摘要：介绍了国外临近空间飞行器与防御技术的发展现状，分析了临近空间飞行器的主要运动特性与打击模式，在此基础上提出了临近空间防御制导控制所面临的主要关键技术问题，为临近空间防御制导控制系统关键技术的突破提供解决方向。
关键词：临近空间防御；制导控制技术；高超声速技术
临近空间为20km～100km高度的空域。临近空间目标主要指能在临近空间作较长时间巡航或滑翔飞行的高超声速飞行器，主要包括高超声速巡航导弹（如美国X-51A武器化型号，高超声速吸气式武器概念HAWC）、高速滑翔弹头（如美国先进高超声速武器AHW、战术助推滑翔弹头TBG、高超声速技术飞行器HTV-2等）和高超声速飞机（如美国SR-72）。临近空间进攻武器具有高速度、强机动、高精度、超远程、强突防、作战使用灵活等特点，已引起世界各军事强国的高度重视。近年来美军AHW、X-51A飞行试验相继成功，标志着临近空间高超声速飞行的关键技术取得重大突破，在此基础上，美国正加速研发临近空间进攻武器，计划2017年～2018年开展TBG、HAWC武器化演示验证，将于2020年形成初始作战能力。
临近空间打击武器可进行全球快速打击，用于打击战略目标、高价值目标和核心节点，现有防空反导武器尚难以应对临近空间打击武器，临近空间防御面临新的技术挑战。一是临近空间大气稀薄，拦截导弹大机动修偏难；二是临近空间目标探测仰角低、目标与环境特性复杂，远距离探测与稳定跟踪难；三是临近空间目标非弹道式机动飞行，弹道精确预报难。
随着防空、反导攻防对抗的发展，弹道导弹、各类精确制导武器从空间、稠密大气层内突防面临越来越大的挑战。近年来，以美国为首的世界军事强国正大力开展临近空间高超声速打击武器研发，谋求利用“临近空间”实施强突防，形成新的纵深打击能力，以期打破战略平衡，夺取战争的主动权。
从2001年开始，美国陆、海、空三军相继支撑了多个临近空间飞行器研发计划，开展以高超声速巡航导弹和高速滑翔弹头为代表的临近空间武器研发，目前已陆续完成飞行演示验证试验，正转入武器装备研发。在高超声速巡航导弹方面，美国空军“超燃冲压发动机验证器”（X-51A）已于2013年完成第四次飞行试验。正开展武器化原型“高超声速吸气式武器概念”（HAWC）研究，预期射程可达1100km-2200km，计划2017年开展飞行试验。俄罗斯与印度联合研制的“布拉莫斯-Ⅱ”高超声速导弹也计划2017年进行飞行试验。在高速滑翔弹头方面，美国陆军“先进高超声速武器”（AHW）已于2011年完成首飞，正在此基础上开展陆基“常规快速全球打击”（CPGS）武器、海基“中程常规快速全球打击”（IRCPGS）武器研发，计划2017年开展试验。此外，美军还在开展射程1800km的机载“战术助推滑翔”（TBG）导弹研发，预计2019年完成首飞。美国空军“高超声速技术飞行器”（HTV-2）也开展了两次飞行试验，验证部分关键技术，武器化射程可达16000千米以上。整体上看，预计2020年左右，临近空间武器将逐步形成战斗力。因其兼有弹道导弹的打击速度、以及空气动力类目标持续机动等能力，我国现役/在研防空反导武器难以有效应对，临近空间尚存防御空白。
目前世界范围内尚无能够有效应对临近空间目标的武器装备，但围绕反导拦截美国早已开展了关键技术探索。美国发展的“大气层内拦截技术”（AIT）及“敏捷拦截器”（AKV）等技术，可为临近空间高超声速目标拦截武器开发提供技术基础。随着临近空间高超声速打击武器的迅猛发展，临近空间防御问题已引起美国的高度重视，目前研究提出了两条技术途径：一是改进现有反导武器系统。洛克希德马丁公司2015年提出在“增程型末段高层反导系统”（THAAD ER）中增加对助推滑翔飞行器等临近空间目标拦截能力，但美国导弹防御局评估认为该方案尚处于概念研究阶段，目前缺乏可行性论证结论。二是发展全新武器系统。针对临近空间目标重大潜在威胁和临近空间防御面临的重大技术挑战，美国陆军2011年启动“远程高超声速拦截导弹”项目，全新发展一型用于拦截滑翔弹头等临近空间目标的地空导弹武器系统。
随着临近空间武器的发展，俄罗斯意识到“常规快速全球打击武器的威胁已经接近战略核武器水平”，并提出要将“应对这种武器打击应作为2020年前俄军装备建设的优先发展方向之一”。C-500系统的40H6B导弹，据称可防御30km以上的高超声速目标，已完成方案论证。这是一种高速导弹，主要用于反战术和战术战役弹道，导弹为两级布局，末级为飞行器，通过采用燃气直接侧向力控制方式。提升飞行器在20km以上快响应和大机动能力，具备一定的对付临近空间高速机动目标能力。此外，俄罗斯在其新一代空天防御系统发展规划中，明确提出了拦截高超声速巡航导弹、滑翔弹头等临近空间目标任务需求，并将其作为2020年前的发展重点。
临近空间飞行器可依靠高升阻比外形和极快的飞行速度，在稀薄大气层内持续机动飞行。
对滑翔弹头而言，其多数飞行时间位于滑翔段。滑翔段主要采取平衡滑翔弹道或者跳跃滑翔弹道。跳跃滑翔的周期约为200s~300s，随着飞行时间的增加，跳跃周期和幅值逐渐减小。对于AHW、HTV-2等滑翔弹头，主要滑翔高度多在30km-100km之间，滑翔速度可从初期的20马赫以上逐步降至末期的10马赫左右，其横向机动能力可达2g，横向机动距离可达到射程的1/3。对于TBG等战术级滑翔弹头，其飞行弹道特性相似，但平均速度略低。
对高超声速巡航导弹而言，受超燃冲压发动机工作条件制约，其飞行高度多在20km-40km之间，其中采用碳氢燃料动力的高超声速巡航导弹，巡航速度可达5-8马赫；采用氢燃料的最大巡航速度虽然可达10-12马赫，但由于燃料密度低、体积大，不利于战术应用。高超声速巡航导弹为追求打击的快速性，在巡航段通常不机动或少量机动，在接近打击对象前可适机机动突防。
整体上看，临近空间飞行器主要飞行高度可达20km-100km，大气特性剧烈，不同类型的临近空间飞行器、以及同一临近空间飞行器不同飞行弧段对应的主要飞行高度、速度区间存在较大差异。临近空间武器还可进行纵向、侧向两维机动，实施突防或绕过防区打击，还可在飞行过程中变更打击对象，机动模式多变。
临近空间目标兼有弹道导弹般的打击速度和空气动力类目标的持续机动能力，并且能够在临近空间内长时间机动飞行，弹道精确预报困难。图2对比了弹道导弹与滑翔弹头的弹道预测范围。一般来说，根据预警信息，弹道导弹飞行全程预测命中点误差可控制在公里量级，而根据滑翔弹头类目标的典型机动模式向后预报200秒的误差可达数十公里。
除了考虑在滑翔段或者巡航段进行拦截外，在末段攻击段进行拦截也要面临其末段打击模式多样的困难，在滑翔/巡航段末期，临近空间武器可采用多种机动打击方式，如跃升贯顶攻击、快速贯顶攻击等。下图2给出了高超声速巡航导弹末端可采取的几种机动模式，对应的地面航程大约50km。
临近空间目标飞行过程可主要分为助推段、滑翔或巡航飞行段、末段俯冲打击段。在临近空间目标助推飞行段，受部署地域制约，陆基拦截导弹难以对其实施拦截；而机载、舰载拦截武器抵近目标发射阵地，平台生存能力差，难以形成有效作战能力。在末段俯冲打击段，由于目标具有贯顶攻击等突防打击手段，目前防空反导装备很难对其实施拦截。在临近空间目标的滑翔或巡航飞行段，目前防空反导装备及其改进也只能具有有限的防御能力，采用大机动临近空间拦截武器可实现临近空间目标滑翔或巡航飞行段的有效拦截。临近空间飞行速度高，相对弹道导弹飞行高度低，临近空间目标可机动飞行，突防能力强这都给临近空间目标防御制导控制带来了困难。
为了扩大防区，并可对临近空间目标实施多次拦截，需要估计目标的预测命中点支持尽早发弹，形成对目标进行远距拦截能力，需解决非弹道式机动目标估计预测问题。高超声速机动目标在临近空间飞行，大气密度剧烈变化、等离子鞘套等共同作用，导致稳定探测跟踪难，跟踪精度差，进而导致长时间跨度的轨迹预报精度低。同时，临近空间机动目标大多采用非弹道式机动模式，运动特征复杂，难以准确辨识未来时刻目标的机动幅值、频率；使用单一固定的模型很难准确描述目标的运动状态，未来时刻机动大小无法预知，导致跟踪预报模型建立不准确，从而造成弹道预报精度较低。需要在加强临近空间高超声速目标机动突防与打击策略研究、高精度交互式多模型建模方法、非弹道式机动目标跟踪与轨迹预测方法上寻求新的突破。
高超声速目标飞行弹道
临近空间拦截导弹主要特点是飞行速度、作战空域大，拦截导弹高速飞行还会产生热气弹问题，为了实现对机动目标的拦截，需要具有大机动快响应能力，对于远距离拦截导弹普遍存在低模态与大静不稳定问题。同时，拦截导弹具有快速转弯、级间分离、大机动飞行及抛罩分离等多种飞行状态，采用摆动喷管、空气舵等多执行机构实施飞行控制，需解决在大气密度剧烈变化时，拦截导弹大空域与大速度飞行自适应稳定控制难题。
临近空间机动目标采用非弹道式机动飞行，弹道难以精确预报，易造成弹道初始偏差大，要求中制导实现快速修偏；而为实现大机动、大修偏能力，满足防热要求，要求导弹飞行高度不能太高。同时级间分离、抛罩分离与飞行器释放高度又不能太低，避免分离动压过大，降低分离风险。导弹飞行空域大，近界与远界对中制导要求具有很大差别，导致大空域作战的中制导律设计复杂程度高。临近空间导弹中制导段要求具备快速修偏能力、弹道能量管理、导弹飞行高度与弹目相对高度差控制等功能，这须采用多约束条件下的中制导律设计，提高制导控制系统的鲁棒性。一是设计理论弹道，分析约束条件，提出满足各种约束条件的弹道设计策略；二是分阶段实施弹道优化，应用能量管理技术，满足远近界弹道设计需求；三是探索反非弹道式机动目标多约束初中制导一体化设计技术。
临近空间拦截武器飞行时间长，机动修偏能力强，需解决大动态条件下高精度自主导航问题。导航过程包括初始对准和飞行中导航两个过程，初始对准的主要瓶颈在于方位对准。方位瞄准精度和快速性相互制约，需要在保证快速性的同时选择合适的方位瞄准方式。同时，弹上导航设备主要是捷联惯性测量装置，但惯性导航误差随时间增长而增长，对于飞行距离远、飞行时间长的武器型号其导航误差可能会变得无法容忍。为了修正初始对准误差以及飞行过程中的惯性器件漂移和动态误差，需要在惯性导航基础上引入地面制导雷达、GNSS卫星、北斗等外部量测信息，进行组合导航，以减小导航误差。因此，除了进一步提升微型高精度旋转调制技术、轻小型高精度惯测组合技术，实现惯性器件高精度外，还需要进一步解决多信息源高精度组合导航技术、空中对准技术等关键技术。
临近空间防御飞行器采用直接力控制，实现高精度姿态控制和制导控制。临近空间防御飞行器在临近空间环境存在严重的侧向喷流气动干扰效应，特别在临近空间20km～25km高度，直接力发动机开机产生侧向喷流气动干扰效应的气动干扰力矩可达百N.m量级；为实现对目标的精确探测跟踪，需采用侧窗探测技术，通过高达180°的大范围滚转角控制将目标视线控制在侧窗中心附近，大滚动角带来三通道姿态严重交叉耦合与非线性；此外，采用大姿控力矩进行姿态控制易引起姿控发动机频繁开机，燃料消耗增加，姿控发动机响应滞后对控制效果的影响显著增强，导致姿态控制精度下降。姿态控制受发动机开机、飞行高度、飞行速度等影响，需解决姿轨控一体化实时变参数高精度强鲁棒姿态控制问题。
为满足临近空间防御飞行器高精度拦截临近空间目标需求，要求飞行器制导控制系统具有对临近空间目标机动加速度精确估计、高精度视线转率快速提取技术、侧窗约束飞行条件下弹道与姿态协调控制的功能。目标加速度大小估计精度是影响视线转率滤波精度重要因素，对机动形式未知导致目标加速度大小估计难；临近空间拦截器机动能力强、轨控推力大，轨控发动机工作时产生的大冲击振动，会引起拦截器导航与制导控制装置与末制导探测系统相对基准误差、导引头瞬间测量误差和执行机构响应误差等加大，将造成弹目视线转率提取精度下降；随着轨控发动机推力的增加，轨控发动机动态滞后特性对制导精度的影响会变得明显，需要解决大气动干扰与冲击振动条件下反机动目标制导信息提取、高精度导引律设计等难题。
临近空间高超声速打击武器正迅猛发展，目前国内外尚无有效应对武器，亟需发展临近空间防御武器技术，临近空间防御制导控制存在许多重大基础科学问题，关键技术突出。此外，该项技术具有很强的领域带动作用，可带动先进控制理论的发展，并可推广应用于现有武器装备的能力提升。
参考文献
