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美軍曾發(fā)展了多種激光武器,但是多數(shù)項(xiàng)目由于經(jīng)費(fèi)和技術(shù)等問題被取消。在反導(dǎo)方面,美軍也曾探索了天基、空基、海基臺以及地基激光武器平臺。其中發(fā)展相對成熟的是空基機(jī)載激光武器(ABL)。

ABL的主要任務(wù)是在數(shù)百千米外利用定向能摧毀處于助推段的彈道導(dǎo)彈。ABL由改裝后的波音747-400F飛機(jī)、高能化學(xué)激光器、光束控制與火控系統(tǒng)、作戰(zhàn)管理及指揮控制系統(tǒng)4大部分組成。飛機(jī)后半部安裝有諾思羅普·格魯曼公司研制的由6個(gè)模塊組成的兆瓦級化學(xué)氧-碘激光器。截至2012年,ABL系統(tǒng)已完成一系列試驗(yàn),高能激光器最長持續(xù)出光時(shí)間達(dá)到5.25秒。奧巴馬政府上臺后經(jīng)過評估認(rèn)為,ABL計(jì)劃存在技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)高、實(shí)戰(zhàn)化難度大等一系列問題,于2012年正式取消該研制計(jì)劃。在此之前,該項(xiàng)目研發(fā)時(shí)間已經(jīng)接近16年,總耗資超過50億美元。該項(xiàng)目失敗的原因總體來說包括復(fù)雜的化學(xué)激光武器的限制、民用飛機(jī)性能的限制等。但是,美國國防部導(dǎo)彈防御局表示,并未放棄利用空基激光武器實(shí)施彈道導(dǎo)彈助推段攔截的構(gòu)想,只是設(shè)想的方案由過去基于波音747-400F改成了高空長航時(shí)無人機(jī)。

2016年2月2日,導(dǎo)彈防御局在其提交的2016財(cái)年預(yù)算中,通過“定向能研究”(DER)項(xiàng)目安排了高空無人機(jī)以激光探測和攔截助推段彈道導(dǎo)彈的研究工作。2016～2020財(cái)年總的計(jì)劃預(yù)算是2.57億美元。2016年8月26日,導(dǎo)彈防御局在美國聯(lián)邦政府的“聯(lián)邦商機(jī)”網(wǎng)站上發(fā)布了先進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新跨部門公告,尋求“用于導(dǎo)彈防御的激光武器演示器”解決方案。這是該局發(fā)展高空長航時(shí)無人機(jī)搭載激光助推段反導(dǎo)計(jì)劃的重要一步。2017年6月,美國導(dǎo)彈防御局披露其計(jì)劃研制能夠攔截洲際導(dǎo)彈的無人機(jī)載激光武器,對運(yùn)載平臺無人機(jī)提出了規(guī)格要求。

無人機(jī)平臺

根據(jù)攔截作戰(zhàn)需求,作為激光器攜載平臺的無人機(jī)一方面應(yīng)具備一定的預(yù)警探測、跟蹤制導(dǎo)、數(shù)據(jù)處理及遠(yuǎn)程快速傳輸和作戰(zhàn)效果評估能力以滿足助推段攔截需求;另一方面還要保證無人機(jī)的作戰(zhàn)適宜性,具備隱身防衛(wèi)、長航時(shí)滯空、空中快速機(jī)動到達(dá)戰(zhàn)場能力。

根據(jù)美國導(dǎo)彈防御局發(fā)布的公告中提出的性能規(guī)格需求,要求高空長航時(shí)無人機(jī)的飛行高度在63000英尺以上(約2萬米),留空時(shí)間36小時(shí)以上(包括從3000千米外的基地飛行至目標(biāo)上空的能力),在執(zhí)行任務(wù)區(qū)域巡航速度達(dá)馬赫數(shù)0.45,能夠承載最低5000磅(約2268千克),最高12500磅(5670千克)有效載荷。要為激光武器提供電能,在不影響飛行性能的情況下,保持激光器供電時(shí)間不少于30分鐘。支持1~2米口徑光學(xué)有效載荷。具備低空震動特性,角位移小于50毫弧度。具備地面持續(xù)控制能力。但對于這些要求,美國現(xiàn)役的各型無人機(jī)都不能達(dá)標(biāo)。

RQ-4“全球鷹”的最大有效載荷為1360千克,最大飛行高度約合18.3千米,無法達(dá)到導(dǎo)彈防御局對無人機(jī)載荷和飛行高度的要求。MQ-9“死神”的最大有效載荷、飛行高度、也無法滿足要求。因此,對于美軍需要對現(xiàn)役的飛機(jī)進(jìn)行升級改造。自20世紀(jì)90年代末起,洛克希德•馬丁公司提出一系列研發(fā)無人版U-2S偵察機(jī)的建議,提出了無人版U-2U的設(shè)計(jì)來代替美空軍RQ-4“全球鷹”進(jìn)行高空偵察。2014年,“臭鼬”工廠的研發(fā)小組再次提出無人版U-2偵察機(jī)的概念,但隨即又放棄了該概念,提出研發(fā)具有隱身能力的無人/有人通用版U-2繼任者TR-X。U-2偵察機(jī)的最大載荷為2270千克,作戰(zhàn)上限大于7萬英尺(約合21.3千米),能夠滿足導(dǎo)彈防御局的要求。這種有人/無人通用的U-2飛機(jī)是一個(gè)可行的選擇。

激光器

激光器是實(shí)施助推段反導(dǎo)的關(guān)鍵部件。在對付液體燃料推進(jìn)的彈道導(dǎo)彈時(shí),激光武器將只需少數(shù)幾秒即可摧毀目標(biāo)。對付固體燃料彈道導(dǎo)彈則需要更長時(shí)間。為了縮短照射時(shí)間,需要提高激光器的功率。根據(jù)研究,要摧毀1枚彈道導(dǎo)彈,激光器的功率需要達(dá)到1兆瓦以上。

目前,美國導(dǎo)彈防御局正在發(fā)展3種類型的激光武器:一是二極管泵浦的堿金屬激光武器;二是光纖合成激光武器;三是工業(yè)部門提出的創(chuàng)新方案。其中第三種方案包括光譜和相干合成激光波束以達(dá)到高功率水平的技術(shù),緊湊的平面波導(dǎo)激光器技術(shù),以及液冷盤形激光器技術(shù)。上述激光技術(shù)都是目前非常先進(jìn)的激光技術(shù),克服了化學(xué)激光器的缺點(diǎn)。

美國防部僅成功演示過功率34千瓦的合成光纖激光器和功率10千瓦的二極管泵浦堿金屬激光器(DPAL)。這兩種激光技術(shù)在實(shí)現(xiàn)很高的平均功率和非常低的系統(tǒng)質(zhì)量方面都有良好的前景。導(dǎo)彈防御局和美國防部國防高級研究計(jì)劃局未來將合作建造一臺50千瓦級的合成光纖激光器,并在2017～2018財(cái)年將其功率提高到數(shù)百千瓦,并最終提高到兆瓦級。這項(xiàng)工作的第一步是制造和集成質(zhì)量功率比達(dá)到5千克/千瓦的光纖激光器。

動態(tài)環(huán)境光束控制、瞄準(zhǔn)跟蹤系統(tǒng)

2016年8月,導(dǎo)彈防御局先進(jìn)技術(shù)計(jì)劃執(zhí)行負(fù)責(zé)人理查德•馬特洛克對《飛行國際》透露了以下信息:在為高空長航時(shí)無人機(jī)配裝高能激光武器以攔截助推段洲際彈道導(dǎo)彈之前,導(dǎo)彈防御局將先突破在遠(yuǎn)距離上建立激光束穩(wěn)定性并確保在目標(biāo)瞄準(zhǔn)點(diǎn)上駐留時(shí)間的技術(shù)。

激光武器光束控制和瞄準(zhǔn)跟蹤系統(tǒng)是無人機(jī)助推段反導(dǎo)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),目前取得了一定的進(jìn)展。但是將激光武器與載機(jī)平臺相結(jié)合,激光武器不可避免的要受到載機(jī)平臺振動和噪聲等以及外部環(huán)境的影響。這些因素對無人機(jī)載激光武器的光束控制和高精度的瞄準(zhǔn)和跟蹤帶來嚴(yán)重的技術(shù)困難。因此,在進(jìn)一步研究激光光束控制技術(shù)的同時(shí),應(yīng)深入開展在載機(jī)動態(tài)環(huán)境下無人機(jī)載激光武器的高減振致穩(wěn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。同時(shí),必須重新分析跟蹤瞄準(zhǔn)誤差,開展高精度隨動跟蹤技術(shù)研究,研究新的精密瞄準(zhǔn)與跟蹤系統(tǒng)用來捕獲、跟蹤目標(biāo),引導(dǎo)光束瞄準(zhǔn)射擊,并判斷毀傷效果。激光武器適應(yīng)動態(tài)作戰(zhàn)環(huán)境是無人機(jī)載激光武器能夠摧毀目標(biāo)的重要保證。

利用無人機(jī)攜帶激光武器進(jìn)行反導(dǎo)作戰(zhàn)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在助推段的攔截優(yōu)勢、無人機(jī)平臺的作戰(zhàn)優(yōu)勢和激光武器的優(yōu)勢3個(gè)方面。

助推段攔截優(yōu)勢

在彈道導(dǎo)彈3個(gè)飛行階段中,從易摧毀性的角度來看,助推段最容易被攔截:

其一,處于助推段的導(dǎo)彈彈頭與彈體沒有分離,整個(gè)導(dǎo)彈體型巨大,同時(shí)發(fā)動機(jī)尾焰紅外特征信號強(qiáng)因而易被對方探測。

其二,處于助推段的彈道導(dǎo)彈飛行速度較慢,并且無法像飛行中段/末段那樣采取機(jī)動變軌、有源/無源干擾等突防措施,因而更易于跟蹤和攔截。

其三,助推段導(dǎo)彈燃料箱內(nèi)充滿燃料,同時(shí)導(dǎo)彈因處于加速狀態(tài)而承受氣動壓力,彈體較為脆弱,很容易因外部打擊而破損、斷裂以至完全解體。

對于目前正在探討發(fā)展中的激光武器等新概念反導(dǎo)武器來說,用于助推段反導(dǎo)時(shí)才能發(fā)揮出最佳的攔截效果。因?yàn)槟壳暗膹椀缹?dǎo)彈為解決重入大氣層時(shí)與空氣摩擦產(chǎn)生高溫的問題,其彈頭通常都配備有高性能的耐熱防護(hù)層,這會增大激光武器對其打擊時(shí)的難度,而在助推段則不存在這樣的問題。

無人機(jī)的優(yōu)勢

空基發(fā)射的優(yōu)勢體現(xiàn)在多個(gè)方面:

首先,由于高空長航時(shí)無人機(jī)飛行高度很高,可以最大程度避免大氣環(huán)境和云層對激光武器運(yùn)用的不利影響。

其次,空基平臺可為助推段攔截提供一個(gè)搭載各種攔截載荷,從實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)彈目標(biāo)的預(yù)警探測,到精確跟蹤制導(dǎo)和攔截,最后到攔截效果評估的全要素的反導(dǎo)平臺。

采用隱身無人機(jī)作為空基平臺,一是利用隱身能力可以避免對制空權(quán)的過度依賴,為攔截提供更接近導(dǎo)彈發(fā)射點(diǎn)的作戰(zhàn)優(yōu)勢;二是利用無人機(jī)可以提供長時(shí)間的駐空巡邏和反導(dǎo)戰(zhàn)備值班,規(guī)避了人員疲勞和傷亡的風(fēng)險(xiǎn)。助推段反導(dǎo)具有比中段和末段更高的作戰(zhàn)效能,再加上空基平臺提供的作戰(zhàn)優(yōu)勢,將使空基反導(dǎo)具備更高的作戰(zhàn)效能。

激光武器的優(yōu)勢

激光武器反應(yīng)迅速,火力轉(zhuǎn)移快,在鎖定高速飛行目標(biāo)的同時(shí),便能做到瞬時(shí)打擊。將激光武器裝備在無人機(jī)上能夠有效避開地面建筑物以及近地面復(fù)雜空氣流場對激光光路的干涉、散射,在有效避開地面的干擾后,激光武器的攔截效率將大大提高。激光武器的作戰(zhàn)效費(fèi)比較高,雖然無人機(jī)載激光武器前期研制費(fèi)用高,但相比于一次性攔截導(dǎo)彈的作戰(zhàn)經(jīng)費(fèi),機(jī)載激光武器攔截費(fèi)用較低。一枚攔截導(dǎo)彈價(jià)值數(shù)萬甚至數(shù)十萬美金,而發(fā)射一次化學(xué)激光費(fèi)用只需2000美元左右。

攔截彈道導(dǎo)彈

激光武器系統(tǒng)作戰(zhàn)原理為:遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)捕獲來襲的導(dǎo)彈目標(biāo),并將目標(biāo)信息數(shù)據(jù)傳送給總體控制分系統(tǒng),總體控制分系統(tǒng)通過目標(biāo)分配與坐標(biāo)變換,引導(dǎo)光束控制分系統(tǒng)捕獲并鎖定目標(biāo),使發(fā)射望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)目標(biāo)。當(dāng)目標(biāo)處于適當(dāng)位置時(shí),總體控制分系統(tǒng)發(fā)出攻擊命令,高能激光器系統(tǒng)發(fā)出光束,經(jīng)光束控制分系統(tǒng)射向來襲導(dǎo)彈,對其進(jìn)行破壞。機(jī)載激光武器能量大、發(fā)射頻率高且響應(yīng)迅速,因此能夠?qū)?dǎo)彈在空中燒穿、引燃或引爆,使其在空中解體,失去威脅。對于戰(zhàn)術(shù)級或戰(zhàn)略級的彈道導(dǎo)彈,由于在空間中失去空氣動力且僅受地球引力的影響,因此運(yùn)行軌跡是確定的。空基激光武器可以通過觀測解算對方導(dǎo)彈的空間位置及軌跡,在空間中對彈道導(dǎo)彈進(jìn)行攻擊。沒有了大氣層內(nèi)諸多干擾因素的影響,激光武器在空間中能夠更好地發(fā)揮效能,短時(shí)間內(nèi)將導(dǎo)彈燒穿、引燃或引爆,使敵方的導(dǎo)彈在空間中喪失威脅。激光武器相比于攔截彈,其成本更加低廉,美國可以在更多的陣地部署激光武器,反導(dǎo)覆蓋區(qū)域?qū)⒋蟠笤黾?。其響?yīng)速度更快,能夠在探測到導(dǎo)彈威脅的第一時(shí)間啟動并發(fā)動攻擊,這將為美國提供更多的評估決策時(shí)間。發(fā)射次數(shù)不受限制,僅消耗電能,只要電力充足,激光武器能夠多次開啟,在短時(shí)間內(nèi)攻擊多個(gè)目標(biāo)。

打擊彈道導(dǎo)彈發(fā)射裝置

除了通過對助推段彈道導(dǎo)彈的發(fā)現(xiàn)和跟蹤為后方導(dǎo)彈防御體系提供快反能力和早攔機(jī)會之外,激光武器還可執(zhí)行打擊彈道導(dǎo)彈發(fā)射車的任務(wù)。實(shí)際上,美國很早就認(rèn)識到空基助推段攔截裝備具備打擊彈道導(dǎo)彈發(fā)射車的能力。美國蘭德公司早在1997年完成的報(bào)告《空基助推段和上升段導(dǎo)彈防御:選擇與問題》就提出,助推段/上升段攔截任務(wù)與對地攻擊任務(wù)之間有數(shù)種可能的協(xié)同方式,其中最有可能的就是在彈道導(dǎo)彈發(fā)射之后,通過對地攻擊來摧毀機(jī)動式彈道導(dǎo)彈發(fā)射車及其相關(guān)的裝備;用于助推段/上升段攔截的目標(biāo)捕獲解決方案也能提供精確的逆推處理,從而確定出彈道導(dǎo)彈的發(fā)射位置。因此,用于助推段攔截的無人機(jī)及其傳感器和機(jī)載武器,不僅能夠執(zhí)行助推段攔截任務(wù),還能夠執(zhí)行發(fā)射后的打擊任務(wù)。

攔截高超聲速飛行器

美軍對于無人機(jī)載激光武器助推段反導(dǎo)有作戰(zhàn)需求,需要融入現(xiàn)有的導(dǎo)彈防御系統(tǒng)內(nèi),以充分利用現(xiàn)有的預(yù)警探測系統(tǒng)。它能夠補(bǔ)充諸如“愛國者”、“薩德”和“宙斯盾”等常規(guī)的導(dǎo)彈防御系統(tǒng),可防御高超聲速飛行器。目前,世界大多數(shù)防空導(dǎo)彈攔截高度均在20千米以下,也就是說難以達(dá)到對在巡航段飛行的高超聲速巡航導(dǎo)彈的射擊條件。而彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的作戰(zhàn)高度幾乎不在20～40千米的高度范圍內(nèi)。例如,美國“愛國者”PAC-3針對彈道導(dǎo)彈目標(biāo)的射高在15～20千米,勉強(qiáng)達(dá)到高超聲速巡航導(dǎo)彈的飛行高度;“薩德”攔截彈、“標(biāo)準(zhǔn)-3”攔截彈對彈道導(dǎo)彈的射高分別在40～150千米、70～500千米,均超出了高超聲速巡航導(dǎo)彈的飛行高度,從而不具備對其攔截能力。由于高超聲速巡航導(dǎo)彈的受載飛行段與彈道導(dǎo)彈的助推段所面臨的作戰(zhàn)條件極為相似,因此可采取的防御措施也類似。從美軍的實(shí)踐看,對于彈道導(dǎo)彈助推段的攔截,主要制定了機(jī)載激光武器系統(tǒng)、天基或臨近空間激光武器系統(tǒng)等方案。可見,激光武器仍然是實(shí)施高超聲速飛行器有效攔截的舉措之一。