亞軌道與太空安全
以太空安全防禦應用為背景，介紹亞軌道概念、運動學和動力學特性等。包括亞軌道定義及運動特性，亞軌道在太空安全防禦中的重要性，以及典型亞軌道飛行器。
1亞軌道定義及運動特性
1）亞軌道定義
亞軌道飛行是相較於軌道飛行來說的，指在地球引力作用下飛行且軌跡與地球表面相交的航天器。亞軌道飛行的最高點必須高於卡門線，即海拔一百公里的大氣層上界面，否則空氣阻力將使得軌道不確定，從而不能認定為亞軌道飛行。由於它通常用於運輸彈道導彈的緣故，故又被稱為彈道軌道。
2）亞軌道飛行的運動特性
通常認為，亞軌道飛行是在距地球35到300公里高空進行飛行，其飛行高度到達了了臨近空間頂層、但速度尚不足以完成繞地球軌道運轉。所以，亞軌道飛行可以看作是近地點附近軌道在地面以下的橢圓軌道，也可以看作是一種非理想狀態下、特殊的拋體運動。亞軌道飛行器初始速度值未必小於第一宇宙速度，但肯定小於第二宇宙速度，一般在5~15馬赫之間。
亞軌道飛行與軌道飛行的最大區別在於亞軌道不能環繞地球一周。因此，在亞軌道飛行仍然主要受到地球引力牽引，但在一定時間內（高於卡門線，失去空氣阻力的時）可以體驗到失重的感覺。亞軌道飛行主要用於彈道導彈與太空旅遊，彈道導彈由於需要落回地面，所以使用亞軌道。而太空旅遊為了節約成本，減少發射時燃燒的燃料，也使用亞軌道飛行。美國水星計劃的最初幾艘飛船也是進行了亞軌道飛行，為後來的軌道飛行打下基礎。
2亞軌道動力學
亞軌道和拋射體一樣，通過改變拋射角度，可以在很大範圍內隨意調整彈道的最高點、射距與落點。作為典型的亞軌道飛行器，各種射程的彈道導彈是遠程打擊和導彈防禦的重要手段。因此，本節主要介紹彈道導彈飛行的動力學特徵。
1）彈道導彈運動特點
彈道導彈在火箭發動機推力作用下按預定程序飛行，關機後按自由拋物體軌跡飛行的導彈。這類彈道在導彈發射前是預先規定的，適用於攻擊固定目標，導彈發射後一般不能隨意改變，只能沿預定曲線飛向目標。這是與有翼導彈和巡航導彈存在區別的。
彈道導彈的飛行軌跡（彈道）一般分為主動段和被動段，主動段（又稱動力飛行段或助推段）是導彈在火箭發動機推力和制導系統作用下，從發射點起飛到火箭發動機關機時的飛行路徑；被動段包括自由飛行段和再入段，是導彈按照在主動段終點獲得的速度和姿態初值作慣性飛行，到彈頭起爆的路徑（一些帶有突防功能的導彈在中段和再入時存在機動）。
以某一洲際彈道導彈為例：導彈在發射台上點火，當其推力超過導彈所受的重力後，導彈從發射台上起飛，作垂直上升運動，垂直上升段的持續時間為10秒左右，此時離地面的高度約200米，速度約40米/秒。此後，導彈在控制系統作用下，開始轉彎，並指向目標。隨著時間的增長，導彈的飛行速度、飛行高度及飛行距離逐漸增大，而彈道傾角（導彈飛行速度矢量與地平線的夾角）逐漸減小。到發動機關機時，即到主動段終點時，導彈的速度約7000米/秒，該點離地面高度約為200公里，離發射點的水平距離約為700公里。在自由段的升弧段飛行高度繼續增大，飛行速度下降，當到達彈道最高點（約1000公里）時，飛行速度為自由段的最小值。從此，彈道開始下降，飛行速度開始增大，當到達再入點時，飛行速度達到7000米/秒以上。進入大氣層後，由於空氣阻力的作用，飛行速度又開始下降，直到落地。
2）彈道導彈動力學特性
導彈飛行時所受的力主要有地球引力、發動機推力、空氣動力和控制力等。地球引力是地球萬有引力對導彈的作用力，它與地球形狀和地球內部質量分布有關。發動機推力是導彈發動機噴流產生的反作用力，是導彈飛行的主動力。空氣動力是導彈相對於空氣運動時，產生作用於導彈的力，空氣動力可分解為阻力和升力，阻力與氣流方向相反，升力垂直於氣流方向。空氣動力與導彈飛行速度、飛行攻角和大氣環境等有關。控制力是為了改變導彈的飛行姿態而需要的力，控制力的產生可通過擺動發動機、燃氣舵、空氣舵等方式來實現。這些作用力都有對應的計算方程，有興趣的小夥伴可以參考相關文獻資料，或者與我們交流。
主動段動力學特性
在主動段，導彈的飛行是有控的。根據射程不同，導彈主動段飛行時間約幾十秒到幾百秒不等。此時，作用在導彈上的力有推力、空氣動力、控制力、地球引力和由於地球旋轉引起的慣性力等。推力和控制力通常不能精確已知，變質量過程也很難準確描述，導致導彈的動力學模型複雜化，無法建立準確的運動模型。此外，主動段的姿控轉彎段和級間分離等特徵點還表現出高機動特性，這進一步加大了運動特性分析、建模及跟蹤等的難度。
自由飛行段動力學特性
自由段飛行時間較長，如洲際彈道導彈的自由段飛行時間可長達數千秒。在自由飛行段，導彈彈頭與彈體分離，彈頭依靠在主動段終點獲得的能量，在接近真空的環境下作慣性飛行，此時，作用在彈頭上的主要作用力是地球引力和地球旋轉引起的慣性力，其它作用力相對較小，統稱為攝動力。自由段動力學特性與地球軌道衛星類似，是典型的橢圓軌道（開普勒軌道，但與地球存在交點），並在攝動力的擾動下逐漸偏離原軌道。
再入段動力學特性
再入段是彈頭再入稠密大氣層一直到落點的一段彈道。再入段起始點的高度一般為80公里左右。此時，導彈飛行處於稠密的大氣層內，彈頭將受到巨大的空氣動力的作用（可達數g到數十g），飛行時間約數十秒。再入飛行時間較短，距離地面較近，可以忽略地球自轉和公轉的影響，且不考慮其它天體引力。
空氣動力相對複雜，它與大氣密度、飛行速率和彈體有效截面積均有關。
3亞軌道與太空安全防禦
各種射程的彈道導彈是遠程打擊和太空防禦的重要手段，此外，通過配置適當的機動能力，實現航天器在軌道與亞軌道飛行間的轉換，可以達到星彈的有機結合，提高空間打擊與防禦的範圍和響應速度。因此，導彈突防與反導、軌道與亞軌道的結合等都是太空安全防禦需要涉及的重要領域。
1）彈道導彈突防
突防技術是提高彈道導彈生命力的重要措施，已成為新型彈道導彈的基本設計要素。目前擁有彈道導彈的軍事強國，都在想方設法研究和應用速燃發動機、隱身、彈道機動、多彈頭、施放大量誘餌等突防技術，使彈道導彈突防能力得到顯著提高。突防技術應用已由戰略彈道導彈發展到戰術彈道導彈、由最初採取個別措施發展到主動和被動多種突防措施綜合利用，全面降低信號特徵，追求突防效果的階段。與動力學相關的突防技術可結合導彈不同的飛行階段展開，可以分為助推段發動機突防和機動彈頭突防等。
助推段突防技術對彈道導彈助推段突防起著至關重要的作用。國外先進軍事大國都在彈道導彈上採用了速燃發動機技術並研究了大燃面葯型設計方法，以提高推力、減少助推段飛行時間，從而減小了主動段被發現和識別的概率。如俄羅斯的「白楊－M」導彈採用了含有硝基胺硝醯胺的高能推進劑和丁羥加奧克托金複合推進劑，並通過改變氧化劑的含量，顆粒尺寸和加入燃速調節劑等措施提高燃速，其助推段飛行時間據稱已低於45秒，可在大氣層內實現關機。此外，「白楊－M」導彈還在發動機上應用了柔性擺動噴管和輕質複合材料殼體等技術，可相對靈活的改變助推段飛行方向，進一步提高了導彈機動能力，增加了飛行軌跡的不可預測性。柔性擺動噴管等技術為彈道導彈主動段自旋飛行提供了技術基礎，可以有效對抗激光武器攔截，是提高主動段突防能力的另一有效手段。但導彈自旋飛行引起的運動耦合、控制耦合及其它效應容易導致彈體失穩，實現較強耦合作用下彈道導彈自旋飛行姿態穩定控制等都還是亟待解決的問題。
機動彈頭可以規避反導攔截彈的攔截，被認為是彈道導彈最重要的反攔截技術之一。上世紀70年代初，為進一步解決戰略彈道導彈的突防問題，美國就著手研製了不帶末制導系統的機動式多彈頭。70年代中期，美國又開始研製帶末制導系統的機動式彈頭。在這個時期，美蘇兩國還改進了分導式多彈頭，增加了彈頭數量，提高了命中的精度。早期的研究和應用主要集中於低空突防，為應對導彈防禦武器系統和技術的日益改進與提高，近年來美國和俄羅斯開始研究了戰略彈道導彈彈頭的高空機動技術，其中俄羅斯的「白楊－M」導彈已經開始了應用嘗試。該導彈採用高壓氣瓶、液壓作動筒移動鈾238核裝置的位置，即以改變彈頭質心的方法產生機動飛行的控制力距，實現彈頭的機動飛行。還在尾部還裝有8個用於調整姿態的徑向噴管，以保持彈頭良好的空氣動力外形，避免了採用空氣舵方式所帶來的許多問題。此外，「白楊－M」彈頭可以根據彈頭打擊區域反導系統防禦能力的強弱，預先裝定機動程序調整機動範圍的大小，俄羅斯在改進型SS－21「金龜子」戰術彈道導彈上也採用了預先編製程序的突防技術。
2）彈道導彈防禦
彈道導彈防禦系統是攔截敵方來襲的戰略彈道導彈的武器系統，它包括彈道導彈預警系統、目標識別系統、反彈道導彈導彈、引導系統和指揮控制通信系統，是國家戰略防禦系統的重要組成部分。眼下，除了美日，俄羅斯和以色列也有導彈防禦系統，印度正在建設之中。按照攔截來襲導彈的射程，通常把導彈防禦系統分成戰術和戰略兩種。世界上性能優良的現役戰術反導系統有「愛國者」－3系統、「宙斯盾」系統、「箭式」反導系統和「安泰－2500」反導系統、俄羅斯的S-300、S-400系統。
用於攔截敵方來襲彈道導彈的導彈又稱反導彈導彈，它是導彈防禦系統中打擊來襲目標的主要手段之一。反彈道導彈導彈採用彈道飛行方式與來襲目標彈道進行交會，通過撞擊等方式攔截來襲目標，阻止其打擊任務的執行，也是亞軌道飛行在太空防禦中的一項重要應用。通常反彈道導彈導彈分為兩類：①高空攔截導彈。又稱被動段攔截導彈。一般用於在大氣層外攔截來襲彈道導彈。②低空攔截導彈。又稱再入段攔截導彈或近程攔截導彈。用於在目標上空攔截來襲彈道導彈。反彈道導彈導彈的主要特點是反應時間短、命中精度高。其中，高空攔截導彈受到普遍重視。實戰時，可單獨部署使用，也可與低空攔截導彈配合部署使用，以提高其攔截概率。
反彈道導彈導彈主要由戰鬥部、推進系統、制導系統、電源系統和彈體等組成。與其亞軌道飛行估計密切相關的推進系統是使導彈獲得一定飛行速度的動力裝置，一般採用推力大、啟動時間短的固體火箭發動機。為了獲得良好的飛行加速性，通常由火箭主發動機和火箭助推器組成推進系統，能產生100g以上的加速度。當攔截來襲機動彈頭時，反彈道導彈導彈的末級發動機，一般採用推力和方向均可控制的固體火箭發動機，也可採用能多次啟動和調整推力的液體火箭發動機。
3）軌道與亞軌道結合——軌道武器
航天武器以空間軌道為部分飛行軌道的研究，即軌道導彈的研究最早出現在20世紀60-70年代。當時稱為「軌道武器」、「部分軌道武器」或「軌道轟炸武器」，並在以後被人們多次重複提及。
綜合來看，突破軌道機動優化控制技術，研製具有軌道與亞軌道靈活轉換能力的飛行器，是未來太空防禦戰場提高飛行器打擊和生存能力必須發展的一個領域。高效的軌道機動能力，可以使飛行器達到彈道導彈、軌道武器、反衛星武器和軌道轟炸器等的多位一體，有效提高亞軌道導彈靈活性、隱蔽性和突防能力，在生命周期內按需定製，滿足全天地、多任務打擊的需求。例如，利用這種飛行方式可以將導彈留軌部署，戰時採用自由落體或跳躍-滑翔機動方式，用極超高速再入大氣層攻擊地面目標，這基本上是不可攔截的。
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