现代防御技术
MODERN DEFENCE TECHNOLOGY

2024 年 10 月 第 52 卷第 5 期

☞飞行器技术☜

美国 KEI导弹发展研究及性能分析 *

* 收稿日期：2023-06-25 ; 修回日期：2023-11-15
第一作者简介：张旭(1998-)，男，山东泰安人。硕士生，研究方向为飞行器总体设计。

张旭，曾鹏，魏明英，李旭，薛建恒，王超
（北京电子工程总体研究所，北京 100854）

摘要：动能拦截弹(kinetic energy interceptor,KEI)主要用于拦截在助推段、上升段以及中段飞行的中远程和洲际弹道导弹，具有高速、高加速的特点。通过文献资料的研究分析和建模仿真，对 KEI导弹的总体参数、气动参数、动力参数进行了反设计和研究，并对 KEI导弹的飞行性能和拦截性能进行了仿真，结果表明：KEI导弹能够在约 60 s内加速至 6 km/s，并对典型目标具备在助推段/上升段拦截弹道导弹的能力，对国内拦截武器的发展和研究具有参考意义。

关键词：弹道导弹防御；助推段拦截；动能拦截弹；动能拦截；反设计

DOI：10.3969/j.issn.1009-086x.2024.05.005
中图分类号：TJ761.7
文献标志码：A
文章编号：1009-086X（2024）-05-0031-09

引用格式：张旭,曾鹏,魏明英,等.美国 KEI导弹发展研究及性能分析[J].现代防御技术,2024,52(5):31-39.
Reference format: ZHANG Xu,ZENG Peng,WEI Mingying,et al.Research on the Development and Performance Analysis of the KEI Missile in the United States[J].Modern Defence Technology,2024,52(5):31-39.

Research on the Development and Performance Analysis of the KEI Missile in the United States

ZHANG　Xu，ZENG　Peng，WEI　Mingying，LI　Xu，XUE　Jianheng，WANG　Chao
（Beijing Institute of Electronic System Engineering， Beijing 100854， China）

Abstract：Kinetic energy interceptor （KEI） is mainly used to intercept medium-range and intercontinental ballistic missiles flying in the boost phase， ascent phase and midcourse， with the characteristics of high speed and high acceleration. Based on the research and analysis of literature and modeling simulation， this paper conducts reverse design and research on KEI missile's overall parameters， aerodynamic parameters and dynamic parameters， and simulates KEI missile's flight performance and interception performance. The results show that KEI missile can accelerate to 6 km/s in about 60 s. It also has the ability to intercept ballistic missiles in the boost phase/ascent phase for typical targets， and has reference significance for the development and research of domestic interceptor weapons.

Key words：ballistic missile defense；boost segment interception；kinetic energy interceptor（KEI）； kinetic interception；anti-design

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0 引言

现代作战中，弹道导弹在战略和战术层面的应用中均可对目标造成极大的杀伤，拥有强大的作战潜能，因此，针对弹道导弹的拦截技术展开研究具有重要意义。近几十年各国高度重视弹道导弹防御拦截系统的技术研发，并逐渐完善弹道导弹防御拦截体系［1−2］。根据弹道导弹的飞行特性，导弹拦截过程主要分为三段四层：助推段/上升段、中段和末段，共 3段，末段又可分为末段高层与末段低层，共 4 层［3］。由于在助推段/上升段，弹道导弹尚未释放有效载荷和对抗措施［4−5］，目标识别和干扰对抗的难度较低，并且可以实现尽早拦截，因此，在助推段/上升段实施拦截是有效拦截弹道导弹的手段之一［6−7］。但在助推段拦截也面临着较大的挑战，主要在于拦截弹难以抵近弹道导弹的发射位置，导致拦截的时间窗口极短［8−9］。同时，目标处于加速状态，这就对拦截弹的速度和机动能力提出了很高的要求。

美国在近几十年陆续开展了助推段拦截的研究，其中突出成果有：网络中心机载防御单元（network centric airborne defense element，NCADE）［10］、机载激光（airborne laser，ABL）［11］、动能拦截弹（kinetic energy interceptor，KEI）［12］。其中美国在 2002年开始研究的 KEI导弹是用于在助推段/上升段或中段拦截敌方弹道导弹的机动性拦截弹，KEI导弹可以在约 60 s时间内加速到 6 km/s，使敌方弹道导弹在其发射飞行的最初几分钟内即失去作战能力［13］。KEI导弹曾经计划作为助推段拦截方案之一，并且经过几年研发在相关技术上取得了很大的进步，已多次成功完成火箭发动机点火试验和火控系统能力演示试验［14−15］。

本文将在已有 KEI导弹相关资料的基础上，运用反设计［16−17］方法，参照文献［18−20］中关于典型型号导弹的总体建模研究思路，对 KEI导弹飞行性能与拦截性能展开分析和研究。

1　KEI武器系统

地基 KEI武器系统主要由拦截弹、机动发射装置、指控、作战管理和通信（C2BMC）系统组成［21］。每个 KEI 营级作战单位有 5辆发射车（每辆车 2枚拦截弹）和 6辆运输 C2BMC系统的高机动性多用途轮式车，此外还有 1辆运载 C2BMC系统和4部 S波段天线的卡车。

KEI导弹的主要参数如表 1所示。该武器要求助推火箭具备高速、高加速能力。拦截弹上装载的红外导引头可以与现有的天基传感器和弹道导弹防御系统的地基雷达连接。机动的运输竖起发射装置用于运输和发射拦截弹。C2BMC系统用于接收传感器数据、计算火控解决方案并建立起与拦截弹的通信。

KEI武器系统在 2005—2008年间成功进行了第一、二级发动机静态点火试验，部分试验的研制进展如表 2所示。这些试验初步验证了这两级发动机应用于高加速度、高速度以及高机动能力导弹方案的可行性。

表 1 KEI 导弹的主要参数
Table 1 Main parameters of the KEI missile

表 2　2005—2008年 KEI系统的研制进展

2　KEI导弹基本情况

2.1 导弹外形尺寸

KEI导弹采用无翼无舵式气动布局，由整流罩、动能杀伤器、三级助推、二级助推和一级助推组成，其中，二级助推与三级助推均具备姿轨控动力系统。KEI导弹质量约为 7 500 kg，导弹一级长 11.8 m，最大弹径 1 m。导弹理论外形［13，22］如图 1所示。

2.2 动能杀伤器

KEI导弹的杀伤器由导引头、姿轨控动力系统及电子设备组成，如图 2所示。其中，动能杀伤器的双波段导引头衍生自“标准”-3导弹。KEI导弹的姿轨控发动机是新研制的超小型姿轨控系统，它是同类产品中推力较大的一种发动机，发动机具备以下特征：按瞄准、制导、导航和控制系统指令进行任意顺序开关的能力；高冲量和高推重比；高度可靠的操纵性能和较低的生产成本［23］。

2.3　KEI导弹工作过程

作战时，位于美国本土的 KEI火控与通信系统负责接收和处理来自卫星的弹道导弹数据，进行数据解密后将其发给战场上特定的一个 KEI营级单位。战场上该单位的 C2BMC系统将会识别目标、计算弹道，发射并导引 KEI对目标实施拦截。

KEI导弹发射后，首先按惯性制导加速度飞行，随后导弹与发射舰建立通讯。当第一级发动机工作结束时，进行助推分离，第二级发动机开始工作。此时，导弹继续从发射舰接收中段制导信息并用 GPS数据作为辅助。当第二级发动机工作结束后，第三级发动机第一脉冲开始工作，随后第三级姿控动力系统调整导弹航向，抛整流罩，第三级发动机第二脉冲开始工作，再次利用第三级姿控动力系统调整导弹航向。进一步，第三级分离时释放动能杀伤器。动能杀伤器借助发射平台的指示信息开始搜寻目标，并从跟踪目标导弹火箭发动机的尾焰转向跟踪目标导弹弹体。跟踪过程中，若红外导引头捕获目标，动能杀伤器的姿轨控动力系统将控制动能杀伤器机动飞行，直接碰撞摧毁目标，导弹的工作过程如图 3所示。

3 导弹气动性能分析

在对导弹进行气动性能分析时，使用气动特性估算软件［24］实现对导弹的气动反推，在已知几何外形和来流条件下估算导弹纵向和横向气动力系数。

根据计算结果，导弹轴向力系数在跨声速阶段变化较大，该阶段的气动载荷和气动干扰会对导弹的初制导过程产生较大的影响，因此，在后续研究中，应使初制导阶段的程序转弯（攻角转弯）在气动力急剧变化的跨声速之前结束。导弹各级的气动性能分析如图 4~6所示。

3.1 导弹第一级的气动性能分析

计算得到 KEI导弹第一级的气动特性曲线如图 4所示。导弹一级压心系数随攻角逐渐减小。其中，在 0°攻角时随马赫数逐渐增大，压心系数为 0.52~0.81；在其他攻角下随马赫数逐渐减小，压心系数为 0.19~0.43。导弹第一级压心靠前，静不稳定度较大，这对控制系统提出了较高的要求。

3.2 导弹第二级的气动性能分析

计算得到 KEI导弹第二级气动特性曲线如图 5所示。导弹二级压心系数随攻角逐渐减小。其中在 0°攻角时变化不大，压心系数为 0.71~0.73；在其他攻角下随马赫数逐渐减小，压心系数为 0.40~0.67。

3.3 导弹第三级的气动性能分析

计算得到 KEI导弹第三级气动特性曲线如图 6所示。导弹三级压心系数随攻角逐渐减小，随马赫数逐渐减小，整体变化不大，压心系数为 0.12~0.19。

4 导弹动力性能分析

查阅资料并使用工程估算法，结合反设计方法得到 KEI导弹的发动机主要参数：
第一级发动机满载质量约为 6 200 kg，空载质量约 500 kg，全长约 6.8 m，最大直径 1 m，工作时间约 34 s；
第二级发动机满载质量约为 1 100 kg，空载质量约 200 kg，全长约 1.9 m，直径 1.0 m，工作时间约 21 s；
第三级发动机满载质量约为 200 kg，空载质量约 100 kg，全长约 3.1 m，直径 1 m，发动机双脉冲总共工作时间约 8 s。

详细参数如表 3所示。

表 3　KEI导弹发动机参数

注：标（*）为反设计结果。

5 导弹弹道仿真

5.1 飞行性能分析

根据反设计获得的导弹总体参数、气动参数以及动力参数，建立了质点弹道仿真模型［25］，其中弹道坐标系上动力学方程的分量形式为

（1）
m ṽ = P cosα cosβ - X - mg sinθ，
mv θ̇ = P(sinα cosγ_v + cosα sinβ sinγ_v + Y cosγ_v - Z sinγ_v - mg cosθ)，
-mv ψ̇_v cosθ = P(sinα sinγ_v + Y sinγ_v - cosα sinβ cosγ_v + Z cosγ_v)，

式中：X、Y、Z为空气动力在速度坐标系上的投影；α为导弹攻角；β为导弹侧滑角；θ为导弹弹道倾角；γ_v为导弹速度倾斜角；ψ̇_v为导弹弹道偏角；P为导弹发动机推力；g为重力加速度，它与导弹所处高度相关，导弹在一定高度处重力加速度为

（2）
g = g₀ R₀² / (R₀ + h)²，

式中：g₀为地球表面重力加速度，本文取 g₀ = 9.8 m/s²；R₀为地球半径。

通过弹道仿真分析，得到了不同弹道的飞行性能，图 7为斜距-高度、斜距-速度以及时间-速度的对比曲线。由结果可知，导弹一级关机点高度为 23~28 km，速度为 1 100~1 206 m/s；导弹二级关机点高度为 48~130 km，速度为 4 454~4 871 m/s；导弹三级关机（即发射后第 63 s）点高度为 67~236 km，速度为 6 001~6 745 m/s。由此可验证本文建模的 KEI导弹具备约 60 s内加速到 6 km/s的能力。

5.2 拦截能力分析

本节以中程弹道导弹为典型目标，对 KEI导弹拦截能力进行分析。拦截中程弹道导弹的仿真初始条件如表 4所示。

表 4　仿真初始条件

将拦截弹分别部署在距离目标发射点 200 km 与 400 km位置处，可拦截空域曲线如图 8~9所示，计算得到拦截弹与目标弹在拦截空域中的典型参数如表 5~6所示。其中，拦截弹、目标弹的航程为相应飞行轨迹在地面上的投影，详见表 5~6、图 8~9中标记处。通过分析可拦截空域，可知本文经过反设计的 KEI导弹部署在距离目标发射位置 200 km处时具备助推段的拦截能力；部署在距离目标发射位置 400 km处时具备上升段的拦截能力。

表 5　可拦截空域典型参数（拦截弹）

表 6　可拦截空域典型参数（目标弹）

6 结束语

助推段拦截是弹道导弹防御的一种重要手段。KEI导弹是美国研制的助推段拦截弹，主要用于在助推段、上升段以及中段拦截中远程和洲际弹道导弹。本文对 KEI导弹的总体参数、气动参数、动力参数和飞行性能以及拦截能力进行了分析和研究。KEI导弹由拦截器和三级助推组成，采用无翼无舵式气动布局，其发动机具备高速、高加速的能力。本文通过弹道仿真分析导弹的飞行性能，以典型弹道导弹型号为目标，对导弹拦截能力进行仿真，结果表明：经本文反设计的 KEI导弹能够在 63 s内加速至 6.746 km/s，具备在距离目标 200~400 km位置对弹道导弹的助推段/上升段进行拦截的能力。相关研究结果对国内相关导弹的发展和研究具有参考意义。

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