美國《空天力量》雜誌2017年夏季刊發表了題為《如何對抗威脅飛機的無人機“空中雷場”》的文章,對無人機面臨的空中威脅進行了評估,並探討如何打擊空中無人機蜂群。 作者是萊斯利·霍克,現任美國空軍總部特種技術作戰主任。 其曾任指揮飛行員,擁有超過2100 小時的飛行經驗;另一作者約翰·蓋斯是美國空軍退役上校,現任阿拉巴馬州麥斯威爾空軍基地空中力量研究專案組主任。
摩爾定律指出,積體電路的處理能力每18個月提升一倍。 從這種趨勢和其他可預見的技術進步可以推斷,至2025年,目前廣泛擴散的四旋翼無人機及其更新的機型將具有自主化飛行的能力,且飛行高度更高、飛行時間更長,並能做複雜的編隊控制機動。 由於無人機已經在這些領域取得長足進步,這些推斷可能很快成為現實。 此外無人機可能用增材製造技術， 即3D印表機生產,成本更低,且可能很快能裝備武器。
本文評估無人機可能帶來的空中威脅,並探討對抗這種新興技術的可能手段。 包括定向能武器和動能武器選擇等。 本文所做研究表明,敵人可能很快會像過去運用高射炮火或“神風敢死隊”那樣,使用無人機蜂群對付美國的機群,因此需要增加投資來研發對抗無人機蜂群的技術。
▲波音小型鐳射武器系統採用光電- 紅外探測技術跟蹤無人機
▲至2025年， 目前廣泛擴散的四旋翼無人機及其更新的機型， 將具有自主化飛行的能力，
猶如“空中雷場”的無人機蜂群威脅
1921年,朱利奧·杜黑在《制空權》中提出,飛機應被用作進攻性武器。 他認定,如果要想打敗敵人,就應該積極攻擊敵人空軍在空中飛行的資產,以及在地面的資產。 杜黑質疑高射炮即“三A”炮的防空效果,主要是其命中率太低,他將其比作“一個人騎著自行車想逮住一隻信鴿。 ”自杜黑理論問世以來,世界已經發生很大變化,雖然制空權對己方有效實施空中和地面行動仍然必不可少,但是杜黑的理論中有許多已然過時,其中一項變化是,我們必須抓住敵機成為威脅之前就實施攻擊的機會。 溫斯頓·邱吉爾在1914年曾經闡述過這一觀點:“對抗空中威脅的最佳防禦,是在距敵機出發點盡可能近處實施打擊。
無人機蜂群擁堵天空,猶如雷場,等待飛機與其相撞,或者甚至主動沖向飛機並像“神風敢死隊”那樣撞毀飛機——這種概念有些類似二戰中使用氫氣球的做法,當時的交戰國就曾使用氫氣球作為空中屏障。 這種想法可能也借鑒了廣泛採用的針對飛機的高射炮火幕和戰術。
在第二次世界大戰中,友軍和敵軍都曾使用氣球懸吊鋼絲組成無法穿越的攔阻網來“區域拒止”低空飛行的飛機。 這種手段今天在軍事術語中被稱為“攔阻幕防禦”,其含義已經從最初的氣球防禦,演進到現在以高射炮火和無人機群來阻止來襲兵器打擊己方目標。 今天的對手在相關區域部署高射炮陣,希望擊中逼近的敵機,加以毀傷而無法攻擊。 這些稱為“攔阻幕防禦”和“彈幕”的戰術在二戰中無法精確打擊目標,但應用現代技術後,能更加精確鎖定入侵飛機目標。今天,雷達跟蹤系統能使高射炮精確發射,提高命中率。
像高炮的演進一樣,無人機將很快具備獵殺和摧毀能力。目前已有電腦演算法可使無人機具備“看見並規避”的能力,在麻省理工學院的一項研究中,人工智慧實驗室的一名研究生使用開放原始程式碼立體視覺演算法,能讓“無人機以每秒120幀圖像的速度即時地偵測周圍物體並繪製一個全景圖。”由此可推斷,這種電腦演算系統能反過來應用——看見而不規避,迎頭撞上。
這些技術發展將使無人機裝備進攻思維模式,而不是如麻省理工學院研究中所建議的僅發揮防禦阻攔作用屏障。無人機技術正向著能力越來越強而造價越來越低的方向發展。下表列出截至2016年12月可從市場買到的前10名商用無人機的性能指標和價格。至本文發表時,表中所列無人機價格一直在下降——其中有些品牌自2015年以來價格下跌超過50%。(見圖表1)
電池技術的發展速度日新月異,例如,在劍橋大學,“能源密度極高,效率增加90%以上的”鋰-空氣電池有希望增加10倍電能和壽命,並有望在下個10年內實現商業化。電池能力增加10倍將保障上表中的一些無人機飛行時間超過2小時以上。
鳥類通常會拼命躲避迫近的飛機,但殺手無人機不躲避,攻擊型無人機將具有很高的殺傷率。根據規定,如果發生真實的或可疑的鳥攻擊,美國空軍飛行員必須要停止訓練任務;顯然,無人機攻擊也將迫使他們停止飛行。例如,最新發生在阿富汗的RQ-7無人機撞上一架C-130運輸機,不僅造成運輸機油箱破裂,而且損毀了機翼梁和機翼盒。
無人機的材料成分不同於鳥,撞擊速度也可能相對更兇猛,因此撞上飛機所造成的破壞性更大。澳大利亞商用飛機安全局的研究人員亞歷山大·拉迪稱,在撞擊發生時,鳥的“表現和流體相似,”隨著“鳥的解體和流動吸收能量,撞擊力減弱。”無人機則不同,它是一個“不變形的剛性撞擊物……以其很高的峰值力,在撞擊目標材料中產生局部應變場,導致……材料失效。”這種撞擊,尤其是在引擎附近,會造成發動機故障,特別是對單引擎飛機如F-16或F-35,其後果甚至是災難性的。此外,正如鳥的撞擊可迫使任務終止,飛機被堅硬金屬物體撞擊,當然會降低任務成功實施幾率,增加飛機的停飛時間。
在研究無人機相撞的文章中,當比較無人機撞擊和鳥撞擊的破壞時,一個通常的假設是,無人機不是成群結隊,因此命中率比一群鳥低。但如果敵人使用蜂群戰術,就顛覆了這種假設。雖然無人機目前還處於初級技術階段,但美國海軍研究生院在2015年8月展示了用一個遙控器人工控制50架無人機的蜂群技術。研究人員在這次試驗中使用了Wi-Fi無線網路和演算法,不久將研究如何提升無人機蜂群的自主化水準。這種能力在迅速提升,就在2016年,英特爾公司在美國佛羅里達州的迪士尼春季狂歡會上上演了一場節日光幻秀,是用一個遙控器控制300架無人機做各種複雜編隊。將來有一天,自主化無人機也能搭載炸彈或大規模殺傷性武器、定向能武器,如鐳射和高功率微波武器,以及其他小型化武器。文章認為,即使無人機僅配備非智慧材料加獵殺程式、蜂群邏輯和自動操作,也將很快對美國的飛機和戰備構成實質威脅。
▲2016年，英特爾公司在美國佛羅里達州的迪士尼春季狂歡會上上演了一場節日光幻秀，是用一個遙控器控制300架無人機做各種複雜編隊
▲雷達作為一種感測器，能發現無人機，但是許多傳統雷達，如目前大多數F-16戰機裝備的 AN／APG-68 型雷達等，需要升級軟體編碼和處理能力
偵測無人機蜂群的幾種手段
在二戰中,敵人的高射炮比攔阻氣球更令人擔憂,美軍在二戰陣亡的22951名將士中,很多人都犧牲在高射炮火之下。為了提高生存幾率,戰鬥機和轟炸機飛行員增加飛行高度並修改航線。
對於無人機威脅,目前尚未研發出成熟的對抗手段,但是定向能和動能截殺裝置具有眩盲或摧毀無人機的潛力。可以在己方飛機進入飛行路徑前“發射”定向能,清除威脅,但這個選項可能造成附帶毀傷而產生問題,故需慎重。為儘量降低附帶毀傷,需要識別特定的威脅,然後選擇合適的武器將其擊毀。
發現並識別無人機威脅有多種方式,包括聲音(聽到轉子聲)、電子輻射、視覺(目視跟蹤)、普通雷達、光探和測距雷射雷達,以及紅外線。所有這些感應探測手段面臨的挑戰是,在探測隱形飛機如機身很大的B-2轟炸機時,僅能發揮微弱的效果;如探測尺寸40*40毫米的無人機則會更加困難。
目前用於查找機場附近飛鳥和其他小型危險的程式可能有説明,但是解決不了已經存在的無人機威脅,2016年4月17日一架無人機與英國航空公司的727客機相撞的事件就是例證。機場塔臺控制人員通常使用雙筒望遠鏡尋找在抵達和起飛走廊附近飛行的猛禽和其他小鳥,飛行員用無線電向其他飛行員發出附近有鳥的警告。但這些方法對於消除無人機威脅可能效果有限,因為無人機將具備躲避能力,且尺寸可能比鳥還小。一個百架無人機群——未來這整個無人機群的總成本可能只需1000美元,比單架無人機更顯見,但是敵人可增加無人機之間的間距,即降低無人機群的密度,從而降低機群的視覺可探測性。交戰一方還可能依據另一方的飛機形狀及其最不容易被擊中的姿態,來給自己的無人機編隊,編成這樣的飛行形狀可能進一步加大視覺探測的難度。
四旋翼無人機飛行時,螺旋槳葉片和電動機會發出一種獨特的尖利雜訊,捕捉這種聲音特徵,人們可以開發出一種基於聲學原理的偵測無人機手段。聲波探測系統只需簡單地記錄被探測的聲音,然後與資料庫中的已知聲音特徵進行比較,並用多個地理定位來源進行識別。但是,無人機實驗室總裁紮因·納布拉斯提到,雖然聲波探測的確為多來源無人機探測系統增加一些價值,使之相對容易設計、使用和採購,但其並不像其他無人機探測手段那麼有效,主要受環境噪音影響和距離的限制。
光電感測器,通常指電視系統,目前作為很多武器系統探測和跟蹤的必備手段,例如戰鬥機使用的先進瞄準吊艙。很多光電探測的系統也具有紅外跟蹤能力,使探測能力進一步提高。紅外探測手段也能幫助發現和跟蹤無人機,不過無人機的熱特徵信號比典型的飛機要弱得多。儘管如此,也不應低估紅外手段在偵測無人機中的應用潛力。例如,波音公司的小型鐳射武器系統就採用光電/紅外探測技術在非惡劣天氣環境中跟蹤無人機。光電/紅外探測無人機會嚴重受制于天氣,無人機和飛機仍然能夠在雲層中飛行而不被發現。
雷達能發現無人機,但是許多傳統雷達,如目前大多數F-16戰機裝備的AN/APG-68型雷達等,需要升級軟體編碼和處理能力。即使在升級後,這些老舊雷達發現無人機的成功幾率也相對有限,因為無人機雷達截面小,多普勒回波很小,尤其是如果它們處於幾乎靜止狀態,等候接近的目標時。此外,APG-68雷達很難將目標從地面反射波或鳥中區分出來,也就是說,有很多與無人機無關的假反射會影響雷達。如果F-16將雷達升級到所建議的APG-83可調機敏波束雷達(SABR),那麼這款傳統戰機至少有機會發現無人機。像SABR這樣的雷達,因為解析度更高且頻率機敏性更好,發現無人機的成功幾率會高得多。
另一項可能有助於發現無人機的先進技術是LIDAR即雷射雷達,該技術具備發現空中物體的潛力,但仍需要等待關鍵的技術突破。LIDAR能探測噴氣式飛機的“排氣尾跡中包含的碳氫化合物,精確到每百萬份量級濃度,這可能是周圍大氣濃度的100倍或以上。”美國空軍研究實驗室的新專案,稱為“振動偵測戰場探查”,研究如何使用鐳射測振儀技術來探測引擎振動或其他可供辨識的擾動。雖然無人機可能不像固定翼或大型遙駕飛機產生那樣大的排氣尾流,LIDAR技術仍有可能用於無人機偵測。LIDAR也受到上述困擾電光/紅外技術的環境制約,因為其波長很難穿透濃霧和厚雲層。但是,LIDAR能“看透”淡陰霾——前提是此阻礙環境的透光性不至惡劣到不允許光子返回感應源。現今人們雖然可能不瞭解LIDAR原理,但已經從自動駕駛汽車及自我調整巡航駕駛的使用中開始熟悉這種技術。
任何系統通訊發射的信號都可以被攔截,無論是無人機互相之間採用無線網路通信,或者用無線電頻率控制(如上述表中所列很多無人機系統所用)。被動傳感探測系統也可能用於搜索無人機的電磁發射,但其缺陷是,無法發現不發射電磁信號的無人機。
在討論了以上各種系統的優缺點之後,文章期待能研製出一種能把所有這些優點整合起來的系統。這樣,在惡劣的天氣,雷達和聲音系統仍能提供輸入;在晴朗的天氣,所有的系統能通過合作辨識和跟蹤目標,並通過地面或空中防禦手段實施殲滅。也就是說,發現無人機後,還需要有效的截殺手段將之消滅。
▲波音小型鐳射武器系統（左）；反無人飛行器防禦系統的高功率電子微波（HPEM）武器（右）
▲軌道ATK公司發佈的HAPS攔截彈
▲最新發生在阿富汗的RQ-7無人機撞上一架C-130運輸機的事件，不僅造成運輸機油箱破裂，而且損毀了翼梁和翼盒
打擊無人機蜂群的幾種手段
美國空軍研究實驗室率先開展空中禁區混合防禦(HyDRA)方面的研究,尤其探索定向能截殺手段(鐳射和高功率微波),作為動能打擊之外的另一項選擇,從而強化一體化防空能力。鐳射有不同的介質,其波長也相應覆蓋紅外線到紫外線的整個範圍。美空軍研究實驗室的定向能研究部主任威廉·庫珀博士稱:“定向能研究已經達到了超出許多人意料的較高技術就緒水準。”這是好消息,因為美國空軍可能很快就需要這種技術。美空軍研究實驗室正在開展的HyDRA研究項目注重探索如何運用定向能手段來補充動能防禦武器。實驗室預計,在近期,這些系統將作為一項防空手段佈置在國會山周圍,然後逐步推廣,滿足作戰司令官的需要。美國太平洋司令部預計將在無人機上使用這種技術,並有潛力用於對付巡航導彈。庫珀博士指出,即使是低千瓦的鐳射系統,在近距離“也可輕易地擊落”無人機,並強調定向能武器不僅能最大程度降低附帶毀傷,還確保符合武裝衝突法,不超過殺傷合法範圍比例。
空軍研究實驗室已經演示了定向能系統的運用,在“黑標行動”演習中開啟MATRIX和MEGAHPEM系統成功擊落微小型無人機。2016年夏,有關方面在白沙導彈試驗場對150千瓦級系統進行了成功的定向能試驗測試(詳細結果保密)。空軍研究實驗室還在實施一個先進技術展示專案,稱為“自我保護高能鐳射演示器”(SHiELD)。前者是通用原子公司的武器項目,研發採用“高能液態鐳射區域防禦系統”鐳射,後者是空軍研究實驗室和美國防高級研究計畫局合作的耗資5億美元的先進技術展示項目。庫珀博士解釋了SHiELD專案的未來3階段實施計畫,希望能展示其戰術用途,並推動作戰準則修改,他指出並非所有階段都已劃撥資金。“第一階段實施低功率鐳射指向,展示鎖定和跟蹤目標的能力。第二階段加大功率水準。第三階段,如果獲得資金,將展示可能還留有充裕剩餘功率的全功率系統。”
波音公司的小型鐳射武器系統(CLWS)是另一種鐳射截殺武器。這種系統僅需幾千瓦功率,能在瞬間摧毀目標。這個系統的主要賣點是操作簡易性和便攜性,只要把控制器連結到筆記型電腦,技術專家們稱其之方便可與X-Box360遊戲機的控制器媲美。根據波音公司的說法,CLWS的成本相對最低,能覆蓋“數十千米”範圍,僅需一個220伏的電壓介面。波音公司的專案主任強調其不需補充彈藥的明顯效益,他說:“發射的成本基本上就是發射鐳射的電力。而如果發射導彈,你需要考慮物流環節或導彈的成本;如果是發射炮彈,你需要擔心落在何處。”至於在近期能否研製出機載鐳射武器,主要的限制因素仍然是穩定性和電力來源。
高功率微波技術所應用的眩盲技術能使無人機暫時失能,或“燒毀”其關鍵的電子元件,使之失效。有3家技術公司研製出反無人飛行器防禦系統(AUDS),此系統能眩盲無人機,並可能接管無人機的導航和控制系統。如果敵對行為者在無人機上掛載大規模殺傷武器或其他彈藥,無人機被擊中自由墜落後可能造成傷亡,那麼這種系統就可能非常重要。據稱,AUDS系統使用電光/紅外感測器能偵測8千米以外的無人機,然後使用無線電頻率干擾遙控操作員發送給無人機的無線電信號。無人機“撿拾”到AUDS信號後,變得不知所措,“凍結,茫然,不知飛向何方。”下一步怎麼飛,就由新操作員來確定。
與發現和偵測無人機的情況一樣,多系統佇列也能增強定向能的攻擊能力,但即使如此,鐳射和高功率微波光束仍存在瞄準上的限制。雷射技術的主要弱點是,惡劣的天氣阻止或很大程度上降低其成功率。高功率微波光束雖然能穿透雲層交戰,敵人能採用在無人機上採用定向能硬化技術來反制高功率微波光束。例如,導電複合材料公司最近成功在類似塑膠材料的內裡將鎳塗覆到碳表面上,此材料又可模塑到其他結構上,例如無人機表面上,這樣,其作為被打擊目標便可將照射過來的光束的能量引離分散,削弱高功率微波光束的打擊。
定向能武器,因其強度可調、應用多樣,而成為對付無人機的首選手段,但作戰飛機上仍需配置動能殺傷武器,以備在能見度減低的環境中鐳射和紅外武器失效,或敵人的飛行器採用了定向能硬化構件。本文所言常規飛機主要指高速高空飛行的固定翼飛機,高速度使飛機被撞毀壞的幾率更大。現實中,受無人機威脅的飛機類型很多,例如,直升飛機也必須面對無人機的威脅,因為直升機大多在充斥無人機的較低高度環境中飛行。今天的直升機飛行員主要擔心的威脅是可擕式防空武器和火箭助推槍榴彈(RPG)之類,但是今後,直升機作戰飛行中將需要越來越多地警惕和掃描無人機。可擕式防空武器和RPG威脅已經引起美國海軍的關注,海軍迅速研製出對抗手段,這些手段也可用于打擊無人機。
美國海軍正在研製的一種對抗手段是直升機主動引爆RPG技術(即HARP,先前縮寫為HAPS),目的是發現和截殺RPG。這個技術概念可以拓展到打擊構成威脅的無人機。HARP的概念也提供動能攔截選項,可以用於美國空軍飛機。HARP的一個重要的互通操作性是,這種攔截彈可以從現有的箔條和曳光彈投射器發射(例如納入機載抗干擾發射器系統AN/ALE-47中)。顯然,配置HARP的飛機仍然具有攜帶箔條和曳光彈的干擾和抗干擾能力,儘管攜帶數量減少。根據OrbitalATK公司在2015年2月的新聞發佈稿,HAPS運載工具(圖3)“能夠發射和執行投擲機動,飛行至模仿來襲的RPG的引爆點。”如何優化爆炸和碎片的數量來截殺RPG或無人機是一個重要考量。美國海軍研製HARP的主要投資人傑伊·羅傑斯說:“鑒於攔截器彈頭尺寸限制,以及攔截點接近飛行器的距離難以掌握,即使爆炸本身能否有效擊落飛行器都非常不容易,這是一個很困難的截殺機制。”他表示:“改善爆炸和碎片能增加擊落RPG(和無人機)的潛力。改善的爆炸j尤其具有吸引力,因為它比未改善的爆炸產生更大效果,卻不產生像碎片那樣的殺傷半徑,由此減少自傷擔憂。”
美國海軍的另一個研製項目,防區外截殺武器(SOWD),和上述HARP項目一樣,概念上類似截殺RPG,海軍稱其為“可用作對抗無人機的反制手段。”SOWD的用戶和投資人包括國防部高級研究計畫局和特勤局,美國陸軍也有10多個機構參與,但美國空軍中只有空軍安全部隊中心一家參與。空軍不甚積極的這種反差可以理解,因為其目前的基地防禦準則框架,是把基地的大多數動能防禦武器置於陸軍的領導之下。但是空軍必須要考慮到,SOWD不僅可用於基地防禦,也可用于未來的空對空作戰。進一步,飛機的起降和回收走廊面臨著越來越迫近的威脅,空軍因此在作戰理論研究中對這些區域防禦手段應比陸軍更感興趣,從而吸引美國空軍對這類技術研製投入更多資源。
美國空軍亦可考慮投資於旨在截殺無人機的新動能武器研製——這種武器成本應低於比如價值155萬美元的AIM-120AMRAAM先進中程空對空導彈。降低成本完全有可能,因為此概念武器所摧毀的目標更小(彈頭尺寸相對也更小),且飛行距離較短(燃料更少)。此武器甚至本身就是一架無人機,由己方發射,作用就是獵殺敵無人機,通過撞擊或爆炸截殺敵無人機。總之,在摧毀敵攻擊無人機的殺傷鏈中,需要多個層面和選項。用於探測的感測器必須從上述所及的全部來源融合資料,而且戰機應具備可用作殺傷的定向能武器和動能武器選項。
▲文章建議美國空軍亦可考慮投資旨在截殺無人機的新動能武器研製—這種武器成本應低於價值155萬美元的AIM-120先進中程空對空導彈
建議和結語
攔截無人機,必先發現之。因此作者建議美國空軍需要做出投資,升級諸如F-16的有源電子掃描陣列雷達等系統,並繼續推進所有平臺的資料融合系統。為確保空軍基地的安全,需要在無人機飛抵上空前先機發現;雖然在作戰準則層面這是陸軍的任務,但空軍有保護其地面機群的重大利益考慮。在空中,空軍需要投資研發能夠偵測飛機威脅的系統,由此取得對特定空域的控制。目前的無人機威脅進一步表明,美國不僅要掃清任務航線上的威脅,還應密切關注飛機的起飛和返回走廊上的安全。這一切都要求美空軍飛機上裝備偵測和截殺能力。為了成功截殺來襲威脅,空軍不應僅選擇一種能力,而應獲取多種眩盲和/或截殺手段,包括定向能和動能武器。美空軍研究實驗室的定向能研究,應當考慮用於空對空交戰,這意味著空軍應向空中禁區混合防禦專案投入資金,提升技術就緒水準。此外,空軍應為其所有機型研製一個類似HARP的系統,使飛機具備發射反制手段的系統。還有一點,無人機技術的擴散,已經威脅到令作戰司令官的基地防禦資源防不勝防,因此各軍兵種必須通力合作,部署並操作能保護官兵的一體化融合系統。
作者指出,美空軍欲取勝,必須立即思考無人機作戰將如何改變戰爭的特徵。在不遠的將來,無人機蜂群和/或“神風敢死隊”式的單槍匹馬無人機也已可能對美國的飛機發動攻擊。這種必然性需要美國軍方大幅度調整防空作戰思維,加強對探測和清除來襲威脅的重視和研究。
這些稱為“攔阻幕防禦”和“彈幕”的戰術在二戰中無法精確打擊目標,但應用現代技術後,能更加精確鎖定入侵飛機目標。今天,雷達跟蹤系統能使高射炮精確發射,提高命中率。像高炮的演進一樣,無人機將很快具備獵殺和摧毀能力。目前已有電腦演算法可使無人機具備“看見並規避”的能力,在麻省理工學院的一項研究中,人工智慧實驗室的一名研究生使用開放原始程式碼立體視覺演算法,能讓“無人機以每秒120幀圖像的速度即時地偵測周圍物體並繪製一個全景圖。”由此可推斷,這種電腦演算系統能反過來應用——看見而不規避,迎頭撞上。
這些技術發展將使無人機裝備進攻思維模式,而不是如麻省理工學院研究中所建議的僅發揮防禦阻攔作用屏障。無人機技術正向著能力越來越強而造價越來越低的方向發展。下表列出截至2016年12月可從市場買到的前10名商用無人機的性能指標和價格。至本文發表時,表中所列無人機價格一直在下降——其中有些品牌自2015年以來價格下跌超過50%。(見圖表1)
電池技術的發展速度日新月異,例如,在劍橋大學,“能源密度極高,效率增加90%以上的”鋰-空氣電池有希望增加10倍電能和壽命,並有望在下個10年內實現商業化。電池能力增加10倍將保障上表中的一些無人機飛行時間超過2小時以上。
鳥類通常會拼命躲避迫近的飛機,但殺手無人機不躲避,攻擊型無人機將具有很高的殺傷率。根據規定,如果發生真實的或可疑的鳥攻擊,美國空軍飛行員必須要停止訓練任務;顯然,無人機攻擊也將迫使他們停止飛行。例如,最新發生在阿富汗的RQ-7無人機撞上一架C-130運輸機,不僅造成運輸機油箱破裂,而且損毀了機翼梁和機翼盒。
無人機的材料成分不同於鳥,撞擊速度也可能相對更兇猛,因此撞上飛機所造成的破壞性更大。澳大利亞商用飛機安全局的研究人員亞歷山大·拉迪稱,在撞擊發生時,鳥的“表現和流體相似,”隨著“鳥的解體和流動吸收能量,撞擊力減弱。”無人機則不同,它是一個“不變形的剛性撞擊物……以其很高的峰值力,在撞擊目標材料中產生局部應變場,導致……材料失效。”這種撞擊,尤其是在引擎附近,會造成發動機故障,特別是對單引擎飛機如F-16或F-35,其後果甚至是災難性的。此外,正如鳥的撞擊可迫使任務終止,飛機被堅硬金屬物體撞擊,當然會降低任務成功實施幾率,增加飛機的停飛時間。
在研究無人機相撞的文章中,當比較無人機撞擊和鳥撞擊的破壞時,一個通常的假設是,無人機不是成群結隊,因此命中率比一群鳥低。但如果敵人使用蜂群戰術,就顛覆了這種假設。雖然無人機目前還處於初級技術階段,但美國海軍研究生院在2015年8月展示了用一個遙控器人工控制50架無人機的蜂群技術。研究人員在這次試驗中使用了Wi-Fi無線網路和演算法,不久將研究如何提升無人機蜂群的自主化水準。這種能力在迅速提升,就在2016年,英特爾公司在美國佛羅里達州的迪士尼春季狂歡會上上演了一場節日光幻秀,是用一個遙控器控制300架無人機做各種複雜編隊。將來有一天,自主化無人機也能搭載炸彈或大規模殺傷性武器、定向能武器,如鐳射和高功率微波武器,以及其他小型化武器。文章認為,即使無人機僅配備非智慧材料加獵殺程式、蜂群邏輯和自動操作,也將很快對美國的飛機和戰備構成實質威脅。
▲2016年，英特爾公司在美國佛羅里達州的迪士尼春季狂歡會上上演了一場節日光幻秀，是用一個遙控器控制300架無人機做各種複雜編隊
▲雷達作為一種感測器，能發現無人機，但是許多傳統雷達，如目前大多數F-16戰機裝備的 AN／APG-68 型雷達等，需要升級軟體編碼和處理能力
偵測無人機蜂群的幾種手段
在二戰中,敵人的高射炮比攔阻氣球更令人擔憂,美軍在二戰陣亡的22951名將士中,很多人都犧牲在高射炮火之下。為了提高生存幾率,戰鬥機和轟炸機飛行員增加飛行高度並修改航線。
對於無人機威脅,目前尚未研發出成熟的對抗手段,但是定向能和動能截殺裝置具有眩盲或摧毀無人機的潛力。可以在己方飛機進入飛行路徑前“發射”定向能,清除威脅,但這個選項可能造成附帶毀傷而產生問題,故需慎重。為儘量降低附帶毀傷,需要識別特定的威脅,然後選擇合適的武器將其擊毀。
發現並識別無人機威脅有多種方式,包括聲音(聽到轉子聲)、電子輻射、視覺(目視跟蹤)、普通雷達、光探和測距雷射雷達,以及紅外線。所有這些感應探測手段面臨的挑戰是,在探測隱形飛機如機身很大的B-2轟炸機時,僅能發揮微弱的效果;如探測尺寸40*40毫米的無人機則會更加困難。
目前用於查找機場附近飛鳥和其他小型危險的程式可能有説明,但是解決不了已經存在的無人機威脅,2016年4月17日一架無人機與英國航空公司的727客機相撞的事件就是例證。機場塔臺控制人員通常使用雙筒望遠鏡尋找在抵達和起飛走廊附近飛行的猛禽和其他小鳥,飛行員用無線電向其他飛行員發出附近有鳥的警告。但這些方法對於消除無人機威脅可能效果有限,因為無人機將具備躲避能力,且尺寸可能比鳥還小。一個百架無人機群——未來這整個無人機群的總成本可能只需1000美元,比單架無人機更顯見,但是敵人可增加無人機之間的間距,即降低無人機群的密度,從而降低機群的視覺可探測性。交戰一方還可能依據另一方的飛機形狀及其最不容易被擊中的姿態,來給自己的無人機編隊,編成這樣的飛行形狀可能進一步加大視覺探測的難度。
四旋翼無人機飛行時,螺旋槳葉片和電動機會發出一種獨特的尖利雜訊,捕捉這種聲音特徵,人們可以開發出一種基於聲學原理的偵測無人機手段。聲波探測系統只需簡單地記錄被探測的聲音,然後與資料庫中的已知聲音特徵進行比較,並用多個地理定位來源進行識別。但是,無人機實驗室總裁紮因·納布拉斯提到,雖然聲波探測的確為多來源無人機探測系統增加一些價值,使之相對容易設計、使用和採購,但其並不像其他無人機探測手段那麼有效,主要受環境噪音影響和距離的限制。
光電感測器,通常指電視系統,目前作為很多武器系統探測和跟蹤的必備手段,例如戰鬥機使用的先進瞄準吊艙。很多光電探測的系統也具有紅外跟蹤能力,使探測能力進一步提高。紅外探測手段也能幫助發現和跟蹤無人機,不過無人機的熱特徵信號比典型的飛機要弱得多。儘管如此,也不應低估紅外手段在偵測無人機中的應用潛力。例如,波音公司的小型鐳射武器系統就採用光電/紅外探測技術在非惡劣天氣環境中跟蹤無人機。光電/紅外探測無人機會嚴重受制于天氣,無人機和飛機仍然能夠在雲層中飛行而不被發現。
雷達能發現無人機,但是許多傳統雷達,如目前大多數F-16戰機裝備的AN/APG-68型雷達等,需要升級軟體編碼和處理能力。即使在升級後,這些老舊雷達發現無人機的成功幾率也相對有限,因為無人機雷達截面小,多普勒回波很小,尤其是如果它們處於幾乎靜止狀態,等候接近的目標時。此外,APG-68雷達很難將目標從地面反射波或鳥中區分出來,也就是說,有很多與無人機無關的假反射會影響雷達。如果F-16將雷達升級到所建議的APG-83可調機敏波束雷達(SABR),那麼這款傳統戰機至少有機會發現無人機。像SABR這樣的雷達,因為解析度更高且頻率機敏性更好,發現無人機的成功幾率會高得多。
另一項可能有助於發現無人機的先進技術是LIDAR即雷射雷達,該技術具備發現空中物體的潛力,但仍需要等待關鍵的技術突破。LIDAR能探測噴氣式飛機的“排氣尾跡中包含的碳氫化合物,精確到每百萬份量級濃度,這可能是周圍大氣濃度的100倍或以上。”美國空軍研究實驗室的新專案,稱為“振動偵測戰場探查”,研究如何使用鐳射測振儀技術來探測引擎振動或其他可供辨識的擾動。雖然無人機可能不像固定翼或大型遙駕飛機產生那樣大的排氣尾流,LIDAR技術仍有可能用於無人機偵測。LIDAR也受到上述困擾電光/紅外技術的環境制約,因為其波長很難穿透濃霧和厚雲層。但是,LIDAR能“看透”淡陰霾——前提是此阻礙環境的透光性不至惡劣到不允許光子返回感應源。現今人們雖然可能不瞭解LIDAR原理,但已經從自動駕駛汽車及自我調整巡航駕駛的使用中開始熟悉這種技術。
任何系統通訊發射的信號都可以被攔截,無論是無人機互相之間採用無線網路通信,或者用無線電頻率控制(如上述表中所列很多無人機系統所用)。被動傳感探測系統也可能用於搜索無人機的電磁發射,但其缺陷是,無法發現不發射電磁信號的無人機。
在討論了以上各種系統的優缺點之後,文章期待能研製出一種能把所有這些優點整合起來的系統。這樣,在惡劣的天氣,雷達和聲音系統仍能提供輸入;在晴朗的天氣,所有的系統能通過合作辨識和跟蹤目標,並通過地面或空中防禦手段實施殲滅。也就是說,發現無人機後,還需要有效的截殺手段將之消滅。
▲波音小型鐳射武器系統（左）；反無人飛行器防禦系統的高功率電子微波（HPEM）武器（右）
▲軌道ATK公司發佈的HAPS攔截彈
▲最新發生在阿富汗的RQ-7無人機撞上一架C-130運輸機的事件，不僅造成運輸機油箱破裂，而且損毀了翼梁和翼盒
打擊無人機蜂群的幾種手段
美國空軍研究實驗室率先開展空中禁區混合防禦(HyDRA)方面的研究,尤其探索定向能截殺手段(鐳射和高功率微波),作為動能打擊之外的另一項選擇,從而強化一體化防空能力。鐳射有不同的介質,其波長也相應覆蓋紅外線到紫外線的整個範圍。美空軍研究實驗室的定向能研究部主任威廉·庫珀博士稱:“定向能研究已經達到了超出許多人意料的較高技術就緒水準。”這是好消息,因為美國空軍可能很快就需要這種技術。美空軍研究實驗室正在開展的HyDRA研究項目注重探索如何運用定向能手段來補充動能防禦武器。實驗室預計,在近期,這些系統將作為一項防空手段佈置在國會山周圍,然後逐步推廣,滿足作戰司令官的需要。美國太平洋司令部預計將在無人機上使用這種技術,並有潛力用於對付巡航導彈。庫珀博士指出,即使是低千瓦的鐳射系統,在近距離“也可輕易地擊落”無人機,並強調定向能武器不僅能最大程度降低附帶毀傷,還確保符合武裝衝突法,不超過殺傷合法範圍比例。
空軍研究實驗室已經演示了定向能系統的運用,在“黑標行動”演習中開啟MATRIX和MEGAHPEM系統成功擊落微小型無人機。2016年夏,有關方面在白沙導彈試驗場對150千瓦級系統進行了成功的定向能試驗測試(詳細結果保密)。空軍研究實驗室還在實施一個先進技術展示專案,稱為“自我保護高能鐳射演示器”(SHiELD)。前者是通用原子公司的武器項目,研發採用“高能液態鐳射區域防禦系統”鐳射,後者是空軍研究實驗室和美國防高級研究計畫局合作的耗資5億美元的先進技術展示項目。庫珀博士解釋了SHiELD專案的未來3階段實施計畫,希望能展示其戰術用途,並推動作戰準則修改,他指出並非所有階段都已劃撥資金。“第一階段實施低功率鐳射指向,展示鎖定和跟蹤目標的能力。第二階段加大功率水準。第三階段,如果獲得資金,將展示可能還留有充裕剩餘功率的全功率系統。”
波音公司的小型鐳射武器系統(CLWS)是另一種鐳射截殺武器。這種系統僅需幾千瓦功率,能在瞬間摧毀目標。這個系統的主要賣點是操作簡易性和便攜性,只要把控制器連結到筆記型電腦,技術專家們稱其之方便可與X-Box360遊戲機的控制器媲美。根據波音公司的說法,CLWS的成本相對最低,能覆蓋“數十千米”範圍,僅需一個220伏的電壓介面。波音公司的專案主任強調其不需補充彈藥的明顯效益,他說:“發射的成本基本上就是發射鐳射的電力。而如果發射導彈,你需要考慮物流環節或導彈的成本;如果是發射炮彈,你需要擔心落在何處。”至於在近期能否研製出機載鐳射武器,主要的限制因素仍然是穩定性和電力來源。
高功率微波技術所應用的眩盲技術能使無人機暫時失能,或“燒毀”其關鍵的電子元件,使之失效。有3家技術公司研製出反無人飛行器防禦系統(AUDS),此系統能眩盲無人機,並可能接管無人機的導航和控制系統。如果敵對行為者在無人機上掛載大規模殺傷武器或其他彈藥,無人機被擊中自由墜落後可能造成傷亡,那麼這種系統就可能非常重要。據稱,AUDS系統使用電光/紅外感測器能偵測8千米以外的無人機,然後使用無線電頻率干擾遙控操作員發送給無人機的無線電信號。無人機“撿拾”到AUDS信號後,變得不知所措,“凍結,茫然,不知飛向何方。”下一步怎麼飛,就由新操作員來確定。
與發現和偵測無人機的情況一樣,多系統佇列也能增強定向能的攻擊能力,但即使如此,鐳射和高功率微波光束仍存在瞄準上的限制。雷射技術的主要弱點是,惡劣的天氣阻止或很大程度上降低其成功率。高功率微波光束雖然能穿透雲層交戰,敵人能採用在無人機上採用定向能硬化技術來反制高功率微波光束。例如,導電複合材料公司最近成功在類似塑膠材料的內裡將鎳塗覆到碳表面上,此材料又可模塑到其他結構上,例如無人機表面上,這樣,其作為被打擊目標便可將照射過來的光束的能量引離分散,削弱高功率微波光束的打擊。
定向能武器,因其強度可調、應用多樣,而成為對付無人機的首選手段,但作戰飛機上仍需配置動能殺傷武器,以備在能見度減低的環境中鐳射和紅外武器失效,或敵人的飛行器採用了定向能硬化構件。本文所言常規飛機主要指高速高空飛行的固定翼飛機,高速度使飛機被撞毀壞的幾率更大。現實中,受無人機威脅的飛機類型很多,例如,直升飛機也必須面對無人機的威脅,因為直升機大多在充斥無人機的較低高度環境中飛行。今天的直升機飛行員主要擔心的威脅是可擕式防空武器和火箭助推槍榴彈(RPG)之類,但是今後,直升機作戰飛行中將需要越來越多地警惕和掃描無人機。可擕式防空武器和RPG威脅已經引起美國海軍的關注,海軍迅速研製出對抗手段,這些手段也可用于打擊無人機。
美國海軍正在研製的一種對抗手段是直升機主動引爆RPG技術(即HARP,先前縮寫為HAPS),目的是發現和截殺RPG。這個技術概念可以拓展到打擊構成威脅的無人機。HARP的概念也提供動能攔截選項,可以用於美國空軍飛機。HARP的一個重要的互通操作性是,這種攔截彈可以從現有的箔條和曳光彈投射器發射(例如納入機載抗干擾發射器系統AN/ALE-47中)。顯然,配置HARP的飛機仍然具有攜帶箔條和曳光彈的干擾和抗干擾能力,儘管攜帶數量減少。根據OrbitalATK公司在2015年2月的新聞發佈稿,HAPS運載工具(圖3)“能夠發射和執行投擲機動,飛行至模仿來襲的RPG的引爆點。”如何優化爆炸和碎片的數量來截殺RPG或無人機是一個重要考量。美國海軍研製HARP的主要投資人傑伊·羅傑斯說:“鑒於攔截器彈頭尺寸限制,以及攔截點接近飛行器的距離難以掌握,即使爆炸本身能否有效擊落飛行器都非常不容易,這是一個很困難的截殺機制。”他表示:“改善爆炸和碎片能增加擊落RPG(和無人機)的潛力。改善的爆炸j尤其具有吸引力,因為它比未改善的爆炸產生更大效果,卻不產生像碎片那樣的殺傷半徑,由此減少自傷擔憂。”
美國海軍的另一個研製項目,防區外截殺武器(SOWD),和上述HARP項目一樣,概念上類似截殺RPG,海軍稱其為“可用作對抗無人機的反制手段。”SOWD的用戶和投資人包括國防部高級研究計畫局和特勤局,美國陸軍也有10多個機構參與,但美國空軍中只有空軍安全部隊中心一家參與。空軍不甚積極的這種反差可以理解,因為其目前的基地防禦準則框架,是把基地的大多數動能防禦武器置於陸軍的領導之下。但是空軍必須要考慮到,SOWD不僅可用於基地防禦,也可用于未來的空對空作戰。進一步,飛機的起降和回收走廊面臨著越來越迫近的威脅,空軍因此在作戰理論研究中對這些區域防禦手段應比陸軍更感興趣,從而吸引美國空軍對這類技術研製投入更多資源。
美國空軍亦可考慮投資於旨在截殺無人機的新動能武器研製——這種武器成本應低於比如價值155萬美元的AIM-120AMRAAM先進中程空對空導彈。降低成本完全有可能,因為此概念武器所摧毀的目標更小(彈頭尺寸相對也更小),且飛行距離較短(燃料更少)。此武器甚至本身就是一架無人機,由己方發射,作用就是獵殺敵無人機,通過撞擊或爆炸截殺敵無人機。總之,在摧毀敵攻擊無人機的殺傷鏈中,需要多個層面和選項。用於探測的感測器必須從上述所及的全部來源融合資料,而且戰機應具備可用作殺傷的定向能武器和動能武器選項。
▲文章建議美國空軍亦可考慮投資旨在截殺無人機的新動能武器研製—這種武器成本應低於價值155萬美元的AIM-120先進中程空對空導彈
建議和結語
攔截無人機,必先發現之。因此作者建議美國空軍需要做出投資,升級諸如F-16的有源電子掃描陣列雷達等系統,並繼續推進所有平臺的資料融合系統。為確保空軍基地的安全,需要在無人機飛抵上空前先機發現;雖然在作戰準則層面這是陸軍的任務,但空軍有保護其地面機群的重大利益考慮。在空中,空軍需要投資研發能夠偵測飛機威脅的系統,由此取得對特定空域的控制。目前的無人機威脅進一步表明,美國不僅要掃清任務航線上的威脅,還應密切關注飛機的起飛和返回走廊上的安全。這一切都要求美空軍飛機上裝備偵測和截殺能力。為了成功截殺來襲威脅,空軍不應僅選擇一種能力,而應獲取多種眩盲和/或截殺手段,包括定向能和動能武器。美空軍研究實驗室的定向能研究,應當考慮用於空對空交戰,這意味著空軍應向空中禁區混合防禦專案投入資金,提升技術就緒水準。此外,空軍應為其所有機型研製一個類似HARP的系統,使飛機具備發射反制手段的系統。還有一點,無人機技術的擴散,已經威脅到令作戰司令官的基地防禦資源防不勝防,因此各軍兵種必須通力合作,部署並操作能保護官兵的一體化融合系統。
作者指出,美空軍欲取勝,必須立即思考無人機作戰將如何改變戰爭的特徵。在不遠的將來,無人機蜂群和/或“神風敢死隊”式的單槍匹馬無人機也已可能對美國的飛機發動攻擊。這種必然性需要美國軍方大幅度調整防空作戰思維,加強對探測和清除來襲威脅的重視和研究。