未來戰爭的殺手锏—動能武器*

徐 溪 石文華

(海軍航空工程學院 煙臺 264001)

1 基本概念

1.1 新概念武器

高技術的發展,正在引起軍隊武器裝備的巨大變革,也為發展全新的非核武器開辟了廣闊的前景。不久的將來,一批新的、更具有威力的武器系統會陸續研制成功,并將投入到戰爭中使用,這種武器就是新概念武器。

新概念武器是相對于傳統武器而言的高新技術武器群體,目前正處于研制或探索性發展之中。它在原理、殺傷破壞機理(殺傷效應)和作戰方式上,與傳統武器有顯著的不同,投入使用后往往能大幅度提高作戰效能與效費比,取得出奇制勝的作戰效果[1]。

新概念武器的主要特征通常表現為:

?創新性:與傳統武器相比,新概念武器在設計思想、工作原理和殺傷機制上具有顯著的突破和創新,它是創新思維和高新技術相結合的產物。

?高效性:一旦技術上取得突破,可在未來的高技術戰爭中發揮巨大的作戰效能,滿足新的作戰需要,并在體系攻防對抗中有效地抑制敵方傳統武器作戰效能的發揮。

?時代性:新概念武器是一個相對的、動態的概念。隨著時代的發展和科技的進步,某一時代的新概念武器日趨成熟并得到廣泛應用后,也就轉化為傳統武器。

?探索性:新概念武器與傳統武器相比,高科技含量大,技術難度高,在技術途徑、經費投入、研制時間等多方面的不確定因素多,因而探索性強,風險也大。

新概念武器主要包括定向能武器、動能武器和軍用機器人。其中動能武器的發展頗引人注目。

1.2 動能武器

動能武器指的是一類能夠發射高速(5倍于音速)彈頭,利用彈頭的動能直接撞毀目標的武器。主要有:動能攔截彈(分為反衛星、反導彈兩種)、電磁炮(分為線圈炮、軌道炮和重接炮三種)、群射火箭等。

動能攔截器是一種自主尋的,利用其與目標直接碰撞的巨大動能來殺傷目標的飛行器。它是在導彈技術的基礎上迅速發展起來的一項新技術,高精度制導和快速響應控制是其關鍵技術,追求目標是“零脫靶量”。從80年代初以來,電磁炮在未來武器系統的發展計劃中已成為越來越重要的部分。對常規動力的槍炮的分析表明,它們很可能已達到了性能的極限,炮口初速已接近物理和技術極限,射程也不可能更遠,原因是火藥燃氣壓力作用在彈丸上的時間很短。在利用電磁場作用力的電磁系統中,其作用時間可能長得多,從而可以提高彈丸的速度和射程。這就是電磁炮技術引起人們興趣的主要原因。

2 結構與原理

2.1 結構組成及功能

動能武器由推進系統、彈頭(彈丸)、探測器(傳感器)、制導與控制系統等部分組成[2]。如圖1所示。

圖1 動能武器的構成

推進系統提供將彈頭加速到高速所需要的動力,可采用火炮、火箭、電場或磁場加速裝置作為推進系統。彈頭是動能武器的有效戰斗部位,系用金屬材料或塑料制成的剛體。傳感器是動能武器的“眼睛”,用于探測、識別和跟蹤目標,常使用紅外傳感器。制導與控制系統是動能武器的“大腦”,用于確保成功地進行尋的與攔截,制導與控制系統一般由尋的器、慣性測量裝置、計算機、方向和姿態控制器、通信設備、能源設備等組成。

與定向能武器相比,雖然動能武器速度慢,但技術上可行,價格低廉,并難以采取有效的反措施。因此,動能武器被認為是非常有發展前途的高技術武器。

2.2 推進系統

動能武器必須采用一定的方法將物體(彈頭)加速到足夠大的速度。根據所采用的推進系統的不同,可將動能武器分為三種不同的結構:火炮系統,火箭系統,電磁系統。

2.2.1 火炮系統

火炮是靠火藥的燃氣壓力將炮彈加速的[3]。從原理上講,常規火炮可以作為動能武器使用(發射非爆炸性彈頭)。在火炮中,最大彈丸速度可達到2km/s。從上述討論中可知,彈頭達到這一速度的火炮可安裝在作戰平臺上用于中段攔截。但基于以下原因,將火炮用于天基系統防御作用不大。

1)火炮炮管長度有限,燃氣壓力對彈頭的作用時間很短,彈頭的速度、射程均有限,這使得火炮的作戰半徑小,僅適用于進行短程攔截;如果極大地增大炮管口徑和炮管長度,雖可使彈頭速度和射程大為增加,但發射速率太慢,也不能滿足實戰的需要。

2)火炮安裝在作戰平臺上,發射時存在后座力補償問題,需要消耗燃料供穩定系統和導航使用,從而減慢了發射速率。

2.2.2 火箭系統

利用火箭加速是三種結構中最成熟的一種。美國人準備部署的動能武器目前都采用一級或兩級火箭加速,因此亦稱之為超高速火箭動能武器。大氣層外輕型射彈(LEAP)是目前各國正在研制的用于攔截戰區或戰術彈道導彈的多種動能攔截彈中最具代表性并可能最先部署的一種。該射彈可充分利用現有的陸、海、空軍用的戰術導彈的技術發展而成為有效的反導攔截器。其作戰使用方法是,用一枚較大的助推火箭將射彈送入高空,使其達到4km/s的超高速(約12馬赫),攻擊前火箭脫落,射彈依靠彈載尋的頭、制導計算機和推進系統控制飛行,并準確命中目標。其攔截高度80km,可攔截各種戰區彈道導彈。

2.2.3 電磁系統

電磁系統是利用電磁場加速或電能加熱加速的動能武器系統,又稱為電磁炮。根據結構和原理的不同,電磁炮有線圈炮、導軌炮(又稱軌道炮)、電熱炮等,其中最主要的是軌道炮。下面僅研究軌道炮的結構與原理。

軌道炮由兩條平行的導軌組成,在兩條導軌之間放置一個與兩條導軌保持良好的電接觸又能沿著導軌滑動的質量較小的物體作為彈丸。當兩軌接入電源時,電流通過一條導軌流向彈丸,并經彈丸底部的導流板流向另一條導軌;相反方向的過程也如此。流過導軌的電流產生一個強磁場,該磁場給流過彈丸的電流一個很大的洛倫茲力。利用“右手定則”很容易確定彈丸電流所受到的洛倫茲力的指向。此力迫使彈丸沿導軌運動。只要磁場存在,彈丸就會持續受到力的作用,從而保持加速運動,達到很高的速度。

彈丸加速所能達到的速度極限由下式確定:

式中,V為彈丸的極限速度;a為彈丸的加速度;S為加速距離(約等于導軌長度)。

如果理想的加速度值和速度值分別為:a=105m/s2,V=20km/s,則對應的加速長度(即導軌長度)為S=200m。可見,為了使彈丸獲得足夠大的速度,軌道炮需要很長的導軌,因而是很笨重的。

為提高軌道炮的性能,理論上還可采取以下措施:1)增強磁場;2)減小彈丸的有效質量。這可以增大彈丸的加速度。但實際上,這些措施的作用是有限的。

首先,軌道炮的結構不允許磁場任意增強[4]。因為當磁場強度達到150～160高斯,即磁場壓強達到1000個大氣壓時,整個裝置已接近機械穩定性(或機械強度)的極限。從力學觀點分析,這樣一個導軌很長、內部壓強很高的系統要保證很高的強度是很困難的。如果試圖通過增加導軌及附屬結構的質量來保證機械強度,這會使系統笨重得難以部署,而且質量增大也會增大熱損失。

其次,如果試圖通過增大電流來增加磁場強度,這會使熱損失增加。因為電流越大,熱損失也越大。導軌的加熱可能限制系統的發射速率并降低射擊性能。

此外,彈丸的質量也不可能任意減小,因為質量是使彈丸具有大的動能,命中并摧毀目標的一個重要因素。同時,為保持彈丸與導軌有良好的電接觸,彈丸應有一定幾何尺寸。當彈丸要帶自尋的裝置時更要求質量不能太小。

2.3 彈頭

動能武器是以巨大的動能摧毀目標的。從動力學中知道,質量為m的物體以速度V運動時,其所具有的動能為

可見,如果確定摧毀目標所要求的能量值為E,相應地選擇適當的彈頭質量m和速度v,就可以使動能武器具有足夠的威力。在動能武器用于攔截洲際彈道導彈的情況下,由于目標本身以很高的速度在運動,進行攔截的動能彈頭只要有一定的速度就能使之與目標碰撞時達到極高的相對速度。

實驗表明,當動能彈頭的有效質量比為每平方厘米幾克時,且目標表面的比動量達到105～106g?cm/s,彈頭與目標的相對速度大于1km/s,就足以將目標摧毀。對于來襲的洲際導彈而言,其飛行速度達8km/s,所以,只要動能攔截器有一定的速度,利用適當的碰撞幾何條件,就很容易將目標摧毀。根據攔截洲際彈道導彈的實際需要,為保證達到一定的作戰距離,動能攔截器的最大容許速度為37km/s,較為理想的速度為10km/s。

因此,只要使彈頭有極高的速度,并采用精確的控制與制導技術,就可以命中并摧毀幾千千米之外的洲際導彈。

2.4 制導

由于動能武器是依靠與目標直接碰撞時的動能來破壞目標的武器,因此,它有兩個核心問題必須解決,一是加速問題,二是制導問題。

上面介紹的火炮系統、火箭系統和電磁系統都是解決加速問題的途徑。現在以火箭類動能彈為例,討論一下制導問題,這是動能武器的又一個核心問題。

制導問題就是使動能攔截彈具有精確的自動尋的末制導的能力,主要依靠在彈上裝備高精度傳感器的目標探測系統和先進的制導與控制系統。然而,如果動能彈在大氣層中飛行,產生的氣動熱、氣動光學效應將使動能彈上裝備的高精度、高靈敏度的傳感器不能充分發揮作用,必將影響動能彈自動尋的制導精度。

大氣稀薄的空間為動能武器的使用提供了極為有利的條件:一方面,可以忽略不計的阻力可以保證動能武器的超高速飛行;另一方面,不存在氣動熱、氣動光學效應。這種環境保證了動能彈具有高精度的自動尋的末制導能力。

這兩個有利的條件,為科學家們發展各種新概念的動能武器提供了廣闊的創造天地。勞倫斯?利弗莫爾國家實驗室的科學家們提出了“智能卵石”攔截彈技術,這使實用的動能攔截彈的發展出現了一個新的高峰。

3 發展動態

由于火炮、戰術導彈等傳統武器的速度、射程及精度等,難以應付速度越來越快的高速運動目標,因此西方大國一直在研究速度達5倍音速(即5馬赫)以上的超高速的動能武器。

從上世紀80年代以來,以美國為代表的西方軍事大國和俄羅斯探索研究并試驗了一系列動能武器,其中最主要的是超高速火箭類的動能武器。這些曾經研究過和目前正在研究的火箭類動能武器可分為三大類[5]:

第一類是美國曾經為“戰略防御倡議”計劃研制的主要用于攔截洲際彈道導彈(也可用于反衛星)的動能攔截彈,包括天基動能攔截彈、地基紅外尋的動能攔截彈、地基雷達尋的動能攔截彈和空基(機載)反衛星動能攔截彈。

第二類是美國、西歐諸國及以色列等國現正在加緊研制的用于戰區彈道導彈防御的動能攔截彈,主要包括以色列“箭式”攔截彈、美國的“愛國者”導彈改進型增程攔截彈(ERINT)、美國的戰區高空防御(T HAAD)攔截彈、美國的大氣層外輕型射彈(LEAP)和機載助推段攔截彈(BPE)等,其中有可能成為世界上第一種小型的先進動能攔截彈的是大氣層外輕型射彈。

大氣層外輕型射彈典型尺寸100mm,僅相當于一塊面包,彈重6kg,由五個分系統構成:固定式被動紅外尋的頭(采用中長波蹄鎘汞紅外焦平面陣列傳感器),由干涉式光纖陀螺慣性測量組件及微處理機等構成的彈載航空電子組件,變軌推進系統(為消除在末段攔截尋的中出現的飛行誤差及目標識別誤差,需使攔截器進行橫向機動),姿態控制系統(由一組安裝在攔截器尾部的小型噴嘴組成,控制攔截器的俯仰、偏航與滾動)以及通信與遙感組件(輕型被光學望遠鏡)。

大氣層外攔截彈的好處在于,無需考慮氣動力控制、氣動光學偏移、氣動熱、推力的加大以及其它因大氣對攔截彈造成的影響。在大氣層外交戰,也更容易預測出攔截彈和目標的性能。在目標助推火箭燃燒完畢后,特別容易測定其性能,而大多數戰區彈道導彈常常在大氣層內或剛剛沖出大氣層時,即停止助推火箭燃燒。在助推段之后,大氣層外目標通常沿固定彈道作無機動飛行,因此,在大氣層外攔截更容易實現命中殺傷。

第三類是美國國防部研制的先進動能導彈(ADKEM),包括地對地、地對空、空對空和空對地等作戰應用的多種超高速導彈(HVM)。這是美國國防部為陸、海、空軍研制的一種多任務、通用的超高速導彈。這種導彈由推進裝置和動能彈頭組成,推進裝置為固體火箭,彈頭為特制的碳化鎢頭錐金屬穿甲彈頭或空心鋼圓筒狀反裝甲彈頭。有一種試驗彈長262cm,直徑9.96cm,重量21.36kg,速度7.5馬赫,采用前視紅外探測器與二氧化碳激光束共同進行制導,借助于陀螺滾動傳感器和姿態控制裝置實現空氣動力控制。

預計超高速導彈可以戰斗機、攻擊直升機、裝甲步兵戰車為發射平臺,也可以安置在軍艦上。其作戰方案是,發現目標即進行發射,一旦導彈被加速到所需要的速度,助推器就被拋掉,彈頭靠自身的動力裝置和控制與制導裝置飛向目標,最后以6馬赫以上的超高速并高速自旋命中目標。其摧毀目標的能力比現有的戰術導彈要高1倍以上。

目前,世界發達國家和地區都在競相發展這項新技術,一些系統已經接近實戰化水平,預計到2020年前后可能全面部署高性能的多層反導防御體系,并具備動能反衛星能力。

4 結語

高新技術的迅猛發展和廣泛應用,正在引發世界范圍內的軍事變革。軍事大國,特別是以美國為首的西方國家,都企圖加快軍事技術的創新發展,進一步拉大與其他國家在軍事高新技術方面的差距。加速研制新概念武器,是它們確立軍事高技術優勢的重要手段之一,預計21世紀前30年內將有一大批新概念武器相繼投入戰場。論文論述的動能武器發展將更為迅猛。我國要在新世紀實現中華民族偉大復興,就必須有強大的軍事力量。加大新概念武器,尤其是動能武器的研制與發展,是打贏未來信息化戰爭的重要條件。

[1]唐金國.海軍信息戰概論[M].北京:海潮出版社,2005:164～182

[2]龔傳信.高技術武器裝備及管理[M].北京:解放軍出版社,2003:35～37

[3]朱小東.信息化作戰裝備保障[M].北京:國防工業出版社,2007:47～53

[4]陳亮.復雜電磁環境對射擊指揮人才的要求[C]//2007年沈陽射擊學會論文集,北京:海潮出版社,2007:179～193

[5]第二屆中國軍事裝備科學學術研討會文集[C]//北京:解放軍出版社,2003:185～189