海戰場無人機威脅對艦炮武器發展的啟示研究

陳 亮

（海軍士官學校，安徽蚌埠 233012）

0 引言

艦炮武器自誕生以來，一直是海軍水面艦艇的主戰武器。早在14世紀，風帆戰艦上就開始在兩舷配置滑膛炮，用于撞擊戰和接舷戰前開展舷炮戰，即使用舷側艦炮進行對射。17世紀，隨著艦炮威力的增大，舷炮戰成為艦隊在海戰中的主要戰法。18世紀，隨著戰艦排水量的增大和大口徑艦炮在戰艦上的普遍配置，舷炮戰戰術發展成為比較穩定的戰列戰術。19世紀，隨著技術的發展，艦炮配置了后裝線膛炮、彈性炮架、供彈裝置和防護罩等，具備了現代艦炮的雛形，并在20世紀的兩次世界大戰中起到了重要作用。21世紀以來，技術發展和作戰需求對艦炮發展提出了更高的要求。

1 艦炮武器發展研究情況

近年來，相關專業的學者們從不同角度開展了對艦炮武器發展的研究。有的學者在性能上強調遠射程、高精度、多功能，在設計上強調模塊化、輕型化、隱身化；有的學者系統歸納了艦炮武器發展趨勢，包括艦炮武器系統的遠程精確打擊能力、小口徑艦炮武器系統作為艦艇末端防御的重要手段、多用途新型彈藥的發展、快速自動智能供補彈藥技術的發展等，指出應發展電熱化學炮、電磁炮、垂直發射技術等新概念艦炮；有的學者研究幾何強約束條件下射程與威力的均衡發展，復雜環境中自尋的精確打擊智能引導技術發展，基于自組網的智能決策及彈載數據鏈技術發展等具體技術[1]；有的學者提出應研制大口徑增程制導彈藥，大幅提升艦炮對陸火力支援能力，發展炮射巡飛彈，增加艦炮對岸火力偵察、評估和毀傷的手段，研究小口徑彈藥不同毀傷機理，提高艦炮武器的防空能力等[2]。

上述關于艦炮武器發展的研究立足于艦炮使命任務，主要考慮對海執行遠程精確打擊、對岸實施遠程火力支援、對空開展近程防空反導等任務背景下，應對岸上目標、水面艦艇、飛機和導彈等目標及威脅需求下艦炮的性能發展要求和技術發展舉措。但是近年來，隨著無人技術的發展和大量多類型無人機投入運用，海戰場上無人機對艦艇的現實威脅迫在眉睫，對艦炮發展也提出了新的啟示。

2 海戰場無人機威脅分析

2.1 美軍無人機裝備現狀

無人機憑借著用途多樣、費效比低、無飛行員傷亡等特點受到世界各國的青睞，各國持續加大軍用無人機的研制和投入。從公開新聞上看，美軍已構建了較為系統完整的軍用無人機體系，包括MQ-1 “捕食者”（Predator）、MQ-1C“天空勇士”（Sky Warrior）、MQ-5 “獵人”（Hunter）、MQ-9 “死神”（Reaper）等察打一體多用途戰術無人機，RQ-4 “全球鷹”（Global Hawk）、MQ-4 “海神之眼”（Triton）等戰略偵察無人機，RQ-7 “影子”（Shadow）輕型偵察無人機、RQ180隱身偵察無人機、RQ-8 “火力偵察兵”（Fire Scout）艦載垂直起降戰術無人機、X47B艦載噴氣式高速無人轟炸機、XQ-58A噴氣式無人僚機、X51A“乘波者”（Waverider）、HTV-2 “獵鷹”（Falcon）等超音速無人機，“郊狼”（Coyote）、“小精靈”（Gremlins）、“山鶉”（Perdix）等蜂群無人機。美軍無人機運用于陸、海、空、海軍陸戰隊等多個軍種，具有微型、小型、輕型、中型、大型、重型等多種尺寸，通過掛載相應的傳感器、通信和武器模塊，能夠單機出動、蜂群出動或協同載人機群遂行空中偵察、通信中繼、火力打擊和電子對抗等作戰任務。

2.2 各類無人機威脅判斷

由于海戰場環境的特殊性，以MQ-1為代表的中型察打一體多用途戰術無人機由于活動半徑、有效載荷和武器配置（主要是反坦克導彈和炸彈）等問題的制約，對艦艇編隊的威脅較小。目前，對艦艇編隊威脅較大的主要有RQ-4、MQ-4等長航時重型無人機、X47B等艦載重型無人機、蜂群無人機等。其中，長航時重型無人機和艦載重型無人機主要用于戰場偵察或協同載人機群突防，出于其動輒數千萬至上億美元的昂貴造價和接近載人機的作戰樣式特性，可由戰機群或艦載遠程艦空導彈應對該類威脅；而蜂群無人機由于集群數量大、單體成本低、單目標特征小等特點，成為目前海戰場對艦艇的重大威脅。

美國國防部公布的《2009-2034財年無人系統線路圖》及《2013-2038財年無人系統一體化路線圖》等相關文件中，涉及海軍的無人機項目就有無人艦載監視和打擊（UCLASS）、艦載無人戰斗機系統關鍵技術驗證（UCASD）、垂直起降無人機（VTUAV)和小型戰術無人機/二級（STUAS/Tier II）等多個項目[3]。美空軍以2016年5月發布的《2016—2036年小型無人機系統飛行規劃》為藍本，重點發展小型無人機平臺、提高人機編隊協同作戰的能力，尤其是引起各方高度關注的分布式、低成本“蜂群戰法”。

2.3 無人機蜂群威脅分析

2016年10月，美軍從3架F/A-18 “超級大黃蜂”戰斗機上發射了103個“山鶉”微型無人機組成無人機蜂群，機群決策系統展現出出色的相互協調能力。“山鶉”微型無人機長16.5cm，翼展30cm，全重290g，續航時間約20min，飛行速度為74～111km/h。由于其體積小、載荷低、航程短，在海戰場環境下，這類微型無人機蜂群難以在艦載武器系統對空防御圈外完成投送，尚無法對艦艇編隊造成嚴重威脅。但是，美國國防先進研究項目局（Defense Advanced Research Projects Agency，簡稱DARPA）主導的“小精靈”（Gremlins）項目則不然。X-61A“小精靈”無人機配備渦噴發動機，長4.2m，機身截面直徑600mm，翼展3.5m，最大重量680kg，有效載荷66kg，最大速度0.6Ma（約200km/s），航程560km。2019年11月，一架X-61A無人機在C-130 “大力神”(Hercules)運輸機機翼下完成了首次掛飛。2020年1月，進行了X-61A從C-130上的首次發射試驗。2021年10月，在猶他州達格威試驗場C-130成功捕獲回收了一架X-61A，該項目的長遠目標是根據作戰要求，X-61A還可以從F-16、B-52和其他飛機上發射，顯著增加蜂群中的系統數量。以X-61A為代表的這類空基投放的輕型無人機蜂群，具有一定的有效載荷和活動半徑，能夠在艦載武器系統對空防御圈外完成投送，同時單體目標特征小、單機價格便宜，具有極強的效費比，對水面艦艇編隊造成嚴重威脅。

美國海軍早在20l2年就對“伯克”級驅逐艦遭受無人機蜂群攻擊的情況進行過演示驗證，表明宙斯盾系統及艦載武器系統在面對這種集群攻擊時的困境。由于無人機的單體雷達信號特征小，從多個方向突防時，等到發現已經來不及使用艦空導彈攔截，干擾彈也無法影響無人機的通信及控制系統，可發揮作用的只有“密集陣”近防艦炮武器系統和機槍。當無人機群以250km/h的速度來襲時，上述艦炮武器系統從發現目標到啟動攔截只有15秒時間。更致命的是，防御系統往往難以合理分配火力，從而導致部分無人機能夠避開攔截。對這一作戰模式進行了數百次模擬仿真的結果表明，由8架無人機組成的集群進行攻擊時，有2.8架無人機可實現突防[4]。2017年，美國海軍成功協調由30架無人機組成的蜂群執行聯合任務，包括攜帶爆炸彈頭進行自殺性攻擊。結果表明，面對自殺型無人機蜂群時，艦艇編隊即便擊落十數架無人機，但是仍可能有數十架甚至上百架無人機不計代價突破編隊對空防御網，足以摧毀或干擾艦艇的通信、雷達、武器等系統，為反艦導彈、載人飛機等其他傳統武器的攻擊鋪平道路。

3 艦炮武器發展啟示研究

面對無人機蜂群時，當前“密集陣”類的艦炮武器作戰效能難以滿足艦艇近程對空防御的需求。究其原因，這類艦炮武器主要使命任務是近程反導，作為對低空突防快速目標實施直接摧毀的點殺傷武器，其設計目的在于通過較高的發射率運用大量炮彈追求命中概率，其針對的典型目標是紅外特征明顯的超音速反艦導彈。面對無人機蜂群時，“密集陣”類的艦炮武器存在設計功能與目標特征不適配的問題。一是艦炮備彈量與目標蜂群數量之間的尖銳矛盾。以美軍阿利伯克級驅逐艦為例，裝備2座“密集陣”系統，單系統備彈量約1000發，理想狀態下單目標彈藥消耗量約80～100發，不考慮射擊轉火時間、命中概率及無人機蜂群突防對艦艇的損傷問題，該型驅逐艦“密集陣”系統只能抗擊約20架無人機，由于“密集陣”系統需重新裝填炮彈，整個艦艇近程對空防御處于長時間失能狀態。二是反艦導彈機動特征與無人機機動特征不一致。雖然反艦導彈也具備末端俯沖機動、蛇形機動等高速機動能力，但是其攻擊路徑仍然有章可循，在其攻擊路徑中仍然具備射擊窗口，而無人機為典型的低、慢、小目標，具有優越的變向能力，由于火力控制系統設計問題及彈丸飛行速度問題，“密集陣”類艦炮武器的跟蹤射擊方式對該類目標命中概率偏低。

3.1 毀傷機制發展需求

相對導彈、載人機等傳統空中目標，無人機蜂群主要具有單機成本低、單體目標特征小、攻擊密度高、機動能力強等優勢。上述分析表明，應對此類目標時傳統艦艇武器基于點殺傷、直接毀傷的機制難以滿足艦艇近程對空防御需求。但是從無人機蜂群的弱點角度來看，一是無人機蜂群速度低，且為了增強突防和攻擊能力，其臨艦密度較高，非常容易被造成面殺傷。二是無人機蜂群內部為了協調動作，如航路規劃、防碰間距、空中避障、編組方案、攻擊分配等，蜂群內的無人機具備大量電子系統，如導航系統主要采用GPS衛星導航與慣性導航相結合的方式，受到一定功率的電磁干擾后將無法獲得精確的定位數據與航路規劃，進而出現失控，將干擾蜂群的協同能力，降低攻擊效能；控制系統需要地面、艦載或機載控制站的遠程控制，其通信鏈路易受到電磁干擾而失效；蜂群內部通信網絡主要采用無線自組網(Ad-hoc)通信模式，無人機各網絡節點間能夠相互轉發遙控指令，交換感知態勢、健康情況和情報收集等數據[5]。這些系統均為包含大量微電子器件的電子設備，易受到電磁干擾而失能。因此，針對無人機蜂群威脅，艦炮有必要在保持傳統的直接摧毀機制同時，兼顧向間接毀傷發展；在保持傳統點殺傷效能的同時，兼顧向面殺傷發展。

3.2 發展艦載微波艦炮武器

無人機中的微電子器件能夠被電磁脈沖（EMP）損壞，損傷能量閾值只有10uJ，它們受到EMP損傷或失效，從而導致整個系統功能的失效。射頻電磁波是強電磁脈沖武器輻射的電磁波，這種電磁波最主要的類型是微波。為了滿足現代武器裝備系統的強殺傷功率，使用脈沖電磁波是其主要手段，形成微波武器[6]。高功率微波武器（HPM）工作頻率一般為300MHz～300GHz，脈沖峰值功率在100MW以上，能夠在極短時間內通過高增益天線定向輻射高功率微波，形成功率高、能量集中且具有方向性的微波射束照射目標，干擾或損壞無人機的電子元器件，使其失能。公開資料表明，美國陸軍“相位器”高功率微波武器系統能夠損毀無人機內部的電子器件，使其控制系統和發動機失能墜毀；俄羅斯聯合儀器制造公司研制的微波武器系統使無人機的通信系統失效，導致無人機失去控制；陸基高功率微波武器實驗表明，對無人機有較強的作戰效能。

高功率微波武器既具有直接摧毀能力，又具有間接毀傷能力。高功率微波武器對無人機電子設備的毀傷途徑主要分為“前門”耦合和“后門”耦合兩種方式?！扒伴T”耦合是指微波電磁脈沖能量通過目標天線或傳輸線等直接耦合到其內部；“后門”耦合是指微波電磁脈沖能量通過目標表面孔洞、縫隙、線纜或殼體等耦合到其內部。通過各種耦合途徑進入目標內部的電磁脈沖能量能夠對電子元器件造成間接毀傷或直接摧毀。原因可能包括熱二次擊穿、瞬態場致電壓擊穿、復雜波形引起的其他失效、瞬時熱效應引起的金屬化失效等[7]。電磁脈沖能量可以使無人機內部控制系統、通信系統、定位系統的電子元器件出現高功率微波熱效應從而失能或燒毀；還可以通過干擾電磁場使電子元器件產生誤動或功能失效，使數字電路出現邏輯錯誤或輸出異常信號，造成無人機定位失效、控制失能、相互間通信失敗，甚至直接燒毀。同時，高功率微波武器還是一種典型的面殺傷武器，高能電磁波在空間形成一個以微波武器波源點為中心、以波束角為張角的圓錐體型殺傷區域，在目標所在平面內形成一個不規則橢圓的殺傷覆蓋區域，該區域的長短軸長度與微波武器的波束角、發射傾角及目標高度相關。

相對于“密集陣”（彈丸初速約1113m/s，有效射程約1800m，20mm脫殼穿甲彈約2s才可抵達預定彈著點，需提前解算諸元，無人機飛行機動改變狀態后則命中率下降）等高射速點殺傷小口徑近程防御艦炮武器而言，高功率微波武器（電磁脈沖光速傳播）具有打擊命中率高、無需儲備彈藥、更換彈藥方便、實現大范圍面殺傷的強大優勢；相對于高能激光艦炮武器而言，高功率微波武器具有受氣象條件影響小、指向精度要求偏低和實現大范圍面殺傷的巨大優勢，成為艦炮發展的新方向。

3.3 發展電磁脈沖炮彈

立足于現有中大口徑艦炮作用的發揮，出于不同距離下梯次抗擊無人機蜂群的實際作戰需求，基于艦載微波艦炮武器的毀傷原理，可發展電磁脈沖炮彈。電磁脈沖炮彈通過內部電子元件產生初始電流與磁通量，利用火炸藥爆炸能量壓縮初始磁通量從而產生高脈沖電壓，激發微波，將在空中形成定向的微波輻射范圍。電磁脈沖炮彈將水面艦艇對無人機蜂群的抗擊距離從數公里拓展至數十公里，與艦載微波艦炮武器配合，形成較為完善的對無人機蜂群防御能力。

4 結語

艦炮武器作為海軍水面艦艇的主戰武器，除攻擊岸上目標、水面艦艇、飛機和導彈等多種傳統目標外，還需要作為應對無人機蜂群威脅的重要武器。高功率微波具有集直接摧毀和間接毀傷機制一體的面殺傷能力，其反無人機效能也受到了多項實驗的檢驗，成為艦炮武器的重要發展方向。當然作為艦炮武器而言，艦載微波武器還需進一步解決一系列技術問題，以進一步提高主瓣功率、增強射程及毀傷能力，降低副瓣對己艦電子設備的影響。電磁脈沖炮彈還需進一步解決電子元件抗過載能力、空中微波定向等問題。隨著技術發展與難題破解，上述武器將與當前各類主戰艦炮武器配合，共同成為水面艦艇?？辗烙膱詫嵠琳?。