舰载激光武器反导作战仿真分析

罗 磊,谭碧涛,张 鹏,聂恒辉

(航天工程大学,北京 101400)

1 引 言

舰载激光武器作为一种新概念武器,作战中具有光速打击、反应快、精度高、抗电磁干扰、无限载弹量等明显优势[1]。欧美等军事强国先后研究舰载激光武器用于抗击无人机、水面小艇、各类反舰火箭弹、炸弹等,最终目标是要实现反导作战[2]。美军对舰载激光武器的反导作战研究分为短期、中期、长期三个阶段。短期目标研发功率为十万瓦到十五万瓦的战术级舰载激光武器用于对导弹导引头进行干扰致盲；中期目标研发功率为三十千瓦到五十千瓦的高能战术级舰载激光武器,用于近距离抗击反舰巡航导弹；长期目标是研发出功率为兆瓦级的舰载战略级激光武器,用于远距离摧毁超音速反舰巡航导弹甚至弹道导弹[3]。当前短期目标已经实现。在激光反导作战试验方面,美军推出ABL项目,开发兆瓦级机载激光武器用于助推段反导,并在2010年成功进行过50 km内的拦截试验[4],最终因为资金以及技术难题,项目被迫取消。近年来,随着激光武器相关技术的不断成熟,舰载激光武器反导问题再次成为相关领域的研究焦点。

2 典型反舰导弹特性分析

反舰导弹结构组成包括导弹壳体、制导系统、战斗部装药以及推进系统,其中制导系统的各类传感器是舰载激光武器的重点打击对象。导弹攻击航路一般分为初始段、自控段和自导段,其自控段飞行高度比较高,飞行时间较长,飞行姿态相对稳定,该阶段最利于舰载激光武器在远距离实施打击。

远程反舰导弹LRASM被称为“航母杀手”,是美国当前研制的最新反舰导弹,具有隐身、抗干扰、高智能化和通用化等特点[5],目前已成功发展了空射和舰射型,潜射型还处于研制当中。LRASM导弹的显著优势在于其采用智能化复合制导,能够在缺乏引导的条件下自主规划航迹,自主识别目标并规避威胁[6]。同时导弹表面采用先进的雷达吸波材料,使其兼具高隐身性能。其主要的战技术性能如表1[7]所示。

表1 LRASM导弹性能概况

LRASM导弹是美军空海一体战和分布式杀伤理念下的产物,其典型的攻击模式为:远程预警探测系统获取舰艇的位置信息后将其传递给机载作战平台,空射型LRASM导弹在敌防区外超远程发射,并按照预先规划的航迹接近目标；导弹打开双翼与己方飞控平台建立双向数据链,实现目标信息的实时更新；导弹进入中空巡航,GPS提供中段自控飞行的中继引导数据,如果GPS信号受到干扰,由其内置的INS进行制导；接近敌舰艇防区后,导弹降高突防,通过被动雷达搜索目标；接近目标后导弹掠海飞行,利用红外传感器锁定目标,并自主规划航迹,规避威胁,直至命中目标[8]。

3 激光对导弹的毁伤分析

3.1 毁伤机理分析

舰载激光武器锁定目标后以光速实施打击,其对导弹的毁伤作用主要包括热破坏效应、力学破坏效应以及辐射破坏效应[9]。高能激光辐照导弹,在其表面产生极高的功率密度,短时间内通过能量的快速叠加和累积造成目标表面结构以及材料特性发生不可逆的变化[10],从而形成有效杀伤。因此,激光毁伤导弹取决于两个主要因素:一是激光的到靶功率密度门限,二是激光与导弹的相互作用时间。其中到靶功率密度达到对导弹干扰、破坏的阈值是武器实现有效打击的前提,如果激光的打靶功率密度太小,作用时间再长也无法对目标造成毁伤。而作用时间是武器实现有效打击的关键,如果激光的到靶功率密度满足要求,但作用时间太短,能量累积无法达到对导弹破坏的能量阈值,同样无法对目标形成毁伤。

3.2 毁伤能力分析

由舰载激光武器的毁伤机理可知,其对导弹的毁伤能力与激光作用于目标的到靶功率密度直接相关。设激光辐照导弹的到靶功率密度为Im,表示为[11]:

(1)

式中,P为舰载激光器的发射功率;θ为激光传输过程中的光束远场发射角；η为介质传播透射率,主要受大气传输影响,真空条件下η=1；λ为发射激光束波长;β为光束质量因子；L为目标与激光武器的相对距离；D为激光武器发射主镜的直径。理论上当激光与导弹相互作用的能量密度达到3280 J/cm2,即Im=1093 W/cm2时,作用时间t=3 s,激光可以对导弹形成硬摧毁[12]。而当激光与导弹相互作用的能量密度为900 J/cm2,即Im=300 W/cm2时,作用时间t=3 s,激光可以对导弹造成软杀伤[13]。

考虑激光在大气传输中的衰减,假定海上作战环境中η=0.85。当舰载激光武器的发射口径D=1.5 m,作战激光的波长λ=1.064 μm时,通过对舰载激光武器作战关键指标仿真得到图1～图3所示结果。

图1 P=1000 kW,I与L的关系

图2 β=2,I与L的关系

图3 I=1093 W/cm2,P与L的关系

根据仿真结果进行分析:舰载激光武器的发射口径和激光波长固定时,打击距离与激光的光束质量和武器的作战功率成正比。当发射口径D=1.5 m,大气传播透射率η=0.85,光束质量因子β=2时,要在50 km处实现对导弹的硬摧毁,舰载激光武器的作战功率需要达到三十万瓦以上；而要在100 km内实现对导弹的硬摧毁则需要武器的作战功率达到兆瓦级以上。此外,该作战条件下兆瓦级舰载激光武器同时具备在200 km内对导弹进行软杀伤的能力。

4 典型作战场景仿真分析

4.1 场景构建

为分析实战条件下舰载激光武器抗击敌反舰导弹LRASM的饱和攻击情况,构建以下典型作战场景:某次红蓝对抗中,红方航母编队在远海执行任务时遭到蓝方某航母战斗群50架舰载机以及某空军基地的4架战略轰炸机饱和攻击。蓝方每架舰载机挂载4枚LRASM导弹,每架战略轰炸机满挂24枚相同型号的导弹。为最大限度占用红方航母编队的火力通道,同时击沉红方航母,所有蓝方敌机在红方防区外距离航母纵深800 km时开始齐射296枚LRASM导弹,使得导弹几乎能同一时间抵达红方航母。此时红方航母编队由于远离海岸,缺乏岸基火力支持,只能依靠自身火力作战。红方作战舰艇除装备常规防空反导武器外还配备有5座兆瓦级舰载激光武器用于反导作战。红方编队预警机前出200 km预警,但由于蓝方LRASM隐身性极强,预警机对导弹的发现距离不超过150 km。红方舰艇编队的具体作战编成如图4所示。其中内层防御的驱护舰距离航母约20 km,外层防御的驱护舰距离航母纵深约100 km。舰载激光武器分别部署于战舰A、B、C、D、E上,发现导弹来袭后,红方编队指挥所命令5座舰载激光武器负责抗击蓝方180枚目标。

图4 红方航母编队战斗队形示意图

4.2 模型建立

为了确保研究的科学性同时方便运用模型描述,对舰载激光武器的反导作战条件进行进一步明确:

(1)初始状态设定,由于所有来袭导弹皆采用高空发射,其主要攻击目标为红方航母,因此,初始时刻设定所有来袭导弹相对于红方航母的航路捷径均为0(即所有导弹攻击目标均为航母,其运动方向正对航母)。若以红方航母为空间坐标原点,则所有蓝方反舰导弹在距离航母斜距为300 km里处的球面随机分布,如果不进行航路规划,所有导弹几乎能同一时刻抵达红方航母。该状态为初始状态,对应的时刻为初始时刻。由于蓝方作战飞机从不同高度进行投弹,因此,假定所有来袭导弹初始时刻的飞行高度处于3000～7000 m之间,其进入方向在海平面上相对于红方航母为-90°到90°。图5为初始时刻导弹饱和攻击示意图。

图5 初始时刻反舰导弹攻击示意图

(2)由于LRASM导弹具有高智能化,制导方式灵活,因此,在该作战场景中将其攻击模式简化如图6所示,图中实线表示反舰导弹的航路。初始时刻,导弹始终以320 m/s的速度飞向红方航母的位置(0,0,0),飞行高度为3000～7000 m,在距离目标100 km内,飞行高度降低为15 m进行掠海突防,并在水平面内机动规避风险,最终从正面、侧面甚至后方对航母进行打击。

图6 LRASM反舰导弹进攻过程航路模拟主视图

(3)红方编队预警探测系统和舰载激光武器能够同时探测识别并追踪多批目标。综合考虑舰载激光武器的跟踪精度、转火速度、打击能力,以及反舰导弹的飞行速度、航路捷径等,设定舰载激光武器对目标的有效打击斜距为0.3～200 km,而且在打击范围内可直接对目标进行有效毁伤(即舰载激光武器在打击目标时对目标的单次照射毁伤概率为1)。考虑反舰导弹掠海飞行和地球曲率的影响,舰载激光武器不能实施超视距打击。因此,当导弹掠海飞行高度为15 m时,舰载激光武器在海平面上对导弹的打击斜距不超过30 km。

(4)舰载激光武器采用点防御的方式对来袭反舰导弹进行抗击。即一座舰载激光武器一次只能单独打击一个目标。应对饱和攻击时,为提升打击效率,同一目标在同一时间内也仅由一座舰载激光武器对其进行打击。舰载激光武器具有无限弹容量,在打击窗口内可以对来袭目标进行持续打击,打击方位角为360°,俯仰角为-10°到90°,其转移火力到完成一次目标打击所需要的总时间为14 s。

(5)打击目标选择。打击目标选择主要根据导弹的威胁度进行判定。由于所有导弹进入舰载激光武器的打击范围时相对于航母的航路捷径均为0,而且所有导弹为同一型号导弹,其战技术指标完全相同,对航母的威胁度主要与导弹相对于航母的斜距有关。因此,舰载激光武器首先打击距离航母斜距最近的目标。

(6)打击火力分配。舰艇编队内舰载激光武器能够协同分配火力,目标进入舰载激光武器的打击范围时,首先由与之斜距最近的舰载激光武器进行打击,若该武器处于打击状态,则由相对斜距次之的舰载激光武器进行打击,以此类推；其余舰载激光武器选择打击有利度最佳的目标进行打击,打击窗口内,打击有利度主要由导弹相对于舰载激光武器的斜距判定。斜距较小,打击有利度较佳。

(7)在所有反舰导弹来袭过程中,由于编队机动速度相对于导弹攻击速度很小,假定舰艇编队相对于反舰导弹保持静止(即反导作战中舰艇都不进行机动),且编队内各作战舰艇相对于航母,以及各作战舰艇相互之间的位置保持相对固定(即舰艇编队的作战队形不进行调整)。

(8)由于该反舰导弹战斗部采用高爆弹药,且装药量巨大,一枚导弹击中就可能给舰艇造成致命打击。因此,当第一枚反舰导弹抵达红方航母时,意味着反舰导弹成功突防,舰载激光武器的打击时刻终止。

(2)

(3)

红方舰载激光武器的位置坐标分别为:P1(0,100,0)、P2(70.7,70.7,0)、P3(100,0,0)、P4(70.7,-70.7,0)、P5(0,-100,0),公式中数值单位皆为千米。

4.3 仿真分析

运用MATLAB仿真。以舰载激光武器的打击目标数作为分析重点,对红方编队舰载激光武器抗击反舰导弹LRASM饱和攻击的过程进行模拟。根据反舰导弹攻击航路将舰载激光武器对目标的打击过程分为三个阶段:打击中空巡航目标阶段、打击降高突防目标阶段以及打击掠海飞行目标阶段。反舰导弹的进攻总数为296枚,初始时刻在导弹进入曲面随机296个坐标,并对所有来袭目标进行编号,此后根据导弹的运动状态设置方向向量每秒进行1次迭代。用0、1矩阵表示每枚导弹的打击状态,1表示该枚导弹正处于被打击中,0表示导弹没有被打击。若导弹状态为1,则对打击导弹的时间进行判断,如时间大于14 s,则表示舰载激光武器有效完成了对目标的锁定、跟瞄和照射,判定导弹被击毁。5座舰载激光武器一次最多同时打击5个不同的目标,在打击窗口内舰载激光武器每成功打击1个目标则将其剔除。同理,用0、1矩阵表示每座舰载激光武器的打击状态,1表示舰载激光武器正对目标实施打击,0表示武器处于闲置状态。每次进行火力分配时先对舰载激光武器的打击状态进行判定,若其状态为1则不对其分配打击目标,并且对状态为1的舰载激光武器在打击时间为14 s时自动将其状态调整为0。

图7为红方舰艇编队舰载激光武器的作战区域。

图7 红方编队舰载激光武器作战区域

通过仿真,根据反舰导弹的运动状态,第一阶段打击时间625 s,5座舰载激光武器成功击毁了从不同方向同时来袭的156枚反舰导弹。将击毁目标剔除,舰载激光武器对剩余的140枚反舰导弹继续抗击,第二、三阶段打击总时间为322 s,由于反舰导弹降高掠海突防,舰载激光武器对处于该阶段的目标打击能力受限,这两个阶段舰载激光武器仅成功击毁了27个目标。因此,综合导弹的目标特性和舰载激光武器的打击能力,该特定作战场景下舰载激光武器对296枚饱和攻击的反舰导弹总体毁伤数量为183,大于180,足以完成红方上级分配的任务。

如果作战场景不变,打击条件不变,改变舰载激光武器单次抗击单个目标的作战时间,得到如图8所示的仿真结果。其中横坐标表示击毁单个目标的作战时长,纵坐标表示击毁目标总量。

图8 舰载激光武器打击单个目标时间和毁伤目标数量的关系

由仿真结果可知:舰载激光武器抗击导弹的数量与系统反应时间成反比。如果武器系统平均反应时间为24 s,则红方编队编成内5座舰载激光武器只能有效抗击124枚反舰导弹；如果武器系统作战平均反应时间缩短为8 s,则5座舰载激光武器将能够有效抗击208枚反舰导弹。要完成红方上级的任务,则舰载激光武器单次抗击单个目标的时间不得超过14.2 s。

作战场景不变,打击条件不变。改变舰载激光武器的最大作战距离,通过多次仿真,得到图9所示舰载激光武器对反舰导弹的最大作用距离和毁伤目标数量的关系。

图9 舰载激光武器最大打击距离和毁伤目标数量的关系

从仿真结果可知:舰载激光武器的最大作用距离越远,在满足打击条件时,武器系统将获得对目标更多的抗击时间,从而有效毁伤更多的目标。本场景中如果舰载激光武器最大作战距离只有50 km,舰载激光武器将只能够抗击80枚反舰导弹；而当舰载激光武器的最大打击达到200 km时,5座舰载激光武器可以有效抗击183枚反舰导弹。要完成上级的任务,舰载激光武器的最大打击距离不得低于198 km。

作战场景不变,打击条件不变,改变红方作战舰艇与航母之间的相对距离,通过仿真,得到图10不同状态下5座舰载激光武器的毁伤目标数量情况。

图10 作战舰艇与航母相对距离同毁伤目标数量的关系

从仿真结果可以得出,该作战场景下如果各作战舰艇距离航母纵深为80 km左右时能够获得最佳的打击效果,此时舰载激光武器可以有效抗击的反舰导弹数量为最大值196枚。因此,舰载激光武器在作战过程中要根据作战能力选择最佳的配置位置从而获取最佳打击效能。

5 结 语

随着激光武器技术的不断成熟,舰载激光武器在未来反导作战中必将发挥出日益重要的作用。本文根据反舰导弹的目标特性,结合舰载激光武器的打击能力,构建典型的作战运用场景对多座舰载激光武器抗敌反舰导弹饱和攻击情况进行了深入分析。通过仿真得出了舰载激光武器的不同作用距离,不同系统反应时间以及作战舰艇与航母相对位置不同时,与作战目标毁伤数量之间的定量关系,为实战中舰载激光武器的部署和运用提供了理轮支撑。提高舰载激光武器的毁伤能力是其实战化运用的关键,而其毁伤导弹的能力与武器的作战功率和激光光束质量密切相关。因此,研究适合于舰载平台搭载、出光功率更高、光束质量更佳的高能激光器仍然是今后舰载激光武器技术研究的重点。此外,作战过程中舰载激光武器与舰载常规武器协同运用的火力分配问题也有待下一步深入探讨。