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美拦截洲际弹道导弹的机载激光反导计划分析

归档日期:07-25       文本归类:发射准备      文章编辑:爱尚语录

  4月,美国防部导弹防御局发布信息征询书,向工业界征询2025年左右完成兆瓦级激光器地基样机的可行性。兆瓦级激光器是美国专门用于在助推段拦截敌方洲际弹道导弹的“机载激光器”(ABL)项目的核心组成部分。这是自2011年ABL项目中止以来,美首次就相关技术开展大规模研究,预示着美欲重启激光助推段反导计划,这将对美全球反导系统建设和国际战略平衡产生深远影响。

  激光助推段反导计划是美打造全球导弹防御体系的重要组成部分,是美“全频谱”(助推段-中段-末段)拦截洲际弹道导弹的关键一环。激光反导计划主要依托“机载激光器”项目,通过在波音747-400F型飞机的头部安装一部兆瓦级激光器炮台,利用前沿部署的方式,在400千米外用高功率激光追踪并摧毁敌方处于助推段飞行的洲际弹道导弹。从1996年至2011年,美先后为该项目投入53亿美元,并于2009年和2010年进行了3次反导拦截试验,取得部分成功,其中2010年2月的试验成功拦截了固体和液体燃料弹道导弹,有效拦截距离达到160千米。

  尽管“机载激光器”项目在试验中取得一些进展,但在研发中也暴露出诸多问题:

  一是项目设计要求太高,与当前技术基础脱节。该项目要求机载激光器能够在400千米摧毁弹道导弹,但激光杀伤技术仍处技术探索阶段,难以达到设计要求,2010年的ABL试验只实现160千米外摧毁目标靶弹,继续提升难度很大。

  二是激光器功率受到飞机体积及载重量的严重制约。由于攻击距离过远,发射的激光被空气中的灰尘、水湿等杂质阻隔,产生较大衰减,作用到目标表面能量密度不足,而要增大激光器的功率,与搭载平台波音747的容积及重量形成冲突。

  三是技术发展路线过于激进。美军在ABL项目上采用陆基弹道导弹防御系统“边试验边改进”的发展模式,直接进入整机样机试验,不尽如人意的试验结果使项目陷入风险中。

  四是经费超支严重,项目一拖再拖。过高的技术指标和现实技术之间的差距导致项目研发进度不断拖延,继而引发严重的经费超支。

  2011年12月,考虑到ABL项目在短期内难以达到技战术要求,同时成本过高,为削减国防预算开支,美国防部中止该项目。

  ABL下马后,美国导弹防御局并没有完全放弃激光助推段反导技术,继续从多个方面秘密开展研究:

  一是继续开发高能激光技术。从2015年至今,导弹防御局一直资助两项高能激光技术的研发,即劳伦斯利弗莫尔国家实验室研发的“二极管泵浦碱性气体激光器”(DPALS)和麻省理工学院林肯实验室研究的“光纤组合激光器”(FCS),目标是提高激光器的功率,同时大幅降低激光器的体积和重量,以备技术成熟之后,重启激光助推段反导系统。

  二是探索新的激光器搭载平台。ABL项目中止后,国防部开始推进无人机搭载激光武器进行助推段反导的概念。由于无人机可更前沿部署甚至深入敌国境内,能在小于400千米范围内摧毁处于助推段飞行的洲际弹道导弹,因此无人机激光反导成为国防部重点研究的方向。2017年,导弹防御局联合波音公司、通用原子公司和洛克希德·马丁公司共同完成一项无人机反导技术演示验证试验,将整个系统包括一部跟踪激光器、一部低功率打击激光器以及一套光束控制系统集成到一架高空无人机上。

  此次美导弹防御局发布关于“推动激光器快速发展”的信息征询书,旨在推动工业界加大力度研究大功率激光器,为美军后续重新启动“机载激光项目”打下基础。根据该征询书,可以看出美未来助推段反导技术的发展思路:

  首要任务是验证2025~2026年完成兆瓦级激光器样机的可行性。兆瓦级激光器采用电泵浦定向能技术,是美机载助推段反导的核心部件。之前ABL项目失败,关键问题就是兆瓦级激光器难以达到项目要求。因此,此次国防部发出的需求文件,要求工业界重点研究兆瓦级电泵浦激光器,以达到在助推段摧毁敌方弹道导弹的水平,并且能够在未来6~7年内制造出相应的地基演示样机。

  征询书提出,除提升激光器功率外,还要提升高功率激光器的综合性能,相关的概念需求包括:一是减小激光器的尺寸和重量。为适应未来的反导作战平台,必须限制激光器的尺寸和重量。包括激光器及电力管理和热能管理子系统在内的整体系统,其功率密度必须限制在2~4千克/千瓦。二是提升电-光转化效能。电-光转化效能是机载激光器提高功率降低质量的必要条件,征询书中要求激光器的电-光转化效率必须达到48%以上。三是激光发射持续时间必须持续2~60秒。四是能源储备系统必须保证激光器每次充电能够全功率运行120秒以上。五是研究激光器运行时的电力管理子系统和热能管理子系统。

  此外,美国防部《2020财年国防预算申请》也透露出未来激光反导的一些发展思路:导弹防御局计划从2020年开始用3年时间实现“推动激光器快速发展”项目从实验室转向工业部门,并计划2023年开始建造“具有战略意义的激光器”。为此,导弹防御局将加大资金投入,2020财年用于“定向能演示验证样机开发”项目的资金将比2019年增加75%,从6600万美元提高至1.16亿美元。

  导弹防御局在征询书中并未明确提出大功率激光器的搭载平台,只是要求大功率激光器的地面演示样机必须具备技术成熟和质量较轻的技术特点,以适应未来作战平台。可见,关于未来是继续利用波音747飞机作为搭载平台还是改用大型无人机,目前还未有定论。但据报道,2019年导弹防御局将与波音、通用原子和洛·马公司分别签订价值2600万美元的合同,继续研发将追踪激光器、打击激光器和光束控制系统集成到高空无人机上的关键技术。

  一是助推段反导是美全球反导体系建设的“短板”。美全球反导体系建设包含四大支柱:陆基中段反导系统(GMD,拦截洲际弹道导弹)、海基“标准-3”中段拦截系统(可拦截射程3500千米的弹道导弹,未来可拦截洲际弹道导弹)、“萨德”末段高层防御系统搭配“爱国者-3”末段低层防御系统(可拦截中短程弹道导弹)、助推段拦截系统。目前,前三部分都已大量部署并正在逐步升级改造,而助推段拦截系统仍处于技术探索阶段,严重制约了美全球反导体系建设。

  二是激光助推段反导具有其他反导系统不具备的独特优势。助推段是弹道导弹飞行过程中最脆弱的阶段,此时弹头与弹体没有分离,整个目标体型巨大,飞行速度较慢,并且无法像中段/末段那样采取机动变轨、释放诱饵和多弹头分离等突防措施,更易于跟踪和拦截。而助推段拦截面临反应时间短和需要抵近拦截等缺点,机载激光器正好弥补这一缺陷。因此美对激光助推段反导一直难以割舍。

  三是激光技术正在逐步走向成熟。尽管2011年美军中止了“机载激光器”项目,但通过实施该项目,美在高能激光器技术、能源制备和光束控制等领域均取得了很大进展。近年来,美继续投资激光研发项目,很多技术难点正在突破,这些为未来新型机载激光反导系统发展打下了坚实基础。

  一是提高功率,目前美军方正在研发的几种激光器,功率已经达到100千瓦级,2015年波音公司曾进行了300千瓦的激光试验,但实际输出功率仅为100~200千瓦,从地面射击空中目标时射程为10千米,而从空中发射打击地面和空中目标时射程为20千米。导弹防御局希望能在2022年制造实际功率达300千瓦级的激光器,但这与机载激光助推段反导所需的兆瓦级功率还有很大距离。

  二是减小尺寸和重量。要将追踪激光器、进攻激光器、光束控制系统、电力管理系统、热能管理系统全部整合到一个作战平台中,小型化是必由之路。2018年,麻省理工学院林肯实验室研发的光纤组合激光器的功率密度已达5千克/千瓦;今年劳伦斯利弗莫尔国家实验室即将演示验证的二极管泵浦碱性气体激光器功率密度甚至提高到3千克/千瓦。

  三是采用无人机作为搭载平台。目前,无人机已广泛应用于各个作战领域,同样无人机也适应于激光反导项目,美军也正在开展一系列研发和试验计划。尽管目前美还未明确未来激光器的搭载平台,但无人机作为未来助推段反导激光器的搭载平台的可能性大大增加。

  尽管美意图重启机载激光助推段反导计划,但该计划仍面临许多令人生畏的技术挑战,未来能否取得突破仍是个未知数:

  一是提高激光器功率与降低激光器重量和体积之间的矛盾。要将激光器功率提升到兆瓦级,激光器的重量和体积就会严重影响系统的整体效能,甚至使搭载平台难以升高至所需的作战高度。

  二是大气扰动补偿和平台振动问题。由于激光不能拐弯,机载激光器必须一次性将直径40厘米的激光束聚焦到直径不超过1米的导弹上,要在400千米外实现这一目标,对机载追踪装置的精度要求非常高。但由于大气扰动和飞机飞行时不断振动,导致追踪装置难以在远距离聚焦导弹。

  三是搭载平台的生存能力和重负荷下长航时运行问题。由于对手的洲际弹道导弹都在远离国界的地方发射,因此反导激光器的搭载平台必须尽可能靠近国界甚至越界打击,这对其生存能力提出了很大挑战。此外,搭载平台需要在重负荷条件下进行长时间的巡航,对其能量供应和动力系统也提出了非常高的要求。

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