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美国空基反弹道导弹系统中的无人机发展与运用:引言及第1篇(侦察/拦截一体化装备方案)

时间:2017-05-10 来源:未知 点击:

本文已发表于中航传媒《无人机》杂志。本篇也已在该杂志官方微信公众号《无人机期刊》(微信号:UASCHINA)看法。

引言

按美国防部当前的定义【1】,弹道导弹可按射程分为近程(SRBM)、中程(MRBM)、远程(IRBM)和洲际(ICBM)四类,其射程范围分别为不超过1000km600n mile)、10003000km6001500n mile)、30005500km15003000n mile)和超过5500km(>3000n mile)【2】;弹道导弹的飞行过程主要可分为三个部分,即助推段、中段和末段。另外,美国防部还额外定义了“上升段”,即弹道导弹飞行轨迹中动力飞行段结束至弹道最高点的部分【3】。

空基反弹道导弹系统,是指执行弹道导弹预警探测和拦截杀伤任务的航空武器装备。这些装备可以形成空基反弹道导弹作战体系,也可融入到整个弹道导弹防御体系中的各个功能部分,拓展其作战能力,提高其作战效能。与海基和陆基弹道导弹防御系统相比,系统主要具备潜在的独特优势:一是可提供除静地轨道导弹预警卫星之外的另一种全时导弹预警能力,且不受云层遮挡等因素的影响,情报质量高;二是可在弹道导弹处于助推段时对其进行探测和跟踪,为海基和陆基弹道导弹防御系统提供目标指示和跟踪信息,延伸拦截距离;三是可在弹道导弹最为脆弱的助推段对其进行拦截;四是可通过对弹道导弹的预警探测,及时发现弹道导弹发射车或发射阵地,进而快速摧毁这些高价值的时间敏感目标。其中,无人机由于更容易具备久航、高飞性能,是一类很有潜力的空基反弹道导弹系统装备。

美国在冷战时期就曾尝试发展空基反弹道导弹系统。冷战结束后,美军加强战区导弹防御能力建设,并在海湾战争中提出研究使用战斗机拦截伊拉克的“飞毛腿”弹道导弹,自此开始了冷战后以战区弹道导弹防御为主要目标的空基反弹道导弹系统研究。按照主要功能的不同,美国研究的空基反弹道导弹系统可分为三类,第一类是兼具弹道导弹预警探测和拦截杀伤能力的侦察/拦截一体化装备,第二类是可执行弹道导弹预警探测任务的装备,第三类是机载反弹道导弹武器。美军已针对以上三类装备进行大量的分析和研发工作,积累了丰富的发展经验和雄厚的技术储备。从美军实践看,对这三类装备的研究都涵盖或者涉及到了无人机。

本次推出3篇针对美军反弹道导弹无人机装备方案发展研究的专栏文章,第1篇是“侦察/拦截一体化无人机装备方案研究”。第2篇是“基于无人机的预警探测装备”,第3篇是“无人机机载反弹道导弹武器”。

1篇:侦察/拦截一体化无人机装备方案

从美国空基反弹道导弹系统的发展情况来看,兼具弹道导弹预警探测和拦截杀伤能力的侦察/拦截一体化装备一直是探索和研究重点。二十多年来,美国对这类装备进行的分析和研发工作从未间断,其投资也最大。其中,早期研究和近期研究都包含基于无人机的装备方案,其特点都是寻求利用长航时无人机搭载传感器和拦截弹(以动能杀伤飞行器作为战斗部),对弹道导弹特别是助推段、上升段弹道导弹进行锁定、跟踪、瞄准和拦截

一、早期的研究:“猛禽之爪”和“无人机助推段拦截”项目

19912000年,着眼于加强战区反弹道导弹能力的需要,美国利用冷战时期的导弹防御研究成果,重点研究了可独立完成反弹道导弹作战任务的侦察/拦截一体化装备,并在平台选择方面重点考虑了选择长航时无人机和当时已有的作战飞机,在武器选择方面重点考虑了动能拦截弹。在这十年中,美国所完成的系统研发项目主要包括“游隼”(Peregrine19911993年)机载拦截弹”(ABI19931995年)“猛禽之爪”(RAPTOR TALON19921994年)“助推段拦截”(BPI19941995年)“无人机助推段拦截”(UAV BPI19952000年)等。这些项目研究了使用现有或新研轰炸机、战斗机、无人机发射动能拦截弹,实施弹道导弹助推段以至上升段拦截的方案和技术,且多数项目均被美国防部弹道导弹防御机构(BMDO,该机构于20021月被改组成美国防部导弹防御局,即MDA)、美空、海军及智库认为路线可行、风险可控。其中,“猛禽之爪”和“无人机助推段拦截”均选用无人机作为侦察/打击平台。

(一)“猛禽之爪”项目

“猛禽之爪”项目BMDO“助推段拦截研究”计划的一部分,由BMDO和美空军在19921994年间实施。该项目的方案概念由美国劳伦斯利弗莫尔实验室提出,旨在研究利用长航时无人机发射拦截弹,对处于助推段的弹道导弹进行拦截杀伤。该项目中所采用的长航时无人机平台被称为“猛禽”(RAPTOR,实际上是“响应战区作战行动的飞机项目”,Responsive Aircraft Program for Theater Operations的英语缩略语),拦截弹被称为“禽爪”(TALON,实际是“战区应用——按通报发射”,Theater ApplicationsLaunch on Notice的英语缩略语)。图1显示了该项目中研究的“猛禽”无人机和“禽爪”拦截弹设计,图2显示了正在进行试飞的“猛禽”无人机。

 

 

1  “猛禽之爪”项目中研究的无人机(上)和拦截弹(下)方案

2  正在试飞的“猛禽”无人机

按照作战想定,“猛禽”将在疑似“飞毛腿”和其他弹道导弹发射阵地上空大约20km6,6000ft)高度划圈飞行,并可持续长达数周到数月。该机所携带的“禽爪”是一种轻型的动能杀伤飞行器(KKV),运用美国在“战略防御倡议”项目(即俗称的“星球大战”计划)中为“智能卵石”(Brilliant Pebbles)天基拦截弹所开发的技术研制,其重量只有20kg,动力段的时间长达30s,理论增速为3000m/s,采用带有蓝宝石窗口的红外导引头,带有十字形侧向转移喷口。每架无人机可携带46枚这样的拦截弹。

以战术弹道导弹发射时刻为0,“猛禽之爪”的作战过程想定如表1所示。

1  “猛禽之爪”项目中提出的长航时无人机反弹道导弹作战过程

序号

时刻

动作

1

t=0s

目标弹道导弹发射

2

t=15.0s

1)“猛禽”利用机载红外传感器捕获该导弹,随后为“禽爪”加电;

2)“禽爪”加电自检

3

t=19.0s

“猛禽”建立对弹道导弹的精确跟踪

4

t=16.0s

“禽爪”完成弹上惯性测量单元对准

5

t=17.0s

“禽爪”使发动机处于就绪状态并开始导引头制冷

6

t=19.0s

“禽爪”接收“猛禽”数据装订

7

t=19.5s

“猛禽”将导弹和目标状态数据传输给“禽爪”

8

t=20.0s

“猛禽”发射“禽爪”

9

t>20.0s

“禽爪”通过轴向发动机和侧向转移喷口控制完成转移,“猛禽”通过通信链路与该弹建立通信,“禽爪”经过多次侧喷转移之后进入弹目交会

10

t80.0s

在大约45km高度完成助推段拦截

“猛禽之爪”项目中,参研机构和企业制造并试飞了一些单价为100万~200万美元的无人机,演示验证了这些无人机与轻型的“智能卵石”拦截弹相结合,将可以支持经济有效的助推段拦截概念。1993年该项目被终止之后,为该项目开展的一些无人机及其相关技术被转交给了美国航空航天局,其中最著名的一架就是在“战略防御倡议”计划中发展的“探路者”(Pathfinder)太阳能无人机(如图3所示)。 

3  曾为“猛禽之爪”项目进行试飞的“探路者”太阳能无人机

“猛禽之爪”项目没能完成实际的打靶验证即终止,其原因是该方案存在以下问题:

采用独立系统的解决方案,目标提示时间可能不足;

采用全新研制的无人机和拦截弹,无人机采用全新研制的红外传感器套件,所有的技术都非常不成熟;

由于要求实现非常持久的战斗空中巡逻,导致后勤保障方面的巨大问题。

(二)“无人机助推段拦截”项目

19952000年,BMDO开展了“无人机助推段拦截”(UAV BPI项目。该项目包含两个任务,其中第一项是与以色列合作开展基于UAVBPI项目,目标是发展和改进“以色列助推段拦截系统”(IBIS概念,为未来IBIS中的UAV BPI装备降低风险,所选择的技术途径是采用配装有传感器和拦截弹的无人机,主要想定是在敌方领土上空实施拦截;第二项任务开发美国自己的UAV BPI系统概念,具体内容是以美国国内容易获得的技术为基础,制定系统要求,发展动能拦截弹、UAV、搜索与跟踪传感器、作战管理与C4I系统及作战概念等。按照项目安排,拦截弹的风险降低工作将由以色列政府牵头,红外搜索与跟踪传感器由美国负责,作战管理与C4I和系统集成则由双方共同承担。第一项任务通过与以色列工业界签订固定价格合同实施,所需投资的75%来自美国,25%来自以色列政府;第二项任务由BMDO的三军综合产品组在工业界的支持下完成。

2显示了UAV BPI项目在美国各个财政年度的国防预算中实际获批的拨款。

2  UAV BPI项目在各个财政年度实际获批的拨款(单位:万美元)

1995

1996

1997

1998

1999

2000

4000

0

2275.5

1399.4

633.5

468.2

在该项目中,美军设想了包括75架“全球鹰”高空长航时无人机改型和1200枚拦截弹的空基反导部队结构,其中,“全球鹰”原来标准配置的大型卫星通信天线和各种侦察传感器由1套中波红外搜索与跟踪系统、1部工作波长为1.57μm的激光雷达和Link 16数据链取代。下图显示了美国在UAV BPI项目第二项任务中设想的作战过程。

 

 

4  美军在“无人机助推段拦截”项目中设想的交战过程

在上图所示的作战概念中,“全球鹰”无人机的任务巡逻高度和速度分别为19km6,2000ft)和180m/s350kt),可在距起飞点1850km1000n mile)处连续飞行21h。在晴朗的天气中,该机能够在战术弹道导弹发射后的数秒之内探测到它,探测距离可达200km,每个轴向的分辨力将优于30m,重访频率为1Hz。每架改装的“全球鹰”无人机可同时携带6枚拦截弹。每枚拦截弹长2.2m,直径0.34m,弹重143kg(其中助推器重120.5kgKKV22.5kg),单级,燃烧时间9s,理想增速2500m/s3500m/sKKV配装非制冷红外导引头。

根据美国和以色列合作进行UAV BPI调研,以及美空军对后来“机载激光武器”项目(其产物即为YAL-1A激光反导飞机,最终在2011年完全下马)进行的备选方案分析研究,两国认为UAV BPI具有很高的效费比,能够有效地补充末段反弹道导弹系统,是近期很有潜力的选择。不过,从2001财年开始,该项目未再获得拨款支持。与其他早期项目相比,该项目一个最大特点是发展到了“方案演示验证与确认”(D/V)阶段。这一阶段相当于当前美国防采办程序的“技术成熟与风险降低”(TMRR)阶段,其内容主要是进一步促进关键技术的成熟,并对原型系统进行试飞验证,为进行型号工程研制做准备。这一事实表明该项目的研发工作已发展到较深的程度。

二、近期的最新研究:“机载武器层”构想

2011年,美国防部导弹防御局(MDA)与美空军签订协议,决定联合发展美国弹道导弹防御系统中的“机载武器层”(AWL,即使用机载拦截弹对弹道导弹、特别是助推段弹道导弹进行拦截。美空军将AWL视为履行其“空中优势”这一核心职能的一项工作,并支持其“全球打击”“全球持久攻击”这两项顶层作战概念。201110月美空军曾公布AWL的一个初步作战想定:导弹预警卫星发现敌方发射弹道导弹之后,将其探测信息通过中继卫星传输给飞行中的F-35A战斗机,然后F-35A利用自身的任务传感器对处于助推段的弹道导弹进行跟踪,并发射拦截弹;拦截弹发射后,先接收F-35A飞机通过数据链提供的目标信息更新,在末段则依靠自身传感器发现助推段弹道导弹并完成拦截。

201111月,MDA发布“用于弹道导弹防御系统的AWL补充信息提案征求”跨部门公告,并在20121月对该公告进行了最后修订,131日完成了征集。MDA在该公告中表示:该局和美空军拟向工业界征集与弹道导弹防御系统中AWL相关的基础研究和应用研究提案,其领域涉及机载传感器、空射动能拦截弹和/或传感器及拦截弹一体化解决方案;这些传感器、拦截弹和/或一体化解决方案将使美空、海军现役的或已规划的军机(含战斗机、轰炸机和无人机),或其他新平台获得闭环杀伤链;AWL重点与处于弹道全程前1/3部分的弹道导弹交战,这个飞行阶段属于助推段和上升段的前端,同时也应可提供下降段和末段交战能力;工业界提交的AWL方案应可在三年内进行原理验证性质的飞行演示,以确定其相关用途,并给出这些方案的性能、成本和进度计划信息。飞行演示将用来验证技术可行性,并提供可生产性评估。

在公告附件中,美空军描绘了两种更为成熟的作战想定。一种是同型机编队利用飞机本身的能力交战,以F-15战斗机为示例,描绘了4架作战飞机组成两个双机编队,利用红外搜索与跟踪(IRST)系统发现弹道导弹目标,并通过多机红外探测完成测距以支持拦截;另一种是利用体系的能力进行基于网络的交战,以F-22战斗机为示例,描绘了作战飞机在体系支持下(含本机传感器探测),发射拦截弹对弹道导弹实施助推段、上升段、中段和末段拦截。

 

 

5  同型机编队利用飞机本身的能力交战

 

部分图字:Kinetic Intercept——动能拦截;FB Radar——前沿部署的雷达;THAAD——“萨德”(末段高层区域防御系统);PATRIOT——“爱国者”(末段低层拦截系统);MC Radar——任务控制雷达;GBI——陆基(中段)拦截弹;C2BMC——指挥、控制、作战管理中心

6  利用体系的能力完成基于网络的交战

20137月,MDA根据美国会要求提交了针对AWL分析结果,再次肯定了AWL方案具有成本效益;同年11月,美空军授予波音公司、洛马公司、雷神公司各一份金额约28.4万美元的研究合同,进一步分析AWL的可行性,为启动采办项目提供依据。几家公司根据合同研究了低成本反战区弹道导弹能力的整个杀伤链需求,提出了总成本估计和全系统规格。相关工作已在20146月完成。另外,美空军也在20137月公布了最新的AWL作战概念,如下图所示。

 

 

部分图字:Infra-Red Sensor Search——红外传感器搜索;IR Assisted Ranging——红外辅助测距;IR Stereo Ranging——红外立体测距;Radar Search——雷达搜索;C2BMC——指挥、控制、作战管理中心;Air Defense Networks——防空网络

7  美空军在20137月公布的AWL作战想定

从上图可见,图中已加入了类似MQ-9“死神”的无人机,配装IRST进行无源测距,并将目标跟踪信息传送给执行拦截任务的MQ-9及防空网络。

此外,在MDA20138月公布的5项优先技术投资安排中,属于空基的或与空基相关的占到一半。如表3所示。

3  MDA公布的优先技术投资安排

 

3中的“机载拦截弹拦截层”与AWL具有相似之处,表明MDA并未放弃相关研究。综合美军曾开展的研究及其延续性来看,虽然迄今美空军仍见公开启动AWL项目,但可以认为AWL构想对美军而言并不存在大的技术障碍。

三、总体看法

美军已经对基于无人机的弹道导弹侦察/拦截一体化装备方案进行了多轮涉及作战概念、装备方案、作战流程和装备技术的研究。在此过程中,美军:反复确认了装备方案的可行性;从早期独立作战方案发展到了基于体系、利用体系的作战方案,但保留了同型机侦察和拦截能力;更倾向于利用现有的长航时无人机;均设想采用基于现有技术的拦截弹,拦截弹均采用红外制导型动能杀伤飞行器战斗部。总体上看,美军要发展此项能力并不存在大的技术障碍,空基反弹道导弹有可能在未来成为包括无人机在内空中作战装备体系的一项正式的使命任务。

 

注:【1】相关定义均来自美国防部1-02号联合出版物《国防部军事及相关术语词典》(JP 1-02 Department of Defense Dictionary of Military and Associated Terms)。

 2】本文都采用这一标准来分类弹道导弹。

 3】因此严格来说,“上升段”实际属于“中段”的前端,也即“助推段”结束至弹道最高点之间的飞行段。本文提及的“上升段”均为这一定义。

(中国航空工业发展研究中心  张洋)