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日志

 
 

我国中段反导拦截试验技术分析  

2014-05-08 01:55:54|  分类: 空天防御 |  标签: |举报 |字号 订阅

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我国中段反导拦截试验技术分析 - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙

2010年1月11日和2013年1月27日,我国成功进行过两次陆基中段反导拦截技术试验
,但关于这两次试验的技术细节没有公开。本文试图根据互联网上可以查询到和公开出版物中的信息,对这两次试验进行技术分析,并评估我国的反导技术实力。

关于这两次反导试验的比较可靠的直接材料有两条,一是wikileaks公布的美国外交电报中对2010年那次试验的描述,笔者已在《WikiLeaks泄露的中国中段反导试验细节》中进行了初步分析。二是2013年那次试验的航行通告(NOTAM)。由于美国FAA网站只能查询近三年的NOTAM信息,因此笔者未能找到2010年那次试验的NOTAM。

 wikileaks:靶弹是CSS-X-11中程导弹,从“双城子”(即酒泉卫星发射中心)发射,发射时间是2010年1月11日11:50:00 GMT(北京时间19:50:00)。拦截弹是SC-19,从库尔勒发射,发射时间是11:52:42 GMT(北京时间19:52:42)。拦截发生的时间是11:57:31(北京时间19:57:31),拦截高度为约250 km。美国的导弹预警卫星观测到了两枚导弹的发射和拦截(碰撞)的发生。
  
 A0048/13 - A TEMPORARY PROHIBITED AREA ESTABLISHED: CENTERED AT N3750E09050, WITH RADIUS OF 200KM, VERTICAL LIMITS: SFC-UNL. ALL ACFT ARE PROHIBITED TO FLY INTO THIS AREA. SFC - UNL, 27 JAN 12:00 2013 UNTIL 27 JAN 13:00 2013. CREATED: 26 JAN 03:02 2013
 A0050/13 THE FLW SEGMENTS OF ATS RTE CLSD: 1. Y1:MAGOD-DUMIN, 2. L888:TONAX-LEBAK, 27 JAN 11:50 2013 UNTIL 27 JAN 12:45 2013.
 A0052/13 THE FLW SEGMENTS OF ATS RTE CLSD: 1. W112:VOR'QIM'-ADMUX, 2. Y1:SADAN-MAGOD, 3. L888:SADAN-TONAX, 27 JAN 11:50 2013 UNTIL 27 JAN 12:50 2013.
 A0054/13 THE FLW SEGMENTS OF ATS RTE CLSD: 1. Y1:MAGOD-DUMIN, 2. Z3:VOR 'YUS'-P341, 3. L888: TONAX-LEBAK, 11:50 2013 UNTIL 27 JAN 12:45 2013.
 A0056/13 THE FLW SEGMENTS OF ATS RTE CLSD: 1.Y1:MAGOD-DUMIN, 2.L888:TONAX-LEBAK, 11:50 2013 UNTIL 27 JAN 12:45 2013.
  
这两次试验都有大量的地面目击报告(2010年2013年),从这些目击报道中可以推断,两次试验的拦截弹和靶弹的发射地点都是一样的,即拦截弹从库尔勒发射,靶弹从酒泉卫星发射中心发射。根据wikileaks,2010年试验的拦截高度约为250 km。2013年试验的拦截高度可以从地面目击报告推测。由于kkv与助推器分离前一直能看到尾迹,说明其高度上是有阳光照射的。笔者用GE估算了一下2013年1月27日20:10时禁区中心与地面晨昏线的距离,大约是 1500 km。由此推算,此时拦截弹高度必须在180 km以上。如果助推关机点与拦截点高度相差不大,则拦截高度也在此高度以上。不妨假设,两次拦截试验的拦截地点和高度也是一样的,即拦截点在青海与新疆的交界处(N37-50, E090-50),拦截高度250 km。

我国中段反导试验技术分析 - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙

基于以上假设,下面结合wikileaks和notam的信息对拦截弹和靶弹的弹道进行分析。从库尔勒和酒泉卫星发射中心到拦截点的地面距离分别是580 km和880 km。忽略地球曲率、地球自转和导弹的主动段,按理想抛物线计算拦截弹和靶弹分别从地面飞行到拦截点高度的弹道,可以对起飞点的初始速度和射角给出限制,并得到飞行的时间。结果如下:
 
20130127 - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙

靶弹初始速度v0和射角a0的关系(左图),初始速度v0和飞行时间t的关系(右图)


20130127 - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙
拦截弹初始速度v0和射角a0的关系(左图),初始速度v0和飞行时间t的关系(右图)

 

根据wikileaks给出的数据,拦截弹飞行时间为289 s,靶弹飞行时间为451 s。考虑到导弹的主动段处于加速中,实际飞行时间要比上面的理想弹道计算结果大约多出主动段一半的时间。即,如果靶弹主动段为60秒,则451 s的实际飞行时间对应的理想弹道飞行时间为451-60/2=421秒。考虑到我们并不清楚主动段的准确时间,以及弹道简化假设带来的误差,不妨给出上下10秒的浮动空间。如上图所示,红线画出的是笔者认为可能的取值范围,结果为:靶弹和拦截弹的地面初速度分别约为~3.4 km/s和3.1~3.3 km/s。假设关机点高度为120 km,根据能量守恒可将地面初速度换算成关机点速度,得到靶弹和拦截弹的关机点速度分别是~3.0 km/s和2.7~2.9 km/s。


我国中段反导试验技术分析 - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙

笔者对2010年1月11日的试验弹道进行了模拟。蓝点为靶弹,红点为拦截弹。绿色平面为100 km高的大气层上限。


由3.0 km/s的关机点速度可知,靶弹是一种最大射程约1200 km的中近程弹道导弹。这超过了DF-11A和DF-15的射程,又小于DF-21的射程,却与已经退役的DF-2A射程接近。但是DF-2A退役已有20年,早已报废。靶弹应该是一种在射程上替代DF-2A的新型固体导弹。Wikileaks称靶弹为CSS-X-11,根据NASIC2013,射程超过800 km。而根据台湾军情局的说法,大陆有一种称作DF-16的新型弹道导弹,射程超过1000 km。很可能CSS-X-11就是DF-16。可以推测,DF-16的作战任务和DF-2A是一样的,即打击驻冲绳的美日基地,只是换成了常规弹头。


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 网络上流传的DF-16照片


拦截弹的关机速度2.7~2.9 km/s,与美国的末端高层拦截弹THAAD相当(~2.8 km/s)。Wikileaks称拦截弹是用于ASAT反卫的SC-19,并进一步认为这两次中段反导试验的真实目的是继续试验反卫星技术。SC-19在2007年成功拦截了856 km高度SSO轨道上的FY-1C卫星,据推测是一种三级固体火箭,关机速度至少有6 km/s,是中段反导拦截弹的2倍多,不可能是同一种导弹。美国的外交电报要么是错误的情报,要么是故意误导。

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 2013年1月27日试验的NOTAM信息,蓝线为靶弹弹道投影,红线为拦截弹弹道投影,黄线为关闭的航路。

从2013年试验的NOTAM信息中可以看出,拦截弹若脱靶,射程可达1400 km,相当于关机速度3.1~3.2 km/s的弹道导弹,比2010年的拦截弹速度高一些。一种可能是计算误差而导致的,另一种可能是两次试验的拦截弹不同。但可以肯定,两次试验使用的都不是SC-19。

笔者猜测,拦截弹可能就是网络上传说的山寨THAAD——HQ-19。虽然对于HQ-19几乎没有公开报道,但是从上述的分析来看,确实与THAAD的能力相当。略有不同的是,THAAD是单级固体助推,而HQ-19似乎是两级固体助推(参见下图)。

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 网络上流传的HQ-19(左图)与THAAD(右图)比较

在何梁何利基金会网站对中段反导拦截技术试验项目总设计师、航天科工二院科技委主任李陟研究员的介绍中,有对我国中段反导拦截技术试验的详细介绍:

 2006年开始,出任动能反导试验系统总设计师,从系统方案设计开始,到完成系统研制和飞行试验,主持了全过程的研制工作,突破了总体设计、高性能光学成像寻的制导、快响应制导控制、目标特性与空间干扰环境认识等四大关键技术,取得重大技术验证飞行试验圆满成功,标志着我国在该领域跨入了世界先进行列,对我国防御技术领域发展具有重大而深远的意义。
一是解决了武器试验系统总体设计难题:反导系统庞大,弹头目标速度很快,可达每秒数公里,对其实施有效拦截必须保证系统反应快速,导弹飞行高速,制导控制敏捷,拦截打击精确,整个作战区间上千公里,这就要求必须设计一个高效、协调、精密的反导系统。为此,提出了系统总体方案,选择并决策了主要技术途径,包括采用某项目成熟飞行器改进红外成像寻的制导技术,采用复合制导体制,提高制导控制系统快速响应性能,以适应反导交战快速性要求的系统方案;突出工程可实现性,提出了指标体系分解、精度链分配、作战信息流程设计方法,明确了目标特性与空间环境效应研究重点;组织完成了技术攻关,成功研制了武器试验系统,验证了系统设计方法和核心技术,在2010年首次进行了飞行试验,实现了弹头目标的成功拦截,成为世界上第二个掌握此技术的国家
二是组织完成了关键技术攻关:针对寻的制导技术,提出利用帧间相关处理和系统运动特征参数滤波的概念,实现太空背景干扰的有效抑制;提出利用飞行器自身运动特性,通过控制系统设计,形成抑制红外导引头自身大量盲元对远程小目标检测影响的思路,保证了点状小目标的远程检测;针对敏感器件环境适应难题,通过分析导弹的冲击、振动工况,决策了通过结构设计调整,消除局部共振效应,保证红外导引头的精密跟踪性能。针对目标特性模型验证难题,提出利用弹头目标表面温度动态检测、地面红外测量和目标标校球联合测校方法,首次获得了完整准确的弹头目标红外特性和可信的模型计算方法,达成了有效评估导弹对目标的检测跟踪性能条件
三是在试验技术方面:提出并决策了包括靶场飞试状态在内的全部试验进程设计,保证在控制进度、经费的基础上,实现系统性能验证的有效覆盖,其中包括以动态冲击试验加半实物仿真试验覆盖动态悬空试验的措施、靶场大交会角拦截以解决靶场安全区控制的矛盾等重大难题
  

 从以上介绍中可以看出,我国的中段反导拦截弹使用了红外成像寻的制导+复合制导的动能拦截器,采用直接碰撞杀伤方式,与美国的中段拦截技术是类似的,比印度的PDV拦截弹先进的多。

根据《舰船知识》2014年第4期一篇介绍HQ-19的文章(p55),我国的弹道导弹防御发展路径是:“首先应在HQ-9防空导弹基础上,实现对500 km射程的近程弹道导弹的拦截,并逐步提高对弹道弹道的点防御,同时集中精力研究大气层外拦截战术弹道导弹的技术。研制高空区域反导系统时,首先应在80 km以上高度实现对中程弹道导弹或卫星的拦截,在这样的高度,大气层已经非常稀薄。不会因为气动加热干扰红外探测器;解决大气层外拦截问题后,再向下延伸射界,探索难度更大的大气高层拦截弹道导弹的问题。”

由此可见,我国反导的目标是拦截中程和近程弹道导弹,并不追求像美国那样对洲际导弹的拦截,这是军事需求和技术可行性上比较合理的选择。我国的反导系统与各国一样,也是多层拦截:大气低层拦截,我们在研制相当于美国PAC-3的点防御系统;大气高层和大气层外拦截,我们在研制类似美国THAAD的区域防御系统,此外可能还有类似美国SM-3的海基中段拦截系统。在大气低层防御方面,在对李陟研究员的介绍中,提到了“国内新一代防空导弹为实现大气层内反战术弹道导弹的高精度制导技术能力,在末制导系统中首次引入燃气直接侧向力控制技术”,与PAC-3采用了同类技术。而在末端高层区域防御方面,经过两次成功的大气层外拦截试验,下一步将开展技术风险更大的大气层内高层拦截试验。我国的大气高层反导拦截技术采用与THAAD类似的红外成像寻的制导动能拦截器,比印度采用雷达制导破片杀伤的PAD拦截弹(曾进行过两次试验)先进的多。

我国中段反导试验技术分析 - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙
 位于新疆库尔勒的大型相控阵雷达(GE照片)

最后,在反导系统用于预警探测、跟踪、识别和制导的多功能相控阵雷达方面,近年来我国也取得了显著进展。两次中段反导拦截试验已证明,我国拥有能在上千公里距离上探测和跟踪弹道导弹目标的雷达系统,并能够导引拦截弹成功实现拦截。而根据最近公开出版的《2012-2013航天科学技术学科发展报告》,我国“在L波段及以下的低频段有源相控阵雷达已投入使用,具有空间目标探测能力,最大探测距离超过3000 km,其关键部件T/R模块技术指标的提高,支撑了固态有源相控阵雷达的发展;C波段的宽带无源相控阵雷达也已工程化,并完成了对空间目标的跟踪和成像任务”。未来,我国的空间目标监视、跟踪与识别雷达系统的威力、精度和识别能力将进一步提高,形成VHF-W波段全覆盖,对低轨1 cm以上目标具有10 m的测轨精度,建立统一的探测管理和控制系统,并发展大型宽带有源相控阵雷达技术、W波段精密跟踪成像雷达技术和宽带目标成像与识别技术等,有力的支撑我国空天防御事业的发展,并赶超世界先进水平。
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