美軍曾發(fā)展了多種激光武器,但是多數(shù)項目由于經(jīng)費和技術等問題被取消。在反導方面,美軍也曾探索了天基、空基、海基臺以及地基激光武器平臺。其中發(fā)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(shù)百千米外利用定向能摧毀處于助推段的彈道導彈。ABL由改裝后的波音747-400F飛機、高能化學激光器、光束控制與火控系統(tǒng)、作戰(zhàn)管理及指揮控制系統(tǒng)4大部分組成。飛機后半部安裝有諾思羅普·格魯曼公司研制的由6個模塊組成的兆瓦級化學氧-碘激光器。截至2012年,ABL系統(tǒng)已完成一系列試驗,高能激光器最長持續(xù)出光時間達到5.25秒。奧巴馬政府上臺后經(jīng)過評估認為,ABL計劃存在技術風險高、實戰(zhàn)化難度大等一系列問題,于2012年正式取消該研制計劃。在此之前,該項目研發(fā)時間已經(jīng)接近16年,總耗資超過50億美元。該項目失敗的原因總體來說包括復雜的化學激光武器的限制、民用飛機性能的限制等。但是,美國國防部導彈防御局表示,并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,只是設想的方案由過去基于波音747-400F改成了高空長航時無人機。

2016年2月2日,導彈防御局在其提交的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2.57億美元。2016年8月26日,導彈防御局在美國聯(lián)邦政府的“聯(lián)邦商機”網(wǎng)站上發(fā)布了先進技術創(chuàng)新跨部門公告,尋求“用于導彈防御的激光武器演示器”解決方案。這是該局發(fā)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,美國導彈防御局披露其計劃研制能夠攔截洲際導彈的無人機載激光武器,對運載平臺無人機提出了規(guī)格要求。

無人機平臺

根據(jù)攔截作戰(zhàn)需求,作為激光器攜載平臺的無人機一方面應具備一定的預警探測、跟蹤制導、數(shù)據(jù)處理及遠程快速傳輸和作戰(zhàn)效果評估能力以滿足助推段攔截需求;另一方面還要保證無人機的作戰(zhàn)適宜性,具備隱身防衛(wèi)、長航時滯空、空中快速機動到達戰(zhàn)場能力。

根據(jù)美國導彈防御局發(fā)布的公告中提出的性能規(guī)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2萬米),留空時間36小時以上(包括從3000千米外的基地飛行至目標上空的能力),在執(zhí)行任務區(qū)域巡航速度達馬赫數(shù)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于30分鐘。支持1~2米口徑光學有效載荷。具備低空震動特性,角位移小于50毫弧度。具備地面持續(xù)控制能力。但對于這些要求,美國現(xiàn)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1360千克,最大飛行高度約合18.3千米,無法達到導彈防御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,對于美軍需要對現(xiàn)役的飛機進行升級改造。自20世紀90年代末起,洛克希德•馬丁公司提出一系列研發(fā)無人版U-2S偵察機的建議,提出了無人版U-2U的設計來代替美空軍RQ-4“全球鷹”進行高空偵察。2014年,“臭鼬”工廠的研發(fā)小組再次提出無人版U-2偵察機的概念,但隨即又放棄了該概念,提出研發(fā)具有隱身能力的無人/有人通用版U-2繼任者TR-X。U-2偵察機的最大載荷為2270千克,作戰(zhàn)上限大于7萬英尺(約合21.3千米),能夠滿足導彈防御局的要求。這種有人/無人通用的U-2飛機是一個可行的選擇。

激光器

激光器是實施助推段反導的關鍵部件。在對付液體燃料推進的彈道導彈時,激光武器將只需少數(shù)幾秒即可摧毀目標。對付固體燃料彈道導彈則需要更長時間。為了縮短照射時間,需要提高激光器的功率。根據(jù)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,美國導彈防御局正在發(fā)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(yè)部門提出的創(chuàng)新方案。其中第三種方案包括光譜和相干合成激光波束以達到高功率水平的技術,緊湊的平面波導激光器技術,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)。這兩種激光技術在實現(xiàn)很高的平均功率和非常低的系統(tǒng)質(zhì)量方面都有良好的前景。導彈防御局和美國防部國防高級研究計劃局未來將合作建造一臺50千瓦級的合成光纖激光器,并在2017～2018財年將其功率提高到數(shù)百千瓦,并最終提高到兆瓦級。這項工作的第一步是制造和集成質(zhì)量功率比達到5千克/千瓦的光纖激光器。

動態(tài)環(huán)境光束控制、瞄準跟蹤系統(tǒng)

2016年8月,導彈防御局先進技術計劃執(zhí)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,導彈防御局將先突破在遠距離上建立激光束穩(wěn)定性并確保在目標瞄準點上駐留時間的技術。

激光武器光束控制和瞄準跟蹤系統(tǒng)是無人機助推段反導的一項關鍵技術,目前取得了一定的進展。但是將激光武器與載機平臺相結合,激光武器不可避免的要受到載機平臺振動和噪聲等以及外部環(huán)境的影響。這些因素對無人機載激光武器的光束控制和高精度的瞄準和跟蹤帶來嚴重的技術困難。因此,在進一步研究激光光束控制技術的同時,應深入開展在載機動態(tài)環(huán)境下無人機載激光武器的高減振致穩(wěn)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跟蹤系統(tǒng)用來捕獲、跟蹤目標,引導光束瞄準射擊,并判斷毀傷效果。激光武器適應動態(tài)作戰(zhàn)環(huán)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(zhàn)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在助推段的攔截優(yōu)勢、無人機平臺的作戰(zhàn)優(yōu)勢和激光武器的優(yōu)勢3個方面。

助推段攔截優(yōu)勢

在彈道導彈3個飛行階段中,從易摧毀性的角度來看,助推段最容易被攔截:

其一,處于助推段的導彈彈頭與彈體沒有分離,整個導彈體型巨大,同時發(fā)動機尾焰紅外特征信號強因而易被對方探測。

其二,處于助推段的彈道導彈飛行速度較慢,并且無法像飛行中段/末段那樣采取機動變軌、有源/無源干擾等突防措施,因而更易于跟蹤和攔截。

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

對于目前正在探討發(fā)展中的激光武器等新概念反導武器來說,用于助推段反導時才能發(fā)揮出最佳的攔截效果。因為目前的彈道導彈為解決重入大氣層時與空氣摩擦產(chǎn)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(yōu)勢

空基發(fā)射的優(yōu)勢體現(xiàn)在多個方面:

首先,由于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(huán)境和云層對激光武器運用的不利影響。

其次,空基平臺可為助推段攔截提供一個搭載各種攔截載荷,從實現(xiàn)對導彈目標的預警探測,到精確跟蹤制導和攔截,最后到攔截效果評估的全要素的反導平臺。

采用隱身無人機作為空基平臺,一是利用隱身能力可以避免對制空權的過度依賴,為攔截提供更接近導彈發(fā)射點的作戰(zhàn)優(yōu)勢;二是利用無人機可以提供長時間的駐空巡邏和反導戰(zhàn)備值班,規(guī)避了人員疲勞和傷亡的風險。助推段反導具有比中段和末段更高的作戰(zhàn)效能,再加上空基平臺提供的作戰(zhàn)優(yōu)勢,將使空基反導具備更高的作戰(zhàn)效能。

激光武器的優(yōu)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面建筑物以及近地面復雜空氣流場對激光光路的干涉、散射,在有效避開地面的干擾后,激光武器的攔截效率將大大提高。激光武器的作戰(zhàn)效費比較高,雖然無人機載激光武器前期研制費用高,但相比于一次性攔截導彈的作戰(zhàn)經(jīng)費,機載激光武器攔截費用較低。一枚攔截導彈價值數(shù)萬甚至數(shù)十萬美金,而發(fā)射一次化學激光費用只需2000美元左右。

攔截彈道導彈

激光武器系統(tǒng)作戰(zhàn)原理為:遠程預警雷達捕獲來襲的導彈目標,并將目標信息數(shù)據(jù)傳送給總體控制分系統(tǒng),總體控制分系統(tǒng)通過目標分配與坐標變換,引導光束控制分系統(tǒng)捕獲并鎖定目標,使發(fā)射望遠鏡對準目標。當目標處于適當位置時,總體控制分系統(tǒng)發(fā)出攻擊命令,高能激光器系統(tǒng)發(fā)出光束,經(jīng)光束控制分系統(tǒng)射向來襲導彈,對其進行破壞。機載激光武器能量大、發(fā)射頻率高且響應迅速,因此能夠?qū)椩诳罩袩⒁蓟蛞?使其在空中解體,失去威脅。對于戰(zhàn)術級或戰(zhàn)略級的彈道導彈,由于在空間中失去空氣動力且僅受地球引力的影響,因此運行軌跡是確定的?？栈す馕淦骺梢酝ㄟ^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(nèi)諸多干擾因素的影響,激光武器在空間中能夠更好地發(fā)揮效能,短時間內(nèi)將導彈燒穿、引燃或引爆,使敵方的導彈在空間中喪失威脅。激光武器相比于攔截彈,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(qū)域?qū)⒋蟠笤黾?。其響應速度更?能夠在探測到導彈威脅的第一時間啟動并發(fā)動攻擊,這將為美國提供更多的評估決策時間。發(fā)射次數(shù)不受限制,僅消耗電能,只要電力充足,激光武器能夠多次開啟,在短時間內(nèi)攻擊多個目標。

打擊彈道導彈發(fā)射裝置

除了通過對助推段彈道導彈的發(fā)現(xiàn)和跟蹤為后方導彈防御體系提供快反能力和早攔機會之外,激光武器還可執(zhí)行打擊彈道導彈發(fā)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(fā)射車的能力。美國蘭德公司早在1997年完成的報告《空基助推段和上升段導彈防御:選擇與問題》就提出,助推段/上升段攔截任務與對地攻擊任務之間有數(shù)種可能的協(xié)同方式,其中最有可能的就是在彈道導彈發(fā)射之后,通過對地攻擊來摧毀機動式彈道導彈發(fā)射車及其相關的裝備;用于助推段/上升段攔截的目標捕獲解決方案也能提供精確的逆推處理,從而確定出彈道導彈的發(fā)射位置。因此,用于助推段攔截的無人機及其傳感器和機載武器,不僅能夠執(zhí)行助推段攔截任務,還能夠執(zhí)行發(fā)射后的打擊任務。

攔截高超聲速飛行器

美軍對于無人機載激光武器助推段反導有作戰(zhàn)需求,需要融入現(xiàn)有的導彈防御系統(tǒng)內(nèi),以充分利用現(xiàn)有的預警探測系統(tǒng)。它能夠補充諸如“愛國者”、“薩德”和“宙斯盾”等常規(guī)的導彈防御系統(tǒng),可防御高超聲速飛行器。目前,世界大多數(shù)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。而彈道導彈防御系統(tǒng)的作戰(zhàn)高度幾乎不在20～40千米的高度范圍內(nèi)。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,從而不具備對其攔截能力。由于高超聲速巡航導彈的受載飛行段與彈道導彈的助推段所面臨的作戰(zhàn)條件極為相似,因此可采取的防御措施也類似。從美軍的實踐看,對于彈道導彈助推段的攔截,主要制定了機載激光武器系統(tǒng)、天基或臨近空間激光武器系統(tǒng)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措之一。