[科普中國]-美軍無人機(jī)載激光器助推段反導(dǎo)發(fā)展分析

　　當(dāng)前，彈道導(dǎo)彈及其技術(shù)擴(kuò)散的問題已成為影響全球和地區(qū)安全的重要問題之一，這促使彈道導(dǎo)彈防御武器在相關(guān)國家得到發(fā)展并投入使用。但迄今為止世界現(xiàn)役的反導(dǎo)武器均集中在末段反導(dǎo)（如美國THAAD“末段高空區(qū)域防御系統(tǒng)”和俄羅斯A-135反導(dǎo)系統(tǒng)）或中段反導(dǎo)（如美國GBI“地基攔截彈”）領(lǐng)域，而助推段反導(dǎo)由于技術(shù)難度大等原因，一直沒能有實(shí)用化的武器入役。

　　隨著近年來無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，其在助推段反導(dǎo)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用前景日漸引起了各國的關(guān)注和重視。美國等國已在此領(lǐng)域加大了投入，并取得相當(dāng)?shù)募夹g(shù)進(jìn)展。2016年6月，美國國防部導(dǎo)彈防御局（MDA）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747-400的YAL-1“機(jī)載激光武器”（ABL）試驗(yàn)臺(tái)改成了高空長航時(shí)無人機(jī)。2016年8月26日，MDA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)彈防御的低功率激光武器演示器”解決方案。這是該局發(fā)展高空長航時(shí)無人機(jī)搭載高能激光助推段反導(dǎo)計(jì)劃的重要一步。運(yùn)用無人機(jī)攜帶激光攔截武器對(duì)處于助推段飛行的彈道導(dǎo)彈進(jìn)行攔截，可以利用彈道導(dǎo)彈在助推段的特殊性、無人機(jī)的靈活機(jī)動(dòng)性以及激光武器的性能，達(dá)到最佳的反導(dǎo)效果。

　　1發(fā)展歷程

　　美國從20世紀(jì)90年代中期以來，先后發(fā)起了機(jī)載激光器（ABL）計(jì)劃、動(dòng)能攔截彈（KEI）計(jì)劃、網(wǎng)絡(luò)中心機(jī)載防御單元（NCADE）等一系列旨在進(jìn)行助推段攔截的導(dǎo)彈防御計(jì)劃，其中投資最大的當(dāng)屬用高能激光作為殺傷能量的ABL計(jì)劃。然而，奧巴馬上臺(tái)后，在導(dǎo)彈防御方面更加注重發(fā)展技術(shù)較成熟反導(dǎo)系統(tǒng)。2011年12月，美國國防部決定終止ABL機(jī)載激光器研發(fā)項(xiàng)目。盡管ABL項(xiàng)目已經(jīng)被終止，但通過實(shí)施該項(xiàng)目，美國在激光器技術(shù)、能源制備和光束控制等領(lǐng)域均取得了很大進(jìn)展，這為其新型機(jī)載激光器的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

　　美國將無人機(jī)用于助推段反導(dǎo)問題的研究起源于2001年的阿富汗戰(zhàn)爭。當(dāng)時(shí)，美軍無人機(jī)在對(duì)阿富汗領(lǐng)土實(shí)施的偵察中出色地完成了任務(wù)。因此，美軍把無人機(jī)反導(dǎo)作戰(zhàn)寫進(jìn)了2003財(cái)年軍費(fèi)預(yù)算報(bào)告中。國會(huì)建議對(duì)無人機(jī)在飛行軌跡主動(dòng)段飛行的戰(zhàn)役戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈實(shí)施反導(dǎo)作戰(zhàn)的可行性進(jìn)行研究。2009年4月，美空軍進(jìn)行了無人機(jī)跟蹤彈道導(dǎo)彈發(fā)射試驗(yàn)。試驗(yàn)中，MQ-9無人機(jī)攜帶美國雷神公司研制的B型多光譜瞄準(zhǔn)系統(tǒng)(MTS-B)光電/紅外傳感器，從防區(qū)外跟蹤了以色列發(fā)射的箭-2導(dǎo)彈，并將獲得的數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星傳回位于美國防部的分布式通用地面系統(tǒng)。

　　近期，美國開始將激光技術(shù)應(yīng)用于無人機(jī)領(lǐng)域。據(jù)美國《航空周刊與空間技術(shù)》2013年8月16日?qǐng)?bào)道，MDA計(jì)劃使用諸如MQ-9之類的長航時(shí)無人機(jī)搭載激光武器，對(duì)助推段彈道導(dǎo)彈進(jìn)行攔截。MDA先進(jìn)技術(shù)部主任表示，用于助推段攔截的激光反導(dǎo)無人機(jī)的飛行高度為18288米或以上，從而避開云或大氣帶來的干擾，增強(qiáng)激光武器的效能。

　　2016年2月2日，MDA在其提交的2016財(cái)年（2015年10月1日至2016年9月30日）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（DER項(xiàng)目從2011財(cái)年即開始啟動(dòng)，至今每年都有投資或預(yù)算安排）。根據(jù)MDA提交的2016財(cái)年預(yù)算，2013財(cái)年為DER項(xiàng)目實(shí)際投資額度為2631.5萬美元，2015財(cái)年獲批額度為1334.8萬美元，2016～2020財(cái)年總的計(jì)劃預(yù)算是2.57億美元，其中2016財(cái)年預(yù)算為3029.1萬美元，2017～2020財(cái)年分別計(jì)劃安排4647.7萬、6638.2萬、5157.2萬、6299.6萬美元。該項(xiàng)目旨在尋求新的途徑，將高效緊湊的激光武器集成到高空長航時(shí)無人機(jī)上，最終用于攔截處于助推段的彈道導(dǎo)彈。

　　2發(fā)展動(dòng)因助推段攔截的優(yōu)勢

　　從攔截作戰(zhàn)效果看，通過助推段反導(dǎo)，可以擴(kuò)大己方反導(dǎo)系統(tǒng)的作戰(zhàn)縱深，增加攔截層次，實(shí)現(xiàn)對(duì)來襲導(dǎo)彈的分層防御，提高己方導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的綜合作戰(zhàn)效能和整體攔截概率。一旦助推段攔截成功，被擊落的敵方彈道導(dǎo)彈殘骸碎片和戰(zhàn)斗部都將落在敵國境內(nèi)，不會(huì)給己方帶來任何附帶損傷，而敵方必須考慮由此帶來的嚴(yán)重后果，從而影響其戰(zhàn)時(shí)使用彈道導(dǎo)彈的決心。對(duì)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，這意外地增大了激光武器對(duì)其打擊時(shí)的難度，而在助推段則不存在這樣的問題。

　　從攔截作戰(zhàn)效果看，通過助推段反導(dǎo)，可以擴(kuò)大己方反導(dǎo)系統(tǒng)的作戰(zhàn)縱深，增加攔截層次，實(shí)現(xiàn)對(duì)來襲導(dǎo)彈的分層防御，提高己方導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的綜合作戰(zhàn)效能和整體攔截概率。一旦助推段攔截成功，被擊落的敵方彈道導(dǎo)彈殘骸碎片和戰(zhàn)斗部都將落在敵國境內(nèi)，不會(huì)給己方帶來任何附帶損傷，而敵方必須考慮由此帶來的嚴(yán)重后果，從而影響其戰(zhàn)時(shí)使用彈道導(dǎo)彈的決心。對(duì)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，這意外地增大了激光武器對(duì)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，因此可以最大程度上避免大氣環(huán)境和云層對(duì)激光武器運(yùn)用的不利影響。其次，空基反導(dǎo)可以在較小的攔截窗口內(nèi)實(shí)現(xiàn)大區(qū)域的反導(dǎo)防御，能壓制敵整個(gè)導(dǎo)彈發(fā)射區(qū)域，這是末段和中段防御系統(tǒng)所望塵莫及的。第三，空基平臺(tái)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(duì)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(píng)估的全要素的反導(dǎo)平臺(tái)。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(tái)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，在鎖定高超聲速目標(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(duì)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。無人機(jī)載激光武器的攔截時(shí)間充分，既能在高超聲速武器的發(fā)射段對(duì)其傳感器實(shí)施致盲攔截，又能在其飛行段對(duì)其實(shí)行毀傷打擊攔截。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)，研制成功的機(jī)載激光武器攔截費(fèi)用較低。一枚攔截導(dǎo)彈價(jià)值幾萬甚至幾十萬美金，而發(fā)射一次化學(xué)激光費(fèi)用只需2000美元左右。

　　3系統(tǒng)組成無人機(jī)平臺(tái)

　　無人機(jī)是助推段攔截的作戰(zhàn)平臺(tái)，擔(dān)負(fù)著為攔截武器提供載機(jī)平臺(tái)，接收和發(fā)送預(yù)警信息，發(fā)現(xiàn)、跟蹤和鎖定彈道目標(biāo)和攔截打擊效果評(píng)估等多種任務(wù)。根據(jù)攔截作戰(zhàn)需求，無人機(jī)一方面應(yīng)具備一定的攔截載荷，以及預(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(píng)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(dòng)到達(dá)戰(zhàn)場能力。MDA主任詹姆斯?敘寧中將在于華盛頓特區(qū)舉行的定向能峰會(huì)上透露說，諸如波音公司的“鬼眼”、通用原子公司的MQ-9“死神”等無人機(jī)將被用于支持激光武器演示驗(yàn)證。激光器

　　MDA致力于按比例提高固態(tài)激光武器的輸出能量水平，達(dá)到可用于助推段攔截的程度。MDA目前決定采用電驅(qū)動(dòng)固體激光武器，但究竟何種激光武器、封裝包或平臺(tái)能被用于最終的無人機(jī)概念尚未確定。該低功率激光武器演示驗(yàn)證器項(xiàng)目分為兩個(gè)階段，MDA將在2017年授出兩份第一階段合同。第一階段包括為期12個(gè)月的設(shè)計(jì)工作，最終將完成技術(shù)設(shè)計(jì)審查；第二階段工作將包括設(shè)計(jì)、建造和試驗(yàn)。在2016年早些時(shí)候，MDA已向波音公司、通用原子公司、洛·馬公司、諾·格公司和雷聲公司這5家企業(yè)各授出一份機(jī)載低功率激光武器演示器合同。按照合同，通用原子公司已在其MQ-9“死神”無人機(jī)上，利用雷聲公司的MTS-C（“多光譜瞄準(zhǔn)系統(tǒng)－C”）光電/紅外轉(zhuǎn)塔，完成了精確跟蹤演示驗(yàn)證。

　　圖為雷聲公司MTS瞄準(zhǔn)系統(tǒng)預(yù)警探測系統(tǒng)

　　由于彈道導(dǎo)彈目標(biāo)在助推段飛行時(shí)間短，單一的預(yù)警系統(tǒng)無法提供攔截所需的預(yù)警信息。因此，需要構(gòu)建一個(gè)大范圍、全方位的立體導(dǎo)彈預(yù)警探測網(wǎng)。預(yù)警探測系統(tǒng)應(yīng)主要由兩大部分組成：第一部分用于對(duì)彈道導(dǎo)彈發(fā)射及準(zhǔn)備活動(dòng)、助推段導(dǎo)彈飛行情況進(jìn)行預(yù)警和監(jiān)視，估算相關(guān)彈道和攔截參數(shù)；第二部分主要用于在攔截打擊過程中跟蹤、監(jiān)視彈道目標(biāo)和攔截武器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以便根據(jù)情況采取適當(dāng)?shù)膽?yīng)對(duì)措施。因此，需要將眾多分散的預(yù)警探測系統(tǒng)進(jìn)行合理配置，需要部署以天基導(dǎo)彈預(yù)警網(wǎng)(包括高軌和低軌導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星) 為主，以臨近空間預(yù)警系統(tǒng)、空基和地(海)基預(yù)警雷達(dá)為輔的導(dǎo)彈預(yù)警網(wǎng)。

　　4關(guān)鍵技術(shù)

　　激光器技術(shù)

　　目前美國國防部沒有一種激光武器能提供快速摧毀一枚助推段彈道導(dǎo)彈所需的功率。在對(duì)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(duì)付固體燃料彈道導(dǎo)彈則需要更長時(shí)間。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，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。MDA和美國防部國防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）將在DER項(xiàng)目中合作建造一臺(tái)50千瓦級(jí)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(jí)。這項(xiàng)工作的第一步是在2016財(cái)年創(chuàng)造和集成質(zhì)量功率比達(dá)到5千克/千瓦的光纖激光器。MDA正在發(fā)展三種類型的激光武器，一是二極管泵浦的堿金屬激光武器（DPAL），二是光纖合成激光武器，三是工業(yè)界提出的競爭性技術(shù)。無人機(jī)生存能力和續(xù)航時(shí)間

　　美國國家科學(xué)院研究小組的聯(lián)合主席之一大衛(wèi)·蒙塔古仍質(zhì)疑MDA設(shè)想的可行性。他指出這種方案仍需要足夠靠近目標(biāo)，否則沒有足夠的反應(yīng)時(shí)間。無人機(jī)在距離目標(biāo)最遠(yuǎn)不會(huì)超過200千米，這樣可能出現(xiàn)在敵方防區(qū)內(nèi)，生存面臨挑戰(zhàn)。即使是在朝鮮這樣領(lǐng)土面積有限的國家，距離彈道導(dǎo)彈200千米盡管可能意味著在朝鮮領(lǐng)土上空之外，但仍可能在防空系統(tǒng)的射程內(nèi)。這還沒有考慮諸如伊朗這樣面積更大的國家。可見，如何提高無人機(jī)的生存能力是未來研究的重點(diǎn)之一。還有一個(gè)是續(xù)航時(shí)間問題。無人機(jī)必須在合適的距離范圍內(nèi)持續(xù)飛行并待機(jī)進(jìn)行攔截，因此必須提高無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間。這不但需要新型的高能燃料組合，還需要推動(dòng)發(fā)展高可靠性的航空發(fā)動(dòng)機(jī)。雖然目前美軍“全球鷹”“捕食者”均具有長航時(shí)能力，但艦載無人機(jī)作為一種高度戰(zhàn)略型武器，其隱身材料和動(dòng)力、傳感器及反導(dǎo)攔截武器等技術(shù)極為嚴(yán)格保密，一旦發(fā)生故障或失聯(lián)墜毀，后果不堪設(shè)想，因此對(duì)其飛行作戰(zhàn)可靠性要求極高。動(dòng)態(tài)環(huán)境光束控制和瞄準(zhǔn)跟蹤技術(shù)

　　2016年8月，MDA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(duì)《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，MDA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(tái)相結(jié)合，激光武器不可避免的要受到載機(jī)平臺(tái)的震動(dòng)和噪聲等環(huán)境的影響，以及外部環(huán)境的影響。這些動(dòng)態(tài)環(huán)境的影響對(duì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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。

(來源：北京航天情報(bào)與信息研究所，航天防務(wù)技術(shù)瞭望，呂琳琳、李毅投稿。原文載航天防務(wù)微信公號(hào)，已獲授權(quán)轉(zhuǎn)載）