2017年6月13日,美國導彈防禦局表示計畫研製能夠攔截洲際彈道導彈的無人機機載鐳射武器,標誌著無人機機載鐳射反導武器項目正式進入研發階段。 運用無人機攜帶鐳射武器對處於助推段飛行的彈道導彈進行攔截,可以利用彈道導彈在助推段的特殊性、無人機的靈活機動性以及鐳射武器的優點,達到最佳的反導效果。 因此,近2年來,美國導彈防禦局一直在尋求可由高空長航時無人機攜帶的新一代機載鐳射反導武器,於2016年8月發佈“用於導彈防禦的低功率鐳射武器演示器”專案,計畫於2020年前開展低功率鐳射武器裝機試飛,2021年前完成雷射光束穩定性測試。
▲ABL由改裝後的波音747-400F飛機、高能化學雷射器、光束控制與火控系統、作戰管理及指揮控制系統4大部分組成， 主要任務是在數百千米外利用定向能摧毀處於助推段的彈道導彈， 攔截範圍500~600千米
發展概況
美軍曾發展了多種鐳射武器,但是多數項目由於經費和技術等問題被取消。 在反導方面,美軍也曾探索了天基、空基、海基台以及地基鐳射武器平臺。 其中發展相對成熟的是空基機載鐳射武器(ABL)。
ABL的主要任務是在數百千米外利用定向能摧毀處於助推段的彈道導彈。 ABL由改裝後的波音747-400F飛機、高能化學雷射器、光束控制與火控系統、作戰管理及指揮控制系統4大部分組成。 飛機後半部安裝有諾思羅普·格魯曼公司研製的由6個模組組成的兆瓦級化學氧-碘雷射器。 截至2012年,ABL系統已完成一系列試驗,高能雷射器最長持續出光時間達到5.25秒。 奧巴馬政府上臺後經過評估認為,ABL計畫存在技術風險高、實戰化難度大等一系列問題,於2012年正式取消該研製計畫。
2016年2月2日,導彈防禦局在其提交的2016財年預算中,通過“定向能研究”(DER)項目安排了高空無人機以鐳射探測和攔截助推段彈道導彈的研究工作。 2016～2020財年總的計畫預算是2.57億美元。 2016年8月26日,導彈防禦局在美國聯邦政府的“聯邦商機”網站上發佈了先進技術創新跨部門公告,尋求“用於導彈防禦的鐳射武器演示器”解決方案。
▲RQ-4“全球鷹”的最大有效載荷為1360千克，
系統構成和關鍵技術進展
無人機平臺
根據攔截作戰需求,作為雷射器攜載平臺的無人機一方面應具備一定的預警探測、跟蹤制導、資料處理及遠端快速傳輸和作戰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的作戰適宜性,具備隱身防衛、長航時滯空、空中快速機動到達戰場能力。
根據美國導彈防禦局發佈的公告中提出的性能規格需求,要求高空長航時無人機的飛行高度在63000英尺以上(約2萬米),留空時間36小時以上(包括從3000千米外的基地飛行至目標上空的能力),在執行任務區域巡航速度達馬赫數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。 要為鐳射武器提供電能,在不影響飛行性能的情況下,保持雷射器供電時間不少於30分鐘。支援1~2米口徑光學有效載荷。具備低空震動特性,角位移小於50毫弧度。具備地面持續控制能力。但對於這些要求,美國現役的各型無人機都不能達標。
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,無法達到導彈防禦局對無人機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,對於美軍需要對現役的飛機進行升級改造。自20世紀90年代末起,洛克希德•馬丁公司提出一系列研發無人版U-2S偵察機的建議,提出了無人版U-2U的設計來代替美空軍RQ-4“全球鷹”進行高空偵察。2014年,“臭鼬”工廠的研發小組再次提出無人版U-2偵察機的概念,但隨即又放棄了該概念,提出研發具有隱身能力的無人/有人通用版U-2繼任者TR-X。U-2偵察機的最大載荷為2270千克,作戰上限大於7萬英尺(約合21.3千米),能夠滿足導彈防禦局的要求。這種有人/無人通用的U-2飛機是一個可行的選擇。
雷射器
雷射器是實施助推段反導的關鍵部件。在對付液體燃料推進的彈道導彈時,鐳射武器將只需少數幾秒即可摧毀目標。對付固體燃料彈道導彈則需要更長時間。為了縮短照射時間,需要提高雷射器的功率。根據研究,要摧毀1枚彈道導彈,雷射器的功率需要達到1兆瓦以上。
目前,美國導彈防禦局正在發展3種類型的鐳射武器:一是二極體泵浦的鹼金屬鐳射武器;二是光纖合成鐳射武器;三是工業部門提出的創新方案。其中第三種方案包括光譜和相干合成鐳射波束以達到高功率水準的技術,緊湊的平面波導雷射器技術,以及液冷盤形雷射器技術。上述雷射技術都是目前非常先進的雷射技術,克服了化學雷射器的缺點。
美國防部僅成功演示過功率34千瓦的合成光纖雷射器和功率10千瓦的二極體泵浦鹼金屬雷射器(DPAL)。這兩種雷射技術在實現很高的平均功率和非常低的系統品質方面都有良好的前景。導彈防禦局和美國防部國防高級研究計畫局未來將合作建造一台50千瓦級的合成光纖雷射器,並在2017～2018財年將其功率提高到數百千瓦,並最終提高到兆瓦級。這項工作的第一步是製造和集成品質功率比達到5千克/千瓦的光纖雷射器。
動態環境光束控制、瞄準跟蹤系統
2016年8月,導彈防禦局先進技術計畫執行負責人理查•馬特洛克對《飛行國際》透露了以下資訊:在為高空長航時無人機配裝高能鐳射武器以攔截助推段洲際彈道導彈之前,導彈防禦局將先突破在遠距離上建立雷射光束穩定性並確保在目標瞄準點上駐留時間的技術。
鐳射武器光束控制和瞄準跟蹤系統是無人機助推段反導的一項關鍵技術,目前取得了一定的進展。但是將鐳射武器與載機平臺相結合,鐳射武器不可避免的要受到載機平臺振動和雜訊等以及外部環境的影響。這些因素對無人機載鐳射武器的光束控制和高精度的瞄準和跟蹤帶來嚴重的技術困難。因此,在進一步研究鐳射光束控制技術的同時,應深入開展在載機動態環境下無人機載鐳射武器的高減振致穩結構設計研究。同時,必須重新分析跟蹤瞄準誤差,開展高精度隨動跟蹤技術研究,研究新的精密瞄準與跟蹤系統用來捕獲、跟蹤目標,引導光束瞄準射擊,並判斷毀傷效果。鐳射武器適應動態作戰環境是無人機載鐳射武器能夠摧毀目標的重要保證。
▲在為高空長航時無人機配裝高能鐳射武器以攔截助推段洲際彈道導彈之前，導彈防禦局將先突破在遠距離上建立雷射光束穩定性並確保在目標瞄準點上駐留時間的技術
發展動因
利用無人機攜帶鐳射武器進行反導作戰的優勢主要體現在助推段的攔截優勢、無人機平臺的作戰優勢和鐳射武器的優勢3個方面。
助推段攔截優勢
在彈道導彈3個飛行階段中,從易摧毀性的角度來看,助推段最容易被攔截:
其一,處於助推段的導彈彈頭與彈體沒有分離,整個導彈體型巨大,同時發動機尾焰紅外特徵信號強因而易被對方探測。
其二,處於助推段的彈道導彈飛行速度較慢,並且無法像飛行中段/末段那樣採取機動變軌、有源/無源干擾等突防措施,因而更易於跟蹤和攔截。
其三,助推段導彈燃料箱內充滿燃料,同時導彈因處於加速狀態而承受氣動壓力,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。
對於目前正在探討發展中的鐳射武器等新概念反導武器來說,用於助推段反導時才能發揮出最佳的攔截效果。因為目前的彈道導彈為解決重入大氣層時與空氣摩擦產生高溫的問題,其彈頭通常都配備有高性能的耐熱防護層,這會增大鐳射武器對其打擊時的難度,而在助推段則不存在這樣的問題。
無人機的優勢
空基發射的優勢體現在多個方面:
首先,由於高空長航時無人機飛行高度很高,可以最大程度避免大氣環境和雲層對鐳射武器運用的不利影響。
其次,空基平臺可為助推段攔截提供一個搭載各種攔截載荷,從實現對導彈目標的預警探測,到精確跟蹤制導和攔截,最後到攔截效果評估的全要素的反導平臺。
採用隱身無人機作為空基平臺,一是利用隱身能力可以避免對制空權的過度依賴,為攔截提供更接近導彈發射點的作戰優勢;二是利用無人機可以提供長時間的駐空巡邏和反導戰備值班,規避了人員疲勞和傷亡的風險。助推段反導具有比中段和末段更高的作戰效能,再加上空基平臺提供的作戰優勢,將使空基反導具備更高的作戰效能。
鐳射武器的優勢
鐳射武器反應迅速,火力轉移快,在鎖定高速飛行目標的同時,便能做到暫態打擊。將鐳射武器裝備在無人機上能夠有效避開地面建築物以及近地面複雜空氣流場對鐳射光路的干涉、散射,在有效避開地面的干擾後,鐳射武器的攔截效率將大大提高。鐳射武器的作戰效費比較高,雖然無人機載鐳射武器前期研製費用高,但相比於一次性攔截導彈的作戰經費,機載鐳射武器攔截費用較低。一枚攔截導彈價值數萬甚至數十萬美金,而發射一次化學鐳射費用只需2000美元左右。
▲美軍已經開始將雷射器樣機安裝在MQ-9B無人機上進行技術驗證和相關測試
作戰運用
攔截彈道導彈
鐳射武器系統作戰原理為:遠端預警雷達捕獲來襲的導彈目標,並將目標資訊資料傳送給總體控制分系統,總體控制分系統通過目標分配與座標變換,引導光束控制分系統捕獲並鎖定目標,使發射望遠鏡對準目標。當目標處於適當位置時,總體控制分系統發出攻擊命令,高能雷射器系統發出光束,經光束控制分系統射向來襲導彈,對其進行破壞。機載鐳射武器能量大、發射頻率高且回應迅速,因此能夠將導彈在空中燒穿、引燃或引爆,使其在空中解體,失去威脅。對於戰術級或戰略級的彈道導彈,由於在空間中失去空氣動力且僅受地球引力的影響,因此運行軌跡是確定的。空基鐳射武器可以通過觀測解算對方導彈的空間位置及軌跡,在空間中對彈道導彈進行攻擊。沒有了大氣層內諸多干擾因素的影響,鐳射武器在空間中能夠更好地發揮效能,短時間內將導彈燒穿、引燃或引爆,使敵方的導彈在空間中喪失威脅。鐳射武器相比於攔截彈,其成本更加低廉,美國可以在更多的陣地部署鐳射武器,反導覆蓋區域將大大增加。其回應速度更快,能夠在探測到導彈威脅的第一時間啟動並發動攻擊,這將為美國提供更多的評估決策時間。發射次數不受限制,僅消耗電能,只要電力充足,鐳射武器能夠多次開啟,在短時間內攻擊多個目標。
打擊彈道導彈發射裝置
除了通過對助推段彈道導彈的發現和跟蹤為後方導彈防禦體系提供快反能力和早攔機會之外,鐳射武器還可執行打擊彈道導彈發射車的任務。實際上,美國很早就認識到空基助推段攔截裝備具備打擊彈道導彈發射車的能力。美國蘭德公司早在1997年完成的報告《空基助推段和上升段導彈防禦:選擇與問題》就提出,助推段/上升段攔截任務與對地攻擊任務之間有數種可能的協同方式,其中最有可能的就是在彈道導彈發射之後,通過對地攻擊來摧毀機動式彈道導彈發射車及其相關的裝備;用於助推段/上升段攔截的目標捕獲解決方案也能提供精確的逆推處理,從而確定出彈道導彈的發射位置。因此,用於助推段攔截的無人機及其感測器和機載武器,不僅能夠執行助推段攔截任務,還能夠執行發射後的打擊任務。
攔截高超聲速飛行器
美軍對於無人機載鐳射武器助推段反導有作戰需求,需要融入現有的導彈防禦系統內,以充分利用現有的預警探測系統。它能夠補充諸如“愛國者”、“薩德”和“宙斯盾”等常規的導彈防禦系統,可防禦高超聲速飛行器。目前,世界大多數防空導彈攔截高度均在20千米以下,也就是說難以達到對在巡航段飛行的高超聲速巡航導彈的射擊條件。而彈道導彈防禦系統的作戰高度幾乎不在20～40千米的高度範圍內。例如,美國“愛國者”PAC-3針對彈道導彈目標的射高在15～20千米,勉強達到高超聲速巡航導彈的飛行高度;“薩德”攔截彈、“標準-3”攔截彈對彈道導彈的射高分別在40～150千米、70～500千米,均超出了高超聲速巡航導彈的飛行高度,從而不具備對其攔截能力。由於高超聲速巡航導彈的受載飛行段與彈道導彈的助推段所面臨的作戰條件極為相似,因此可採取的防禦措施也類似。從美軍的實踐看,對於彈道導彈助推段的攔截,主要制定了機載鐳射武器系統、天基或臨近空間鐳射武器系統等方案。可見,鐳射武器仍然是實施高超聲速飛行器有效攔截的舉措之一。
要為鐳射武器提供電能,在不影響飛行性能的情況下,保持雷射器供電時間不少於30分鐘。支援1~2米口徑光學有效載荷。具備低空震動特性,角位移小於50毫弧度。具備地面持續控制能力。但對於這些要求,美國現役的各型無人機都不能達標。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,無法達到導彈防禦局對無人機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,對於美軍需要對現役的飛機進行升級改造。自20世紀90年代末起,洛克希德•馬丁公司提出一系列研發無人版U-2S偵察機的建議,提出了無人版U-2U的設計來代替美空軍RQ-4“全球鷹”進行高空偵察。2014年,“臭鼬”工廠的研發小組再次提出無人版U-2偵察機的概念,但隨即又放棄了該概念,提出研發具有隱身能力的無人/有人通用版U-2繼任者TR-X。U-2偵察機的最大載荷為2270千克,作戰上限大於7萬英尺(約合21.3千米),能夠滿足導彈防禦局的要求。這種有人/無人通用的U-2飛機是一個可行的選擇。
雷射器
雷射器是實施助推段反導的關鍵部件。在對付液體燃料推進的彈道導彈時,鐳射武器將只需少數幾秒即可摧毀目標。對付固體燃料彈道導彈則需要更長時間。為了縮短照射時間,需要提高雷射器的功率。根據研究,要摧毀1枚彈道導彈,雷射器的功率需要達到1兆瓦以上。
目前,美國導彈防禦局正在發展3種類型的鐳射武器:一是二極體泵浦的鹼金屬鐳射武器;二是光纖合成鐳射武器;三是工業部門提出的創新方案。其中第三種方案包括光譜和相干合成鐳射波束以達到高功率水準的技術,緊湊的平面波導雷射器技術,以及液冷盤形雷射器技術。上述雷射技術都是目前非常先進的雷射技術,克服了化學雷射器的缺點。
美國防部僅成功演示過功率34千瓦的合成光纖雷射器和功率10千瓦的二極體泵浦鹼金屬雷射器(DPAL)。這兩種雷射技術在實現很高的平均功率和非常低的系統品質方面都有良好的前景。導彈防禦局和美國防部國防高級研究計畫局未來將合作建造一台50千瓦級的合成光纖雷射器,並在2017～2018財年將其功率提高到數百千瓦,並最終提高到兆瓦級。這項工作的第一步是製造和集成品質功率比達到5千克/千瓦的光纖雷射器。
動態環境光束控制、瞄準跟蹤系統
2016年8月,導彈防禦局先進技術計畫執行負責人理查•馬特洛克對《飛行國際》透露了以下資訊:在為高空長航時無人機配裝高能鐳射武器以攔截助推段洲際彈道導彈之前,導彈防禦局將先突破在遠距離上建立雷射光束穩定性並確保在目標瞄準點上駐留時間的技術。
鐳射武器光束控制和瞄準跟蹤系統是無人機助推段反導的一項關鍵技術,目前取得了一定的進展。但是將鐳射武器與載機平臺相結合,鐳射武器不可避免的要受到載機平臺振動和雜訊等以及外部環境的影響。這些因素對無人機載鐳射武器的光束控制和高精度的瞄準和跟蹤帶來嚴重的技術困難。因此,在進一步研究鐳射光束控制技術的同時,應深入開展在載機動態環境下無人機載鐳射武器的高減振致穩結構設計研究。同時,必須重新分析跟蹤瞄準誤差,開展高精度隨動跟蹤技術研究,研究新的精密瞄準與跟蹤系統用來捕獲、跟蹤目標,引導光束瞄準射擊,並判斷毀傷效果。鐳射武器適應動態作戰環境是無人機載鐳射武器能夠摧毀目標的重要保證。
▲在為高空長航時無人機配裝高能鐳射武器以攔截助推段洲際彈道導彈之前，導彈防禦局將先突破在遠距離上建立雷射光束穩定性並確保在目標瞄準點上駐留時間的技術
發展動因
利用無人機攜帶鐳射武器進行反導作戰的優勢主要體現在助推段的攔截優勢、無人機平臺的作戰優勢和鐳射武器的優勢3個方面。
助推段攔截優勢
在彈道導彈3個飛行階段中,從易摧毀性的角度來看,助推段最容易被攔截:
其一,處於助推段的導彈彈頭與彈體沒有分離,整個導彈體型巨大,同時發動機尾焰紅外特徵信號強因而易被對方探測。
其二,處於助推段的彈道導彈飛行速度較慢,並且無法像飛行中段/末段那樣採取機動變軌、有源/無源干擾等突防措施,因而更易於跟蹤和攔截。
其三,助推段導彈燃料箱內充滿燃料,同時導彈因處於加速狀態而承受氣動壓力,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。
對於目前正在探討發展中的鐳射武器等新概念反導武器來說,用於助推段反導時才能發揮出最佳的攔截效果。因為目前的彈道導彈為解決重入大氣層時與空氣摩擦產生高溫的問題,其彈頭通常都配備有高性能的耐熱防護層,這會增大鐳射武器對其打擊時的難度,而在助推段則不存在這樣的問題。
無人機的優勢
空基發射的優勢體現在多個方面:
首先,由於高空長航時無人機飛行高度很高,可以最大程度避免大氣環境和雲層對鐳射武器運用的不利影響。
其次,空基平臺可為助推段攔截提供一個搭載各種攔截載荷,從實現對導彈目標的預警探測,到精確跟蹤制導和攔截,最後到攔截效果評估的全要素的反導平臺。
採用隱身無人機作為空基平臺,一是利用隱身能力可以避免對制空權的過度依賴,為攔截提供更接近導彈發射點的作戰優勢;二是利用無人機可以提供長時間的駐空巡邏和反導戰備值班,規避了人員疲勞和傷亡的風險。助推段反導具有比中段和末段更高的作戰效能,再加上空基平臺提供的作戰優勢,將使空基反導具備更高的作戰效能。
鐳射武器的優勢
鐳射武器反應迅速,火力轉移快,在鎖定高速飛行目標的同時,便能做到暫態打擊。將鐳射武器裝備在無人機上能夠有效避開地面建築物以及近地面複雜空氣流場對鐳射光路的干涉、散射,在有效避開地面的干擾後,鐳射武器的攔截效率將大大提高。鐳射武器的作戰效費比較高,雖然無人機載鐳射武器前期研製費用高,但相比於一次性攔截導彈的作戰經費,機載鐳射武器攔截費用較低。一枚攔截導彈價值數萬甚至數十萬美金,而發射一次化學鐳射費用只需2000美元左右。
▲美軍已經開始將雷射器樣機安裝在MQ-9B無人機上進行技術驗證和相關測試
作戰運用
攔截彈道導彈
鐳射武器系統作戰原理為:遠端預警雷達捕獲來襲的導彈目標,並將目標資訊資料傳送給總體控制分系統,總體控制分系統通過目標分配與座標變換,引導光束控制分系統捕獲並鎖定目標,使發射望遠鏡對準目標。當目標處於適當位置時,總體控制分系統發出攻擊命令,高能雷射器系統發出光束,經光束控制分系統射向來襲導彈,對其進行破壞。機載鐳射武器能量大、發射頻率高且回應迅速,因此能夠將導彈在空中燒穿、引燃或引爆,使其在空中解體,失去威脅。對於戰術級或戰略級的彈道導彈,由於在空間中失去空氣動力且僅受地球引力的影響,因此運行軌跡是確定的。空基鐳射武器可以通過觀測解算對方導彈的空間位置及軌跡,在空間中對彈道導彈進行攻擊。沒有了大氣層內諸多干擾因素的影響,鐳射武器在空間中能夠更好地發揮效能,短時間內將導彈燒穿、引燃或引爆,使敵方的導彈在空間中喪失威脅。鐳射武器相比於攔截彈,其成本更加低廉,美國可以在更多的陣地部署鐳射武器,反導覆蓋區域將大大增加。其回應速度更快,能夠在探測到導彈威脅的第一時間啟動並發動攻擊,這將為美國提供更多的評估決策時間。發射次數不受限制,僅消耗電能,只要電力充足,鐳射武器能夠多次開啟,在短時間內攻擊多個目標。
打擊彈道導彈發射裝置
除了通過對助推段彈道導彈的發現和跟蹤為後方導彈防禦體系提供快反能力和早攔機會之外,鐳射武器還可執行打擊彈道導彈發射車的任務。實際上,美國很早就認識到空基助推段攔截裝備具備打擊彈道導彈發射車的能力。美國蘭德公司早在1997年完成的報告《空基助推段和上升段導彈防禦:選擇與問題》就提出,助推段/上升段攔截任務與對地攻擊任務之間有數種可能的協同方式,其中最有可能的就是在彈道導彈發射之後,通過對地攻擊來摧毀機動式彈道導彈發射車及其相關的裝備;用於助推段/上升段攔截的目標捕獲解決方案也能提供精確的逆推處理,從而確定出彈道導彈的發射位置。因此,用於助推段攔截的無人機及其感測器和機載武器,不僅能夠執行助推段攔截任務,還能夠執行發射後的打擊任務。
攔截高超聲速飛行器
美軍對於無人機載鐳射武器助推段反導有作戰需求,需要融入現有的導彈防禦系統內,以充分利用現有的預警探測系統。它能夠補充諸如“愛國者”、“薩德”和“宙斯盾”等常規的導彈防禦系統,可防禦高超聲速飛行器。目前,世界大多數防空導彈攔截高度均在20千米以下,也就是說難以達到對在巡航段飛行的高超聲速巡航導彈的射擊條件。而彈道導彈防禦系統的作戰高度幾乎不在20～40千米的高度範圍內。例如,美國“愛國者”PAC-3針對彈道導彈目標的射高在15～20千米,勉強達到高超聲速巡航導彈的飛行高度;“薩德”攔截彈、“標準-3”攔截彈對彈道導彈的射高分別在40～150千米、70～500千米,均超出了高超聲速巡航導彈的飛行高度,從而不具備對其攔截能力。由於高超聲速巡航導彈的受載飛行段與彈道導彈的助推段所面臨的作戰條件極為相似,因此可採取的防禦措施也類似。從美軍的實踐看,對於彈道導彈助推段的攔截,主要制定了機載鐳射武器系統、天基或臨近空間鐳射武器系統等方案。可見,鐳射武器仍然是實施高超聲速飛行器有效攔截的舉措之一。