美军无人机机载激光反导武器发展现状和应用前景

美军曾发展了多种激光武器,但是多数项目由于经费和技术等问题被取消。在反导方面,美军也曾探索了天基、空基、海基台以及地基激光武器平台。其中发展相对成熟的是空基机载激光武器(ABL)。

ABL的主要任务是在数百千米外利用定向能摧毁处于助推段的弹道导弹。ABL由改装后的波音747-400F飞机、高能化学激光器、光束控制与火控系统、作战管理及指挥控制系统4大部分组成。飞机后半部安装有诺思罗普·格鲁曼公司研制的由6个模块组成的兆瓦级化学氧-碘激光器。截至2012年,ABL系统已完成一系列试验,高能激光器最长持续出光时间达到5.25秒。奥巴马政府上台后经过评估认为,ABL计划存在技术风险高、实战化难度大等一系列问题,于2012年正式取消该研制计划。在此之前,该项目研发时间已经接近16年,总耗资超过50亿美元。该项目失败的原因总体来说包括复杂的化学激光武器的限制、民用飞机性能的限制等。但是,美国国防部导弹防御局表示,并未放弃利用空基激光武器实施弹道导弹助推段拦截的构想,只是设想的方案由过去基于波音747-400F改成了高空长航时无人机。

2016年2月2日,导弹防御局在其提交的2016财年预算中,通过“定向能研究”(DER)项目安排了高空无人机以激光探测和拦截助推段弹道导弹的研究工作。2016～2020财年总的计划预算是2.57亿美元。2016年8月26日,导弹防御局在美国联邦政府的“联邦商机”网站上发布了先进技术创新跨部门公告,寻求“用于导弹防御的激光武器演示器”解决方案。这是该局发展高空长航时无人机搭载激光助推段反导计划的重要一步。2017年6月,美国导弹防御局披露其计划研制能够拦截洲际导弹的无人机载激光武器,对运载平台无人机提出了规格要求。

无人机平台

根据拦截作战需求,作为激光器携载平台的无人机一方面应具备一定的预警探测、跟踪制导、数据处理及远程快速传输和作战效果评估能力以满足助推段拦截需求;另一方面还要保证无人机的作战适宜性,具备隐身防卫、长航时滞空、空中快速机动到达战场能力。

根据美国导弹防御局发布的公告中提出的性能规格需求,要求高空长航时无人机的飞行高度在63000英尺以上(约2万米),留空时间36小时以上(包括从3000千米外的基地飞行至目标上空的能力),在执行任务区域巡航速度达马赫数0.45,能够承载最低5000磅(约2268千克),最高12500磅(5670千克)有效载荷。要为激光武器提供电能,在不影响飞行性能的情况下,保持激光器供电时间不少于30分钟。支持1~2米口径光学有效载荷。具备低空震动特性,角位移小于50毫弧度。具备地面持续控制能力。但对于这些要求,美国现役的各型无人机都不能达标。

RQ-4“全球鹰”的最大有效载荷为1360千克,最大飞行高度约合18.3千米,无法达到导弹防御局对无人机载荷和飞行高度的要求。MQ-9“死神”的最大有效载荷、飞行高度、也无法满足要求。因此,对于美军需要对现役的飞机进行升级改造。自20世纪90年代末起,洛克希德•马丁公司提出一系列研发无人版U-2S侦察机的建议,提出了无人版U-2U的设计来代替美空军RQ-4“全球鹰”进行高空侦察。2014年,“臭鼬”工厂的研发小组再次提出无人版U-2侦察机的概念,但随即又放弃了该概念,提出研发具有隐身能力的无人/有人通用版U-2继任者TR-X。U-2侦察机的最大载荷为2270千克,作战上限大于7万英尺(约合21.3千米),能够满足导弹防御局的要求。这种有人/无人通用的U-2飞机是一个可行的选择。

激光器

激光器是实施助推段反导的关键部件。在对付液体燃料推进的弹道导弹时,激光武器将只需少数几秒即可摧毁目标。对付固体燃料弹道导弹则需要更长时间。为了缩短照射时间,需要提高激光器的功率。根据研究,要摧毁1枚弹道导弹,激光器的功率需要达到1兆瓦以上。

目前,美国导弹防御局正在发展3种类型的激光武器:一是二极管泵浦的碱金属激光武器;二是光纤合成激光武器;三是工业部门提出的创新方案。其中第三种方案包括光谱和相干合成激光波束以达到高功率水平的技术,紧凑的平面波导激光器技术,以及液冷盘形激光器技术。上述激光技术都是目前非常先进的激光技术,克服了化学激光器的缺点。

美国防部仅成功演示过功率34千瓦的合成光纤激光器和功率10千瓦的二极管泵浦碱金属激光器(DPAL)。这两种激光技术在实现很高的平均功率和非常低的系统质量方面都有良好的前景。导弹防御局和美国防部国防高级研究计划局未来将合作建造一台50千瓦级的合成光纤激光器,并在2017～2018财年将其功率提高到数百千瓦,并最终提高到兆瓦级。这项工作的第一步是制造和集成质量功率比达到5千克/千瓦的光纤激光器。

动态环境光束控制、瞄准跟踪系统

2016年8月,导弹防御局先进技术计划执行负责人理查德•马特洛克对《飞行国际》透露了以下信息:在为高空长航时无人机配装高能激光武器以拦截助推段洲际弹道导弹之前,导弹防御局将先突破在远距离上建立激光束稳定性并确保在目标瞄准点上驻留时间的技术。

激光武器光束控制和瞄准跟踪系统是无人机助推段反导的一项关键技术,目前取得了一定的进展。但是将激光武器与载机平台相结合,激光武器不可避免的要受到载机平台振动和噪声等以及外部环境的影响。这些因素对无人机载激光武器的光束控制和高精度的瞄准和跟踪带来严重的技术困难。因此,在进一步研究激光光束控制技术的同时,应深入开展在载机动态环境下无人机载激光武器的高减振致稳结构设计研究。同时,必须重新分析跟踪瞄准误差,开展高精度随动跟踪技术研究,研究新的精密瞄准与跟踪系统用来捕获、跟踪目标,引导光束瞄准射击,并判断毁伤效果。激光武器适应动态作战环境是无人机载激光武器能够摧毁目标的重要保证。

利用无人机携带激光武器进行反导作战的优势主要体现在助推段的拦截优势、无人机平台的作战优势和激光武器的优势3个方面。

助推段拦截优势

在弹道导弹3个飞行阶段中,从易摧毁性的角度来看,助推段最容易被拦截:

其一,处于助推段的导弹弹头与弹体没有分离,整个导弹体型巨大,同时发动机尾焰红外特征信号强因而易被对方探测。

其二,处于助推段的弹道导弹飞行速度较慢,并且无法像飞行中段/末段那样采取机动变轨、有源/无源干扰等突防措施,因而更易于跟踪和拦截。

其三,助推段导弹燃料箱内充满燃料,同时导弹因处于加速状态而承受气动压力,弹体较为脆弱,很容易因外部打击而破损、断裂以至完全解体。

对于目前正在探讨发展中的激光武器等新概念反导武器来说,用于助推段反导时才能发挥出最佳的拦截效果。因为目前的弹道导弹为解决重入大气层时与空气摩擦产生高温的问题,其弹头通常都配备有高性能的耐热防护层,这会增大激光武器对其打击时的难度,而在助推段则不存在这样的问题。

无人机的优势

空基发射的优势体现在多个方面:

首先,由于高空长航时无人机飞行高度很高,可以最大程度避免大气环境和云层对激光武器运用的不利影响。

其次,空基平台可为助推段拦截提供一个搭载各种拦截载荷,从实现对导弹目标的预警探测,到精确跟踪制导和拦截,最后到拦截效果评估的全要素的反导平台。

采用隐身无人机作为空基平台,一是利用隐身能力可以避免对制空权的过度依赖,为拦截提供更接近导弹发射点的作战优势;二是利用无人机可以提供长时间的驻空巡逻和反导战备值班,规避了人员疲劳和伤亡的风险。助推段反导具有比中段和末段更高的作战效能,再加上空基平台提供的作战优势,将使空基反导具备更高的作战效能。

激光武器的优势

激光武器反应迅速,火力转移快,在锁定高速飞行目标的同时,便能做到瞬时打击。将激光武器装备在无人机上能够有效避开地面建筑物以及近地面复杂空气流场对激光光路的干涉、散射,在有效避开地面的干扰后,激光武器的拦截效率将大大提高。激光武器的作战效费比较高,虽然无人机载激光武器前期研制费用高,但相比于一次性拦截导弹的作战经费,机载激光武器拦截费用较低。一枚拦截导弹价值数万甚至数十万美金,而发射一次化学激光费用只需2000美元左右。

拦截弹道导弹

激光武器系统作战原理为:远程预警雷达捕获来袭的导弹目标,并将目标信息数据传送给总体控制分系统,总体控制分系统通过目标分配与坐标变换,引导光束控制分系统捕获并锁定目标,使发射望远镜对准目标。当目标处于适当位置时,总体控制分系统发出攻击命令,高能激光器系统发出光束,经光束控制分系统射向来袭导弹,对其进行破坏。机载激光武器能量大、发射频率高且响应迅速,因此能够将导弹在空中烧穿、引燃或引爆,使其在空中解体,失去威胁。对于战术级或战略级的弹道导弹,由于在空间中失去空气动力且仅受地球引力的影响,因此运行轨迹是确定的。空基激光武器可以通过观测解算对方导弹的空间位置及轨迹,在空间中对弹道导弹进行攻击。没有了大气层内诸多干扰因素的影响,激光武器在空间中能够更好地发挥效能,短时间内将导弹烧穿、引燃或引爆,使敌方的导弹在空间中丧失威胁。激光武器相比于拦截弹,其成本更加低廉,美国可以在更多的阵地部署激光武器,反导覆盖区域将大大增加。其响应速度更快,能够在探测到导弹威胁的第一时间启动并发动攻击,这将为美国提供更多的评估决策时间。发射次数不受限制,仅消耗电能,只要电力充足,激光武器能够多次开启,在短时间内攻击多个目标。

打击弹道导弹发射装置

除了通过对助推段弹道导弹的发现和跟踪为后方导弹防御体系提供快反能力和早拦机会之外,激光武器还可执行打击弹道导弹发射车的任务。实际上,美国很早就认识到空基助推段拦截装备具备打击弹道导弹发射车的能力。美国兰德公司早在1997年完成的报告《空基助推段和上升段导弹防御:选择与问题》就提出,助推段/上升段拦截任务与对地攻击任务之间有数种可能的协同方式,其中最有可能的就是在弹道导弹发射之后,通过对地攻击来摧毁机动式弹道导弹发射车及其相关的装备;用于助推段/上升段拦截的目标捕获解决方案也能提供精确的逆推处理,从而确定出弹道导弹的发射位置。因此,用于助推段拦截的无人机及其传感器和机载武器,不仅能够执行助推段拦截任务,还能够执行发射后的打击任务。

拦截高超声速飞行器

美军对于无人机载激光武器助推段反导有作战需求,需要融入现有的导弹防御系统内,以充分利用现有的预警探测系统。它能够补充诸如“爱国者”、“萨德”和“宙斯盾”等常规的导弹防御系统,可防御高超声速飞行器。目前,世界大多数防空导弹拦截高度均在20千米以下,也就是说难以达到对在巡航段飞行的高超声速巡航导弹的射击条件。而弹道导弹防御系统的作战高度几乎不在20～40千米的高度范围内。例如,美国“爱国者”PAC-3针对弹道导弹目标的射高在15～20千米,勉强达到高超声速巡航导弹的飞行高度;“萨德”拦截弹、“标准-3”拦截弹对弹道导弹的射高分别在40～150千米、70～500千米,均超出了高超声速巡航导弹的飞行高度,从而不具备对其拦截能力。由于高超声速巡航导弹的受载飞行段与弹道导弹的助推段所面临的作战条件极为相似,因此可采取的防御措施也类似。从美军的实践看,对于弹道导弹助推段的拦截,主要制定了机载激光武器系统、天基或临近空间激光武器系统等方案。可见,激光武器仍然是实施高超声速飞行器有效拦截的举措之一。