浅谈高超音速攻防战PART1
由于某些特色原因,该部分从上期专栏节选单独成篇。
就当下而言,高超音速反舰弹道导弹已经不断成熟化、规模化、精准化,随着黑障通讯、高超音速机动等多个技术问题的攻克,现有的高超音速反舰弹道导弹已经收获了不错的作战效能。而以锆石、X51A、HACM等为代表的新概念吸气式冲压动力巡航导弹也在不断成熟化,随着高超音速发动机的工作时长不断突破,在2030年代应当就可以看到成熟化的高超音速巡航导弹,可以预见的是,近未来的反水面武器将会出现一票高超音速武器,高超音速威胁迫在眉睫。
一、定 ! 义 ! 高超音速
考虑到反舰导弹种类繁多,限于篇幅,本篇仅阐述高超音速弹道导弹相关内容,为了进一步简化内容,此处我们对高超音速导弹先进行一个定!义!
虽然说是定!义!实则是做出一个想定,即为了简化接下来的假想防御过程并且防止因为选用现有的高超音速弹道导弹而造成各种后续问题,对接下来的防御过程中的高超音速导弹率先做出一个想定,假定好各类数值便于下述内容的推进。
秉持着料敌从宽(此处由于我作为防御方,故把进攻方称为敌人,请勿在此处代入任何现有的国际局势)的前提,我们尽可能地设计一个在当前以及未来5-10年内较为合理且强大的高超音速导弹系统,因此给出如下设计。
全弹直径约900mm,两级固体火箭推进,全段大气层内机动,第二级固体推进器在临近大气层边缘关机并释放弹头。弹头采用双锥体设计,在释放后进入滑翔状态,采用中段GPS制导+末端主动雷达制导,CEP<20m,平均速度8Ma,末端速度20Ma,弹头装药约500kg,射程3000km。

(关于该弹设计理念不做阐述,有兴趣的可以在评论区留言,若相关人数较多后续会加一期高超音速导弹相关内容)
在假想攻击方设定完成后,我们便可以开始阐述如何拦截该弹。
注:以下所称高超音速导弹皆指上述一型导弹
二、拦截高超——如何有效反制天降神兵
1、预警与探测
不论是拦截还是打击,任何的作战流程都基于最基本的OODA循环,因此为了拦截高超首先要建立对高超的完整探测与跟踪能力,由于目前的主流探测方式基本可以统一为红外和雷达两大板块,因此一下将从该两个板块进行阐述。
红外:尽管高超音速导弹在飞行会与空气剧烈摩擦产生非常高的热量,但是简单的在军舰上装备红外传感器并没有什么大用,主要由于红外探测器的传感距离有限,尽管目前F35上装备的AN/AAQ40可以在1300km外稳定跟踪猎鹰9,理论上同类产品的海军型号完全可以在更远的距离上对高超音速导弹这类更高热量的物体实现跟踪,但是私以为这样的性能极其有限。

上图为雷达对各种不同导弹的探测范围示意图,放到红外探测区别并不大。其中HGV由于其滑翔低弹道的特性外加地球曲率的加持只有在较劲距离才能发现,因此单纯的在军舰上红外传感器充其量只能作为跟踪手段使用而很难作为探测手段。
按这样的思考路线,我们在红外传感器方面做出的努力就是使其克服地球曲率实现对高超音速导弹的探测即可。与雷达克服地球曲率的方式类似,由于目前并不大可能通过弯曲红外光或者依靠红外光反射来实现超地平线探测,唯一的解决方法就是抬高红外系统安装位置,由此延伸出了两套探测系统。
一是基于卫星建造的早期红外探测与跟踪系统,以美国STSS低轨卫星为代表。得益于低轨卫星的高度以及目前红外探测系统的小型化优势,将先进的红外传感器装备在卫星上并不是什么难题。

根据《光电技术应用》上的相关论文指出,STSS主要功能是在战区冲突和针对美国的导弹攻击防御中,为导弹防御任务提供精确的中段跟踪和识别能力,STSS目前还未直接参与拦截试验,但具有针对弹道导弹飞行全过程的监视与跟踪能力,能够探测到中段目标在跨越阳光与阴影区飞行中的温度变化,甚至可以观测到诱饵释放、膨胀及展开过程的特性变化。早期的DSP卫星只采用短波红外(2.7um)和可见光探测,无法克服云层反射阳光等自然现象造成的虚警问题,后来发展为双色红外波段(2.7um和4.3um),可以大大降低由此引起的虚警率,目前正在试验紫外和长波红外的探测效果。来自不同波段和不同探侧器的数据融合可进一步降低虚等、提高目标的识别率。但对弹道导弹主动段的探测仍以中短波红外为主,因为该谱段探测技术比较成熟,同时能获得较高的图像信噪比和探测效率。由于预警目标和材料及工艺的原因,早期的DSP探测器采用了2000元的线阵列,其分辨率低,但对于探测尾焰红外辐射长度达几千米的战略导弹是足够的,随着技术的进步和战术弹道导弹预警的要求,之后采用了6000元的双色红外线阵列,地面分辨率达到1km,使得中短程弹道导弹和部分原来探测不到的目标(如加力状态下的飞机)也能被探测出来。SBIRS(STSS所属的卫星项目)则用长线列扫描发现战区战术导弹目标,以扩大搜索视场,用大面阵凝视跟踪目标,以提高目标信息的获取速率。新一代的红外系统OPIR中的探测器件则采用超大面阵多波段红外阵焦平面探测器。
因此通过卫星实现高超音速导弹的预警与探测并不是什么难事,然而考虑到低轨卫星在战时的脆弱性,即反卫星武器对此类轨道固定的低机动目标的威胁,仅仅依靠低轨卫星实现探测并不保险,因此延伸出了二号方案。
二是基于空基长航时平台实现较高的红外目标探测能力。诚然,常规气动目标的飞行高度远不如卫星,但是其生存性与成本数量却远远高于卫星。类比到机载雷达补盲,可以延伸出两类平台,一种是类预警机式的长航时高空平台,一种是类战斗机的较短航时高机动高速平台,考虑到红外探测的特性,此处选择后者。

为什么放弃大型空基平台,原因如下:
1、就红外探测能力而言,机体大小并不影响其性能。在当下,哪怕庞大如P-8A这类基于客机改进的反潜机,也仅仅只在其机头下方安装了一个小型的球形光电转塔。红外与雷达不同,并不需要像雷达系统一样在机身上部安装巨大的探测系统,那样也顶多只能实现全向红外探测能力而已,而实战中这一能力的用处其实并不大,多架小型飞机同样能做到。
2、不同于预警机的作战定位,这类红外探测任务很有可能要深入敌方的控制区,这要求载机本身拥有较高的生存力,反映在飞机上便是低可探测能力(你要是能把客机叠甲到400mm送上天那当我没说)。在这一前提下,大型平台几乎不可能实现这类能力,当然你可能会说B-2和B-21这类隐身轰炸机,但是正如上文所述,广电转塔体积很小,装备在轰炸机上完全就是大材小用,同技术水平下战斗机的体型完全可以实现更好的隐身性以及更高的航速与机动性,实在没有必要选择大型平台。
3、不同于空中预警,红外探测要求高度机动灵活性。由于无法预知地方的发射时间,我们势必需要一种可以快速部署的红外探测平坦,这意味着这种平台需要高速高可部署性,如果排除事先布置于敌方领土附近的情况,最好的方法就是部署在航母上,因此小型机无疑拥有更好的航母适装性,其占据航母的空间也更小,更适合远洋作战。
以上均为私人看法,长航时平台固然有其优异性所在,欢迎观点不同的人在评论区探讨。

雷达:雷达的问题其实与红外类似,不过雷达的大功率限制使得其难以适配在卫星上,而空基雷达也很难实现对高超音速导弹的搜索与跟踪,很大的一个原因便是高超音速滑翔弹弹头的等离子鞘。
由于高超音速导弹飞行时与空气剧烈摩擦产生的高温,弹头表面的空气电离覆盖在弹头表面形成一层等离子鞘套在弹头上,对来袭的电磁波产生不同的反射、折射、散射、吸收等效应,抑制了雷达波的有效反射,进而降低了自身的可探测性。由于形成所需要的高速特性,通常认为只用20马赫以上的滑翔弹头具备该性质,这也符合我们想定的导弹类型。
需要明确的是,等离子鞘并不意味着完全吸收电磁波,也不意味着对各波段的电磁波都有相同的作用,根据美国空军技术学院发表的《A Computational Study: The Effect of Hypersonic Plasma Sheaths on Radar Cross Section for Over the Horizon Radar》,研究结果指出对于60km、7km/s来袭的目标在3-30MHz的波段下RCS不减反增,最高造成了3.84%的RCS上升,而在40km、5km/s来袭以及80km、7km/s来袭的情况下仅仅观测到了0.1%的RCS下降。



尽管该实验研究的波段并不是目前主流的探测雷达波段,但研究结果一定程度上表明了OTH雷达对高超音速导弹确实有较为不错的探测性能。得益于OTH雷达较远的探测能力,并不需要把这些雷达安装在舰船上,直接安装在本土或者离岸岛屿就可以实现有效的跟踪范围。
2、反制与拦截
这一部分的原理其实与常规反导区别不大,主要区别为高超音速导弹具备的高度机动性以及全段大气层内的飞行能力。关于此部分设计主要包含两个板块。
一是导弹制导律的设计,这一部分设计涉及了导弹跟踪程序、路径预测与规划等内容,过于专业,故不作阐述。
二是导弹本身的设计,由于上述高超音速导弹的优势,这要求我们发展一款大气层内高机动的拦截导弹,因此在设计上并不能采用SM3那样的非气动构型,必须采用SM6或者萨德一样的气动修型以满足大气层内机动的能力,而考虑到拦截时更高的相对速度,常规的气动舵面并不能提供足够的机动能力,20-100公里高度的稀薄大气以高超音速飞行的弹体,以可动弹翼舵控制气动效率很低,机动性较差。因此必须采用矢量喷口+侧向燃气推进的推力控制技术,弹翼则使用襟翼舵的设计以加强气动控制力,实现高速下可观的高机动能力。除此以外,为了进一步提升导弹速度减轻质量,弹头一般采用动能战斗部设计而非高爆战斗部设计。末端制导方面则使用侧窗红外制导,红外系统对于高超音速导弹的识别能力远高于常规雷达,采用红外导引可以进一步加强命中率。

除了常规的导弹拦截以外,我们还可以考虑采用新概念技术进行末端拦截,即定向能武器。通常来讲,定向能武器烧穿常规亚音速目标都需要对着一个点稳定照射30s才可以击毁目标,而高超音速导弹拥有超厚的隔热层,应当更难击毁。
诚然简单思考一下确实如此,但是高超音速导弹并不是以亚音速飞行的,而是以20马赫的高超音速飞行,空气与弹头摩擦本身就已经产生了巨大的热量,在这种情况下导弹的设计方也要考虑弹头效能,在尽可能加大作战效能的前提下弹头的隔热涂层不可能无限制加厚,尽可能略微高于最大速度下的隔热需求。因此在末端,也就是高超音速导弹速度最大的时刻,结合红外传感器选择弹头温度最高的一点进行持续照射,通过点加热在弹头上烧穿一个小孔,也许这对常规气动目标并无影响,但是在高超音速状态下的目标会因为这一个小小的气动问题而导致巨大的连锁反应。一个小的气动缺口会额外造成缺口附近数个激波的产生,进而影响整个弹头附近的气动环境,导致全弹气动突变,轻则弹头突然偏离目标,重则弹头大角度偏移折断损毁。

限于篇幅,本文仅论述至此,关于高超音速攻防战还涉及数个其他问题,如若各位仍有兴趣听听up主的一些拙见还请点个关注,后续发布的的文章将进一步阐述相关内容。