如何對抗威脅飛機的無人機“空中雷場”

萊斯利·F·霍克

摩爾定律指出，集成電路的處理能力每18月提升一倍。這種倍增的能力既改進了己方的攻擊性軍事系統，也改進了敵方的防御型軍事系統。從這種趨勢和其他可預見的技術進步可以推斷，到2025年，目前廣泛擴散的四旋翼無人機及其更新的機型將具有自主化飛行的能力，而且飛行高度更高，飛行時間更長，并能做復雜的編隊控制機動。由于無人機已經在這些領域取得長足進步，這些推斷可能很快成為現實。此外，無人機可能用3D打印等增材制造技術生產，成本更低，而且可能很快能裝備部隊。

本文評估無人機的現實空中威脅，并探討打擊這種新興技術的幾種可能手段。本文首先分析了未來的無人機威脅，然后對比分析我們可能采用哪些對抗手段，包括定向能武器和動能武器選擇，來降低無人機對空中軍事資產的攻擊。研究表明，未來很可能很快會像過去運用高射炮或神風敢死隊那樣，使用無人機蜂群對付我方的機群，因此需要增加投資來研發對抗無人機蜂群的技術。

猶如空中雷場的無人機蜂群威脅

1921年，朱利奧·杜黑在《制空權》中提出，飛機應被用作進攻性武器。他認定，如果你要想打敗敵人，就應該積極攻擊敵方空軍在空中飛行的資產，尤其是地面資產。由于命中率太低，杜黑質疑高射炮即“三A”炮的防空效果，他把這比作“一個人騎著自行車想逮住一只信鴿。”

從杜黑理論問世以來，世界已經發生很大變化，雖然制空權對己方有效實施空中和地面行動仍然必不可少，但是，杜黑的理論中有許多已然過時，其中一項變化是，我們必須抓住敵機成為威脅之前就實施攻擊的機會。溫斯頓·丘吉爾在1914年曾經闡述過這一觀點：“對抗空中威脅的最佳防御，是在距敵機出發點盡可能近的地方實施打擊。”

空中的無人機蜂群猶如空中雷場，等待飛機與其相撞，或者甚至主動沖向飛機并像神風敢死隊那樣撞毀飛機。這種概念有些類似二戰中使用氫氣球的做法，當時的交戰國就曾使用氫氣球作為空中屏障。這種想法可能也借鑒了廣泛采用的針對飛機的高射炮火幕和戰術。在第二次世界大戰中，友軍和敵軍都曾使用氣球懸吊鋼絲組成無法穿過的攔阻網來“區域拒止”低空飛行的飛機。

這種手段今天在軍事術語中被稱為“攔阻幕防御”，它的含義已經從最初的氣球防御，演進到現在以高射炮火和無人機群來阻止來襲兵器打擊己方目標。今天的對手在相關區域部署高射炮陣，希望擊中逼近的敵機，加以毀傷而無法攻擊。這些稱為“攔阻幕防御”和“彈幕”的戰術在二戰中無法精確打擊目標，但應用現代技術后，能更加精確鎖定入侵飛機目標。

目前，雷達跟蹤系統能使高射炮精確發射，并大幅度提高命中率。

類似高射炮發展為導引瞄準開火一樣，無人機將很快具備獵殺和摧毀能力。目前，美國麻省理工學院開發可用于無人機的計算機演算程式，將其編程為具備感知與規避能力，并已經展示了這樣的自主化軟件邏輯。在麻省理工學院的一項研究中，人工智能實驗室的一名研究生使用開放源代碼立體視覺算法，能讓無人機以120幀/s的速度實時地偵測周圍物體并繪制一幅全景圖。

由此可以推斷，這種計算機演算系統能反過來應用，即感知而不規避，迎頭撞上。這些技術發展將使無人機裝備采取進攻思維模式，而不是麻省理工學院研究中所建議的僅發揮防御阻攔作用屏障。無人機技術正向著能力越來越強而造價越來越低的方向發展。目前，很多商用無人機在市場上就可以買到，而且價格一直在下降。其中，有些品牌無人機自2015年以來價格下跌超過50%。無人機也可能很快大幅度延長巡航時間。電子儲存電池技術的發展速度日新月異。例如，劍橋大學研發了一種鋰-空氣電池，能量密度高，轉化效率增加90%以上。這種電池有希望增加10倍電能和壽命，并可能在下個十年內實現商業化。電池性能增加10倍將使得一些無人機飛行時間超過2h以上。

鳥類通常會拼命躲避迫近的飛機，但擁有很高殺傷率的攻擊型無人機不躲避。根據規定，如果發生真實的或可疑的鳥擊事件，美國空軍飛行員必須要停止訓練任務；同樣，無人機攻擊也將迫使他們停止飛行。例如，最新發生在阿富汗的RQ-7固定翼戰術無人機撞上一架C-130運輸機，不僅造成運輸機油箱破裂，而且損毀了機翼梁和機翼盒。

無人機的材料成分不同于鳥，撞擊速度也可能相對更兇猛，因此，撞上飛機所造成的破壞性更大。澳大利亞商用飛機安全局的研究人員亞歷山大·拉迪（Alexander Radi）說，在撞擊發生時，鳥的表現和“流體相似”，隨著“鳥的解體和流動吸收能量，撞擊力減弱。” 無人機則不同，它是一個“不變形的剛性撞擊物，具有以其很高的沖擊峰值，在撞擊目標材料中產生局部應變，導致材料失效。”這種撞擊，尤其是在引擎附近，會造成發動機故障，甚至是災難性的——特別是單引擎飛機，如F-16或F-35。此外，正如鳥擊可迫使任務終止一樣，飛機被堅硬金屬物體撞擊，當然會降低任務成功率，增加停飛時間。

在無人機碰撞的研究結果中，當比較無人機撞擊和鳥撞擊的破壞時，一個通常的假設是，無人機不是成群結隊，因此，命中率比鳥群要低。但如果敵人使用蜂群戰術，就顛覆這種假設。雖然無人機集群目前還處于初級技術階段，但美國海軍研究生院在2015年8月展示了用一個遙控器人工控制50架無人機的蜂群技術。研究人員在這次試驗中使用了Wi-Fi無線網絡演算法，不久將研究如何提升無人機蜂群的自主化水平。這種能力在迅速提升，就在2016年，英特爾公司在美國佛羅里達州的迪斯尼春季狂歡會上上演了一場節日光幻秀，也是用一個遙控器控制300架無人機做各種復雜編隊。未來，自主化無人機也能搭載炸彈或大規模殺傷性武器、定向能武器（如激光和高功率微波武器）以及其他小型化武器。即使無人機僅配備非智能材料加獵殺程序、蜂群邏輯和自動操作，也將很快對飛機和戰備構成實質威脅。

偵測無人機蜂群的幾種手段

在二戰中，敵人的高射炮比攔阻氣球更令人擔憂，美軍在二戰陣亡的22，951名將士中，很多人都犧牲在高射炮火之下。為了提高生存幾率，戰斗機和轟炸機飛行員增加飛行高度并修改航線。

對于無人機威脅，目前，我們還沒有研發出成熟的對抗手段，但是定向能和動能截殺裝置具有致盲或摧毀無人機的潛力。我們可以在己方飛機進入飛行路徑前發射定向能武器，清除威脅，但這種攻擊方式可能造成附帶毀傷而產生問題。為盡量降低附帶毀傷，需要識別特定的威脅，然后選擇合適的武器將其擊毀。

發現并識別無人機威脅有多種方式，包括聲音（監測轉子聲）、電子輻射、視覺（目視跟蹤）、普通雷達、光探和測距（LIDAR）激光雷達，以及紅外線。所有這些感應探測手段面臨的挑戰是，在探測隱形飛機，如機身很大、長21m x高5.2m x翼展52.4m的B-2轟炸機時僅能發揮微弱的效果；如探測尺寸40X40mm的無人機會更加困難。

目前，用于查找機場附近飛鳥和其他小型危險的程序對此可能有幫助，但是解決不了已經存在的無人機威脅。2016年4月17日，1架無人機與英國航空公司的727客機相撞的事件就是例證。機場塔臺控制人員通常使用雙筒望遠鏡尋找在抵達和起飛走廊附近飛行的猛禽和其他小鳥，飛行員用無線電向其他飛行員發出附近有鳥的警告。但這些方法對于消除無人機威脅可能效果有限，因為無人機將具備躲避能力，且尺寸可能比鳥還小。未來，一個百架無人機群總成本可能只需1，000美元，比單架無人機更容易偵測，但是敵人可增加無人機之間的間距，即降低無人機群的密度，從而降低機群的視覺可探測性。交戰一方還可能依據另一方的飛機形狀及其最不容易被擊中的姿態，來給自己的無人機編隊，編成這樣的飛行形狀可能進一步加大視覺探測的難度。

對于飛行中的四軸無人機，螺旋槳葉片和電動機會發出一種獨特的尖利噪聲，捕捉這種聲音特征，人們可以開發出一種基于聲學原理的偵測無人機手段。聲波探測系統只需簡單地記錄被探測的聲音，然后與數據庫中的已知聲音特征進行比較，并用多個地理定位來源進行識別。但是，無人機實驗室總裁扎因·納布拉斯提到，雖然聲波探測的確為多來源無人機探測系統增加一些價值，在設計、使用和采購方面相對容易，但并不像其他無人機探測手段那么有效，主要受環境噪聲影響和距離的限制。

目前，電光傳感器（通常指電視系統）作為很多武器系統探測和跟蹤的必備手段，這包括戰斗機上發射彈藥所用的先進瞄準吊艙，如諾斯羅普·格魯門公司的“狙擊手”G-4先進瞄準吊艙，也廣泛用于空對地導彈，如雷神公司的空對地戰術導彈“小牛”AGM-65H/K，并用于無人機殺手探測系統，例如波音公司的小型激光武器系統。這些武器系統結合電荷耦合裝置，產生高分辨率的數字圖像。很多使用電光手段來進行探測的系統也具有紅外跟蹤能力，使電光傳感器的能力進一步提高。

紅外探測手段也能幫助發現和跟蹤無人機，不過無人機的熱源比典型的飛機要小得多，要求探測系統的操作參數不同于標準集成紅外搜索與跟蹤偵察系統中所使用的參數。盡管如此，我們不應低估紅外手段在偵測無人機中的應用潛力。例如，波音公司的小型激光武器系統就采用電光/紅外探測技術在非惡劣天氣環境中跟蹤無人機。

電光/紅外探測和跟蹤無人機的效果嚴重受制于天氣，不利的天氣可極大降低其能力。固然，類似電荷耦合裝置這樣的先進電子探測技術比肉眼為強，但也受到云層、濃霧和煙霧的影響，無人機和飛機仍然能夠在云層中飛行而不被發現。

雷達作為一種傳感器，也能探測到無人機。但是，許多傳統雷達，例如目前大多數F-16戰機裝備的AN/APG-68型雷達等，需要升級軟件編碼和處理能力。即使在升級后，這些老舊雷達發現無人機的成功幾率也相對有限。因為無人機雷達反射截面小，尤其是如果它們處于幾乎靜止狀態，等候接近的目標時，多普勒回波很小。此外，APG-68雷達很難將目標從地面反射波或鳥中區分出來。就是說，有很多與無人機無關的假反射會影響雷達。如果F-16將雷達升級到所建議的APG-83可調機敏波束雷達（SABR），即一種有源電子掃描陣列雷達，就有可能發現無人機。像可調機敏波束雷達這類型的雷達，因為分辨率更高且頻率機敏性更好，發現無人機的成功幾率會高得多。

另一項可能有助于發現無人機的先進技術是激光雷達（LIDAR），該技術具備發現空中物體的潛力，但仍需要等待關鍵的技術突破。激光雷達能探測噴氣式飛機的“排氣尾跡中包含的碳氫化合物，精確到每百萬份量級濃度，這可能是周圍大氣濃度的100倍或以上。”美國空軍研究實驗室的新項目，稱為“振動偵測戰場探查”，研究如何使用激光測振儀技術來探測引擎振動或其他可供辨識的擾動。雖然小型無人機可能不像固定翼或大型無人機產生那樣大的排氣尾流，激光雷達技術仍有可能用于無人機偵測。激光雷達也受到上述困擾電光/紅外技術的環境制約，因為其波長很難穿透濃霧和厚云層。但是，在透光性不至惡劣到不允許光子返回感應源時，激光雷達能穿透談談的陰霾。

任何系統通訊——無論是海軍研究生院研究項目中使用的無人機互相之間采用無線網絡進行通訊，還是很多無人機系統所用的無線電頻率控制——發射的信號都可被偵測。被動傳感探測系統也可能用于搜索無人機的電磁發射，但其缺陷是，無法發現不發射電磁信號的無人機。不過，不遠的將來很可能開發出一種為發現這類靜默無人機的自主化無人機，后者可自主發現目標，不需要等待目標發射電磁信號或要求從外部獲得信息輸入。

我們期待著能研制出一種能把以上系統所有這些優點整合起來的對抗系統。這樣，在惡劣的天氣條件下，雷達和聲音系統仍能正常工作；在晴朗的天氣，所有的系統能聯合辨識和跟蹤目標，并通過地面或空中防御手段實施殲滅。就是說，發現無人機后，還需要有效的截殺手段將之消滅。

打擊無人機蜂群的幾種手段

美國空軍研究實驗室率先開展空中禁區混合防御（HyDRA）項目的研究，重點探索定向能截殺手段（激光和高功率微波），作為動能打擊之外的另一項選擇方案，從而強化一體化防空能力。激光有不同的介質，其波長也相應覆蓋紅外線到紫外線的整個范圍。美國空軍研究實驗室的定向能研究部主任威廉·庫珀博士稱：“定向能研究已經達到了超出許多人意料的較高技術成熟度水平（TRL）。”因此，美國空軍可能很快就能使用這種技術。美國空軍研究實驗室正在開展的空中禁區混合防御研究項目注重探索如何運用定向能手段來補充動能防御武器。實驗室預計，在近期，這些系統將作為一項防空手段布置在首都國會山周圍，然后逐步推廣，滿足作戰司令官的需要。美國太平洋司令部預計將在無人機上使用這種技術，并有潛力用于對付巡航導彈。庫珀博士指出，即使是低千瓦的激光系統，在近距離“也可輕易地擊落”無人機，并強調定向能武器不僅能最大程度降低附帶毀傷，還確保符合武裝沖突法，不超過比例殺傷合法范圍。

美國空軍研究實驗室已經演示了定向能系統的運用，在黑標行動演習中，美國空軍就成功地開啟MATRIX和MEGA HPEM系統打敗1-2類無人機。不過庫珀博士強調：研發和部署的道路上還有很多工作要做，要使各利益相關方都愿意獲取、集成并使用這種技術。2016年夏天，有關方面在白沙導彈試驗場對150kW級系統進行了成功的定向能試驗測試。美國空軍研究實驗室還在實施一個先進技術展示項目，該計劃名稱為自我保護高能激光演示驗證（SHiELD）。前者是通用原子航空系統公司的武器項目，研發能用于“高能液態激光區域防御系統”的激光。后者是美國空軍研究實驗室和美國國防高級研究計劃局合作的耗資5億美元的先進技術展示項目。庫珀博士解釋了自我保護高能激光演示驗證項目的未來三階段實施計劃，希望能驗證其戰術用途，并推動作戰準則修改。第一階段實施低功率激光指向，驗證鎖定和跟蹤目標的能力。第二階段加大功率水平進行驗證。第三階段，如果獲得資金，將驗證可能還留有充裕剩余功率的全功率系統。

波音公司的小型激光武器系統（CLWS）是另一種激光截殺武器。這種系統僅需幾個千瓦功率，能在瞬間摧毀目標。波音公司這個系統的主要優點是操作的簡易性和便攜性，只要把控制器鏈接到筆記本電腦就可以進行操控，技術專家們認為其便攜性可與X-Box 360游戲機的控制器媲美。根據波音公司的說法，小型激光武器系統的成本相對較低，能覆蓋數十公里范圍，僅需一個220V的電壓接口。該項目主管強調，系統具有不需補充彈藥的明顯優勢。發射成本基本上就是發射激光的電力。而如果發射導彈，還需要考慮物流環節或導彈的成本；如果是發射炮彈，還需要擔心落在何處。目前，機載激光武器研制進度主要受制于穩定性和電力來源。由于激光向低千瓦功率方向發展，加上未來電池技術的進步，以及摧毀無人機所需的發射時間縮短，小型激光武器系統具有廣闊的潛力。

激光束能使無人機的光學傳感器等目標致盲。致盲的定義是使得目標在短時間內無法看見。但是激光束更多用于摧毀目標上，例如此前介紹的小型激光武器系統的設計。HPEM光束所應用的致盲技術或能摧毀無人機，使無人機的某些關鍵電子元件“燒毀”，暫時失效。有三家技術公司研制出反無人機防御系統（AUDS），此系統能致盲無人機，并可能接管無人機的導航和控制系統。如果敵方在無人機上掛載大規模殺傷武器或其他彈藥，無人機被擊中自由墜落后可能造成大的傷亡，那么這種系統就可能非常重要。據稱，AUDS系統使用電光/紅外傳感器能偵測9.25km以外的無人機，然后使用無線電頻率干擾遙控操作員發送給無人機的無線電信號。無人機收到反無人機防御系統信號后，變得不知所措，“凍結，茫然，不知飛向何方。”下一步怎么飛，就由新的操作員來確定。

與發現和探測無人機的情況一樣，多系統隊列也能增強定向能的攻擊能力。但是，激光和高功率微波光束仍存在瞄準上的局限。激光技術的主要弱點是，在惡劣的天氣情況下，其成功率大大降低。高功率微波光束雖然能穿透云層交戰，但是，敵方可以利用在無人機上采用定向能硬化技術來反制高功率微波光束。最近，導電復合材料公司就成功地在類似塑料材料的內里將鎳涂覆到碳表面上，此材料又可模塑到無人機表面等其他結構上。這樣，被打擊目標對象便可將照射過來的光束能量引離分散，削弱高功率微波光束的打擊效果。這種概念類似于在無人機外圍放置一個引離電荷的法拉第籠子。

由于定向能武器強度可調，應用多樣，因此成為對付無人機的首選手段。但我們的作戰飛機上仍需配置動能殺傷武器，以備在能見度較低的環境中激光和紅外武器失效，或敵方的飛行器采用了定向能硬化構件。本文所言常規飛機主要指高速高空飛行的固定翼飛機，高速度使飛機被撞毀壞的幾率更大。現實中，受無人機威脅的飛機類型很多。例如，直升機也必須面對無人機的威脅，因為直升機大多在無人機密集的低空環境中飛行。目前的直升機飛行員主要擔心的威脅是便攜式防空武器和火箭助推槍榴彈（RPG）等武器。但是未來，直升機作戰飛行中將需要越來越多地警惕來自無人機的危險。便攜式防空武器和RPG威脅已經引起美國海軍的關注，并且已經迅速研制出對抗手段，這些手段也可用于打擊無人機。

美國海軍正在研制的一種對抗手段是直升機主動引爆RPG技術（即HARP，先前縮寫為 HAPS），目的是發現和截殺RPG。這個技術概念可以拓展并用于打擊構成威脅的無人機。HARP的概念也提供動能攔截選項，可以用于美國空軍飛機。HARP最重要的特性是互通操作性，這種攔截彈可以從現有的箔條和曳光彈投射器發射，可納入機載抗干擾發射器系統 AN/ALE-47中。顯然，配置HARP的飛機仍然具有攜帶箔條和曳光彈的干擾和抗干擾能力，盡管攜帶數量減少。根據來自Orbital ATK公司在2015年2月的信息，HAPS能夠發射和投擲機動，飛行至模仿來襲的RPG引爆點。如何優化爆炸和碎片的數量來截殺RPG或無人機是目前考慮的一個重要因素。美國海軍研制HARP的一個相關人士杰伊·羅杰斯（Jay Rodgers）說：“由于攔截器彈頭尺寸限制，以及攔截點接近飛行器的距離難以掌握，即使爆炸其本身能否有效擊落飛行器是一件非常不容易的事。這是一個很困難的截殺機制。”他表示：“改善爆炸方式和碎片分布能增加擊落 RPG和無人機的概率。改善的爆炸方式尤其具有吸引力，殺傷效果截然不同，不像碎片殺傷，可能還會導致自傷。”

美國海軍還在研制另一個項目，即防區外截殺武器（SOWD），概念上類似截殺RPG。美國海軍認為，防區外截殺武器可用作對抗無人機的反制手段。SOWD項目由美國國防部預研局和特勤局，參與單位有美國陸軍有10多個機構以及美國空軍中的空軍安全部隊中心。美國空軍不甚積極的這種反差可以理解，因為其目前地基防御準則框架是把基地的大多數動能防御武器置于美國陸軍的領導之下。但是美國空軍必須要考慮到，SOWD不僅可用于基地防御，也可用于未來的空空作戰。未來，飛機的起降和回收正面臨著越來越迫近的威脅，因此，美國空軍在作戰理論研究中對這些區域防御手段比美國陸軍更感興趣，從而吸引美國空軍對這類技術研制投入更多資源。

美國空軍亦可考慮投資于旨在截殺無人機的新動能武器的研制。這種武器成本應低于價值155萬美元的AIM-120 AMRAAM等視距外中程空對空導彈。該概念武器完全有可能實現低成本，因為所摧毀的目標更小。彈頭尺寸相對也更小，且飛行距離較短、燃料更少。這種武器本身就是一架無人機，用途就是通過撞擊或爆炸獵殺敵方的無人機。總之，在摧毀敵攻擊無人機的殺傷鏈中，需要多個層面和選項。用于探測的傳感器必須從上述所及的全部來源融合數據，而且戰機應具備可用作殺傷的定向能武器和動能武器選項。

建議

解決來自無人機的危險，必先發現之。因此，美國空軍需要做出投資，升級諸如F-16的有源電子掃描陣列雷達等系統，并繼續推進所有平臺的數據融合系統。為確保美國空軍基地的安全，需要在無人機飛抵上空前先機發現；雖然在作戰準則層面這是美國陸軍的任務，但美國空軍有保護其地面機群的重大利益考慮。在空中，美國空軍需要投資研發能夠探測飛機威脅的系統，由此取得對特定空域的控制。目前的無人機威脅進一步表明，我們不僅要掃清任務航線上的威脅，還應密切關注飛機的起飛和返回時的安全。這一切都要求美國空軍飛機上裝備探測和截殺能力的武器。為了成功截殺來襲的無人機等威脅，美國空軍不應僅選擇一種能力，而應獲取多種致盲和/或截殺手段，包括定向能和動能武器。美國空軍研究實驗室的定向能研究，應當考慮用于空空交戰，這意味著美國空軍應向空中禁區混合防御項目投入資金，提升技術成熟度水平。此外，美國空軍應為其所有機型研制一種類似HARP的系統，使飛機具備發射反制手段的系統。還有一點，無人機技術的擴散已經威脅到美國的國家安全，各軍種基地防御資源有限，因此各軍兵種必須通力合作，部署并操作能保護官兵的一體化融合系統。

有些領域技術領域的發展較慢，有些則已足夠成熟，即將進入工程研制和部署試用階段。在不遠的將來，電子元件的不斷更新升級使得無人機向蜂群和/或神風敢死隊一樣可以單槍匹馬地對軍方飛機發動攻擊。這種必然趨勢需要軍隊大幅度調整防空作戰思維，加強對探測和截殺來襲無人機威脅的重視和研究。截殺敵無人機沒有一種萬能的手段。目前，已有許多手段能幫助我們在抗衡環境中制勝。隨著技術進步，探測和截殺無人機絕不只是一件僥幸之事。

（編譯自《空天力量雜志》）