未来战争的杀手锏—动能武器*

徐 溪 石文华

(海军航空工程学院 烟台 264001)

1 基本概念

1.1 新概念武器

高技术的发展,正在引起军队武器装备的巨大变革,也为发展全新的非核武器开辟了广阔的前景。不久的将来,一批新的、更具有威力的武器系统会陆续研制成功,并将投入到战争中使用,这种武器就是新概念武器。

新概念武器是相对于传统武器而言的高新技术武器群体,目前正处于研制或探索性发展之中。它在原理、杀伤破坏机理(杀伤效应)和作战方式上,与传统武器有显著的不同,投入使用后往往能大幅度提高作战效能与效费比,取得出奇制胜的作战效果[1]。

新概念武器的主要特征通常表现为:

◦创新性:与传统武器相比,新概念武器在设计思想、工作原理和杀伤机制上具有显著的突破和创新,它是创新思维和高新技术相结合的产物。

◦高效性:一旦技术上取得突破,可在未来的高技术战争中发挥巨大的作战效能,满足新的作战需要,并在体系攻防对抗中有效地抑制敌方传统武器作战效能的发挥。

◦时代性:新概念武器是一个相对的、动态的概念。随着时代的发展和科技的进步,某一时代的新概念武器日趋成熟并得到广泛应用后,也就转化为传统武器。

◦探索性:新概念武器与传统武器相比,高科技含量大,技术难度高,在技术途径、经费投入、研制时间等多方面的不确定因素多,因而探索性强,风险也大。

新概念武器主要包括定向能武器、动能武器和军用机器人。其中动能武器的发展颇引人注目。

1.2 动能武器

动能武器指的是一类能够发射高速(5倍于音速)弹头,利用弹头的动能直接撞毁目标的武器。主要有:动能拦截弹(分为反卫星、反导弹两种)、电磁炮(分为线圈炮、轨道炮和重接炮三种)、群射火箭等。

动能拦截器是一种自主寻的,利用其与目标直接碰撞的巨大动能来杀伤目标的飞行器。它是在导弹技术的基础上迅速发展起来的一项新技术,高精度制导和快速响应控制是其关键技术,追求目标是“零脱靶量”。从80年代初以来,电磁炮在未来武器系统的发展计划中已成为越来越重要的部分。对常规动力的枪炮的分析表明,它们很可能已达到了性能的极限,炮口初速已接近物理和技术极限,射程也不可能更远,原因是火药燃气压力作用在弹丸上的时间很短。在利用电磁场作用力的电磁系统中,其作用时间可能长得多,从而可以提高弹丸的速度和射程。这就是电磁炮技术引起人们兴趣的主要原因。

2 结构与原理

2.1 结构组成及功能

动能武器由推进系统、弹头(弹丸)、探测器(传感器)、制导与控制系统等部分组成[2]。如图1所示。

图1 动能武器的构成

推进系统提供将弹头加速到高速所需要的动力,可采用火炮、火箭、电场或磁场加速装置作为推进系统。弹头是动能武器的有效战斗部位,系用金属材料或塑料制成的刚体。传感器是动能武器的“眼睛”,用于探测、识别和跟踪目标,常使用红外传感器。制导与控制系统是动能武器的“大脑”,用于确保成功地进行寻的与拦截,制导与控制系统一般由寻的器、惯性测量装置、计算机、方向和姿态控制器、通信设备、能源设备等组成。

与定向能武器相比,虽然动能武器速度慢,但技术上可行,价格低廉,并难以采取有效的反措施。因此,动能武器被认为是非常有发展前途的高技术武器。

2.2 推进系统

动能武器必须采用一定的方法将物体(弹头)加速到足够大的速度。根据所采用的推进系统的不同,可将动能武器分为三种不同的结构:火炮系统,火箭系统,电磁系统。

2.2.1 火炮系统

火炮是靠火药的燃气压力将炮弹加速的[3]。从原理上讲,常规火炮可以作为动能武器使用(发射非爆炸性弹头)。在火炮中,最大弹丸速度可达到2km/s。从上述讨论中可知,弹头达到这一速度的火炮可安装在作战平台上用于中段拦截。但基于以下原因,将火炮用于天基系统防御作用不大。

1)火炮炮管长度有限,燃气压力对弹头的作用时间很短,弹头的速度、射程均有限,这使得火炮的作战半径小,仅适用于进行短程拦截;如果极大地增大炮管口径和炮管长度,虽可使弹头速度和射程大为增加,但发射速率太慢,也不能满足实战的需要。

2)火炮安装在作战平台上,发射时存在后座力补偿问题,需要消耗燃料供稳定系统和导航使用,从而减慢了发射速率。

2.2.2 火箭系统

利用火箭加速是三种结构中最成熟的一种。美国人准备部署的动能武器目前都采用一级或两级火箭加速,因此亦称之为超高速火箭动能武器。大气层外轻型射弹(LEAP)是目前各国正在研制的用于拦截战区或战术弹道导弹的多种动能拦截弹中最具代表性并可能最先部署的一种。该射弹可充分利用现有的陆、海、空军用的战术导弹的技术发展而成为有效的反导拦截器。其作战使用方法是,用一枚较大的助推火箭将射弹送入高空,使其达到4km/s的超高速(约12马赫),攻击前火箭脱落,射弹依靠弹载寻的头、制导计算机和推进系统控制飞行,并准确命中目标。其拦截高度80km,可拦截各种战区弹道导弹。

2.2.3 电磁系统

电磁系统是利用电磁场加速或电能加热加速的动能武器系统,又称为电磁炮。根据结构和原理的不同,电磁炮有线圈炮、导轨炮(又称轨道炮)、电热炮等,其中最主要的是轨道炮。下面仅研究轨道炮的结构与原理。

轨道炮由两条平行的导轨组成,在两条导轨之间放置一个与两条导轨保持良好的电接触又能沿着导轨滑动的质量较小的物体作为弹丸。当两轨接入电源时,电流通过一条导轨流向弹丸,并经弹丸底部的导流板流向另一条导轨;相反方向的过程也如此。流过导轨的电流产生一个强磁场,该磁场给流过弹丸的电流一个很大的洛伦兹力。利用“右手定则”很容易确定弹丸电流所受到的洛伦兹力的指向。此力迫使弹丸沿导轨运动。只要磁场存在,弹丸就会持续受到力的作用,从而保持加速运动,达到很高的速度。

弹丸加速所能达到的速度极限由下式确定:

式中,V为弹丸的极限速度;a为弹丸的加速度;S为加速距离(约等于导轨长度)。

如果理想的加速度值和速度值分别为:a=105m/s2,V=20km/s,则对应的加速长度(即导轨长度)为S=200m。可见,为了使弹丸获得足够大的速度,轨道炮需要很长的导轨,因而是很笨重的。

为提高轨道炮的性能,理论上还可采取以下措施:1)增强磁场;2)减小弹丸的有效质量。这可以增大弹丸的加速度。但实际上,这些措施的作用是有限的。

首先,轨道炮的结构不允许磁场任意增强[4]。因为当磁场强度达到150～160高斯,即磁场压强达到1000个大气压时,整个装置已接近机械稳定性(或机械强度)的极限。从力学观点分析,这样一个导轨很长、内部压强很高的系统要保证很高的强度是很困难的。如果试图通过增加导轨及附属结构的质量来保证机械强度,这会使系统笨重得难以部署,而且质量增大也会增大热损失。

其次,如果试图通过增大电流来增加磁场强度,这会使热损失增加。因为电流越大,热损失也越大。导轨的加热可能限制系统的发射速率并降低射击性能。

此外,弹丸的质量也不可能任意减小,因为质量是使弹丸具有大的动能,命中并摧毁目标的一个重要因素。同时,为保持弹丸与导轨有良好的电接触,弹丸应有一定几何尺寸。当弹丸要带自寻的装置时更要求质量不能太小。

2.3 弹头

动能武器是以巨大的动能摧毁目标的。从动力学中知道,质量为m的物体以速度V运动时,其所具有的动能为

可见,如果确定摧毁目标所要求的能量值为E,相应地选择适当的弹头质量m和速度v,就可以使动能武器具有足够的威力。在动能武器用于拦截洲际弹道导弹的情况下,由于目标本身以很高的速度在运动,进行拦截的动能弹头只要有一定的速度就能使之与目标碰撞时达到极高的相对速度。

实验表明,当动能弹头的有效质量比为每平方厘米几克时,且目标表面的比动量达到105～106g◦cm/s,弹头与目标的相对速度大于1km/s,就足以将目标摧毁。对于来袭的洲际导弹而言,其飞行速度达8km/s,所以,只要动能拦截器有一定的速度,利用适当的碰撞几何条件,就很容易将目标摧毁。根据拦截洲际弹道导弹的实际需要,为保证达到一定的作战距离,动能拦截器的最大容许速度为37km/s,较为理想的速度为10km/s。

因此,只要使弹头有极高的速度,并采用精确的控制与制导技术,就可以命中并摧毁几千千米之外的洲际导弹。

2.4 制导

由于动能武器是依靠与目标直接碰撞时的动能来破坏目标的武器,因此,它有两个核心问题必须解决,一是加速问题,二是制导问题。

上面介绍的火炮系统、火箭系统和电磁系统都是解决加速问题的途径。现在以火箭类动能弹为例,讨论一下制导问题,这是动能武器的又一个核心问题。

制导问题就是使动能拦截弹具有精确的自动寻的末制导的能力,主要依靠在弹上装备高精度传感器的目标探测系统和先进的制导与控制系统。然而,如果动能弹在大气层中飞行,产生的气动热、气动光学效应将使动能弹上装备的高精度、高灵敏度的传感器不能充分发挥作用,必将影响动能弹自动寻的制导精度。

大气稀薄的空间为动能武器的使用提供了极为有利的条件:一方面,可以忽略不计的阻力可以保证动能武器的超高速飞行;另一方面,不存在气动热、气动光学效应。这种环境保证了动能弹具有高精度的自动寻的末制导能力。

这两个有利的条件,为科学家们发展各种新概念的动能武器提供了广阔的创造天地。劳伦斯◦利弗莫尔国家实验室的科学家们提出了“智能卵石”拦截弹技术,这使实用的动能拦截弹的发展出现了一个新的高峰。

3 发展动态

由于火炮、战术导弹等传统武器的速度、射程及精度等,难以应付速度越来越快的高速运动目标,因此西方大国一直在研究速度达5倍音速(即5马赫)以上的超高速的动能武器。

从上世纪80年代以来,以美国为代表的西方军事大国和俄罗斯探索研究并试验了一系列动能武器,其中最主要的是超高速火箭类的动能武器。这些曾经研究过和目前正在研究的火箭类动能武器可分为三大类[5]:

第一类是美国曾经为“战略防御倡议”计划研制的主要用于拦截洲际弹道导弹(也可用于反卫星)的动能拦截弹,包括天基动能拦截弹、地基红外寻的动能拦截弹、地基雷达寻的动能拦截弹和空基(机载)反卫星动能拦截弹。

第二类是美国、西欧诸国及以色列等国现正在加紧研制的用于战区弹道导弹防御的动能拦截弹,主要包括以色列“箭式”拦截弹、美国的“爱国者”导弹改进型增程拦截弹(ERINT)、美国的战区高空防御(T HAAD)拦截弹、美国的大气层外轻型射弹(LEAP)和机载助推段拦截弹(BPE)等,其中有可能成为世界上第一种小型的先进动能拦截弹的是大气层外轻型射弹。

大气层外轻型射弹典型尺寸100mm,仅相当于一块面包,弹重6kg,由五个分系统构成:固定式被动红外寻的头(采用中长波蹄镉汞红外焦平面阵列传感器),由干涉式光纤陀螺惯性测量组件及微处理机等构成的弹载航空电子组件,变轨推进系统(为消除在末段拦截寻的中出现的飞行误差及目标识别误差,需使拦截器进行横向机动),姿态控制系统(由一组安装在拦截器尾部的小型喷嘴组成,控制拦截器的俯仰、偏航与滚动)以及通信与遥感组件(轻型被光学望远镜)。

大气层外拦截弹的好处在于,无需考虑气动力控制、气动光学偏移、气动热、推力的加大以及其它因大气对拦截弹造成的影响。在大气层外交战,也更容易预测出拦截弹和目标的性能。在目标助推火箭燃烧完毕后,特别容易测定其性能,而大多数战区弹道导弹常常在大气层内或刚刚冲出大气层时,即停止助推火箭燃烧。在助推段之后,大气层外目标通常沿固定弹道作无机动飞行,因此,在大气层外拦截更容易实现命中杀伤。

第三类是美国国防部研制的先进动能导弹(ADKEM),包括地对地、地对空、空对空和空对地等作战应用的多种超高速导弹(HVM)。这是美国国防部为陆、海、空军研制的一种多任务、通用的超高速导弹。这种导弹由推进装置和动能弹头组成,推进装置为固体火箭,弹头为特制的碳化钨头锥金属穿甲弹头或空心钢圆筒状反装甲弹头。有一种试验弹长262cm,直径9.96cm,重量21.36kg,速度7.5马赫,采用前视红外探测器与二氧化碳激光束共同进行制导,借助于陀螺滚动传感器和姿态控制装置实现空气动力控制。

预计超高速导弹可以战斗机、攻击直升机、装甲步兵战车为发射平台,也可以安置在军舰上。其作战方案是,发现目标即进行发射,一旦导弹被加速到所需要的速度,助推器就被抛掉,弹头靠自身的动力装置和控制与制导装置飞向目标,最后以6马赫以上的超高速并高速自旋命中目标。其摧毁目标的能力比现有的战术导弹要高1倍以上。

目前,世界发达国家和地区都在竞相发展这项新技术,一些系统已经接近实战化水平,预计到2020年前后可能全面部署高性能的多层反导防御体系,并具备动能反卫星能力。

4 结语

高新技术的迅猛发展和广泛应用,正在引发世界范围内的军事变革。军事大国,特别是以美国为首的西方国家,都企图加快军事技术的创新发展,进一步拉大与其他国家在军事高新技术方面的差距。加速研制新概念武器,是它们确立军事高技术优势的重要手段之一,预计21世纪前30年内将有一大批新概念武器相继投入战场。论文论述的动能武器发展将更为迅猛。我国要在新世纪实现中华民族伟大复兴,就必须有强大的军事力量。加大新概念武器,尤其是动能武器的研制与发展,是打赢未来信息化战争的重要条件。

[1]唐金国.海军信息战概论[M].北京:海潮出版社,2005:164～182

[2]龚传信.高技术武器装备及管理[M].北京:解放军出版社,2003:35～37

[3]朱小东.信息化作战装备保障[M].北京:国防工业出版社,2007:47～53

[4]陈亮.复杂电磁环境对射击指挥人才的要求[C]//2007年沈阳射击学会论文集,北京:海潮出版社,2007:179～193

[5]第二届中国军事装备科学学术研讨会文集[C]//北京:解放军出版社,2003:185～189