美軍(jun) 曾發展了多種激光武器,但是多數項目由於(yu) 經費和技術等問題被取消。在反導方麵,美軍(jun) 也曾探索了天基、空基、海基台以及地基激光武器平台。其中發展相對成熟的是空基機載激光武器(ABL)。

ABL的主要任務是在數百千米外利用定向能摧毀處於(yu) 助推段的彈道導彈。ABL由改裝後的波音747-400F飛機、高能化學激光器、光束控製與(yu) 火控係統、作戰管理及指揮控製係統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(ge) 模塊組成的兆瓦級化學氧-碘激光器。截至2012年,ABL係統已完成一係列試驗,高能激光器最長持續出光時間達到5.25秒。奧巴馬政府上台後經過評估認為(wei) ,ABL計劃存在技術風險高、實戰化難度大等一係列問題,於(yu) 2012年正式取消該研製計劃。在此之前,該項目研發時間已經接近16年,總耗資超過50億(yi) 美元。該項目失敗的原因總體(ti) 來說包括複雜的化學激光武器的限製、民用飛機性能的限製等。但是,美國國防部導彈防禦局表示,並未放棄利用空基激光武器實施彈道導彈助推段攔截的構想,隻是設想的方案由過去基於(yu) 波音747-400F改成了高空長航時無人機。

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激光探測和攔截助推段彈道導彈的研究工作。2016～2020財年總的計劃預算是2.57億(yi) 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”網站上發布了先進技術創新跨部門公告,尋求“用於(yu) 導彈防禦的激光武器演示器”解決(jue) 方案。這是該局發展高空長航時無人機搭載激光助推段反導計劃的重要一步。2017年6月,美國導彈防禦局披露其計劃研製能夠攔截洲際導彈的無人機載激光武器,對運載平台無人機提出了規格要求。

無人機平台

根據攔截作戰需求,作為(wei) 激光器攜載平台的無人機一方麵應具備一定的預警探測、跟蹤製導、數據處理及遠程快速傳(chuan) 輸和作戰效果評估能力以滿足助推段攔截需求;另一方麵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布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(wan) 米),留空時間36小時以上(包括從(cong) 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(wei) 激光武器提供電能,在不影響飛行性能的情況下,保持激光器供電時間不少於(yu) 30分鍾。支持1~2米口徑光學有效載荷。具備低空震動特性,角位移小於(yu) 50毫弧度。具備地麵持續控製能力。但對於(yu) 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(wei) 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(yu) 美軍(jun) 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•馬丁公司提出一係列研發無人版U-2S偵(zhen) 察機的建議,提出了無人版U-2U的設計來代替美空軍(jun) RQ-4“全球鷹”進行高空偵(zhen) 察。2014年,“臭鼬”工廠的研發小組再次提出無人版U-2偵(zhen) 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(zhen) 察機的最大載荷為(wei) 2270千克,作戰上限大於(yu) 7萬(wan) 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(ge) 可行的選擇。

激光器

激光器是實施助推段反導的關(guan) 鍵部件。在對付液體(ti) 燃料推進的彈道導彈時,激光武器將隻需少數幾秒即可摧毀目標。對付固體(ti) 燃料彈道導彈則需要更長時間。為(wei) 了縮短照射時間,需要提高激光器的功率。根據研究,要摧毀1枚彈道導彈,激光器的功率需要達到1兆瓦以上。

目前,美國導彈防禦局正在發展3種類型的激光武器:一是二極管泵浦的堿金屬激光武器;二是光纖合成激光武器;三是工業(ye) 部門提出的創新方案。其中第三種方案包括光譜和相幹合成激光波束以達到高功率水平的技術,緊湊的平麵波導激光器技術,以及液冷盤形激光器技術。上述激光技術都是目前非常先進的激光技術,克服了化學激光器的缺點。

美國防部僅(jin) 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(DPAL)。這兩(liang) 種激光技術在實現很高的平均功率和非常低的係統質量方麵都有良好的前景。導彈防禦局和美國防部國防高級研究計劃局未來將合作建造一台50千瓦級的合成光纖激光器,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質量功率比達到5千克/千瓦的光纖激光器。

動態環境光束控製、瞄準跟蹤係統

2016年8月,導彈防禦局先進技術計劃執行負責人理查德•馬特洛克對《飛行國際》透露了以下信息:在為(wei) 高空長航時無人機配裝高能激光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激光束穩定性並確保在目標瞄準點上駐留時間的技術。

激光武器光束控製和瞄準跟蹤係統是無人機助推段反導的一項關(guan) 鍵技術,目前取得了一定的進展。但是將激光武器與(yu) 載機平台相結合,激光武器不可避免的要受到載機平台振動和噪聲等以及外部環境的影響。這些因素對無人機載激光武器的光束控製和高精度的瞄準和跟蹤帶來嚴(yan) 重的技術困難。因此,在進一步研究激光光束控製技術的同時,應深入開展在載機動態環境下無人機載激光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(yu) 跟蹤係統用來捕獲、跟蹤目標,引導光束瞄準射擊,並判斷毀傷(shang) 效果。激光武器適應動態作戰環境是無人機載激光武器能夠摧毀目標的重要保證。

利用無人機攜帶激光武器進行反導作戰的優(you) 勢主要體(ti) 現在助推段的攔截優(you) 勢、無人機平台的作戰優(you) 勢和激光武器的優(you) 勢3個(ge) 方麵。

助推段攔截優(you) 勢

在彈道導彈3個(ge) 飛行階段中,從(cong) 易摧毀性的角度來看,助推段最容易被攔截:

其一,處於(yu) 助推段的導彈彈頭與(yu) 彈體(ti) 沒有分離,整個(ge) 導彈體(ti) 型巨大,同時發動機尾焰紅外特征信號強因而易被對方探測。

其二,處於(yu) 助推段的彈道導彈飛行速度較慢,並且無法像飛行中段/末段那樣采取機動變軌、有源/無源幹擾等突防措施,因而更易於(yu) 跟蹤和攔截。

其三,助推段導彈燃料箱內(nei) 充滿燃料,同時導彈因處於(yu) 加速狀態而承受氣動壓力,彈體(ti) 較為(wei) 脆弱,很容易因外部打擊而破損、斷裂以至完全解體(ti) 。

對於(yu) 目前正在探討發展中的激光武器等新概念反導武器來說,用於(yu) 助推段反導時才能發揮出最佳的攔截效果。因為(wei) 目前的彈道導彈為(wei) 解決(jue) 重入大氣層時與(yu) 空氣摩擦產(chan) 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(hui) 增大激光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(you) 勢

空基發射的優(you) 勢體(ti) 現在多個(ge) 方麵:

首先,由於(yu) 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(yun) 層對激光武器運用的不利影響。

其次,空基平台可為(wei) 助推段攔截提供一個(ge) 搭載各種攔截載荷,從(cong) 實現對導彈目標的預警探測,到精確跟蹤製導和攔截,最後到攔截效果評估的全要素的反導平台。

采用隱身無人機作為(wei) 空基平台,一是利用隱身能力可以避免對製空權的過度依賴,為(wei) 攔截提供更接近導彈發射點的作戰優(you) 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(shang) 亡的風險。助推段反導具有比中段和末段更高的作戰效能,再加上空基平台提供的作戰優(you) 勢,將使空基反導具備更高的作戰效能。

激光武器的優(you) 勢

激光武器反應迅速,火力轉移快,在鎖定高速飛行目標的同時,便能做到瞬時打擊。將激光武器裝備在無人機上能夠有效避開地麵建築物以及近地麵複雜空氣流場對激光光路的幹涉、散射,在有效避開地麵的幹擾後,激光武器的攔截效率將大大提高。激光武器的作戰效費比較高,雖然無人機載激光武器前期研製費用高,但相比於(yu) 一次性攔截導彈的作戰經費,機載激光武器攔截費用較低。一枚攔截導彈價(jia) 值數萬(wan) 甚至數十萬(wan) 美金,而發射一次化學激光費用隻需2000美元左右。

攔截彈道導彈

激光武器係統作戰原理為(wei) :遠程預警雷達捕獲來襲的導彈目標,並將目標信息數據傳(chuan) 送給總體(ti) 控製分係統,總體(ti) 控製分係統通過目標分配與(yu) 坐標變換,引導光束控製分係統捕獲並鎖定目標,使發射望遠鏡對準目標。當目標處於(yu) 適當位置時,總體(ti) 控製分係統發出攻擊命令,高能激光器係統發出光束,經光束控製分係統射向來襲導彈,對其進行破壞。機載激光武器能量大、發射頻率高且響應迅速,因此能夠將導彈在空中燒穿、引燃或引爆,使其在空中解體(ti) ,失去威脅。對於(yu) 戰術級或戰略級的彈道導彈,由於(yu) 在空間中失去空氣動力且僅(jin) 受地球引力的影響,因此運行軌跡是確定的。空基激光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(nei) 諸多幹擾因素的影響,激光武器在空間中能夠更好地發揮效能,短時間內(nei) 將導彈燒穿、引燃或引爆,使敵方的導彈在空間中喪(sang) 失威脅。激光武器相比於(yu) 攔截彈,其成本更加低廉,美國可以在更多的陣地部署激光武器,反導覆蓋區域將大大增加。其響應速度更快,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(wei) 美國提供更多的評估決(jue) 策時間。發射次數不受限製,僅(jin) 消耗電能,隻要電力充足,激光武器能夠多次開啟,在短時間內(nei) 攻擊多個(ge) 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(wei) 後方導彈防禦體(ti) 係提供快反能力和早攔機會(hui) 之外,激光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(lan) 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(yu) 問題》就提出,助推段/上升段攔截任務與(yu) 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(guan) 的裝備;用於(yu) 助推段/上升段攔截的目標捕獲解決(jue) 方案也能提供精確的逆推處理,從(cong) 而確定出彈道導彈的發射位置。因此,用於(yu) 助推段攔截的無人機及其傳(chuan) 感器和機載武器,不僅(jin) 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(jun) 對於(yu) 無人機載激光武器助推段反導有作戰需求,需要融入現有的導彈防禦係統內(nei) ,以充分利用現有的預警探測係統。它能夠補充諸如“愛國者”、“薩德”和“宙斯盾”等常規的導彈防禦係統,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。而彈道導彈防禦係統的作戰高度幾乎不在20～40千米的高度範圍內(nei) 。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(cong) 而不具備對其攔截能力。由於(yu) 高超聲速巡航導彈的受載飛行段與(yu) 彈道導彈的助推段所麵臨(lin) 的作戰條件極為(wei) 相似,因此可采取的防禦措施也類似。從(cong) 美軍(jun) 的實踐看,對於(yu) 彈道導彈助推段的攔截,主要製定了機載激光武器係統、天基或臨(lin) 近空間激光武器係統等方案。可見,激光武器仍然是實施高超聲速飛行器有效攔截的舉(ju) 措之一。