未來戰(zhàn)爭的殺手锏—?jiǎng)幽芪淦?

徐 溪 石文華

(海軍航空工程學(xué)院 煙臺(tái) 264001)

1 基本概念

1.1 新概念武器

高技術(shù)的發(fā)展,正在引起軍隊(duì)武器裝備的巨大變革,也為發(fā)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(tǒng)會(huì)陸續(xù)研制成功,并將投入到戰(zhàn)爭中使用,這種武器就是新概念武器。

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

新概念武器的主要特征通常表現(xiàn)為:

?創(chuàng)新性:與傳統(tǒng)武器相比,新概念武器在設(shè)計(jì)思想、工作原理和殺傷機(jī)制上具有顯著的突破和創(chuàng)新,它是創(chuàng)新思維和高新技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。

?高效性:一旦技術(shù)上取得突破,可在未來的高技術(shù)戰(zhàn)爭中發(fā)揮巨大的作戰(zhàn)效能,滿足新的作戰(zhàn)需要,并在體系攻防對(duì)抗中有效地抑制敵方傳統(tǒng)武器作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。

?時(shí)代性:新概念武器是一個(gè)相對(duì)的、動(dòng)態(tài)的概念。隨著時(shí)代的發(fā)展和科技的進(jìn)步,某一時(shí)代的新概念武器日趨成熟并得到廣泛應(yīng)用后,也就轉(zhuǎn)化為傳統(tǒng)武器。

?探索性:新概念武器與傳統(tǒng)武器相比,高科技含量大,技術(shù)難度高,在技術(shù)途徑、經(jīng)費(fèi)投入、研制時(shí)間等多方面的不確定因素多,因而探索性強(qiáng),風(fēng)險(xiǎn)也大。

新概念武器主要包括定向能武器、動(dòng)能武器和軍用機(jī)器人。其中動(dòng)能武器的發(fā)展頗引人注目。

1.2 動(dòng)能武器

動(dòng)能武器指的是一類能夠發(fā)射高速(5倍于音速)彈頭,利用彈頭的動(dòng)能直接撞毀目標(biāo)的武器。主要有:動(dòng)能攔截彈(分為反衛(wèi)星、反導(dǎo)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(dòng)能攔截器是一種自主尋的,利用其與目標(biāo)直接碰撞的巨大動(dòng)能來殺傷目標(biāo)的飛行器。它是在導(dǎo)彈技術(shù)的基礎(chǔ)上迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù),高精度制導(dǎo)和快速響應(yīng)控制是其關(guān)鍵技術(shù),追求目標(biāo)是“零脫靶量”。從80年代初以來,電磁炮在未來武器系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)劃中已成為越來越重要的部分。對(duì)常規(guī)動(dòng)力的槍炮的分析表明,它們很可能已達(dá)到了性能的極限,炮口初速已接近物理和技術(shù)極限,射程也不可能更遠(yuǎn),原因是火藥燃?xì)鈮毫ψ饔迷趶椡枭系臅r(shí)間很短。在利用電磁場作用力的電磁系統(tǒng)中,其作用時(shí)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(shù)引起人們興趣的主要原因。

2 結(jié)構(gòu)與原理

2.1 結(jié)構(gòu)組成及功能

動(dòng)能武器由推進(jìn)系統(tǒng)、彈頭(彈丸)、探測器(傳感器)、制導(dǎo)與控制系統(tǒng)等部分組成[2]。如圖1所示。

圖1 動(dòng)能武器的構(gòu)成

推進(jìn)系統(tǒng)提供將彈頭加速到高速所需要的動(dòng)力,可采用火炮、火箭、電場或磁場加速裝置作為推進(jìn)系統(tǒng)。彈頭是動(dòng)能武器的有效戰(zhàn)斗部位,系用金屬材料或塑料制成的剛體。傳感器是動(dòng)能武器的“眼睛”,用于探測、識(shí)別和跟蹤目標(biāo),常使用紅外傳感器。制導(dǎo)與控制系統(tǒng)是動(dòng)能武器的“大腦”,用于確保成功地進(jìn)行尋的與攔截,制導(dǎo)與控制系統(tǒng)一般由尋的器、慣性測量裝置、計(jì)算機(jī)、方向和姿態(tài)控制器、通信設(shè)備、能源設(shè)備等組成。

與定向能武器相比,雖然動(dòng)能武器速度慢,但技術(shù)上可行,價(jià)格低廉,并難以采取有效的反措施。因此,動(dòng)能武器被認(rèn)為是非常有發(fā)展前途的高技術(shù)武器。

2.2 推進(jìn)系統(tǒng)

動(dòng)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(jù)所采用的推進(jìn)系統(tǒng)的不同,可將動(dòng)能武器分為三種不同的結(jié)構(gòu):火炮系統(tǒng),火箭系統(tǒng),電磁系統(tǒng)。

2.2.1 火炮系統(tǒng)

火炮是靠火藥的燃?xì)鈮毫⑴趶椉铀俚腫3]。從原理上講,常規(guī)火炮可以作為動(dòng)能武器使用(發(fā)射非爆炸性彈頭)。在火炮中,最大彈丸速度可達(dá)到2km/s。從上述討論中可知,彈頭達(dá)到這一速度的火炮可安裝在作戰(zhàn)平臺(tái)上用于中段攔截。但基于以下原因,將火炮用于天基系統(tǒng)防御作用不大。

1)火炮炮管長度有限,燃?xì)鈮毫?duì)彈頭的作用時(shí)間很短,彈頭的速度、射程均有限,這使得火炮的作戰(zhàn)半徑小,僅適用于進(jìn)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(fā)射速率太慢,也不能滿足實(shí)戰(zhàn)的需要。

2)火炮安裝在作戰(zhàn)平臺(tái)上,發(fā)射時(shí)存在后座力補(bǔ)償問題,需要消耗燃料供穩(wěn)定系統(tǒng)和導(dǎo)航使用,從而減慢了發(fā)射速率。

2.2.2 火箭系統(tǒng)

利用火箭加速是三種結(jié)構(gòu)中最成熟的一種。美國人準(zhǔn)備部署的動(dòng)能武器目前都采用一級(jí)或兩級(jí)火箭加速,因此亦稱之為超高速火箭動(dòng)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(zhàn)區(qū)或戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈的多種動(dòng)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(xiàn)有的陸、海、空軍用的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的技術(shù)發(fā)展而成為有效的反導(dǎo)攔截器。其作戰(zhàn)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(dá)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(dǎo)計(jì)算機(jī)和推進(jìn)系統(tǒng)控制飛行,并準(zhǔn)確命中目標(biāo)。其攔截高度80km,可攔截各種戰(zhàn)區(qū)彈道導(dǎo)彈。

2.2.3 電磁系統(tǒng)

電磁系統(tǒng)是利用電磁場加速或電能加熱加速的動(dòng)能武器系統(tǒng),又稱為電磁炮。根據(jù)結(jié)構(gòu)和原理的不同,電磁炮有線圈炮、導(dǎo)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(jié)構(gòu)與原理。

軌道炮由兩條平行的導(dǎo)軌組成,在兩條導(dǎo)軌之間放置一個(gè)與兩條導(dǎo)軌保持良好的電接觸又能沿著導(dǎo)軌滑動(dòng)的質(zhì)量較小的物體作為彈丸。當(dāng)兩軌接入電源時(shí),電流通過一條導(dǎo)軌流向彈丸,并經(jīng)彈丸底部的導(dǎo)流板流向另一條導(dǎo)軌;相反方向的過程也如此。流過導(dǎo)軌的電流產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)磁場,該磁場給流過彈丸的電流一個(gè)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(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)。只要磁場存在,彈丸就會(huì)持續(xù)受到力的作用,從而保持加速運(yùn)動(dòng),達(dá)到很高的速度。

彈丸加速所能達(dá)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(dǎo)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(duì)應(yīng)的加速長度(即導(dǎo)軌長度)為S=200m?？梢?為了使彈丸獲得足夠大的速度,軌道炮需要很長的導(dǎo)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(qiáng)磁場;2)減小彈丸的有效質(zhì)量。這可以增大彈丸的加速度。但實(shí)際上,這些措施的作用是有限的。

首先,軌道炮的結(jié)構(gòu)不允許磁場任意增強(qiáng)[4]。因?yàn)楫?dāng)磁場強(qiáng)度達(dá)到150～160高斯,即磁場壓強(qiáng)達(dá)到1000個(gè)大氣壓時(shí),整個(gè)裝置已接近機(jī)械穩(wěn)定性(或機(jī)械強(qiáng)度)的極限。從力學(xué)觀點(diǎn)分析,這樣一個(gè)導(dǎo)軌很長、內(nèi)部壓強(qiáng)很高的系統(tǒng)要保證很高的強(qiáng)度是很困難的。如果試圖通過增加導(dǎo)軌及附屬結(jié)構(gòu)的質(zhì)量來保證機(jī)械強(qiáng)度,這會(huì)使系統(tǒng)笨重得難以部署,而且質(zhì)量增大也會(huì)增大熱損失。

其次,如果試圖通過增大電流來增加磁場強(qiáng)度,這會(huì)使熱損失增加。因?yàn)殡娏髟酱?熱損失也越大。導(dǎo)軌的加熱可能限制系統(tǒng)的發(fā)射速率并降低射擊性能。

此外,彈丸的質(zhì)量也不可能任意減小,因?yàn)橘|(zhì)量是使彈丸具有大的動(dòng)能,命中并摧毀目標(biāo)的一個(gè)重要因素。同時(shí),為保持彈丸與導(dǎo)軌有良好的電接觸,彈丸應(yīng)有一定幾何尺寸。當(dāng)彈丸要帶自尋的裝置時(shí)更要求質(zhì)量不能太小。

2.3 彈頭

動(dòng)能武器是以巨大的動(dòng)能摧毀目標(biāo)的。從動(dòng)力學(xué)中知道,質(zhì)量為m的物體以速度V運(yùn)動(dòng)時(shí),其所具有的動(dòng)能為

可見,如果確定摧毀目標(biāo)所要求的能量值為E,相應(yīng)地選擇適當(dāng)?shù)膹楊^質(zhì)量m和速度v,就可以使動(dòng)能武器具有足夠的威力。在動(dòng)能武器用于攔截洲際彈道導(dǎo)彈的情況下,由于目標(biāo)本身以很高的速度在運(yùn)動(dòng),進(jìn)行攔截的動(dòng)能彈頭只要有一定的速度就能使之與目標(biāo)碰撞時(shí)達(dá)到極高的相對(duì)速度。

實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)動(dòng)能彈頭的有效質(zhì)量比為每平方厘米幾克時(shí),且目標(biāo)表面的比動(dòng)量達(dá)到105～106g?cm/s,彈頭與目標(biāo)的相對(duì)速度大于1km/s,就足以將目標(biāo)摧毀。對(duì)于來襲的洲際導(dǎo)彈而言,其飛行速度達(dá)8km/s,所以,只要?jiǎng)幽軘r截器有一定的速度,利用適當(dāng)?shù)呐鲎矌缀螚l件,就很容易將目標(biāo)摧毀。根據(jù)攔截洲際彈道導(dǎo)彈的實(shí)際需要,為保證達(dá)到一定的作戰(zhàn)距離,動(dòng)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(dǎo)技術(shù),就可以命中并摧毀幾千千米之外的洲際導(dǎo)彈。

2.4 制導(dǎo)

由于動(dòng)能武器是依靠與目標(biāo)直接碰撞時(shí)的動(dòng)能來破壞目標(biāo)的武器,因此,它有兩個(gè)核心問題必須解決,一是加速問題,二是制導(dǎo)問題。

上面介紹的火炮系統(tǒng)、火箭系統(tǒng)和電磁系統(tǒng)都是解決加速問題的途徑?，F(xiàn)在以火箭類動(dòng)能彈為例,討論一下制導(dǎo)問題,這是動(dòng)能武器的又一個(gè)核心問題。

制導(dǎo)問題就是使動(dòng)能攔截彈具有精確的自動(dòng)尋的末制導(dǎo)的能力,主要依靠在彈上裝備高精度傳感器的目標(biāo)探測系統(tǒng)和先進(jìn)的制導(dǎo)與控制系統(tǒng)。然而,如果動(dòng)能彈在大氣層中飛行,產(chǎn)生的氣動(dòng)熱、氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)將使動(dòng)能彈上裝備的高精度、高靈敏度的傳感器不能充分發(fā)揮作用,必將影響動(dòng)能彈自動(dòng)尋的制導(dǎo)精度。

大氣稀薄的空間為動(dòng)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(jì)的阻力可以保證動(dòng)能武器的超高速飛行;另一方面,不存在氣動(dòng)熱、氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)。這種環(huán)境保證了動(dòng)能彈具有高精度的自動(dòng)尋的末制導(dǎo)能力。

這兩個(gè)有利的條件,為科學(xué)家們發(fā)展各種新概念的動(dòng)能武器提供了廣闊的創(chuàng)造天地。勞倫斯?利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們提出了“智能卵石”攔截彈技術(shù),這使實(shí)用的動(dòng)能攔截彈的發(fā)展出現(xiàn)了一個(gè)新的高峰。

3 發(fā)展動(dòng)態(tài)

由于火炮、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈等傳統(tǒng)武器的速度、射程及精度等,難以應(yīng)付速度越來越快的高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo),因此西方大國一直在研究速度達(dá)5倍音速(即5馬赫)以上的超高速的動(dòng)能武器。

從上世紀(jì)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(yàn)了一系列動(dòng)能武器,其中最主要的是超高速火箭類的動(dòng)能武器。這些曾經(jīng)研究過和目前正在研究的火箭類動(dòng)能武器可分為三大類[5]:

第一類是美國曾經(jīng)為“戰(zhàn)略防御倡議”計(jì)劃研制的主要用于攔截洲際彈道導(dǎo)彈(也可用于反衛(wèi)星)的動(dòng)能攔截彈,包括天基動(dòng)能攔截彈、地基紅外尋的動(dòng)能攔截彈、地基雷達(dá)尋的動(dòng)能攔截彈和空基(機(jī)載)反衛(wèi)星動(dòng)能攔截彈。

第二類是美國、西歐諸國及以色列等國現(xiàn)正在加緊研制的用于戰(zhàn)區(qū)彈道導(dǎo)彈防御的動(dòng)能攔截彈,主要包括以色列“箭式”攔截彈、美國的“愛國者”導(dǎo)彈改進(jìn)型增程攔截彈(ERINT)、美國的戰(zhàn)區(qū)高空防御(T HAAD)攔截彈、美國的大氣層外輕型射彈(LEAP)和機(jī)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(jìn)動(dòng)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(dāng)于一塊面包,彈重6kg,由五個(gè)分系統(tǒng)構(gòu)成:固定式被動(dòng)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(jī)等構(gòu)成的彈載航空電子組件,變軌推進(jìn)系統(tǒng)(為消除在末段攔截尋的中出現(xiàn)的飛行誤差及目標(biāo)識(shí)別誤差,需使攔截器進(jìn)行橫向機(jī)動(dòng)),姿態(tài)控制系統(tǒng)(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(dòng))以及通信與遙感組件(輕型被光學(xué)望遠(yuǎn)鏡)。

大氣層外攔截彈的好處在于,無需考慮氣動(dòng)力控制、氣動(dòng)光學(xué)偏移、氣動(dòng)熱、推力的加大以及其它因大氣對(duì)攔截彈造成的影響。在大氣層外交戰(zhàn),也更容易預(yù)測出攔截彈和目標(biāo)的性能。在目標(biāo)助推火箭燃燒完畢后,特別容易測定其性能,而大多數(shù)戰(zhàn)區(qū)彈道導(dǎo)彈常常在大氣層內(nèi)或剛剛沖出大氣層時(shí),即停止助推火箭燃燒。在助推段之后,大氣層外目標(biāo)通常沿固定彈道作無機(jī)動(dòng)飛行,因此,在大氣層外攔截更容易實(shí)現(xiàn)命中殺傷。

第三類是美國國防部研制的先進(jìn)動(dòng)能導(dǎo)彈(ADKEM),包括地對(duì)地、地對(duì)空、空對(duì)空和空對(duì)地等作戰(zhàn)應(yīng)用的多種超高速導(dǎo)彈(HVM)。這是美國國防部為陸、海、空軍研制的一種多任務(wù)、通用的超高速導(dǎo)彈。這種導(dǎo)彈由推進(jìn)裝置和動(dòng)能彈頭組成,推進(jìn)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(yàn)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(jìn)行制導(dǎo),借助于陀螺滾動(dòng)傳感器和姿態(tài)控制裝置實(shí)現(xiàn)空氣動(dòng)力控制。

預(yù)計(jì)超高速導(dǎo)彈可以戰(zhàn)斗機(jī)、攻擊直升機(jī)、裝甲步兵戰(zhàn)車為發(fā)射平臺(tái),也可以安置在軍艦上。其作戰(zhàn)方案是,發(fā)現(xiàn)目標(biāo)即進(jìn)行發(fā)射,一旦導(dǎo)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(dòng)力裝置和控制與制導(dǎo)裝置飛向目標(biāo),最后以6馬赫以上的超高速并高速自旋命中目標(biāo)。其摧毀目標(biāo)的能力比現(xiàn)有的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈要高1倍以上。

目前,世界發(fā)達(dá)國家和地區(qū)都在競相發(fā)展這項(xiàng)新技術(shù),一些系統(tǒng)已經(jīng)接近實(shí)戰(zhàn)化水平,預(yù)計(jì)到2020年前后可能全面部署高性能的多層反導(dǎo)防御體系,并具備動(dòng)能反衛(wèi)星能力。

4 結(jié)語

高新技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用,正在引發(fā)世界范圍內(nèi)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(shù)的創(chuàng)新發(fā)展,進(jìn)一步拉大與其他國家在軍事高新技術(shù)方面的差距。加速研制新概念武器,是它們確立軍事高技術(shù)優(yōu)勢的重要手段之一,預(yù)計(jì)21世紀(jì)前30年內(nèi)將有一大批新概念武器相繼投入戰(zhàn)場。論文論述的動(dòng)能武器發(fā)展將更為迅猛。我國要在新世紀(jì)實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興,就必須有強(qiáng)大的軍事力量。加大新概念武器,尤其是動(dòng)能武器的研制與發(fā)展,是打贏未來信息化戰(zhàn)爭的重要條件。

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

[2]龔傳信.高技術(shù)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(zhàn)裝備保障[M].北京:國防工業(yè)出版社,2007:47～53

[4]陳亮.復(fù)雜電磁環(huán)境對(duì)射擊指揮人才的要求[C]//2007年沈陽射擊學(xué)會(huì)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(xué)學(xué)術(shù)研討會(huì)文集[C]//北京:解放軍出版社,2003:185～189