新概念动能拦截武器的发展及关键技术

本文2008-08-29收到,作者分别系空军装备研究院防空所助理工程师、高级工程师
新概念动能拦截武器的发展及关键技术
李 薇 林
干
图1 米达斯阿方案
摘 要 介绍了动能拦截武器的概念及发展,重点介
绍了动能拦截武器的识别技术、导引头技术、惯性测量技术等关键技术。

关键词 新概念武器 动能拦截武器 防御引 言
在新军事变革的激烈竞争中,科学技术的迅猛发展为新式武器的研究奠定了基础。

新概念武器在作战方式和作战效能上与传统武器有明显不同,对未来战争将产生革命性的影响。

动能拦截武器(K i n etic K illVeh icle ,KKV )是新概念武器的一种,是一种轻小型化、自动寻的、利用非爆炸性高速飞行所具有的巨大动能,通过直接碰撞方式精确命中来袭目标的武器。

KKV 又被认为光电技术、信息技术高度密集的智能武器,能在复杂的电磁干扰环境中自动识别和选择目标,并实施摧毁性打击。

一个典型的KKV 主要由探测系统、制导与识别系统及动力系统三部分组成。

KKV 技术是现代空天防御战争中颇受重视的一种拦截杀伤目标的方式,是在导弹技术上迅速发展起来的一项新技术。

1 发展现状
美国的第一代KKV 为拦截弹上的弹头或动能拦截器,质量为40kg~200kg ,基本上采用单模红外寻的导引头,机动能力小,助推器的质量和体积较大,不具有真假目标识别能力,对外部设备依赖性较强,因此第一代KKV 未能投入使用。

第二代KKV 以地基中段拦截系统上的大气层外拦截器、战区高空区域防御系统的动能拦截武器
和海军标准-3拦截弹上的大气层外轻型射弹为代表,是国家导弹防御(NMD )和战术导弹防御(TMD)系统的核心技术。

第二代KKV 向模块化、多用途的方向发展,侧重研究供战术导弹防御用的多种拦截弹方案。

第三代KKV 是一种超级灵巧、能自主识别真假目标、高度智能化的先进KKV 。

质量小、成本低,有独立作战能力,采用复合导引头。

目前,国外仍在继续谋求微小型KKV 的发展和应用,新概念的KKV 研究主要包括:
1)针对弹道导弹中段可能释放大量带有诱饵的真假弹头提出的/多对多0拦截策略。

有代表性的包括:米达斯阿方案(见图1)、微型中段防御拦截器方案和蜂群式方案。

2)质量矩KKV 的研究。

它是一种新概念的KKV,是美国海军探索研究的一种用于大气层内外导弹防御的动能拦截弹,以简单的电子设备和推进技术为基础,将/机动弹头0与/视网膜计算机0芯片相结合。

图4 PAC -3
导弹拦截来袭弹道导弹示意图
图3 THAAD
动能拦截器
图2 质量矩动能拦截器设想
2 应用情况
美国在1992年以前试验的动能拦截器是第一代KKV 。

目前正在研制和装备的是第二代KKV,主要用于弹道导弹的防御。

2.1 用于地基中段拦截系统的大气层外拦截器
地基中段拦截(GB I)系统是一种先进的动能杀伤防御武器,于1992年开始研制,其任务是在大气层外拦截处于弹道中段的高速弹道导弹弹头,通过直接碰撞摧毁目标。

这种拦截弹由动能杀伤弹头)))大气层外拦截器(EKV )、两级固体助推火箭和发射拦截弹所需的地面支援设备等组成。

2.2 用于海基中段防御系统的大气层外轻型射弹
海基中段防御系统是一种可以在海上机动部署的中段防御系统。

根据部署位置的不同,该系统既可拦截在中段的上升段飞行的弹道导弹,也可拦截在中段的下降段飞行的弹道导弹。

该系统以美国海军的宙斯盾巡洋舰和驱逐舰上现有的设备为基础,主要由改进的雷达、作战管理系统和新研制的S M-3动能杀伤拦截弹等组成。

2.3 用于战区高空区域防御(THAAD )系统的动能拦截弹
T HAAD (见图3)是美国研制的一种机动部署
的地基战区反导系统,主要用来防御射程为600km ~3500km 的弹道导弹,拦截高度为40km ~150km,拦截距离达150km ~200k m 。

2.4 末端防御拦截弹P AC -3
P AC -3爱国者导弹是世界上第一种已部署的动能武器型号,它将精确的导引头和敏捷的弹体结合在一起,具有很强的机动性,过载达100,专用于反导,并可用于拦截反辐射导弹。

2.5 反卫星武器系统
20世纪70年代中期,美国先后研制了两种动能反卫星武器系统,一种是美国空军研制和试验的机载动能反卫星武器系统,另一种是美陆军研制的地基动能反卫星武器系统。

此外,有消息表明,美国启动了天基动能拦截器的研究计划。

3 关键技术
动能武器的关键是把弹头加速至足够的高速度,使弹头具有足够大的动能,以撞击目标。

3.1 KKV 识别技术
导弹防御系统的发展促使拥有导弹的国家发展各种类型的能够突破敌方防御的对抗手段。

20世纪80年代末,美国就开始研究名为/智能卵石0的天基动能拦截弹方案。

这种拦截弹的KKV 计划采
用紫外、可见光、红外、微波和毫米波雷达等一系
列探测手段,对真假目标进行复合探测、跟踪和识别,同时还采用性能更高的计算机和数据融合技术,只要一接到发射指令便可独立完成作战任务。

1992年,美国国防部提出发展有识别能力的拦截器计划,重点发展有识别真假目标能力的KKV 所需的关键技术。

依据弹道导弹攻击情况的不同,采用有识别能力的拦截弹后,拦截弹的单发杀伤概率可增加8倍之多。

有先进识别能力的动能杀伤拦截器的质量将增加25%,成本降低,用这种拦截弹,只需向一个目标发射一枚拦截弹。

美国军方认为,提高KKV 识别能力的基本途径是增加所测目标特性参数,并把由多部传感器所测得的目标特性数据最佳地融合起来。

发展有识别能力的KKV 关键是将被动传感器与激光雷达结合起来。

美陆军研制了三种成像激光雷达,供有识别能力的动能杀伤拦截器选用;同时,美空军也积极研制激光雷达导引头,并进行了一系列成功的试验。

3.2 导引头技术
KKV 保证直接碰撞最关键的是精确制导与控制技术。

目前,比较先进的末制导采用毫米波和红外成像导引头。

1)采用毫米波制导技术
美国海军和陆军联合推进了毫米波导引头技术开发倡议计划,为大气层内拦截器提供先进的导引头部件。

该计划要求制导器件质量轻、体积小、响应快,并具有碰撞杀伤制导精度,该计划的重点是研制Ka(35GH z)和W (94GH z)频段的导引头部件。

2)采用红外成像制导技术
在高空30km 以上,KKV 一般采用红外成像导引头。

红外频谱两个窗口即中波红外(3L m ~5L m )和长红外波(8L m ~12L m )频段,都适用于战术反导拦截器的红外导引头。

美国在红外成像制导技术方面已取得重大进展。

红外导引头体积小、质量轻,但低空的云会妨碍其对威胁目标的红外特征信号的探测。

而毫米波导引头虽然质量较大,但能够在低空提供目标的距离数据,这两种导引头配合使用可以取长补短。

另外,这两种导引头都能以高达100次/s 的速度向信号处理机提供目标的方向信息,精度为100L rad ~300L rad 。

3.3 惯性测量技术
拦截弹的惯性测量装置向拦截弹的数据处理机提供有关拦截弹姿态和速度的反馈信息。

惯性测量装置的数据要以(50~100)次/s 的速率提供给数据处理机,而且要非常准确。

惯性测量装置在微小型化和精度方面已经取得了重大进展。

支持直接碰撞杀伤武器的惯性测量装置,其体积约与棒球的大小相当,能够实现精度大约为1(b )/h 的陀螺漂移。

惯性测量装置尺寸的减小和精度提高促进了拦截弹轻小型化,有效地降低了成本。

3.4 姿控与轨控技术
弹道导弹是高速目标,并有可能需在大气层外拦截,拦截器采用气动翼面控制方式局限性较大,为了使杀伤飞行器在末段能够快速反应实施机动,弹道导弹拦截器除采用末制导提高导引头制导精度,还采用推力矢量控制,进一步提高拦截精度。

弹道导弹拦截器末段控制系统有三轴稳定控制和单轴稳定控制两种。

三轴控制采用两组微型推力发动机,一组为轨控发动机,用于控制飞行方向,另一种为姿控发动机,用于稳定姿态。

这种微型推力发动机每组需要4~8个推力器来控制飞行器的俯仰、偏航和滚转。

姿控与轨控系统是动能拦截弹的KKV 实现高机动能力、直接碰撞杀伤目标的关键。

姿控系统用于保持KKV 的姿态稳定,轨控系统则用于为KKV 提供横向机动能力。

姿控与轨控的技术难点在于实现小型化,要求响应时间短。

另外,要求轨控系统具有很大的推重比,能以稳定和脉冲两种方式工作,实现精确控制等。

3.5 传感器融合技术
未来大气层外拦截弹系统的关键要素是智能处理(I P)技术,它能够把来自不同传感器的数据有效地融合在一起。

美国导弹防御局进行的有识别能力的拦截器技术目的是研制和试验几种先进的传感器硬件方案、先进智能处理和传感器数据融合算法,以提高导弹防御拦截弹性能的稳定性。

图5给出了在研的先进传感器方案,包括弹上激光雷达和双波段被动传感器。

图5 有识别能力的拦截器技术计划的验证
通常导弹防御系统拦截弹的部署数量有限,必须提高拦截弹的目标识别能力,以减少弹头漏防、误防造成的拦截弹消耗。

目前美国的导弹防御动能拦截弹设计只包含被动传感器,那些间距小的威胁目标使红外传感器只有到最后拦截时才能分辨出来。

增加一个激光雷达传感器可从三个方面提高性
能:第一,提供多种探测手段;第二,增加目标分辨率;第三,在短的观测时间内可获得包含有重要信息的特征数据,提高识别能力。

4 展 望
根据国外的KKV 技术发展,KKV 将朝着轻小型化、智能化、通用化、系列化和低成本化的方向发展,并对传感器的多级融合体系结构、多级融合方法及导引头成像等关键技术进行研究。

新概念动能拦截武器的发展是建立现代防御体系的基础,对实现综合防空防天、中远程精确打击、海上封锁及陆上军事争夺等军事能力具有重大意义。

参考文献
[1] 张德源.舰空导弹超视距反导作战研究.飞航导弹,
2007(12)
[2] 罗建明,杨建军.反辐射导弹告警技术研究.飞航导
弹,2007(12)
[3] 关世义.巡航概念探源.飞航导弹,2007(12)
SLA M-ER
导弹命中移动地面目标
w SLAM-ER 导弹
2009年1月15日,在位于中国湖的美国海军空战中心进行的一次飞行试验中,波音公司的防区外对陆攻击导弹增强型(SLAM-ER )直接命中一遥控的地面移动目标。

SLAM-ER 是一种具有高适应性的全天候、超视距精确打击导弹。

波音公司SLAM-ER 项目经理称,在以前的试验中,SLAM-ER 已验证了其对静止目标和海上移动目标的攻击能力,这次试验验证了对移动地面目标的打击能力。

这种先进的打击能力为战斗机提供了更多的安全性。

在此次试验中,一架配备有海军的濒海监视雷达系统的飞机向一架F /A-18F 飞机发送了实时目标数据,此架F /A-18F 飞机继而将该数据传递给由另一架F /A-18F 飞机发射的SLAM-ER 导弹,随后,SLAM-ER 导弹捕获并命中了正以19.3km /h 速度在沙漠环境中行进的模拟目标。

此次试验不仅可用来评估雷达系统向SLAM-ER 导弹提供目标信息的能力,还可评估导弹捕获并命中在不同背景环境下以不同速度行进的目标能力。

目前,公司方面正在等待用户的反馈意见,一旦获准,这种攻击地面移动目标的能力将可以应用到实战中。

阿 雯 邢 娅。