力较大的低空空域，空空导弹的飞行弹道设计将更加自由，可充分利用发射条件下阻力小的优势，采用滑翔、 高抛等弹道形式，选择迎头、 侧向等多种拦截打击模式。其次，空空导弹依靠导引头探测、 锁定和跟踪目标。目前，空空导弹有雷达和红外两种体制，对于雷达导引头，探测空天高超声速目标的背景环境相对较为“干净”，目标较少，没有地面杂波等干扰，而且空天高超声速目标通常没有针对性的隐身设计，容易被探测； 对于红外导引头，空天高超声速目标飞行速度快，目标蒙皮因气动声性摩擦产生强烈的气动加热现象，形成明显区别于背景环境的红外辐射源，容易被探测。第三，传统地基/海基探测系统受到地球曲率、 大气散射特性等因素影响，对空天高超声速目标的探测范围和反应速度产生影响，而使用空基平台和空空导弹进行探测将能够在800～1 000 km的距离上发现和跟踪并摧毁目标。

世界各军事强国均开展过或正在开展利用空中平台发射导弹、 打击拦截空天高超声速目标的空对空导弹项目。美国早在2006年，就开展过网络中心机载防御单元(Network Centric Airborne Defense Element, NCADE)项目。该方案是一个以AIM-120先进中距空空导弹为基础、 安装AIM-9X空空导弹的红外成像导引头的两级构型机载拦截弹，第一级由AIM-120空空导弹的后弹体组成，第二级采用后向推进器和侧向直接力推进器，最大射程约150 km，具有在大气层外飞行的能力，尺寸、 重量与AIM-120相仿，挂载方式与AIM-120相兼容，其主要被用于对上升段和助推段的近/中程弹道导弹的拦截。该项目由于成本低廉并能够在前沿快速机动部署，满足了当时美国MDA反导作战的需求。2007年末，雷神公司在美国白沙靶场进行了试验，由一架F-16飞机发射，对上升/助推段的弹道导弹模拟火箭进行拦截，试验取得了成功。此后，NCADE项目并未继续研究，很可能是因为空基发射空空导弹拦截技术已经相对成熟并取得突破。除了NCADE项目外，美国洛克希德·马丁公司还在2007年提出空射碰撞杀伤(ALHTK)方案，把“爱国者”PAC-3等陆基动能拦截弹集成到F-15C战斗机平台，形成空对空拦截能力。PAC-3飞行速度更快，但是其尺寸、 重量大，将限制飞机平台的飞行能力和挂载能力。2020年2月，俄罗斯国防部开展了多用途远程拦截导弹系统项目(MFRK DP)，这是一种包含两级动力装置的远程空空导弹，被挂装于米格-31和米格-41战斗机上，由米格战斗机发射空空导弹，导弹在固体火箭发动机的大推力下，将形成马赫数5以上的飞行速度，抵近目标后导弹再发射所携带的子导弹，子导弹依靠自身导引头锁定、 跟踪和毁伤目标。2019年11月，欧盟委员会批准了天基战区监视实时预警拦截项目(Timely Warning and Interception with Space-Based Theater Surveillance)，该项目由法国牵头负责，芬兰、 意大利、 荷兰和西班牙共同参与，2020年10月德国也加入了项目研究，其目标是研发一种冲压动力、 传统布局的多用途空对空拦截弹，用于在低大气层拦截中程弹道导弹、 高超声速巡航和助推滑翔导弹、 超声速巡航导弹等各种导弹目标以及下一代战斗机等常规目标。

世界范围内，第四代空空导弹已经广泛装备部队，导弹飞行性能稳定，飞行速度快、 机动能力强，红外和雷达两种制导体制各具特点，具备拦截空中各类目标的飞行和毁伤能力。从发展趋势看，空空导弹为了实现打击目标更多、 覆盖范围更广，攻击距离和打击范围不断提高。制约空空导弹进一步提高攻击距离和打击范围的一个重要因素是，在发动机化学能技术没有革命性突破的前提下，载机平台对于空空导弹的尺寸、 重量的严格限制，制约了空空导弹的飞行距离和飞行速度的提高。如果放开尺寸和重量限制，采用多级推力装置或者增大单级动力的体积重量，空空导弹的飞行距离可大幅提高，可实现覆盖更大的打击范围。美国空军于2019年披露的其最新型空空导弹AIM-260，攻击距离较AIM-120D有了大幅提升，再加上美国拥有强大的空中态势感知系统，其空空导弹的打击能力得到了较大的增强。

从世界各国的技术项目发展情况看，利用空空导弹的特点和优势，以现有空空导弹平台为基础，进行动力、 探测、 制导、 引战等方面的适应性改进设计，将能够快速形成空天攻防打击能力，解决目前探测难、 跟踪难和拦截难的困境。

3 空空导弹空天高超声速攻防对抗的难点

使用传统的空空导弹进行空天高超声速目标攻防对抗存在技术难点和挑战，具体包括作战体系、 发射平台和导弹本身三个方面。

3.1 作战体系角度的难点

制空作战包含OODA多个环节，需要作战体系中的探测、 指挥和控制系统的支援，才能对空天高超声速目标进行观察、 判断、 决策后发射导弹，进行打击。目前，制空作战体系中包含着卫星、 预警机等探测节点，其覆盖的探测范围较传统飞机平台更大，但是这些探测节点在设计之初大多并没有考虑对于空天高超声速目标的探测和跟踪，因而无法满足对于如此快速目标的连续探测和跟踪，从而导致OODA循环无法闭合。

3.2 发射平台角度的难点

目前空空导弹均由战斗机装载、 战斗机发射，对于发射高度、 发射速度都有着严格的限制。由于战斗机的飞行高度相对于空天高超声速目标来说十分有限，从当前的飞行高度发射空空导弹来打击空天高超声速目标，需要对发射方式和导弹飞行弹道进行针对性设计，使导弹能够覆盖更大的攻击范围，才有可能完成拦截打击任务。如果直接采用空天高超声速飞行器平台发射导弹进行拦截，导弹的搭载方式、 安装方式和分离方式都将是全新的技术挑战。

3.3 导弹本身的难点

目前美国最先进的空空导弹飞行距离大约在100 km以上，高度上可以覆盖空天类目标，但是空天类目标覆盖的飞行距离远，能够达到千公里量级，导致空空导弹仅能在一定的有限范围内进行被动防御拦截。如果对动力系统改装，增大空空导弹飞行距离，会增大弹体飞行过程的气动热积累，使得局部温度超过2 000 ℃，气动热通过壳体传递到导弹内部，造成内部电子器件电性能漂移、 电路失稳，影响正常功能; 同时，导弹壳体长时间承受气动压力，会导致导弹整流罩、 导引头头罩等局部变形，造成壳体整体损坏。目前的导弹导引头探测距离和探测角度限制了导弹的探测空域范围。以雷达型空空导弹攻击战斗机目标为例，导弹依靠发射载机提供的目标信息，对较为确定的区域进行探测，完成中末制导交接班后对目标进行自主探测和攻击。空天高超声速目标飞行高度和距离覆盖范围大，给导弹导引头探测范围和制导律设计带来挑战。

4 空空导弹空天高超声速攻防对抗的关键技术

使用空空导弹进行空天攻防对抗，需要结合具体的作战打击场景和导弹特性，在发射安全、 结构、 探测、 动力、 制导、 毁伤等关键技术方面进行针对性设计和研究。

4.1 导弹新型发射分离技术

安全发射分离是导弹平稳飞行的前提条件。空空导弹拦截空天高超声速目标，可以考虑采用体系中其他节点发射空空导弹，需要结合具体发射平台的结构特性、 飞行特性和作战场景，研究并设计新型发射分离方法，如基于复杂气流环境下的发射分离参数智能柔性输出，高马赫数、 激波、 气动热以及电离环境下的平台一体化发射等新型发射分离方法，在确保发射平台安全的基础上，使导弹能以最适合的分离态势进行预设弹道，满足拦截目标的速度、 弹道等需求。

4.2 新型气动热防护结构设计技术

空空导弹稳定飞行需要保证结构完整性。使用空空导弹进行空天高超声速攻防对抗，需要提高空空导弹的飞行距离和飞行高度，因此，要针对具体的飞行条件和环境特性，研究气动热环境精确预测技术。如利用新材料、 新工艺、 新结构等，改变空空导弹的表面热物理性质，在长距离、 跨空域飞行气动加热过程中，有效控制弹体表面温度，阻碍热传导，保证弹体内部工作温度低于允许范围，保证导弹壳体结构材料不产生较大的强度和刚度损失。

4.3 导弹协同探测技术

有效的目标探测和跟踪是完成攻防对抗的前提条件，空天高超声速目标的飞行空域广，需要较宽的探测视场、 较远的探测距离。传统空空导弹受到功耗、 体积等因素限制，扩大导弹搜索探测范围有着局限性。可采用多枚导弹协同探测技术扩大整体搜索探测范围，需要研究多源多目标作战场景下目标识别虚警漏警问题、 多源多目标信息融合问题、 传感器信息分发技术、 分布式的信息融合技术等，实现对空天高超声速目标的大范围、 宽角度和远距离探测。

4.4 跨域飞行导弹动力技术

为了实现空天攻防对抗，空空导弹不但要飞得更高、 还要飞得更远，形成大范围的覆盖能力和大机动的打击能力，提高打击范围和打击精度。空空导弹的飞行域将从空域扩展到临近空间域甚至太空域，需要研究新型组合动力技术、 宽适应长工时动力技术、 推力可调/可变动力技术等支持导弹跨域飞行的新型动力技术，形成空空导弹空天攻防对抗的动力基础。

4.5 高精度快响应导弹姿态控制技术

由于拦截打击的空天高超声速目标飞行速度快，需要空空导弹有着极高的响应速度，因此，需要研究提高空空导弹控制系统响应速度的控制方法。此外，空空导弹飞行速度快，再加上拦截目标的飞行速度，弹目交汇的时间窗口将极为短暂，对导弹打击精度的要求高，需要研究高精度轨迹预测技术、 极高精度的导弹控制系统设计技术，匹配探测、 动力、 毁伤等性能的需求。

4.6 网络化制导技术

使用空空导弹对空天高超声速目标拦截会扩大导弹飞行域，将不局限于使用战斗机等传统平台进行目标探测，因此，需要研究战场多源信息时空匹配性设计和融合技术、 网络架构和通信节点设计技术等，利用作战体系中的预警机、 卫星、 海基探测平台等信息节点，对目标进行探测后直接与导弹通信，传递目标信息。导弹可在较远距离处接收目标信息，预测目标的飞行轨迹，提高跟踪打击精度和拦截效率。

4.7 新型定制毁伤技术

空天高超声速目标与传统战斗机目标相比，体积、 重量较大，需要在提高导弹战斗部重量的同时，研究新型聚能爆破战斗部技术、 定向燃烧战斗部技术、 高强高密度活性合金结构材料等新型毁伤机理和毁伤材料，并针对具体的高速交会场景和拦截方式进行针对性引战配合设计，提高毁伤概率和毁伤效能。

5 结 论

作为未来一体化战场的重要组成部分，临近空间和太空潜在的军事应用价值越来越值得关注。目前，世界各国都在空天高超声速飞行技术方面进行了探索和研究，并希望占领先机。这对国内空天防御提出了极大的挑战，开展针对性的攻防对抗技术研究已经迫在眉睫。利用空空导弹进行空天高超声速目标攻防对抗有着较多优势，虽然目前还存在着较多技术难点，但是随着智能技术、 网络技术、 材料技术的发展和牵引，导弹结构、 气动、 控制、 毁伤等技术将会不断发展和进步，结合空空导弹的作战使用特点，在作战模式、 飞行方式、 毁伤方式等方面进行大胆创新和技术探索，将能够形成新型空天攻防对抗技术。