美軍太空對地打擊技術的發展

2010-06-11 06:52:52安慧

國際太空 2010年7期

關鍵詞：系統

□□在美國空軍提出的各項軍事航天任務中，最具軍事轉型特點的是太空對地打擊。太空對地打擊是一種關系到國家安全的戰略任務。美國從20世紀90年代中期就進行了“太空作戰飛行器”（SOV）系統的任務分析和概念研究，研究結果確認太空對地打擊是“太空作戰飛行器”系統最重要的作戰任務。后來，太空對地打擊成為美軍快速全球打擊計劃的重要組成部分。在這方面，從美國大陸投送和應用兵力（FALCON）計劃及X－37B計劃已取得了較大進展，并帶動一批能“改變戰場游戲規劃”的技術。

1 “太空作戰飛行器”系統概念的由來

美國軍方從20世紀50年代以來，一直希望研制出軍用空間飛機。20世紀90年代，美國軍用空間飛機的發展進入到系統研制階段。為此，美國航天司令部在1998年4月公布了長期規劃，其中軍用空間飛機系統定名為“太空作戰飛行器”系統。

美軍通過海灣戰爭和南聯盟戰爭，認識到各類軍用衛星系統將在未來戰爭中起到力量倍增器的作用。這些衛星能在和平時期、危機時期和戰爭時期提供重要的支援。另一方面，通過實戰也表明當時已有的軍用衛星系統還存在明顯不足，具體有以下幾點：

缺乏實戰需要的應急發射衛星的能力；

對敏感地區不能提供實時情報；

在太空對抗環境下，衛星系統的易損性是顯而易見的；

缺乏在軌操作（如維修和加注燃料等）能力。

針對當時軍用航天系統的弱點，“太空作戰飛行器”系統的概念就應運而生了。該系統是一個由多種軍用航天飛行器靈活組合而成的大系統，整個系統能迅速穿越大氣層，往返于地球與太空，是可重復使用的太空作戰和航天運輸兩用飛行器系統。它能執行的任務將覆蓋整個軍用航天領域，包括確保進入太空、偵察監視、反衛星、軌道服務和對地打擊等。這個大系統由“太空作戰飛行器”及其上面級組成。前者是一種能夠快速發射、可重復使用的航天運載器（RLV），能將上面級送入近地軌道，也可以只到達亞軌道。其上面級還可用一次性使用運載火箭和彈道式導彈發射，或用大型飛機進行空中發射。與遠程彈道式導彈相比，“太空作戰飛行器”系統所形成的遠程對地打擊精度要高得多。“太空作戰飛行器”上面級有3種類型：

“太空機動飛行器”（SMV）。它是一種多用途的軌道飛行器，具有較強的軌道機動能力，并能返回地面重復使用。它主要用于對地面和太空目標的偵察及監視，也可作為反衛星的平臺。此外，還能對軍用衛星進行在軌服務。“太空機動飛行器”一般需要部署成由多個飛行器組成的星座。

“模塊嵌入級”（MIS）。它是一種一次性使用上面級，主要用于發射高地球軌道（HEO）和中地球軌道（MEO）衛星。

“通用再入飛行器”（Common Aero Vehicles，其中Aero為Aerothermodynamic的簡寫，因此CAV英文直譯為“通用氣動熱力學飛行器”。由于氣動熱力學與再入大氣層問題密切相關，所以國內譯為“通用再入飛行器”，也有譯為“通用航空飛行器”的）。它是一種高超聲速飛行器，帶有精確制導的非核戰斗部，主要用于遠程對地打擊。

▲“太空作戰飛行器”系統對地打擊示意圖

2 太空對地打擊是美軍快速全球打擊計劃的重要組成部分

在經歷9·11事件之后，美國就十分重視發展快速全球打擊能力。美國國防部在其2006年1月發布的新版《四年一度防務評估報告》（QDR）中，將快速全球打擊能力列為需要優先發展的重點能力之一。所謂快速全球打擊能力，即在攻擊命令發出之后，能夠在幾小時甚至數分鐘內作出反應，打擊位于全球任何地點的目標，而無需進行任何預先的部隊調動。快速全球打擊的重要目標包括恐怖分子網絡、攻擊美國及其盟國的彈道導彈、敵方預警雷達、反衛星導彈和使衛星失效的地基激光武器等，其他目標還包括加固的掩體、移動式導彈發射器、艦船、停機坪上的飛機等。

實際上，早在20世紀70年代，美國空軍及有關戰略研究機構對遠程快速打擊進行了詳細的研究。他們一致認為，由于使用核武器會帶來大規模的殺傷和大面積的破壞，因此，遠程非核的精確打擊是美國繼續保持核戰略力量之外的另一種戰略選擇。把這種選擇變為具體方案，與2003年伊拉克戰爭有關。由于當時布什政府一直強調先發制人的進攻，這使得更少的國家愿意讓美軍進入本土。在對伊作戰中，美國陸軍的第四步兵師和大約100架空軍飛機，被拒絕進入土耳其和沙特阿拉伯，因此，美軍只能把地面部隊開到科威特，而某些空軍部隊必須以更遠地區作為基地。而且，因為美國連續部署彈道導彈和巡航導彈，導致大型、固定的前沿基地處于更加危險的境地。伊拉克戰爭中出現的這種“反入駐”的挑戰，進一步促使美國開發和實施在美國本土發射對地打擊武器的能力，從而使不依靠進入前沿陣地仍能進行作戰成為可能。

另一方面，盡管美軍在其世界各地的軍事基地中庫存有大量武器及后勤裝備，以供不時之需，但每次美軍在熱點地區執行任務時，仍需調動大量后勤運輸保障力量，從美國本土及其他地區運送龐大的戰爭物資。這不僅使美軍耗費巨額資金，且由于其運輸線漫長，而容易遭受敵方的侵擾和破壞。

在美國本土發射對地打擊武器，將大大降低美軍對前線基地和后勤補給的依賴程度，不僅使軍事打擊行動能從美國本土快速展開，而且還能大大降低后勤方面所用資金。美國現有的對地打擊武器的飛行速度相對較慢，需要較長時間才能攻擊目標，可能在飛行過程中移動目標（如導彈發射架）就已經改變位置，這就要求開發長距離快速飛行的對地打擊武器系統。這些武器系統的打擊目標包括大規模毀滅性武器及其相關基礎設施，除此之外，還要求這些武器系統能有效地打擊加固目標、地下目標和移動目標。

目前，美軍的快速全球打擊計劃發展的武器系統包括下列幾種類型：

通過太空進行對地打擊的武器系統。如發展改進型“三叉戟”海基彈道導彈和常規打擊導彈（CSM），常規打擊導彈的再入飛行器（RV）所采用的大量技術，都是基于美國空軍在1970年左右開始研制和試驗的“試驗型先進機動再入飛行器”(AmaRV)技術，前者將比后者大3倍,可以利用氣動性能對不同目標發動攻擊。更重要的是，常規打擊導彈的再入飛行器在大氣層內飛行時能夠轉向,使常規打擊導彈攻擊目標時不需要跨越中立國家。

從太空進行對地打擊的武器系統。這與美軍設想的“太空作戰飛行器”系統密切相關，也可稱為天基對地打擊武器(SBSW)。

在大氣層內對地打擊的高超聲速武器系統。如高超聲速的巡航導彈和高超聲速遠程戰略轟炸機。

由此可見，以發展“通用再入飛行器”和相應的運載器為核心的太空對地打擊武器系統，由于其具有重要的戰略價值，所以已成為美國拓展快速全球打擊能力的一項重要內容。2005年，美軍戰略司令部建立了太空和全球打擊聯合功能司令部，在2006年又進行了重組，稱為全球打擊和一體化聯合功能司令部(JFCC GSI)，該司令部負責全球打擊能力的指揮和控制，以及將全球打擊融入戰區作戰行動。

3 “通用再入飛行器”

“通用再入飛行器”具有如下特點。

通用性。它來自兩個方面：首先，它可以用包括航天運載器、“太空作戰飛行器”和高超聲速技術飛行器在內的多種運載工具發射，在必要時也可用彈道式導彈發射；它可以入軌后再入，也能亞軌道飛行后再入，甚至可送到高空大氣層后向下滑翔。其次，它帶有與常規戰斗機和轟炸機通用的航空武器。

非核性。它的運載器、發射場地和飛行軌道與裝有核彈頭的彈道式導彈的有明顯區別。

先進性。雖然“通用再入飛行器”采用較成熟的技術，但在氣動、防熱和控制的一體化設計方面，要求仍然很高。它是再入飛行器和精確制導武器的結合，因此在總體方案中要將再入技術和精確制導技術成功地結合起來。

漸進性。“通用再入飛行器”首先在現有技術的基礎上發展一個指標較低的型號，取得經驗后再發展增強型。

根據美國空軍在2003年4月公布的《美國空軍轉型路線圖》中的闡述，“通用再入飛行器”是一種先進的航天運輸系統，能夠從太空和通過太空向世界各地輸送和分發常規有效載荷。該飛行器作為一種快速響應和精確打擊的系統，可在沒有提前部署部隊的情況下，于任何時間、任何地點攻擊敵人。快速響應可以在沖突一開始，在遠征部隊到達之前，或輔助遠征部隊打擊高價值、關鍵和嚴密設防的目標。“通用再入飛行器”的構型要為彈藥和其他系統提供環境保護，并在再入大氣層時，減速到適當的投放條件后，將它們置于目標區域上空的投放位置。“通用再入飛行器”將使用抗干擾的GPS/慣性導航復合制導系統，可精確地將其置于可有效分散有效載荷的位置。該飛行器將速度和機動性結合起來，以致打擊目標非常難于防御。“通用再入飛行器”計劃裝載的有效載荷包括：①小直徑炸彈；②無人機；③廣域搜索自動攻擊小型彈藥（WASAAMM）；④單一的無人戰斗機。

精確打擊和配置常規的有效載荷，使得“通用再入飛行器”可以有效地攻擊固定的軟目標和加固目標、硬設施和地下設施、移動目標。通過配置適當的有效載荷，它還可以支援地區監視、壓制敵方防空和殺傷任務。廣域搜索自動攻擊小型彈藥是美國正在研制中的一種可在特定目標上空巡邏和搜索的長0.78m、質量為38.6kg的智能巡航導彈。它將采用激光雷達/紅外雷達和自動分辨軟件來搜索特定目標，其射程為92.5～185km，巡邏和觀測時間為10min。當確定目標后，它可以根據作戰方案，自動（或由武器控制人員操作）攻擊目標。由于這種武器的尺寸較小，它有很好的隱身性能。

“通用再入飛行器”的3種飛行方案是：

彈道軌道飛行。“通用再入飛行器”未達到入軌速度，而是沿著彈道式軌道飛行。

臨時轉移軌道飛行。運載器的推進系統可以將“通用再入飛行器”推進到所需速度，“通用再入飛行器”在臨時轉移軌道上飛行45天，并可自行脫離軌道。

在太空軌道上的平臺上投放。

▲用小型運載火箭發射“通用再入飛行器”示意圖

“通用再入飛行器”除了可使用“太空作戰飛行器”發射之外，也可用一次性使用運載火箭或彈道式導彈發射，還可用作戰快速響應太空計劃中發展的小型運載火箭（SLV）來發射。

根據前文對“通用再入飛行器”的描述，對其設計提出以下要求：

（1）氣動外形

在確定氣動外形時，主要考慮“通用再入飛行器”高超聲速的升阻比較高（應大于2.4）,以保證其具備較大的橫向機動距離，滿足全球打擊的要求。此外，還要有較好的防熱性能和較大的容積。

（2）結構

其結構能承受上升段、軌道、大氣層及其過渡區域的環境變化，并能承受相應的加速和減速環境。在選擇防熱方案時要保證“通用再入飛行器”外形燒蝕很少，使其具有較高的打擊精度。

（3）制導與控制

為了達到精確打擊的目的，“通用再入飛行器”宜采用GPS和慣性制導的組合制導系統。在大氣層外采用GPS制導，在黑障區內采用慣性制導，穿過黑障區后采用GPS制導，以保證在投放航空武器的高度上“通用再入飛行器”有較高的定位精度，利用航空武器的自主定位能力，圓概率偏差不大于3m。考慮其高空性能和防熱問題較易解決等因素，可采用噴流控制（RCS）與其他控制裝置的組合。

（4）釋放機構

為了能夠安全可靠地釋放航空武器，可以考慮在“通用再入飛行器”的后部，沿其中心線方向向后釋放武器，以避免干擾其飛行。

（5）推進系統

“通用再入飛行器”將有提供噴流控制系統和釋放航空武器所需的可貯存氣源。

▲ “通用再入飛行器”

4 美軍太空對地打擊技術的發展

美軍在提出“太空作戰飛行器”時，曾設想在當時美國航空航天局（NASA）發展的單級入軌、重復使用運載器X－33的基礎上進行發展，但后來由于X－33項目下馬，“太空作戰飛行器”就一直沒有落實可行的方案。后來，美國空軍又提出獨立研制“經濟可承受快速響應航天運載系統” (ARES)，但也因沒有得到經費支持而流產。

▲“高超聲速技術飛行器”設想

“經濟可承受快速響應航天運載系統”的設想▲

從美國大陸投送和應用兵力計劃

2003年6月17日，美國空軍和國防部高級研究計劃局(DARPA)聯合對從美國大陸投送和應用兵力計劃招標。其遠期目標是在2025年成功研制“高超聲速技術飛行器”（HCV），能在2h內打擊16700km以外的目標。“高超聲速技術飛行器”可帶5450kg載荷，包括巡航導彈、小直徑炸彈和“通用再入飛行器”。當時還計劃在2010年左右，先發展低成本的快速響應小型運載火箭，它可以攜帶“通用再入飛行器”，也可將小衛星發射到太陽同步軌道。從美國大陸投送和應用兵力計劃的目的是：具備一組能通過革命性方式成熟的通用技術，產生近期的（2010年）從美國本土進行快速全球打擊的作戰能力。但這個計劃已進行了多次調整，現在其主要目標是通過開發“通用再入飛行器”來實現上述能力。

在2004財年和2005財年，美國國會撥給“通用再入飛行器”的資金比國防部申請的還要多。但是，由于國會擔心其他國家會將“通用再入飛行器”的發射誤判為核打擊，因此，2005財年國會對這部分資金設置了限制條件，即不能將資金用于進行“通用再入飛行器”衍生技術的試驗，包括常規或核武器。2006財年和2007財年，國會分別撥款2700萬美元和3340萬美元用于該項目，國防部將“通用再入飛行器”改名為“高超聲速技術飛行器”（HTV），并將項目進行了重組，去除了武器能力的開發。盡管2008財年國防撥款會議報告將“通用再入飛行器”資金并入國防部范圍的快速全球打擊的帳戶，但該報告還是為國防部高級研究計劃局的從美國大陸投送和應用兵力計劃設立了單獨的資金。參議院和眾議院2009財年的國防撥款法案，都建議為開發高超聲速運載器提供額外資金，尋求發展快速全球打擊能力。因此，根據技術的發展和2009財年國防預算法案，高超聲速武器可能成為快速全球打擊倡導者們的新寵。

實際上，常規打擊導彈計劃與從美國大陸投送和應用兵力計劃緊密相關，前者將大量采用后者中的成熟技術，特別是其中的“通用再入飛行器”技術。目前,“通用再入飛行器”的一個主要挑戰是要研制一種低成本、輕型的防熱系統（TPS）。“試驗型先進機動再入飛行器”在大氣層內飛行階段大約要持續100s，而“通用再入飛行器”在大氣層內飛行的時間更長，需要更好的防熱系統。而當前防熱系統的性能嚴重限制了“通用再入飛行器”的發展。假設防熱系統能夠使其生存3000s，則“通用再入飛行器”就能夠順發射方向飛行，射程達到28000km，并可以完成4250km的橫向機動飛行。而目前水平的防熱系統僅能支撐“通用再入飛行器”在大氣層內飛行800s。

▲“高超聲速技術飛行器”

礙于國際輿論及國內政治壓力，美國國會對從美國大陸投送和應用兵力計劃作出了調整, “通用再入飛行器”的研制也相應轉為“高超聲速技術飛行器”的研制，突出計劃的技術驗證內容。雙錐形的高超聲速技術飛行器－1已經在2006年5月被取消，但是扁平狀的高超聲速技術飛行器－2在2007年就完成了關鍵設計評審。“高超聲速技術飛行器”上采用的大量技術,包括雙向數據鏈、制導和控制技術以及防熱系統都很有可能應用于常規打擊導彈計劃，因此對“通用再入飛行器”的研究將有助于常規打擊導彈計劃的實施。不過，從美國大陸投送和應用兵力計劃中的高超聲速技術飛行器－3獨立出來的“黑燕”（Blackswift）飛行器，卻遭到取締的命運。研制“黑燕”的目的是演示一個無人高超聲速試驗飛行器，可以水平起飛、上升并達到馬赫數6的速度，再返回機場跑道降落。美國國會將“黑燕”可重復使用高超聲速試驗飛行器計劃2009財年預算從1.2億美元削減至0.1億美元，之后，國防部高級研究計劃局就宣布了取消該計劃。

2010年4月22日16：00（只比發射X－37B的時間早4h），在美國加利福尼亞州范登堡空軍基地8號航天發射臺，由人牛怪－4(Minotaur－4)火箭將高超聲速技術飛行器－2發射升空，但在進入飛行試驗9min后，地面遙測站與其失去了聯系。

X-37B軌道試驗飛行器計劃

2010年4月22日19：52，X－37B軌道試驗飛行器在美國佛羅里達州的卡納維拉爾角由宇宙神－5火箭發射升空。X－37B的尺寸約為美國航天飛機的1/4，質量為4989.5kg，長8.8392m，翼展約4.572m，高2.926m，其有效載荷估計在227kg左右，但首次飛行未帶有效載荷。

X－37B是一種迷你型無人軍用空間飛機的驗證機，因此不需要復雜的生命保障系統和救生系統，可以減輕許多結構質量。這是在大氣層中飛行的無人機基礎上合乎邏輯的發展，特別是對于在太空飛行來說，需要更加昂貴的成本，面對更加惡劣的環境，因此在軍事應用上采取無人的方式更加適宜。其次，它的電源從原來的燃料電池改為利用太陽能，使其在軌運行的時間達到270天。最后，它采用了可貯存的無毒航空煤油/過氧化氫推進劑（第一次飛行時使用更成熟的四氧化二氮/肼），其推進系統的在軌機動能力較大，因此X－37B適宜用于軍事目的。在技術上，X－37B采用了比航天飛機更先進的防熱系統，包括性能更好的、用于機體的防熱瓦、防熱氈及用于控制面的碳/碳化硅防熱材料。同時，由于發射時X－37B被置于運載火箭頂部，不會像航天飛機發射時那樣，出現外貯箱的泡沫塑料脫落而導致機體防熱瓦受損的情況。另外，X－37B采用了現代軍用飛機上成熟的電傳操縱系統。這些改進大大提高了它的安全性。

X－37B采用了美軍1994年就提出的“先期概念技術演示驗證” (ACTD)方法。這種方法的目的是通過飛行試驗，將開發成熟的技術（系統、分系統和部件）及時轉入武器正式采辦過程（即型號研制），甚至直接提供給作戰人員。X－37B實際上是一個軌道試驗飛行器（OTV），它不僅分步試驗所采用的新技術，而且多次進行軍事應用試驗。目前,美國空軍作戰快速響應辦公室已被授予采辦、試驗和驗證X－37B試驗飛行器的權利。據該辦公室發布的消息稱,除了試驗自動離軌能力外,X－37B試驗飛行器還要驗證許多新技術，如新的防熱瓦、控制面的碳/碳化硅防熱材料、高溫部件、密封技術等，這些技術都在軌道飛行和再入中進行驗證。通過試驗，美國空軍還要確認航天運輸和太空軍事行動的經濟可承受性。研究人員從X－37B的首次飛行試驗中已獲得大量有用的數據。

美國空軍研制X－37B，就是瞄準“太空作戰飛行器”系統中的“太空機動飛行器”的目標。“太空機動飛行器”能快速機動發射，且費用較低廉，其在軌和再入返回時有較大機動能力。盡管目前的X－37B與美軍設想的“太空機動飛行器”還有差距，但其在縮短發射準備時間、降低費用和增加機動能力方面，都比現有的軍用衛星有較大提高。

實際上，這種迷你型軍用空間飛機用于偵察和軌道服務，雖然比衛星及專門用于軌道服務的航天器的機動性好，但由于它帶有機翼和防熱系統，有效載荷將大大減少，所以不能完全替代無翼的衛星和專用的航天器。使用這樣的軍用空間飛機來反衛星，其性能也可能比不上在地面發射反衛星導彈。由于單個“太空機動飛行器”的軌道機動能力仍然有限，為了有較大的攻擊范圍和縮短攻擊時間，需要發展復雜的星座，這在較長時間內也是無法實現的。

由此可見，這種軍用空間飛機的優勢在于太空對地打擊。與現有的轟炸機相比，X－37B的優勢在于它不受領空的限制，打擊范圍幾乎可以覆蓋全球，而且由于其速度快，攻擊目標的時間也短得多。與彈道式導彈相比，它的優勢在于可以在軌道上機動，能出奇不意地對地面發動攻擊，打擊的精度也高得多。

▲X－37B的外形

▲廠房中的X－37B

5 結束語

2010年以來，奧巴馬的國防政策日益明朗，通過美國國防部公布的新的《四年一度防務評估報告》和《核態勢報告》可以看出，近年來，美國除了繼續保持核威懾外，還積極發展非核威懾。奧巴馬一方面鼓吹“無核世界”，并逐步降低核威攝在國家安全中的作用；另一方面，繼續加強太空威懾力量，其實質在于一旦銷毀所有核武器后，美國就能憑它在常規武器，特別是太空武器方面的優勢，仍能獨霸世界。在非核威懾方面，其重點就是發展包括太空對地打擊在內的快速全球打擊能力。