空中平台主动防御系统发展现状及关键技术

摘要：      空中平台是影响现代战争胜负的关键装备， 在未来高强度对抗的空战环境下， “硬杀伤”式的主动防御系统成为提升其生存能力的关键。 为了研究空中平台主动防御系统构建面临的关键问题， 对国外空中平台主动防御系统和装备的发展历程与现状进行分析， 根据空中平台主动防御系统必须具备全向的态势感知和攻击能力并在快速交会条件下实现高精度制导和迎头拦截的特点和作战使用需求， 对比分析了构建空中平台主动防御系统需要解决的诸如来袭导弹高精度预警探测跟踪技术、 全向攻击技术、 逆轨拦截制导技术、 拦截毁伤技术、 轻量化防御导弹技术等关键技术的实现途径， 为空中平台主动防御系统和武器装备的研究提供技术支撑。

关键词：     主动防御； 来袭导弹； 逆轨拦截； 全向攻击； 轻量化； 空中平台中图分类号：      TJ762.2； V271.4

文献标识码：    A文章编号：     1673-5048（2023）02-0077-06

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0189

0引言

自第一次世界大战采用空中侦察开始， 空战对战争的态势影响越来越大。 拥有空中优势可以实现对敌压制打击和对己方地面力量进行支援， 对整个战争的胜利有着决定性作用。 为了获取空中优势， 世界各国都在推动航空科技的高速发展， 预警机、 战斗机、 轰炸机等空中平台的综合性能持续提升， 与此同时空中平台的成本也在快速增加， 导致其战损的可承受性越来越低。

未来空战将逐渐形成以隐身飞机为核心、 以分布式作战为形式的空战体系［1-3］。 美军提出了有人/无人协同作战、 蜂群作战等空战理念， 利用大量低成本无人机前出， 携带传感器、 武器， 以时间换空间， 为有人机提供保障。 大量的无人机分散部署、 分布探测、 分布打击， 使得空中平台可能受到攻击的时间和方位难以知晓， 防御难度大幅增加。

电磁干扰手段是目前空中平台的主要防御手段， 但随着空空导弹抗干扰能力的提升和多弹协同攻击技术的发展， 以电磁干扰为主的防御手段在效果上将大打折扣。 空空导弹在弹道末端能量有限且需要持续跟踪目标， 不具备对拦截弹的主动规避能力， 利用自卫拦截导弹对来袭导弹实施拦截的主动防御系统具备极高的实战应用价值。 因此， 主动防御系统成为极具潜力的空中平台防御手段， 并且受到了欧美等国的广泛关注。

1空中平台主动防御系统发展现状

为了应对空空/面空导弹对空中平台造成的严重威胁， 美国从20世纪中叶就开始不断探索和研究空中平台的主动防御武器， 目前最新的项目主要有MSDM微自卫弹药（Miniature Self-Defense Munition， MSDM）和硬杀伤防御系统（HK－DAS）， 两型武器的装备定位、 尺寸重量和主要能力基本一致， 主要突出尺寸小、 火力密度高和适应高对抗环境的特点。

1.1早期的空中平台主动防御系统

最早对空中平台主动防御装备的探索始于20世纪50年代末， 美国为了应对苏联SA-2高空防空导弹的威胁， 开展了“透镜状防御导弹”（Lenticular Defense Missile， LDM）计划， 旨在为XB-70“女武神”轰炸机提供拦截防空导弹的主动防御能力（如图1所示）， 该型空对空拦截导弹后来被命名为PyeWacket。

PyeWacket打破了常规导弹圆柱体的气动外形设计， 采用了类似飞碟的圆盘双透镜状弹体（如图2所示）， 它的纵向剖面则呈楔形， 使用6具火箭推进器进行姿态控制和推进。 根据美国的研制计划， PyeWacket导弹可以从载机任意方向发射， 实现360°全向拦截。 之后随着XB-70轰炸机项目的取消， PyeWacket也被终止。

随后美国又提出了多项计划以研究机载的主动防御武器， 为空中平台提供主动防御能力， 主要包括“毒刺”自卫反导空空导弹、 “机载近距防御系统”、 “主动空中防御系统”等［4］（如表1所示）。

上述计划和项目最终都没有形成实战装备， 但是美国一直没有放弃发展机载主动防御武器。 随着军事大国“反介入/区域拒止”（A2/AD）能力的快速发展， 美国又开始考虑研发机载主动防御武器， 以保证其空中平台在A2/AD环境下的生存能力。

1.2美国MSDM项目

2015年， 美国空军研究实验室（AFRL）弹药处发起了MSDM项目［5-6］， 该项目旨在提供一种能够在A2/AD环境中击败敌人对其空中平台的威胁能力。 AFRL授予了洛克希德·马丁、 雷神等公司多项研究合同， 重点开展MSDM概念研究和导引头设计。

MSDM的研究合同要求开展概念探索、 对可能的系统和技术进行分析、 制定技术路线图， 最终提交总结报告。 MSDM导引头研究合同要求是为未来机载自卫弹药研发一种低成本的导引头， 提高机载主动防御系统的经济可承受性。 洛克希德·马丁公司提出了毫米波主动雷达导引头方案， 而雷神公司则选择了红外导引头， 该阶段的研究以雷神公司的方案胜出而告终。

2020年7月， AFRL与雷神公司签订了一份价值3.75亿美元的合同， 要求雷神公司开展MSDM飞行试验弹的研究与发展工作， 计划在2023年前交付一枚可用于飞行测试的试验产品。 按照雷神公司目前公布的信息， MSDM的理想长度仅为1 m（如图3所示）， 与传统的空空导弹相比体积大幅缩小， 能够满足美军隐身飞机高密度挂装的需求。

值得注意的是， 雷神公司在2016年发布了一项多模复合导引头的专利［7］， 采用红外传感器和分布式雷达阵列相结合的方案， 共形设计的被动雷达集成在导弹的控制面上（如图4所示）， 可以为红外导引头节省空间。 这种方案有利于导弹的小型化设计， 很有可能用于MSDM导弹上。

2017年， 诺斯罗普·格鲁曼公司申请了一项空中平台主动防御系统专利［8］。 如图5所示， 载机上共布有6个弹出式发射舱， 机身前方4个、 后方2个。 每个发射舱内有9枚微型防御导弹， 导弹均朝向机首或机尾方向。 发射舱缩回时与机身齐平， 不破坏飞机的隐身特性。 虽然该专利声称可以用于各种飞机， 但是从其设计的方案中可以看出， 该系统主要应用于其正在研发的B-21隐身轰炸机。 该设计与美国提出的穿透性制空作战理念相吻合， 可以提升B-21平台执行穿透作战任务时的生存能力。

1.3欧洲HK-DAS项目

欧洲也开展了空中平台主动防御武器的探索。 MBDA公司与Leonardo和BAE系统公司合作开发了HK－DAS。 2019年9月， 在第11届英国国际防务展（DSEI 2019）上， HK－DAS作为未来“暴风”战机的导弹家族成员被披露展示（如图6所示）。

HK－DAS拦截弹（如图7所示）是一型长约1 m、 重约10 kg的微小型空空导弹， 能够在高威胁环境中跟踪、 瞄准和拦截来袭导弹， 采用轴向弹射的发射方式内埋于载机内部， 能够搭配隐身飞机并实现全向防御。

2空中平台主动防御系统关键技术

空中平台主动防御系统需要在极短的作战时间内完成对任意方向来袭导弹的拦截毁伤， 必须具备全向的态势感知和攻击能力， 并且能够在快速交会条件下实现高精度制导和迎头拦截， 关键技术主要包括来袭导弹高精度预警探测跟踪技术、 以载机为中心的全向攻击技术、 针对高速小目标的逆轨拦截制导技术、 高速交会条件下的拦截毁伤技术、 微小型轻量化防御导弹技术。

2.1来袭导弹预警探测跟踪技术

在未来高动态的复杂空战环境下， 空中平台面临的威胁种类、 数量都较多， 除了传统战斗机目标之外， 大型/小型/微型无人机、 巡飞式导弹、 来袭对空导弹等也是未来载机需要应对的主要目标。 对来袭导弹的全向预警探测跟踪能力是支撑主动防御作战的基础， 空中平台必须具备在复杂战场环境下的精确态势感知能力， 能够对来袭导弹目标精确探测， 引导拦截弹实施攻击。

空中平台的导弹预警技术主要有主动雷达、 紫外和红外三种类型［9-10］。 主动雷达预警技术通过发射雷达波对来袭导弹进行探测识别， 相比紫外和红外体制， 具有全天候作战能力， 而且还可以提供来袭导弹的速度和距离信息， 但其设备体积大、 容易被电磁干扰手段针对， 开机后还容易暴露己方平台。

紫外预警技术主要通过探测导弹发动机尾焰的紫外信号实现对来袭导弹的预警， 体积小、 成本低， 并且具有灵敏度高和虚警率低的特点， 但是当来袭导弹处于被动段时紫外信号很微弱， 紫外预警就会失效。

红外预警技术可以识别导弹尾焰和弹体气动热产生的红外辐射， 因此能够实现对来袭导弹的全程预警， 而且具备隐蔽性好、 抗干扰能力强、 探测范围广的特点。

从空中平台主动防御系统发展现状中可以看出， 防御系统采用小型导弹实施末端近距拦截， 而来袭空空导弹在弹道末端处于被动段， 因此， 能够全程预警的红外预警技术最适合用于空中平台主动防御作战。 而且， 随着分布式孔径红外系统（DAIRS）的快速发展， 红外预警技术能够实现对来袭导弹的全向预警探测， 支撑全向防御能力的构建。

2.2以载机为中心的全向攻击技术

未来制空作战战场环境日趋复杂， 作战目标不断增多， 在有人/无人协同作战模式下， 发起攻击的位置、 方式更加多样， 空中平台可能面临来自不同方位的威胁， 这就需要防御系统具备全向防御能力， 能够对载机不同方位的来袭导弹进行快速反应和有效攻击， 为空中平台构建一个全向的防御圈， 大幅提升空中平台在高动态博弈对抗作战环境下的生存能力和作战自由度。

为了应对空中平台的后半球目标， 空空导弹可以采取前向发射后转弯和后向发射两种模式。 前向转弯主要包括气动力、 推力矢量、 侧向直接力和助推前重定向等技术途径， 美国第四代红外型空空导弹AIM-9X就是利用推力矢量技术实现在发射后迅速爬升掉头180°攻击载机尾后目标。 利用气动力、 推力矢量或直接力实现大角度转弯需要一定的转弯时间， 且会损耗一定的导弹能量。

助推前重定向技术是利用导弹弹体自身的静不稳定性实现快速180°转向， 该技术被称为“抛接”技术［11-12］， 导弹发射后由舵控制绕质心旋转， 待压心前移至质心前时弹体呈静不稳定并快速旋转， 之后攻角增大、 压心后移弹体恢复静稳定， 整个过程中导弹经历了从有控到无控再到有控的一个过程。 与纯气动、 推力矢量/直接力技术相比， 助推前重定向技术具有转弯速度快、 无能量损失的优点， 但是也面临超大攻角复杂气动特性获取、 有控+无控混杂控制等技术难题， 实际应用难度较大。

后向发射是攻击后半球目标最直接的方式［13］， 响应时间最短、 有利于扩大导弹的后向攻击区， 但是面临导弹负速度飞行和速度过零控制等技术难题， 而且负速度飞行状态下发动机尾焰会倒卷而导致舵面失控。

空中平台在执行防御作战时反应时间和拦截时间窗口很小， 而且拦截弹受限于有限的体积， 发动机能量有限。 因此， 助推前重定向和后向发射在空中平台主动防御领域有更广阔的应用前景。

2.3针对高速小目标的逆轨拦截制导技术

在现代空战中， 空中平台面临的主要威胁是敌方战斗机发射的空空导弹。 为了有效打击空中目标， 空空导弹都具有高速高机动能力， 美国AIM-120D最大飞行马赫数可达到4。 此外， 空空导弹体积较小， 以美国第四代空空导弹为例， 长度为3～4 m、 弹径为127～180 mm。为了能够实现对空空导弹类高速小目标的有效拦截， 空中平台主动防御系统的拦截弹必须具备比传统空空导弹更高的制导精度， 而且要实现末端与目标迎头交会。