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掀起高超声速对抗序幕：临近空间预警监视技术
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来源：军事文摘
作者：张凯、付婷婷
临近空间高超声速武器结合了航天器与航空器的特征，具有高速、高机动、高精度、大航程等特点，是瓦解导弹防御系统、实施远程快速打击的革命性武器装备。以美俄为代表的世界军事强国投入巨资用于高超声速武器研发，先后开展了一系列关键技术演示飞行试验。鉴于高超声速武器防御难度极大，优先发展针对性的预警监视能力，降低目标打击的突然性，是目前需要解决的首要问题。
临近空间，一般是指距离地面20～100千米的空域，包括大气平流层、中间层和部分电离层区域，具有高辐射、低温、干燥等特点。通常，20千米以下空域是传统航空器的主要运行空间，100千米以上空域是航天器的运行空间，“飞机上不去，卫星下不来”的临近空间则是人类目前尚未有效利用的空域，是谋求未来空天一体联合作战、促进作战能力跨代跃升的新兴作战领域，具有重要的开发应用价值。
临近空间高超声速武器，一般是指在临近空间内执行火力打击、侦察监视、电子压制等军事行动为目的，以高超声速（马赫数5以上）滑翔/巡航的飞行器。根据高超声速武器的动力装置不同，其主要分为无动力助推滑翔式和有动力巡航式两大类。
无动力助推滑翔式高超声速飞行器，其利用助推火箭加速或直接从近地轨道离轨再入大气层，在自身无动力条件下，仅依靠气动升力克服自身重力进行高超声速（可达马赫数20以上）滑翔飞行。典型代表有美国先进高超声速武器（AHW）、战术助推滑翔（TBG）飞行器以及俄罗斯先锋高超声速导弹。
有动力巡航式高超声速飞行器，其自身携带以液态碳氢等为燃料的冲压发动机推进系统，通过飞机、助推火箭等载具爬升到一定高空后，弹体继续加速至高超声速（马赫数5～8）进行巡航飞行。典型代表有美国X-51A飞行器和俄罗斯匕首高超声速导弹。
掀起高超声速对抗序幕：临近空间预警监视技术
美军高超声速防御项目 为应对高超声速武器的潜在威胁，美国导弹防御局（MDA）在2016财年预算中首次提出“高超声速防御”概念，认为改造现有导弹防御系统是反高超声速武器的有力手段。2018财年，MDA首次将“高超声速防御”单列为专项，重点研究高超声速武器预警以及拦截能力，这标志着美军在高超声速防御领域走出重要一步。2019财年，该项目重点放在改进现有导弹防御系统中的传感器与指控、作战管理与通信子系统。同时，项目明确指出美军计划在未来6年（2018年—2023年）投入约7.3亿美元应对高超声速威胁。从最初的概念形成到技术研究，高超声速防御逐渐成为美军事科技重点发展方向之一。
俄军防空反导一体化地空导弹武器系统项目 俄军高度重视反高超声速武器能力建设，俄罗斯总统普京在2019年5月的一场国防发展问题会议上发表讲话称，俄必须赶在其他国家拥有高超声速武器前，拥有针对该类武器的防御手段。近年来，俄军多部具备高超声速武器预警能力的集装箱超视距预警雷达、沃罗涅日战略预警雷达先后投入战斗值班，最新研制成功的S-500防空反导系统和59N6-TE机动式雷达也具备一定的反高超声速武器能力。在此基础上，俄正逐步完善具备拦截高超声速武器的防空反导一体化地空导弹武器系统，该系统将配备新型多弹头远程空空导弹以及无线电电子战系统。随着俄军不断加大对反高超声速项目的资助力度，其军事对抗的战场空间正有条不紊向临近空间领域扩张。
不同于在大气层内运行的航空器或空间运行的弹道导弹与卫星，高超声速武器飞行速度快、飞行弹道低、机动能力强，且具有一定隐身性，对现有预警监视系统构成的严峻挑战主要表现在以下几个方面。
探测目标困难 高超声速武器飞行区域主要位于海拔20～50千米的扁平空域内，与地面保持平行。现有探测装备多针对20千米以下的目标，即使少数预警装备能探测到20千米以上空域，但也不是针对高超声速武器设计的。高超声速武器飞行速度可达马赫数20以上，远大于传统飞行目标，超出绝大多数雷达处理能力，被发现概率显著降低。同时，其在临近空间中飞行时，弹体会与空气摩擦产生高温，导致大气电离并形成等离子鞘套，使其雷达散射面积强烈起伏、若隐若现，也会严重影响探测装备的威力。
高超声速武器典型作战过程图
难以稳定跟踪 高超声速武器沿非惯性弹道飞行，具有较强的机动能力，现有探测装备即使能够探测得到，也难以稳定跟踪。同时，由于地球曲率避挡带来的低仰角探测问题，即使地面雷达具有足够的威力，其对高超声速武器的探测范围也十分有限。目前，美俄等军事大国致力于在更大范围内部署天基、空基和海基等多手段探测平台，试图对高超声速武器实现全程实时预警监视。
预警时间有限 美俄等军事大国探测高超声速武器的手段主要依赖于天基红外预警卫星和地（海）基反导预警雷达。天基红外预警卫星对高超声速武器探测精度较低，仅能提供早期预警，难以实现稳定跟踪，无法准确预测其飞行轨道。地（海）基反导预警雷达受地球曲率避挡的影响，探测距离约为数百千米，无法提供足够的预警时间。如果无法实现对高超声速武器的稳定跟踪和轨道预测，目标将会给后续拦截防御造成极大困难。
高超声速武器的飞行过程可分为3个阶段：助推段、巡航/滑翔段和俯冲攻击段，可将其分为A区、B区和C区，A区和B区是主要的预警监视阶段。当前，利用地、海、空、天等多维探测平台对高超声速武器进行组网探测是实现预警监视的有效途径。
爬升段预警探测手段 高超声速武器爬升段是指从助推火箭/运载飞机启动开始，高超声速武器进入临近空间巡航/滑翔阶段为止。
发射征候情报侦察 发射征候情报是指高超声速武器发射前有关情报，包括助推火箭发射架状态、运载飞机状态以及起飞信息等。获取来源包括人力、信号、雷达以及卫星侦察情报等。发射征候情报侦察是发射阶段探测发现的重要保证。
天基高轨红外预警卫星预警探测 在爬升段，助推火箭喷射高温火焰，具有显著的红外效应。利用高轨卫星搭载的红外预警系统可以较快地确定目标发射区域，从而为巡航/滑翔段连续跟踪提供预警。天基高轨红外预警卫星具有覆盖范围广、全天候工作的优点，缺点是定位精度不高。目前在役装备主要包括美国天基红外探测系统（SBIRS）、俄罗斯冻土（Tundra）系列预警卫星。
空基红外预警探测 空基探测系统可有效拓展高超声速武器预警监视范围，大幅增加预警时间。这类系统以高空无人机、平流层飞艇等为平台，通过搭载红外探测系统的方式进行预警探测。由于这类平台部署高度比卫星低，有利于红外特征的获取。受驻空时间和载荷能力限制，目前这类装备还处于研究探索阶段。
地基天波超视距雷达预警探测 天波超视距雷达主要依靠大气电离层向下反射电磁波探测空中或海面目标。这种工作方式使雷达能够减少地球曲率遮挡的影响，有效拓展探测范围，缺点是背景噪声很强，无法准确定位。目前在役装备主要包括美国AN/TPS-71、俄罗斯集装箱、澳大利亚JORN等雷达系统。
巡航/滑翔段探测跟踪 巡航/滑翔段是指高超声速武器从进入临近空间稳定平飞到向下攻击阶段为止，是目标最主要的飞行阶段。
天基中低轨红外预警卫星探测跟踪 在巡航/滑翔段，高超声速武器飞行速度极快，弹体会与空气摩擦产生高温，产生较强的红外效应。当红外预警卫星在中低轨道运行时，其定位精度有一定程度的改善，通过星座组网可实现对巡航/滑翔段进行“粗”跟踪。目前在役装备主要包括美国空间跟踪和监视系统（STSS）系列预警卫星。
边界层转捩后形成的湍流将显著加剧气动加热，图为热流密度分布云图（桑迪亚国家实验室图片）
空基红外/雷达探测跟踪 与爬升段空基预警手段类似，高空无人机和预警机等平台通过搭载红外/雷达探测系统的方式，可对巡航/滑翔段飞行的高超声速武器进行探测跟踪。红外预警探测定位精度较低，主要用于巡航/滑翔段前期“粗”跟踪；雷达探测范围受空基平台载荷限制，主要用于待目标抵近时进行跟踪。
地（海）基相控阵雷达探测跟踪 地（海）基相控阵雷达具有发射功率大、跟踪精度高的特点，是对高超声速武器进行中末段跟踪与拦截的关键装备。受地球曲率遮挡的影响，单部雷达探测距离有限，通过雷达组网的方式可实现中末段连续稳定跟踪。目前在役装备主要有美国铺路爪、眼镜蛇、俄罗斯沃罗涅日战略预警雷达。
为适应临近空间复杂环境的要求，高超声速武器预警探测系统需要具备大空域、远距离、低仰角、高精度探测等能力，涉及的关键技术主要包括3个方面：探测技术、搭载平台技术以及传感器组网技术。
探测技术 第一，凝视探测技术。凝视探测技术通过发射宽波束，接收时采用多窄波束来覆盖探测区域，可有效提高发现概率，是提高探测跟踪稳定性的有效手段。第二，太赫兹探测技术。太赫兹作波长介于毫米波与红外光之间，对微波吸收材料具有很好的透过率，对高超声速武器具有较好的反隐身性能。目前最大的难题是功率有限，短期内难以突破。第三，低仰角目标检测技术。地基雷达在探测高超声速武器的过程中，将长期处于低仰角工作状态，跟踪精度会显著变差。目前，采用偏轴跟踪、频率分集、减小天线旁瓣电平等低仰角目标检测技术有望提高跟踪精度。
搭载平台技术 第一，平流层飞艇。平流层飞艇是一种轻于空气、依靠浮力驻空并具有自主飞行能力的临近空间低动态浮空器，具有滞空时间长、经济性好等特点。目前，平流层飞艇携带能力多为数百千克，且机动性能较差，还难以满足作战需求。第二，星载雷达。星载雷达具有探测精度高、覆盖范围广、全天候工作的特点，是极具发展潜力的探测装备。目前困难主要是载荷和功率偏小，短期内难以突破。
传感器组网技术 单一探测手段无法对高超声速武器实现连续稳定预警监视，合理地部署天基、空基、地基和海基传感器，形成综合红外、雷达等多重覆盖的预警监视网络，是实现对高超声速武器远程预警和稳定跟踪的有效途径。由于全方位大纵深的预警探测网络规模庞大，需要考虑如何将不同体制的传感器按照一定的要求进行优化部署，涉及的难点包括组网补盲、多平台系统配置、数据协同处理、费效比等。
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