美国动能拦击弹技术的发展

美国动能拦击弹技术的发展

0动能拦截弹技术动能截击球是一种高密度武器，由动能推进器和弹头推进器组成。它利用有高级自动寻的能力的动能杀伤器高速飞行中产生的巨大动能,以直接碰撞方式摧毁目标,主要用于拦截弹道导弹和攻击其他军用目标。动能拦截弹技术发展起于美国,始于20世纪70年代。30多年来,美国前后实施了十几项重大的动能导弹防御计划,推动了该技术的发展。目前,动能拦截弹技术已日趋成熟,在研的动能拦截弹,包括地基拦截弹、标准-3导弹、末段高层区域防御拦截弹、爱国者先进能力3导弹等已逐步进入部署阶段或已具有初始作战能力,成为当前和未来很长一段时间内弹道导弹防御领域的主导武器。动能拦截弹先进而有效的反导能力已引起世界各国的极大关注,它的出现使弹道导弹防御从核防御时代步入非核防御时代。1动能拦截弹动能拦截弹,又称动能杀伤武器,依照不同的打击目标,可分为动能反导武器、动能反卫武器和动能反装甲武器等。就动能反导武器而言,依照不同的发射地点,可分为地面发射的地基拦截弹、海上发射的海基拦截弹、机载发射的空基拦截弹和空间平台发射的天基拦截弹等;依照对弹道导弹拦截的不同时序,可分为助推段(包括上升段)拦截弹、中段拦截弹、末段拦截弹等。本文将以动能反导技术为重点,介绍动能拦截弹的种类、特点及其技术发展现状及趋势。动能拦截弹具备以下特点:①动能杀伤器具有高级自动寻的能力;②动能杀伤器具有高速飞行能力;③动能杀伤器(或动能拦截弹)利用自身巨大动能,以直接碰撞方式摧毁目标;④零脱靶量制导;⑤快捷响应,高精度控制能力。动能拦截弹的关键技术包括:①精确捕获目标特征信号信息的导引头;②处理导引头信息的高速信号处理机;③确定动能杀伤器自身速度和姿态的惯性测量装置;④用于动能杀伤器制导计算和飞行路线修正计算的高速数据处理机;⑤使动能杀伤器快速机动的姿轨控系统;⑥大推力、高加速度的助推火箭。其中前5项为动能杀伤器的关键技术。目前美国重点开发的动能拦截弹如下:(1)地基拦截弹(GBI),地基中段防御(GMD)系统的武器部分,由大气层外杀伤器(EKV)和三级固体火箭发动机组成;目前处于试验、改进和部署阶段,已具备初始作战能力。(2)标准-3导弹(SM-3),海基中段防御(宙斯盾弹道导弹防御)系统武器部分,由三级固体火箭发动机、制导设备段和作为动能弹头的大气层外轻型射弹(LEAP)等部分组成;目前处于试验、改进和部署阶段,已具备初始作战能力。(3)末段高层区域防御(THAAD)拦截弹,用于地基末段高层防御。拦截弹由单级固体助推火箭和动能杀伤器(KKV)组成,可在大气层内外多次拦截目标;目前处于生产与部署阶段。(4)爱国者先进能力3(PAC-3)导弹,用于地基末段低层防御。导弹由一级固体助推火箭、制导设备、雷达寻的头、姿轨控系统和杀伤增强器等组成,撞击目标时弹体不分离;2002年开始部署,2003年参加对伊作战,目前除装备美国陆军外,越来越多的国家已购置或准备购置这种先进的反导武器。(5)动能拦截弹(KEI),用于助推段拦截的备选方案之一,也可能成为未来中段防御系统的一部分。动能拦截弹由三级固体火箭发动机和动能杀伤器组成。该武器特点要求助推火箭具备高速、高加速,大推进能力。2美国机动重创创造武器的能力,在美近年来,美国加快了动能反导武器的计划进程,坚持研制、试验、改进、部署多轨道并行原则,以地基中段拦截武器为中心,逐步实现对来袭弹道导弹助推段、上升段、中段及末段等进行多层拦截的防御体系构架(见图1),并积极推进动能反导武器的全球部署计划。美国导弹防御局一直坚信作为动能武器的核心技术——动能杀伤器技术已日趋成熟。动能拦截武器技术性能的再提高,如识别能力、探测能力、通信能力、作战效能等,应该分步进行,尽快具备初始作战能力是重中之重。2.1sm-3飞行试验结果地基和海基中段防御系统是支撑美国弹道导弹防御体系发展的关键。美国自2004年底开始部署地基拦截弹和SM-3BlockI,同时开始新一轮飞行试验计划,验证部署的拦截弹及其武器系统的协同作战能力,或通过飞行试验对一系列的技术改进实施确认。截至2007年底,地基中段防御系统共进行5次新一轮飞行试验,其中4次为拦截试验,2次失败,2次成功。前2次拦截试验因拦截弹助推火箭和发射井原因导致拦截弹终止发射,之后地基拦截弹成功进行了一次针对虚拟目标的飞行试验,最近的2次拦截试验成功命中靶弹。根据计划,地基中段防御系统在2008年进行2次飞行试验和相关地面试验,以演示其更有效的作战能力(包括增加对抗措施等)。2007年底,美国导弹防御局在阿拉斯加和加利福尼亚部署的地基拦截弹总数达到24枚(见表1)。另外,美国计划2008年开始在欧洲建立第3个地基拦截弹基地(目前该预算受阻),并将目前美国本土部署的地基拦截弹与全球范围内的传感器和作战管理能力连接在一起。SM-3在实施部署(表1)的同时,技术改进和飞行试验也并行开展。截至2007年底,作战部署型SM-3BlockI及其改进型共进行8次飞行试验,其中7次为拦截试验。除1次因拦截弹发射故障导致试验失败外,其余6次拦截试验全部成功。其中,SM-3BlockI在2次拦截试验中成功完成对近程不分离和分离目标的拦截;SM-3BlockIA成功完成2次对中程分离目标的拦截和2次连发对近程不分离双目标的拦截。SM-3BlockⅡ成功进行1次研制飞行试验,完成对技术改进的演示验证。据报道,SM-3BlockIA在原型基本上进行了一些小的改进,提高了拦截弹的可生产性和可维护性,现已成为主要部署的技术状态;SM-3BlockIB将用先进的双色红外导引头代替原来的单色导引头,改进姿轨控系统,提高性能,降低成本;未来发展型SM-3BlockⅡ/ⅡA为美日联合研制的型号,拦截弹将进行很大的改进,作战性能也将得到大幅提升。2.2《反机动条约》正式部署并全面启动pac-3先进机动THAAD拦截弹是美国20世纪90年代重点研制的可机动部署的动能区域反导武器,主要用来防御射程大于600km的弹道导弹。它能在大气层内高空40km以下和大气层外100~150km高度拦截来袭弹头,拦截距离可达200km以上。因演示验证阶段计划进展不顺利,研制计划几度推迟。2004年开始小批量生产,并在对新改进系统,如姿控轨控系统、导弹贮运发射筒等进行充分地面试验的基础上,于2005年底开始新一轮飞行试验考核。《反弹道导弹条约》废除后,美国开始扩大THAAD系统防御区域计划,使其具备保护夏威夷免受远程导弹袭击的能力。从2007年开始,THAAD系统飞行试验从白沙导弹靶场转移到太平洋导弹靶场,并成功进行了3次飞行试验。其中2次拦截试验,分别对大气层高层和高度为25km的目标实施成功拦截。2007年6月,THAAD系统进行大气层内低空拦截试验(未安排靶弹)。试验初步数据显示试验达到预定目标,包括拦截弹发射、助推器和杀伤器分离、低空飞行环境下头罩分离、杀伤器控制以及低空飞行环境下拦截弹中部热效应评估。这次试验是迄今为止发射角最小的一次试验,成功演示了拦截弹在最低作战高度时的作战能力。首个THAAD系统已于2008年5月28日提前部署,2010财年完成全球性部署。2013年部署4部可运输的THAAD火力单元。PAC-3导弹是世界上第1个已部署并有实战经历的动能拦截弹。2002年进入生产与部署阶段,之后进行了大量的作战试验、批抽检试验等,目前已进入使用与维修阶段。截至2007年底,PAC-3导弹已部署534枚。目前,PAC-3导弹仍在不断的升级改造中逐渐完善性能,扩大功用,包括加大杀伤力,改进制导模式、提高识别能力,增加射程、扩大防御区域等。作为多国中程增程防空系统(MEADS)的主要拦截弹,PAC-3导弹将集成进该武器作战系统。国外军售量也在逐年增加。2.3研究高速、高加速、大推力的中段拦截弹动能拦截弹(KEI)计划作为助推段拦截方案之一,近年来,已在相关技术上取得了很大进步。2008年该计划预算额度骤减,使计划面缩减到只剩一项单一的工作,即研制和试验高速、高加速、大推力助推器。这种助推器又被称作中段可替换型助推器,将开发中段拦截能力,以便在地基中段拦截弹被淘汰时取代它。动能拦截弹将被作为另外一种可地基和海基发射的中段防御能力进行战略部署,除非2009年ABL试验失败,它才有可能继续其助推段和上升段拦截的开发研究。2008年底,该计划将集中完成助推器飞行试验。3动能跟踪技术的发展趋势3.1红外传感器成像的新技术应用为了提升中段防御系统未来全球化作战弹道导弹防御能力,美国实施了一系列全球探测能力、网络化通讯能力改进计划,同时针对中段防御有限的识别能力,采取了系列措施:为地基拦截弹大气层外拦截器(EKV)探索新的导引头技术。具体研究的技术领域包括先进的窗口设计、多色红外焦平面阵、多普勒成像激光测距和探测能力,以此支撑目标探测和识别中的多频段(红外和可见光)成像(见图2)。研发新一代EKV红外多波谱成像器,目标是开发多谱段(10或更多相邻谱段)成像器,通过提供威胁群内远距离目标的红外光谱信号和对目标的温度测量,帮助EKV在中距识别目标。研发多波长红外传感器数据处理技术。目标是开发和测试专门设计的和单片电路多波长红外检波器阵列输出的信号协同工作的信号和图像处理算法。新技术能减少计算命令或提高传感器系统性能。处理技术可能用于检测、跟踪不确定的目标或对更大范围内的目标成像。在海基中段防御改进计划中,美国对SM-3导弹导引头也分段实施了改进计划,如将现有的单色导引头改进为双色导引头等。3.2姿轨数控系统的研究姿轨控系统是动能拦截弹杀伤器实现高机动能力、直接碰撞杀伤目标的关键。姿控系统用于保持杀伤器姿态稳定,轨控系统则为杀伤器提供横向机动能力。作为动能拦截弹的关键技术之一,姿轨控系统的研究目标是开发新的高性能合成技术。相关技术包括低成本高性能的喷嘴材料、无毒的推进材料、可选择的增压模式等。供选择的姿轨控系统技术应保证质量轻,有较高的断裂韧度,温度升高时能保持其强度,能抵御推进剂腐蚀环境而不需要额外的氧化层保护。姿轨控系统的技术难点包括实现小型化,响应时间短(毫秒量级),对轨控系统要求具有很大的推质比,能以稳态和脉冲2种方式工作,实现精确控制等几方面。3.3多袭击器计划多杀伤器(MKV)的特点是具备大杀伤能力,通过使用杀伤器群破坏单一弹道导弹释放的多个弹头和诱饵,是处理复杂对抗措施和对付多数目再入飞行器的关键技术,也是对目前中段防御系统识别能力不足的技术补充。该计划现有地基和海基2种竞争方案。两者所用技术和结构虽有不同