美國GMD系統(tǒng)攔截彈技術(shù)發(fā)展研究

樊奇，馬春燕

(中國國防科技信息中心 ,北京　100142)

?

美國GMD系統(tǒng)攔截彈技術(shù)發(fā)展研究

樊奇，馬春燕

(中國國防科技信息中心 ,北京100142)

自1983年以來，美國地基中段反導(dǎo)系統(tǒng)動能攔截彈技術(shù)發(fā)展歷經(jīng)坎坷，但至今尚有許多技術(shù)問題尚未完全解決。試圖以地基攔截彈發(fā)展各階段的技術(shù)狀態(tài)、試驗過程、試驗結(jié)果為主線，分析其發(fā)展過程中遇到的技術(shù)問題，以及出現(xiàn)問題的主要原因。研究結(jié)論認(rèn)為，地基攔截技術(shù)難度大，至今影響實戰(zhàn)能力的關(guān)鍵技術(shù)仍在攻關(guān)，主要是火箭燃燒技術(shù)和識別技術(shù)遇到了瓶頸。

美國；地基中段；攔截技術(shù)；導(dǎo)彈防御；攔截飛行試驗；動能攔截彈

0　引言

美國地基攔截彈(ground-based interceptor,GBI)由20世紀(jì)80年代“戰(zhàn)略防御倡議”(strategic defense initiative,SDI)計劃開發(fā)的“大氣層外再入飛行器攔截系統(tǒng)”(exoatmospheric reentry-vehicle interceptor subsystem,ERIS)演變而來，而EIRS的技術(shù)基礎(chǔ)源于“上層尋的試驗”(homing overlay experiment,HOE)計劃。GBI是在上述研究計劃的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。

1　GBI技術(shù)的搖籃[1-4]

在20世紀(jì)60年代，美國陸軍開始研究“直接碰撞殺傷”(hit-to-kill)技術(shù)攔截和摧毀彈道導(dǎo)彈。所謂的“直接碰撞殺傷”技術(shù)就是通過紅外尋的傳感器來探測目標(biāo)，引導(dǎo)攔截彈通過直接碰撞來摧毀來襲彈頭。1983-1984年，美國防部進(jìn)行了系列試驗，稱為“上層尋的攔截試驗”(HOE)計劃，被稱為“GBI技術(shù)的搖籃”，其主要目的是探索在大氣層外攔截洲際彈道導(dǎo)彈的非核攔截彈所需要的關(guān)鍵技術(shù)。

1.1技術(shù)狀態(tài)

經(jīng)改裝的“民兵”導(dǎo)彈的1，2級作為助推器(見圖1)，上面裝有攔截器。攔截器長約5.2 m，重942 kg，由紅外尋的頭、戰(zhàn)斗部(破壞裝置)和一臺軌控發(fā)動機(jī)組成。軌控發(fā)動機(jī)是高壓氮氣增壓的雙組元液體火箭發(fā)動機(jī)，可使攔截器獲得610 m/s的軌控速度以消除初始誤差。攔截器的最前端是紅外尋的頭，配置有一組紅外望遠(yuǎn)鏡，具有體積小、重量輕的優(yōu)點，便于直接裝在攔截彈上。攔截器所用的紅外尋的頭僅長0.508 m，直徑0.127 m，其上的長波紅外探測器直徑僅0.10 m，波長為8～14，16～20 μm，視場為1°×1°。戰(zhàn)斗部是傘狀結(jié)構(gòu)(見圖2)，直徑3.66 m，靠直接碰撞來摧毀目標(biāo)，但不帶引信。

圖1　HOE殺傷器[5] Fig.1　HOE kill vehicle

圖2　HOE試驗[5]Fig.2　HOE test

1.2試驗過程分析

HOE計劃進(jìn)行了4次飛行試驗。1983年2月7日，首次試驗由于紅外探測器的冷卻系統(tǒng)發(fā)生故障而遭到失敗。在1983年5月、1983年12月又進(jìn)行了2次試驗，僅獲得部分成功，但卻獲得了大量試驗數(shù)據(jù)。1984年6月10日進(jìn)行的第4次試驗才首次獲得成功(在大氣層外成功攔截1枚“民兵”靶彈)。試驗中，靶彈發(fā)射后不久就被地面跟蹤雷達(dá)探測到，控制中心根據(jù)靶彈彈道算出攔截彈道，保證攔截彈在第2級關(guān)機(jī)(125 s)時零脫靶量在35 km以內(nèi)。靶彈飛行約20 min時，發(fā)射攔截彈。攔截彈在第1級分離后拋掉頭部整流罩。紅外探測器截獲了數(shù)百千米外的靶彈彈頭。攔截彈飛行約450 s時，攔截器的戰(zhàn)斗部展開并與靶彈彈頭直接碰撞，將彈頭摧毀成無數(shù)碎片。碰撞速度超過9 km/s，攔截高度為160 km。這次試驗驗證了非核攔截洲際彈道導(dǎo)彈彈頭的可行性，驗證了彈載長波紅外探測器截獲目標(biāo)和自動尋的能力，還測試了紅外探測器的目標(biāo)識別能力[4]。

1.3試驗結(jié)果分析

根據(jù)美國解密的HOE試驗記錄記載， 第1次試驗徹底失敗，第2，3次試驗盡管沒有攔截到靶彈，但獲得了從攔截彈上和靶彈上傳輸下來的部分?jǐn)?shù)據(jù)。第4次攔截試驗中，獲得的數(shù)據(jù)比較完整。另外，地基雷達(dá)和飛機(jī)攜帶的光學(xué)傳感器都收集了試驗數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)表明靶彈是通過攔截彈的碰撞摧毀的。林肯實驗室1984年分析評估了靶彈碎片大小最大10 cm，也證實在攔截過程中，最初短暫的閃光是由于物體與物體的碰撞，能夠觀察到熱離子區(qū)的產(chǎn)生，而第2次強(qiáng)度較弱的閃光持續(xù)了6 s，是由于靶彈和攔截彈氣化部分產(chǎn)生了火球。也有證據(jù)表明，攔截彈通過其攜帶的紅外傳感器制導(dǎo)控制系統(tǒng)導(dǎo)引到靶彈。HOE計劃的后期，由于對傳感器性能存在顧慮，陸軍決定加強(qiáng)靶彈紅外信號，使紅外信號特征更接近預(yù)期威脅目標(biāo)最高的信號特征，其措施是：①讓靶彈朝向攔截彈方向飛行；②在靶彈發(fā)射之前，將其加熱到華氏100℉(37.78℃)[5]。

1.4技術(shù)成就評價

HOE計劃經(jīng)過3次失敗后，終于在第4次攔截試驗成功，驗證了動能攔截技術(shù)的可行性，當(dāng)時被看作是有望用非核彈攔截彈道導(dǎo)彈的有力證據(jù)，為后續(xù)ERIS計劃奠定了基礎(chǔ)。

2　GBI技術(shù)的前身[4，6-8]

1983年SDI計劃啟動不久，隨后啟動了“大氣層外彈頭攔截系統(tǒng)”(ERIS)計劃，其主要目的是探索輕重量且低成本的非核攔截器方案，被稱為“GBI技術(shù)的前身”。1989-1992年間，ERIS計劃總共進(jìn)行了5次試驗。1993年克林頓政府宣布“星球大戰(zhàn)”計劃結(jié)束，ERIS計劃隨之中止，戰(zhàn)略防御計劃研發(fā)降格為“技術(shù)準(zhǔn)備”。

2.1技術(shù)狀態(tài)

ERIS攔截器外形尺寸約為HOE的1/4，助推器采用改裝的“潘興”導(dǎo)彈的第1，2級，其過渡段內(nèi)裝有制導(dǎo)系統(tǒng)和液體火箭發(fā)動機(jī)(見圖3)。攔截器與HOE的相似，在攔截器的最前端安裝有可以拋棄的整流罩。在紅外尋的器、飛行控制硬件、助推器技術(shù)、徑向擴(kuò)展的殺傷機(jī)構(gòu)(目的是增大直接碰撞殺傷的概率)等方面都要比HOE有更多的技術(shù)突破。為制導(dǎo)系統(tǒng)研制的光學(xué)纖維和環(huán)形激光陀螺也取得重大進(jìn)展。ERIS計劃主要技術(shù)攻關(guān)是能否及時識別出真假彈頭。攔截器將在一大群誘餌、真彈頭、假彈頭和其他干擾物的環(huán)境下工作，且可供識別真彈頭的時間又極短。為在ERIS飛行試驗中獲得更精確的試驗數(shù)據(jù)，利用全球定位系統(tǒng)能夠得到攔截器和“威脅云團(tuán)”的實時狀態(tài)矢量數(shù)據(jù)。在攔截器的過渡段和被攔截的目標(biāo)上安裝尺寸小、重量輕、功耗低的轉(zhuǎn)發(fā)器，以方便從軌道上的導(dǎo)航衛(wèi)星接收到L波段的時間和位置數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的S波段遙測數(shù)據(jù)，傳給地面接收站。導(dǎo)航衛(wèi)星可給出精確的數(shù)據(jù)，中段的實時精度可達(dá)8～20 m，而在使命完成后的測量精度可達(dá)3～8 m。

圖3　“大氣層外彈頭攔截系統(tǒng)”(ERIS)[4]Fig.3　ERIS

2.2試驗過程分析

ERIS總共進(jìn)行了5次試驗，其中包括：1次懸浮試驗，2次目標(biāo)瞄準(zhǔn)試驗，2次攔截飛行試驗。具體試驗情況如下：1989年4月24日，試驗彈在三軸穩(wěn)定制導(dǎo)控制系統(tǒng)控制下，在距地面9.1 m的高度上懸浮飛行了21 s，并跟蹤了模擬目標(biāo)。這次試驗是攔截彈的首次全工作過程的懸浮飛行試驗，具有里程碑意義。1989年9月1日，成功地進(jìn)行了目標(biāo)瞄準(zhǔn)試驗。試驗彈上64×64的紅外焦面陣列探測器，探測了300 m以外的一臺靜止火箭發(fā)動機(jī)的噴焰，并從噴焰中區(qū)分出彈體，然后由彈上計算機(jī)控制試驗彈把瞄準(zhǔn)點從噴焰轉(zhuǎn)向彈體；1989年9月12日，成功地演示了彈上新型高速計算機(jī)快速瞄準(zhǔn)目標(biāo)的能力。1991年1月28日，ERIS攔截彈第1次攔截飛行試驗，在925 km遠(yuǎn)的距離、270 km的高空[4]、接近速度大于13.4 km/s，成功攔截了帶有2個誘餌的洲際導(dǎo)彈靶彈。誘餌彈頭由直徑為2.2 m氣球誘餌伴飛，離彈頭有180 m遠(yuǎn)。ERIS系統(tǒng)被告知尋的3個目標(biāo)中間的一個。在碰撞前1 s，攔截彈釋放了一個膨脹的殺傷增強(qiáng)裝置。1992年3月13日，ERIS攔截彈進(jìn)行第2次攔截飛行試驗，是一次全系統(tǒng)演示驗證試驗。試驗中，靶彈從夸賈林導(dǎo)彈靶場發(fā)射，攔截從范登堡空軍基地發(fā)射的洲際彈道導(dǎo)彈，由于ERIS攔截器偏離模擬彈頭4.5～6 m，未能撞上和摧毀目標(biāo)，致使這次試驗沒有完全成功。

2.3試驗結(jié)果分析[9-10]

ERIS計劃的前3次試驗都是為后2次攔截飛行試驗做準(zhǔn)備，后2次攔截飛行試驗的主要任務(wù)是演示目標(biāo)信息的傳送、攔截戰(zhàn)術(shù)、識別近距離的真假目標(biāo)、瞄準(zhǔn)點的選擇及攔截目標(biāo)?？傮w來看，實現(xiàn)了大部分試驗?zāi)繕?biāo)，如：探測和跟蹤了目標(biāo)，傳送目標(biāo)信息，成功地完成了ERIS攔截彈發(fā)射和識別真假目標(biāo)等任務(wù)。2次試驗的不同點是第1次試驗用的ERIS攔截彈上的攔截器只有一個長波紅外尋的頭，而第2次試驗用的攔截器上采用了一種新的雙色長波紅外尋的頭和一個可見光探測器，供識別目標(biāo)用。國防部官員認(rèn)為，造成ERIS第2次試驗失敗的主要原因有2點：一是球誘餌與模擬彈頭分離的速度比預(yù)定的快了2倍。在進(jìn)行最后攔截的前1 s，攔截彈要按照預(yù)定程序觀測誘餌和彈頭，即進(jìn)行識別，以便獲取目標(biāo)外形數(shù)據(jù)。在攔截彈上的探測器觀測誘餌和模擬彈頭的時候，攔截彈要按程序?qū)?zhǔn)氣球誘餌與模擬彈頭之間的中點。由于誘餌的分離速度過快，當(dāng)攔截彈完成數(shù)據(jù)搜集、識別任務(wù)后實施攔截時，氣球誘餌已不在原定的位置上，攔截彈很難擊中目標(biāo)。二是人員設(shè)定時間不合理，攔截彈完成識別任務(wù)后向目標(biāo)機(jī)動和實施攔截的預(yù)留時間少了，只有0.8 s，實際上至少應(yīng)留出0.9 s，攔截器才有充分的時間接近目標(biāo)。

2.4技術(shù)成就評價

ERIS計劃總共進(jìn)行了5次試驗，搜集了大量的技術(shù)數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步設(shè)計攔截彈，特別是彈載探測器提供了重要依據(jù)，有力地支撐了次年(1992年)美國啟動地基動能攔截彈計劃的決策。

3　GBI技術(shù)狀態(tài)[11-12]

1996年初克林頓政府把戰(zhàn)略反導(dǎo)計劃由“技術(shù)準(zhǔn)備”升格為“部署準(zhǔn)備”，地基攔截彈計劃得以恢復(fù)。

3.1GBI主要性能

GBI主要由火箭助推器和大氣層外攔截器(exoatmospheric kill vehicle,EKV)動能殺傷器兩大部分組成。2004年7月GBI部署前，采用兩級代用的助推火箭(LGM-30F“民兵”-Ⅱ第2級和第3級)，攔截彈的關(guān)機(jī)速度很低(略大于2 km/s)。2004年7月GBI部署后，開始使用部署型三級助推火箭(洛·馬公司研制的)，1級發(fā)動機(jī)為GEM-40VN，2，3級發(fā)動機(jī)為Orbus 1A。攔截最大速度達(dá)8.3 km/s。大氣層外殺傷器(EKV)由彈上光學(xué)導(dǎo)引頭、數(shù)據(jù)處理設(shè)備、制導(dǎo)和軌控推進(jìn)系統(tǒng)組成。它利用自身的紅外探測器探測跟蹤目標(biāo)，當(dāng)不斷接近目標(biāo)時，開啟側(cè)向小推力發(fā)動機(jī)進(jìn)行橫向和垂直方向的變軌機(jī)動，借助其高速飛行的巨大動能，以直接碰撞的方式攔截并摧毀來襲彈道導(dǎo)彈。自20世紀(jì)90年代以來，美軍為GBI先后研制、試驗、部署了3種不同型號的EKV：試驗樣機(jī)型CE-0、初始作戰(zhàn)部署型CE-I和改進(jìn)的作戰(zhàn)部署型CE-II。CE-II型攔截器主要是更換CE-I攔截器的老部件及更替其老技術(shù)，用新技術(shù)提高攔截彈的可靠性和提升能力。GBI主要性能參見表1。

表1　地基攔截彈技術(shù)指標(biāo)[13]

3.2試驗過程分析

按照GBI攔截彈部署前和部署后劃分階段，則GBI飛行試驗分為2個階段：第1階段(1999-2004年底)：技術(shù)可行性驗證階段。GBI攔截彈先后進(jìn)行了8次飛行試驗，其中，5次成功，成功率不到63%。該階段的試驗特征如下：使用了替代型硬件設(shè)施和設(shè)備；目標(biāo)群特征比較簡單，與攔截彈有很好的配合；攔截試驗的時空條件基本相同。第2階段(2004年底至今)：系統(tǒng)集成和實戰(zhàn)性能檢驗階段。GBI部署后至今總共進(jìn)行了10次攔截飛行試驗，4次成功，成功率少于45%，失敗5次，還有1次因故未做[14]。該試驗階段的特征如下：采用實際部署的系統(tǒng)試驗，驗證系統(tǒng)的綜合集成性；通過變化各種試驗條件，驗證攔截彈的飛行特性；試驗兼顧了人員訓(xùn)練，演練人機(jī)配合。

3.3試驗結(jié)果分析

該階段檢驗了地基中段防御系統(tǒng)的下列技術(shù)水平和能力：驗證了實戰(zhàn)部署用的EKV以直接碰撞的方式攔截并摧毀遠(yuǎn)程來襲彈道導(dǎo)彈的能力；驗證了EKV彈載紅外傳感器從“在軌的多個物體”中識別目標(biāo)彈頭，其中目標(biāo)群中的“誘餌”包含信號特征與模擬彈頭有顯著區(qū)別的“氣球”誘餌、第3級助推器，以及從靶標(biāo)、級間段等部位脫落的碎片；采用了部署在加利福尼亞州比爾空軍基地的改進(jìn)型預(yù)警雷達(dá)捕獲和跟蹤目標(biāo)，?；鵛波段雷達(dá)和“宙斯盾”驅(qū)逐艦上的SPY-1雷達(dá)亦作為飛行試驗的輔助雷達(dá)，對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤和識別。驗證了初始部署的地基中段防御系統(tǒng)實戰(zhàn)性能和可靠性，評估了系統(tǒng)在接近實戰(zhàn)環(huán)境下的作戰(zhàn)效果。驗證了初步部署的指揮控制、作戰(zhàn)管理與通信系統(tǒng)可應(yīng)用于應(yīng)急作戰(zhàn)，執(zhí)行火控任務(wù)的能力。

3.4技術(shù)成就評價

該階段的攔截試驗成功率不到45%，其主要原因是設(shè)計出現(xiàn)了問題，此外就是質(zhì)量問題。美導(dǎo)彈防御局局長稱，每次失敗都源于“典型的小技術(shù)問題”，“是非常普通的(火箭)燃燒問題”(參見表2)。8次失敗中的7次都與火箭有關(guān)系，包括3次是因為不同的原因?qū)е翬KV未能與助推火箭分離；2次是因為不同的原因?qū)е聰r截彈未能發(fā)射出去；2次是因為EKV的火箭推進(jìn)系統(tǒng)(軌控與姿控系統(tǒng))的問題，導(dǎo)致EKV出現(xiàn)制導(dǎo)誤差；只有1次試驗失敗與火箭無關(guān)，因為制冷設(shè)備中的碎片引起制冷劑堵塞，導(dǎo)致導(dǎo)引頭出現(xiàn)異常。導(dǎo)彈防御局局長稱，空間項目出現(xiàn)燃燒問題是非常普通的。有的時候，要用許多年的時間才能解決這些問題。即使解決了出現(xiàn)的問題，在飛行中可能還會遭遇其他助推火箭問題。從2001年在第6次攔截飛行試驗(IFT-6)中首次觀測到EKV“跟蹤門異?！?track gate anomaly)，到2010年底的9年時間里，先后在8次飛行試驗中都觀測到這種異常?！案欓T異?！币l(fā)EKV軌控與姿控系統(tǒng)高頻震動，導(dǎo)致EKV出現(xiàn)瞄準(zhǔn)誤差。

4　結(jié)束語

美國通過上述3階段計劃，驗證了通過直接碰撞摧毀來襲彈頭的可行性，取得了“子彈打子彈”技術(shù)上和工程上的巨大成就。然而，動能攔截技術(shù)的難度大，至今影響實戰(zhàn)能力的關(guān)鍵技術(shù)仍在攻關(guān)。例如，火箭燃燒技術(shù)和識別技術(shù)遇到了瓶頸。美國導(dǎo)彈防御局正在試圖從2方面解決問題：一方面，改善導(dǎo)引頭的識別能力；另一方面，探索多彈頭攔截技術(shù)，試圖在識別能力不足的情況下，直接摧毀假目標(biāo)(誘餌)。

[1]Victoria Samson.Flight Tests For Ground-Based Midcourse Missile Defense’s Boost Vehicle[EB].2005-05-05,U.S.Center for Defense Information.

[2]U.S. GAO Report.Assessment of Selected Major Weapon Programs[R].U.S.Government Accountability Office,2006.

[3]Ground-Based Midcourse Defense，Approved for Public Release[R/OL].(2013-09-13)[2015-07-25].http://www.mda.mil.

[4]U.S. Army. Directory of U.S. Military Rockets and Missiles [EB/OL].(2009-06-24)[2015-07-25].http://www.designation-systems.net/dusrm/.

[5]George N Lewis, Theodore A Postol.A Flawed and Dangerous U.S. Missile Defense Plan[R].Science Technology and Society Program,Massachusetts Institute of Technology,2009.

[6]Cristina Chaptain.Missile Defense and Acquisition Plans[R].GAO-14-626R Homeland Missile Defense. Missie Defense Agency in Department of Defense.

[7]George N Lewis,Theodore A Postol. A Technically Detailed Description of Flaws in the SM-3 and GMD Missile Defense Systems Revealed by the Defense Department’s Ballistic Missile Test Data[R].Science Technology and Society Program, Massachusetts Institute of Technology，U.S.A,2010.

[8]Steven A Hildreth. Missile Defense: The Current Debate[R].CRS Report for Congress,2005.

[9]Julia Hudson.Additional Facilities at the National Missile Defense Ground-Based Interceptor Development and Integration Laboratory Huntsville,Alabama Environmental Assessment[R/OL].[2015-07-25].http://www.smdcen.us/pubdocs/files/gdil-fnsi.pdf.

[10]Chet De Cesaris，Paul Millnerb. Roadmap For The Ballistic Missile Defense Organization Ground Test Facilities[R]. Ballistic Missile Defense Organization,Test and Engineering Resources Directorate,1999.

[11]Victoria Samson.Spiraling out of Control: How Missile Defense’s Acquisition Strategy is Setting a Dangerous Precedent[R]. Center for Defense Information, Washington, DC,USA, 2008.

[12]Dr.Russ Alexander.An Overview of The Ground-Based Midcourse Defense Technology Program And The Contribution That Small Business Can Make To Ballistic Missile Defense[R].GMD Systems Engineering Acquisition & Technology Division, 2006.

[13]Richard Matlock.Ground-Based Mid-Course Defense (GMD) Segment (United States),Jane's Strategic Weapon Systems[K].Date Posted: 12-Sep-2014.

[14]U.S. Army Space and Missile Defense Command. Ground-Based Midcourse Defense Element Live Fire Test and Evaluation (LFT&E) Targets[R].2001.

USA Ground-Based Kinetic Energy Interceptor Technology Development

FAN Qi, MA Chun-yan

(China Defense Science and Technology Information Center，Beijing 100142,China)

Since 1983, the USA has attempted to develop ground-based kinetic energy interceptor technology and encountered all sorts of difficulties. The interceptor technical condition, test procedures, test results are analyzed to probe the technical problems encountered in the process of its development, as well as the main reason for these problems. The research conclusion is that kinetic kill vehicle technology is very difficult and some key technologies impacting operational capability is still under development now, mainly including rocket combustion technology and identification technology as bottlenecks.

USA；ground-based midcourse；intercept technology；missile defense；intercept fighting test；kinetic energy interceptor

2015-07-25；

2015-10-16

樊奇(1986-)，男，遼寧大連人。工程師，碩士，主要研究方向為軍事科技情報。

通信地址：102600北京202信箱110分箱E-mail：49231139@qq.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2016.04.004

TJ761.7;E927

A

1009-086X(2016)-04-0018-06