美国高超声速平台载荷发展现状
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作者：张昊
美国高超声速平台载荷发展现状
近年来，高超声速技术因“发现即摧毁”的快速部署能力、远程精确打击、极强战略毁伤效果，被视为未来空天防御战争的主导者和战争游戏规则的改变者，成为世界军事强国的发展热点和优先发展项目。目前各国在高超声速飞行器平台方面已进行了大量开发与测试活动，开展了多型号、多种用途高超声速飞行器的研制工作。
但众所周知，在实战中，高精度、低故障率的侦察、通讯、制导能力对于一个成熟的装备是必不可少的，所以就需要能够在高超声速飞行器平台上集成具备相应能力的载荷，来完成高超声速飞行器作战任务。下面的章节将对美国高超声速飞行器发展进行简要的介绍，并重点对其平台载荷的发展现状进行论述。
美国是较早在高超声速技术领域开展研究工作的国家之一，自上世纪50年代开始研究探索吸气式高超声速技术。几十年来，美国在高超声速飞行器研究方面不懈努力，通过大量的探索、大规模的设备改造建设与一系列的试验研究，取得多项重大技术突破，在高超声速技术领域占领先地位。
一、美国高超声速平台发展简介
2015年，美国空军研究实验室（AFRL）公布其高超声速平台发展路线图，突出在高对抗环境下对敌目标的情报侦察、快速精确打击及可重复使用的经济性，未来美国高超声速平台发展将会有远中近三个目标：
近期目标：2020年，实现高超打击武器的武器化，演示验证防区外快速打击能力；
中期目标：2030年，实现集战术打击、侦察监视于一体的高超飞机，用于对高价值目标的战略侦察与纵深打击；
远期目标：2040年，实现可重复使用、持久型高超飞行器，用于突防、持久可重复使用的情报侦察与打击。
下图展示了当前美国高超声速飞行器的发展概况。
美国高超声速飞行器发展简图
从高超声速飞行器发展简图可以看出，当前美国研究重点项目为X-51A/HAWC高超声速巡航导弹项目，AHW先进高超声速武器项目，Falcon计划中的HTV-2项目及其后续的TBG战术助推滑翔项目以及由Falcon计划中的HTV-3X计划发展而来的SR-72察打一体飞行器等。以下为上述各项目目前的技术成熟度发展路线图，从平台研制状况来看，美国高超声速飞行器研制已取得了重大进展。
高超武器成熟度发展路线图
二、美国在高超声速平台载荷方面的研究
尽管美国已进行了大量相关试验，但若要将高超声速作战平台真正投入实战中，其探测、侦察、通信、导航、目标定位和末制导能力是不可缺少的。所以自2013年开始，美国在高超声速飞行器上的研究方向逐渐从平台、发动机等转向SAR/GMTI、导引头、导航控制、光电红外传感器等载荷方面的研究，并对适用于射频/光电信号传输的导引头天线罩等技术进行了探索，标志着高超声速飞行器研究进入了技术成熟与武器化阶段。
根据美空军研究实验室AFRL提出的BAA公告和小企业创新研究（SBIR）计划，对美国已经提出的高超声速平台载传感器载荷研制计划进行了梳理，汇总如下：
AFRL实验室高超巡航导弹雷达导引头项目
2014年3月，美国空军研究实验室（AFRL）发布广泛机构通告（BAA），基于“高速打击武器”（HSSW）项目的导引头软硬件，开展高超声速武器导引头部件技术的研究、模拟与评估等，旨在制造能够在高超声速极限环境下提供高精度打击能力的导引头。目前该项目主要面临的挑战有：
（1）飞行环境影响：
高超声速飞行器的高空进入特性增加了遭遇云层和雨水状况的可能性，降低传感器成功捕获目标的作用距离，增加对末端机动能力的需求，反过来提高对于传感器系统能力的要求。
高声速（高马赫数）状态下的天气影响还包括水滴和冰晶体的影响。RF/IR顶罩材料必须能够在高热、水滴、冰晶以及尘土等天气条件下正常工作。
高超声速环境增加了热力学、声学以及振动模型的耦合相关能力，这对保证长寿命、同时具有良好的控制效果的结构提出了要求。
高超声速导引头能够完成对多种目标类型定位的功能。作战时目标可能处在不同的背景和天气环境下，这需要考虑单/多导引头配置，以适应定位需要（例如：射频、红外、射频/红外复合导引头等）。
（2）高速高机动影响
高超声速飞行要求导引头在高温下保持良好的空气动力外形，不利于在飞行器前端安装传感器，对射频、红外传感器的位置、构型和防护设施提出更严格要求。
为了尽可能提高飞行器射程，对重量的控制也是关键的考虑因素。定向导引弹头可以达到更轻的质量和更小的尺寸，同时还会提高任务的成功率。携带的导引头可以提供精准的末端制导以及引信功能。
在高速下增加飞行时间可能会对传感器成像（孔径及成像路径）以及角分辨率产生明显的流体-热-结构相互作用（FTSI）效应。对于射频方法，FTSI效应主要包括高超声速/高热流体引起的相位/散射效应、导电材料融化以及由于热膨胀和高过载导致的共形天线结构变形，影响传感器性能。对于红外、射频而言，飞行器结构变形可能会削弱导引头性能，降低导引头精度，降低射频天线单元的焦距，改变导引头与武器中心线的准直性等。
高超声速飞行器末端的高速度不但对硬件/软件的处理能力和武器末端的机动变轨能力提出了要求，还需尽可能增加对目标的定位探测距离。
不依赖GPS的导航能力和较大的目标定位误差，需增加搜索范围，降低传感器信噪比或增加目标的搜索时间，从而射频传感器需要更大的功率。
高超声速武器在发起攻击时需要做出一个面向目标的快速下冲动作（较小的视角），这会减小斜视角，从而导致横向分辨率降低，同时会将地面距离分辨率压缩为一个扁平的倾斜距离投影，降低了距离分辨率。射频导引头必须能够在很小的攻击角度上跟踪目标，完成打击任务。
高超声速武器完成快速下冲动作时（具有较小攻击角和视角），降低了安装在机身红外孔径的目标发现能力。
AFRL于2015年5月13日再次发布了关于HSSW技术成熟度的招标公告，此次公告的主要目的是提高高超声速平台在“建模、仿真与分析（MS&A）”、“引战系统”、“制导、导航与控制/机体”、“推进系统”、“材料/结构与制造”和“方案设计与系统集成”共六个领域的技术成熟度。此次公告的重点在于“引战系统”和“制导、导航与控制/机体”的成熟计划。
该公告关于其引战系统成熟度计划为发展能够满足高速环境中特殊需求的引战技术。其技术需求为：在飞行器巡航/滑翔/末段的高热/高振动情况下，需要HSSW引战系统比传统的引战系统要小，此时需要更高的能量密度及效率来把自身动能作用在目标之上。该计划主要涉及引信功能、引战共形集成技术、高温高能设计、弹头效能以及引战系统封装集成技术等。
在制导、导航与控制/机体方面，该公告寻求能够在最大射程、最短飞行时间内提供最高飞行精度的导航技术，其导航技术必须能够确保在GPS拒止环境下能够对在高速情况下机体发生变形的飞行器进行自主控制。该计划主要涉及空中数据感知、数据链、导航优化方案、自主导航及导引头/传感器系统等的研发。
目前美工业部门在HSSW导引头和引战系统上已进行了相关技术研发：
（1） ATK公司正在为HSSW项目开发满足高超声速状态（高温及强振动）下满足作战需求的战斗部。
（2）Mainstream工程公司承担了气动加热武器头罩的先进冷却方案，其研究内容主要有：开发先进冷却技术，降低红外窗口温度、同时确保光学变形最小化，目前该项目处于第二阶段，将要开展全尺寸样机的风洞试验。
（3）在高超声速状态下，整个飞行平台具有较高的温度环境（接近1250 K），可能对天线工作产生影响。FIRST RF Corp.针对这一问题开发了一种新型共形高温前视高增益天线，其工作频率主要为Ku波段和Ka波段，能够在高超声速极限环境下工作，目前该项目处于第二阶段，将制造并试验小型天线阵列，对性能进行演示验证。
此外在一般典型装备中，前视RF传感器及IR传感器都被集成在同一个头罩中，这会对两种传感器系统的性能都产生影响。FIRST RF Corp.将天线传感器安装在武器装备的其它位置，提供了一种解决传感器互相干扰问题的方案。FIRST RF Corp.技术的优点是充分利用了散热器技术，对天线的热影响进行控制，避免了对整体平台的能力和性能的影响。同时，该天线设计保证了工作环境，确保辐射图的优化及效率的最大化。
美国空军高超平台SAR/GMTI载荷
2015年1月，美空军在小企业创新研究（SBIR）计划中发布了“高超声速飞行器载创新型SAR/GMTI载荷”研究指南，希望研发具有30 km巡航高度、5～7马赫速度的飞行平台载SAR/GMTI雷达，并开发SAR/GMTI载荷性能评估仿真工具。该计划主要为了解决在高超声速平台上使用SAR对地面目标探测和定位问题。
由于高超声速飞行条件和参数的变化较大，因此高超声速平台SAR/GMTI载荷设计面临着诸多挑战：
（1）平台速度高，导致杂波多普勒频谱扩展，且限制了实时SAR/GMTI数据处理能力；
（2）入射角较高，导致地面杂波高；
（3）高速低空飞行限制了视野；
（4）细长的机体限制了天线孔径的尺寸和形状；
（5）雷达信号频率和波形选择需满足多种不同要求（孔径、大气、距离和多普勒分辨率等）；
（6）较高的机体温度导致天线噪声增大，降低信噪比。此外，SAR和GMTI要求的最佳脉冲重复频率（PRF）相互冲突。高距离分辨率要求宽带波形，而这种宽带要求不利于天线的波束形成。
本项目分为三个阶段：
第一阶段：初步设计出适用于飞行高度20～30km、飞行速度5～7马赫的SAR/GMTI系统，该系统具备幅宽70km、分辨率1m的对地成像能力；
第二阶段：完成SAR/GMTI的设计定型，在飞行中引入高超声速飞行流场。开发出一种适用于不同高超声速飞行器的SAR/GMTI载荷性能评估仿真工具；
第三阶段：开发商用型高超声速飞行器SAR/GMTI载荷。政府用户包括美国空军、陆军、海军和NASA。
综合SAR、ATI（沿航迹干涉测量）以及空时自适应处理方法（STAP）都可以进行高精度的目标定位。在高超声速环境下，针对SAR和GMTI技术所需的脉冲重复频率（PRF）是不同的，PRF通常被会设定的距离覆盖范围所限制。C&P技术公司针对该项目所需参数进行了评估分析来满足项目需要。这种情况下，传统的杂波对消技术已经不再有效，需要一种新的方式来在现实杂波情况下（高RCS建筑及不稳定环境）来对移动目标进行探测及定位。
SR-72察打一体高超声速飞行器（未来该技术可能会应用于SR-72项目）
C&P技术公司提出了一种双层处理策略：进行信号处理将杂波影响最小化，进行动目标检测，然后利用可用的时空先验信息进行虚假目标消除。目前该项目还处于第一阶段，该计划的提出可使得商用传感器以及系统集成商提升在目标检测、识别和辨别的能力。该阶段的目标是开发关键的算法/途径来进行算法与高超声速飞行器载雷达系统的集成工作。所提出的计划在军用方面包括增强高超声速飞行器与天基雷达对移动目标的监测识别能力，在商业应用方面则包括改善当前边境巡逻，药物交通监控，周边监控和空中交通管制应用中的雷达系统性能。
SSSC公司也提出了一种在飞行速度5-7马赫的飞行器上部署SAR/GMTI的方案。高超声速载荷面临的一个重要问题是传感器阵列问题，目前使用的典型机载雷达系统不能满足高超声速载荷的需要，所以需要先进技术来解决在高分辨率、大型地面测绘、紧凑型阵列、低MDV以及高速平台等方面上的矛盾。该方案的第一阶段主要包括以下任务：
（1）对传感器进行初步设计，权衡评估传感器尺寸、雷达工作参数、作战理念以及性能需求等因素；
（2）认识和解决高超声速飞行器载荷面对的雷达设计挑战；
（3）使用高仿真模拟数据对设计进行验证。该工作范围包括物理层面的设计、仿真以及对相关文献进行回顾总结，了解高超声速流场的影响以及对雷达能力的作用。
该方案第二阶段是向美空军提交一种仿真工具来对高超声速平台载SAR/GMTI性能进行评估。该方案的实施将会提高对高超声速飞行器载传感器设计的理解能力，从而增强美空军ISR作战效能。
高超平台载离子体鞘套容错射频系统
高超声速飞行器需要可靠的射频系统来完成通讯、导航、侦察、定位及末端制导功能。SBIR项目之一是发展射频设备来表征高超声速飞行中的等离子体鞘套环境，测试天线性能参数，确保射频系统能够在等离子体环境下正常工作。所以现代射频系统必须能够与不同厚度和密度的等离子体层相适应。
应当注重发展的频段主要有：通讯（UHF）、遥感（S波段）、雷达（C波段和X波段）以及GPS（L波段）等。射频系统应尽量小型化，能够进行与高超声速飞行器热保护系统共形集成。该设备最终能够最优化等离子鞘套覆盖的天线阵列，在时域和空域内与天线匹配特征协同，确保射频系统能够在等离子体条件下正常使用。
该项目主要分为三个阶段。
第一阶段：开发射频系统对高超声速飞行中的天线性能参数以及等离子体参数进行测量，使用最先进技术保证射频系统小型化，并可与飞行器平台进行共形集成。对系统进行建模，预测其功能、大小、重量以及功率。
第二阶段：
（1）基于第一阶段的设计，发展一种紧凑、轻量的原型机；
（2）在陆基等离子体暗室中测试原型机，表征相关参数；
（3）交付相关设备，进行飞行测试。
第三阶段（军民两用）：在军事方面，直接用于未来空军高超声速飞行器的通信、导航、侦察、定位以及损坏状况评估系统中。民用方面主要应用于民用空间运输以及商用发射/再入飞行器的通讯及导航系统中，其中也包括NASA的飞行器。
美国EDA公司开发了高超声速等离子体自适应技术（HyPASS）来解决该项目的需求，其主要的解决方式是开发了一种天线匹配系统。HyPASS系统在频率-自适应矢量网络分析器中安装了两个探针来完成对等离子层参数的测试。接下来，可使用这些参数进行处理，减少由于等离子体失配导致的信号天线反射效应。
HyPASS系统工作示意图
HyPASS系统包括两部分，一个是高超声速等离子体探针技术，另一个是天线匹配技术，其主要功能是复原由高超声速等离子体鞘层引起的失配现象。在天线与接收机之间安装一个外部电调匹配电路，可对天线进行匹配。匹配电路会随着接收到的最大信号强度进行自动调节。HyPASS系统应用两个安装在频率-自适应网络分析仪硬件上的平面探针来测量等离子体实时参数。通过网络分析仪对反射功率和发射功率（S11和S21）的振幅和相位进行测量，可以得到相关的等离子体参数（包括电子密度、鞘套尺寸以及碰撞频率等）。这种检测方式可单独应用，也可与匹配系统协同使用，为匹配电路提供相关信息。下图为HyPASS电路系统的总体图。
三、结 论
目前高超声速武器平台研发已日臻成熟，但平台载传感器技术却报道相对较少，本文重点在高超巡航导弹雷达导引头项目、高超平台SAR/GMTI载荷以及高超平台载离子体鞘套容错射频系统三个项目对高超声速平台电子载荷技术基本情况进行了介绍，对其研发目标、采用的主要技术以及未来发展规划情况进行了简单阐述。随着美国高超声速武器项目研发进度的加快，传感器载荷相关项目研发将显得愈发重要，未来将对该方面进行持续关注。
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