烟幕遮蔽雷达型精确制导武器的作战效果研究

田 浩, 荣 凯, 赵书敏

(中国空空导弹研究院, 河南 洛阳 471009)

0 引 言

随着高科技的快速发展, 精确制导武器在现代战争中扮演着越来越重要的角色, 世界各军事强国都广泛装备了雷达末制导等高科技精确制导武器。 精确制导武器不仅能高精度的识别目标, 而且具有较强的抗干扰能力, 对重要的军事目标产生了严重的威胁[1-2]。 目前针对精确制导武器有效的干扰措施分为有源干扰和无源干扰, 其中有源干扰针对性强、 效率高, 但通常成本高、 构成复杂; 而烟幕干扰是一种成本低、 效果明显、 操作简单的无源干扰技术。

目前, 烟幕干扰以红外烟幕遮蔽领域释放技术以及干扰材料研究为标志, 并且取得了显著的作战效果。 如何提高烟幕的干扰能力, 扩大其在毫米波、 厘米波等雷达制导领域的应用是未来研究和发展的趋势[3]。 以仿真手段研究烟幕遮蔽作战效能正成为当前研究热点之一[4-6], 但对于烟幕遮蔽雷达型精确制导武器作战的仿真研究未见开展。

本文在现有研究的基础上分析烟幕用于雷达型精确制导武器的衰减原理, 以雷达型空空导弹为例, 建立烟幕对雷达型精确制导武器遮蔽作战效果仿真模型, 在模拟实际战场的基础上分析烟幕遮蔽衰减能力、 烟幕遮蔽时长以及烟幕释放时机对烟幕作战效果的影响。

1 烟幕干扰原理

烟幕干扰在战争的应用具有悠久的历史, 从古代战争中用自然烟雾遮蔽掩护军队行动和通讯; 到第一次世界大战俄军使用发烟罐释放烟幕, 掩护部队行动; 第二次世界大战第聂伯河战役、 诺曼底登陆战役等多次战役均使用烟幕干扰为战役胜利奠定基础[6]; 再到现代化战争如越南战争、 海湾战争、 俄乌战争中多次使用烟幕进行掩护、 干扰以及诱饵等军事行动。 烟幕干扰在现代及未来战争中将扮演越来越重要的角色。 烟幕干扰的材料及释放方式随着应用的扩大也在不断改善, 从最初的针对窄波段的单一材料, 到多种材料混合的多波段干扰, 再到目前研究热点的石墨烯纤维、 石墨烯微球等超宽波段的电磁波遮蔽新材料等, 新材料、 新技术的更新换代将为烟幕未来的发展提供更为广阔的空间[7]。

烟幕属于一种典型的无源干扰技术, 根据烟幕对电磁波的作用原理不同可以将其分为辐射型干扰烟幕和消光型干扰烟幕[8]。 辐射型干扰烟幕是通过烟幕自身发生强烈化学反应产生大量的辐射以此掩盖目标产生的特征辐射, 使探测器无法区分目标辐射和其他背景辐射, 以达到欺骗式干扰效果[9]。 消光型干扰烟幕是通过烟幕中物质对入射的电磁波进行反射、 折射和吸收等方式降低电磁波在烟幕中的传播能量, 使探测器无法区分目标和背景, 以达到消光式干扰效果。 其中根据烟幕材料的不同造成电磁波能量衰减的基本原理不同, 主要以散射和吸收入射的电磁波为主。

当雷达电磁波入射到烟幕中时, 烟幕材料对电磁波产生散射和吸收效应, 导致电磁波透过烟幕后的能量被衰减。 烟幕对雷达电磁波的影响机理, 如图1所示。

图1 烟幕对雷达电磁波的影响机理示意图Fig.1 Schematic diagram of the impact mechanism of smoke screen on radar electromagnetic waves

依据电磁波衰减理论, 电磁波在烟幕介质的单程透过率α1为

(1)

式中:P0为雷达发射路入射电磁波功率;P1为雷达发射路透过电磁波功率;P2为雷达接收路入射电磁波功率;P3为雷达接收路透过电磁波功率;β为烟幕材料的衰减系数, 是材料本身固有的特性, 不受外界因素的影响;c为烟幕的浓度;L为电磁波在烟幕中的传播路程(单程)。

根据雷达的工作原理, 雷达电磁波的发射路信号和接受路信号均会因穿过烟幕而能量产生衰减, 故烟幕对雷达电磁波会产生的是双程衰减效应, 其相应的透过率α2为

(2)

目前对雷达型精确制导武器的烟幕干扰多以消光型干扰为主。 由图1可知, 雷达型精确制导武器的基本探测原理为: 由雷达信号源发射特定的雷达电磁波, 电磁波在空间内传播遇到目标后部分信号能量被反射, 反射的回波信号被雷达接收单元收集, 雷达信号处理单元对回波信号进行解算处理以获得目标的速度、 距离、 位置等一系列相关信息。 雷达型精确制导武器的目标检测效能常用接收单元回波输入信号的信噪比(SNR)来表征。 当回波信号的信噪比SNR高于单元信号检测的最小阈值SNRmin时, 雷达能够从回波中获得目标的信息; 反之, 回波信号的信噪比SNR低于最小阈值SNRmin时, 可认为探测系统无法准确识别目标。 常见的雷达探测系统接收单元的信噪比SNR方程为[10]

(3)

式中:Pt为雷达发射的峰值功率;G为天线方向性增益;λ为雷达电磁波波长;σ为目标的雷达截面积;k为玻尔兹曼常数, 取1.38×10-23J/K;Te为有效噪声温度;B为雷达工作带宽;F为接收单元噪声系数;L为雷达系统损耗;R为雷达与探测目标之间的距离。

如图2所示, 烟幕干扰通过在探测单元(如雷达导引头)和目标(如战机)之间施放烟幕以降低初始电磁波和回波的信号能量, 导致接收单元检测雷达信号回波的信噪比降低, 对雷达探测目标产生干扰。 烟幕衰减后雷达接收单元检测回波的信噪比SNR0为[11]:

图2 烟幕遮蔽作战效果Fig.2 Fighting effectiveness of smoke screen shielding

SNR0=SNR×α2

(4)

2 烟幕遮蔽作战效果仿真模型构建

雷达型空空导弹作为一种典型的雷达型精确制导武器, 是一种作战过程中由高速移动平台发射打击快速移动目标的高尖端精确制导武器, 对雷达末制导系统性能要求很高[12-13]。 本文以雷达型空空导弹为例, 建立烟幕对雷达型空空导弹遮蔽作战效果仿真模型, 以评估烟幕干扰对雷达型高速精确制导武器干扰的可行性及对烟幕性能指标的要求。

雷达型空空导弹作为一种高速的精确制导武器, 其常规工作原理是导弹雷达导引头探测系统发射电磁波并接收目标反射的回波, 完成对弹目之间角误差、 相对速度等信息的测量, 制导与飞行控制系统结合雷达导引头探测信息, 按照相应制导律和飞行控制算法驱动导弹舵面偏转以改变弹体姿态和加速度, 从而控制导弹飞向目标完成作战任务[14-16]。 在雷达型空空导弹工作过程中, 烟幕主要是通过衰减雷达导引头发射信号和接收信号来干扰雷达导引头探测系统对目标回波信号的获取, 使导弹无法准确测量弹目视线角误差、 相对速度等信息, 恶化导弹制导与飞行控制的品质, 令导弹无法精准飞向目标。 烟幕遮蔽雷达型空空导弹的工作原理如图3所示。

图3 烟幕遮蔽雷达型空空导弹的工作原理Fig.3 Working principle of shielding radar air-to-air missile by smoke screen

为了准确分析烟幕对雷达型空空导弹作战的可行性及对烟幕性能指标的需求, 依据上述烟幕遮蔽雷达型空空导弹的工作原理, 本文建立烟幕遮蔽作战效果仿真模型, 模型主要包括导弹飞行模块和目标运动模块。 其中, 导弹飞行模块包括弹体运动子模块、 雷达导引头探测子模块和制导与飞行控制子模块。

弹体运动子模块模拟导弹受力运动过程, 该子模块以地面坐标系为基准, 利用弹道坐标系、 速度坐标系及地面坐标系之间的关系(攻角、 舵偏角、 弹道倾角等), 建立简化的弹体六自由度运动模型, 涉及的主要运动方程包括[17]:

(5)

Zsinγv-mgcosθ

(6)

Ysinγv+Zcosγv

(7)

(8)

(9)

(10)

X=fx(Ma,α,y,δ)

(11)

Y=fy(Ma,α,δ)

(12)

式中:V为导弹速度;α为导弹攻角;β为导弹侧滑角;γv为导弹速度倾斜角;Ma为马赫数;θ为弹道倾角;ψv为弹道偏角;δ为舵偏角;X为阻力;Y为升力;Z为侧向力;P为推力。

雷达导引头探测子模块模拟雷达导引头探测功能, 根据式(3)～(4)建立雷达导引头对目标的探测模型和烟幕对雷达探测信号的遮蔽模型。

制导与飞行控制子模块模拟制导律指令生成和弹体稳定/控制等功能, 该模块采用基于扩展比例导引律的制导模型。

目标运动模块模拟目标飞行运动状态, 研究过程中设定目标初始状态为沿水平固定方向恒速飞行, 自某一指定仿真时刻起, 目标做简化的拉升机动(沿竖直向上方向)[18]。

基于上述烟幕遮蔽作战效果仿真模型, 建立了烟幕遮蔽作战效果仿真系统, 如图4所示。 利用该仿真系统可量化分析烟幕遮蔽衰减能力、 烟幕遮蔽时长以及烟幕释放时机等指标参数对烟幕遮蔽作战效果的影响。

图4 烟幕遮蔽作战效果仿真系统Fig.4 Simulation system for fighting effectiveness of smoke screen shielding

3 烟幕作战效果性能仿真分析

在模拟实际战场的基础上, 对烟幕作战效果性能进行仿真分析, 以雷达型空空导弹为例, 分析烟幕衰减能力、 烟幕遮蔽时长以及烟幕释放时机对烟幕作战效果的影响, 以评估烟幕对雷达型高速精确制导武器作战干扰的可行性及对烟幕性能指标的要求。

3.1 烟幕衰减能力的影响

烟幕衰减能力是评价烟幕对电磁波遮蔽性能的重要指标, 与烟幕对雷达电磁波的反射、 折射和吸收能力有关, 会对烟幕的遮蔽效果产生重要的影响。 首先分析烟幕衰减能力对作战遮蔽效果的影响。 烟幕单程衰减能力可用电磁波穿过烟幕前后的功率比来表征, 单位为dB。 进一步考虑雷达探测的工作特性, 以烟幕双程衰减能力(单位为dB, 数值为单程的两倍)进行分析更为合理。

现设定战机目标坐标为(60 000, 10 000, 2 000), 其中x,y为水平方向,z为竖直方向。 战机以速度100 m/s沿着x轴方向匀速飞行, 雷达型空空导弹坐标为(0, 11 000, 0), 发射后对战机进行拦截。 战机发现被空空导弹锁定后适当的时刻发射烟幕弹进行拦截, 在战机被导弹雷达捕获后延迟5 s形成干扰烟幕对空空导弹的探测信号进行干扰, 烟幕持续时间5 s。 战机在剩余飞行时间10 s时刻以6g过载机动进行规避逃逸, 仿真结果如图5所示。

图5 烟幕衰减能力对导弹命中概率的影响Fig.5 The influence of smoke screen attenuation ability on missile hit probability

仿真结果表明:

(1) 当战机被空空弹锁定后, 在不释放烟幕或者烟幕对雷达电磁波的遮蔽效果很小的情况下, 仅采取常规的机动躲避, 战机被空空导弹成功拦截的概率在90%以上。 仿真条件下, 战机通过常规的机动难以躲避导弹的拦截。 当战机发现被导弹雷达锁定后, 发射烟幕弹对来袭导弹的探测信号进行干扰, 并适时作机动躲避。 当烟幕的信号衰减能力大于23 dB时, 导弹对战机拦截的脱靶量明显增加, 命中概率大幅度降低。

(2) 烟幕遮蔽能力超过一定值后, 雷达型空空导弹受烟幕干扰命中概率急剧降低, 且烟幕浓度越高, 导弹探测信号受烟幕干扰越严重, 探测模块测量误差越大, 最终导致导弹脱靶。 烟幕对拦截弹的干扰主要是降低探测回波信号的信噪比, 烟幕衰减能力越高会造成探测信号的信噪比越低, 导致导弹探测模块更大的测量误差。 当回波信号的信噪比低于阈值以后, 使得探测系统难以从回波中检测出目标信号, 致使拦截能力急剧降低。

3.2 烟幕遮蔽时长的影响

烟幕遮蔽时长是烟幕对探测信号干扰的持续时间, 是影响烟幕作战效果的重要指标之一, 其与烟幕材料沉降速率、 烟幕施放环境以及烟幕释放初始速度等因素有关。 现设定在相同位置发射空空导弹对战机进行拦截, 战机发现被导弹雷达锁定后, 适当的时刻发射烟幕弹进行拦截, 在战机被雷达导引头捕获后延迟5 s形成干扰烟幕对导弹雷达的探测信号进行干扰, 烟幕的衰减能力为23 dB (5/1 000)。 战机在剩余飞行时间10 s时刻以6g过载机动进行规避逃逸, 仿真结果如图6所示。

图6 烟幕持续时间对导弹命中概率的影响Fig.6 The influence of smoke screen duration on missile hit probability

仿真结果表明: 随着烟幕持续时间的增加, 导弹对战机的拦截能力迅速降低。 仿真条件下, 烟幕对雷达信号的遮蔽时长大于5 s时, 导弹对战机拦截的脱靶量明显增加, 拦截能力大幅度降低。 导弹探测信号受到烟幕干扰后, 雷达探测的回波信号信噪比降低, 随着烟幕遮蔽时长的增加, 持续的低信噪比回波信号使得制导控制回路中存在长时间的制导控制误差, 使导弹制导的脱靶量增加, 命中能力降低, 导致导弹的拦截能力显著降低。

3.3 烟幕释放时机的影响

烟幕释放时机对烟幕的遮蔽作战效果有显著的影响, 适时释放烟幕可有效提高烟幕对雷达探测信号的干扰能力。 现设定在相同位置发射空空导弹对战机进行拦截, 战机发现被导弹雷达锁定后, 适当的时刻发射烟幕弹进行干扰拦截, 烟幕的衰减能力为23 dB, 战机在剩余飞行时间10 s时刻以6g过载机动进行规避逃逸。 导弹的探测雷达捕获战机时刻为烟幕对探测信号干扰的起始时刻, 以此时刻为延迟的开始时刻, 仿真结果如图7所示。

图7 烟幕施放时机对导弹命中概率的影响Fig.7 The influence of smoke screen release timing on missile hit probability

仿真结果表明: 随着烟幕释放延迟时间的减小, 烟幕的干扰能力逐渐增加, 导弹的拦截能力逐渐降低。 烟幕干扰的本质是对导弹探测电磁波进行衰减, 随着烟幕释放延迟时间的减小, 导弹与战机的相对距离大, 目标回波信噪比更小, 此时对探测信号进行烟幕干扰会导致目标回波信噪比减小比例相对更大, 导弹的探测模块产生较大的测角误差, 导弹制导脱靶量增加, 命中概率急剧降低。

4 结 论

本文主要探讨了烟幕对抗精确制导武器的干扰原理, 并在此基础上以雷达型空空导弹为例, 建立了烟幕对雷达型精确制导武器作战遮蔽效果仿真模型, 对烟幕的作战遮蔽效果及烟幕衰减能力的影响、 烟幕遮蔽时长以及烟幕释放时机等性能指标进行仿真研究。

仿真结果表明, 烟幕衰减能力、 烟幕遮蔽时长、 烟幕释放时机等性能指标对烟幕的作战遮蔽效果具有明显的影响。 通过提高烟幕的衰减能力, 提高烟幕作战的遮蔽时长, 适当的时机释放烟幕可以有效提高烟幕对雷达型精确制导武器的作战遮蔽效果。 战机被雷达型精确制导武器拦截时, 通过释放烟幕干扰可以有效降低被拦截的概率, 提高战场生存能力。