为什么是中段拦截?解读中段反导拦截系统
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2009年1月11日,中国政府宣告,当日在境内进行了一次陆基中段反导拦截技术试验,试验达到了预期目的。这一试验是防御性的,不针对任何国家。那么,什么是中段反导拦截?中段反导拦截的技术难点和优势是什么?我国又为何需要发展反导拦截技术呢?
根据弹道导弹飞行的不同阶段,划分反导拦截任务区间的做法最早源于美国。弹道导弹整个飞行弹道可以划分为助推段、后助推段、中段和末段,其中前两阶段又称为初始段或统称为助推段,也称为主动段。中段和末段往往被称为被动段,其中末段在不严格的情况下也被称为再入段。助推段是单级或多级火箭燃烧工作时段,导弹处于有动力飞行的加速阶段。其后,导弹如同出膛的子弹完全依靠初始速度和积累的高度势能完成后续飞行,如同抛掷出的物体,因此此后的飞行弹道和导弹要打击的目标点是可以计算出来的。这就是现代反导拦截技术的理论基础。对于射程2 000千米以上的弹道导弹而言,中段飞行的大部分时间是在大气层外,而再入段的大部分时间是在大气层内,其中中段飞行将达到弹道的最高点。
由于弹道导弹在各飞行段的高度、速度和姿态等目标特征有明显差别,因此反导系统分成了助推段、中段和末段拦截系统三大类,这三类系统能分层依次拦截,以提高拦截成功率。例如,美国国家导弹防御系统(NMD)中的空基激光拦截系统(ABL)即主要担负助推段拦截任务,地基拦截弹(GBI)主要完成中段拦截任务,耳熟能详的“爱国者”3则主要执行末段拦截任务。
中段拦截实际是利用探测到的导弹火箭发动机关机点的最后方向和速度,计算出导弹以后的飞行弹道,然后在其进入再入阶段前实施拦截。对于中程以上导弹的中段拦截,往往是在大气层外空间发生的。
中段反导拦截系统一般由拦截导弹、雷达或卫星等传感器和战斗管理系统组成。拦截弹根据发射平台可大致分为陆基和海基两种,传感器也能够准确的通过架设平台分为像“铺路爪”这样的陆基传感器,“宙斯盾”这样的海基传感器,以及“红外预警卫星”这样的天基传感器。
中段反导拦截由来已久,它始终都是导弹防御系统发展的核心和最高技术系统,被明确提出来是在1983年3月美国总统里根提出的“战略防御倡议”(SDI)即“星球大战”计划中。该计划提出了建立四段三层拦截体系,四段是按照洲际弹道导弹的助推段、后助推段、中段和末段四个飞行阶段而定的。前两段构成第一层,后两段分别为第二层和第三层。以后虽然经历了老布什政府“有限导弹防御计划”和克林顿政府NMD及TMD阶段,但中段反导拦截不但没放弃,还始终是系统发展的核心。而到布什政府则直接将反导系统按导弹弹道分为了助推段、中段和末段拦截系统,其中的中段拦截最重要的包含陆基中段、海基中段防御系统两大类。
陆基中段防御系统美国陆基中段导弹防御系统(GMD)的主要作战目标是敌方远程弹道导弹、洲际弹道导弹。该系统主要是依靠庞大的陆基、海基和天基预警雷达和卫星系统作为预警探测单元,这中间还包括国防支援卫星、天基红外系统和海基、陆基X波段雷达等,拦截导弹主要是用“民兵”导弹和商用火箭发展而来的GBI拦截弹(题图为其发射井)。美国目前拥有30枚地基拦截导弹,首枚导弹于2004年7月部署。
海基中段防御系统目前只有美国在发展海基中段拦截系统,该系统是美国海军在“海军区域防御”(NAD)系统的基础上,通过改造与新研制相结合而形成的,其拦截弹为“标准”3(SM-3)。海基中段拦截系统的初始预警信息源自与地基拦截系统一样,在接到天基或陆基预警系统的告警信息后,“宙斯盾”舰上的SPY-1雷达探测、跟踪来袭的弹道导弹目标,并下达发射拦截弹指令。
其它系统有消息称,俄罗斯已经将核拦截的“橡皮套鞋”系统改造为动能拦截的双层中段系统。2007年1月和10月,俄航天部队从哈萨克斯坦境内成功试射了53T6拦截导弹,主要是为了测试导弹要不要延长现有反导系统中导弹部件的维护期。同年8月,俄首个S-400导弹营开始在莫斯科担负战备值班,俄还在研制S-500系统,这两种系统都具备对中近程导弹的中段拦截能力。
印度也在积极发展一定的陆、海中段拦截能力。印度分别在2006年11月和2009年3月进行了PAD导弹的拦截试验。PAD导弹防御系统是高层拦截弹,是在印度“大地”2地地弹道导弹基础上发展起来的。该导弹最大拦截高度能够达到80千米,拦截范围超过100千米。据称PAD能够拦截速度为马赫数5、射程为300~2 000千米级的弹道导弹。印度还在发展“长弓”弹道导弹,很可能被改装为海基中段拦截弹。
中段反导拦截技术之所以被称为反导技术皇冠上的宝石,是因为它在各种反导拦截技术中技术方面的要求最高,大多数表现在以下几个方面。
探测难反导系统工作过程中越早探测发现目标,留给反导拦截弹的上班时间就越充裕,拦截可能就越大。例如,固体燃料导弹的助推段时间一般为170秒,液体燃料导弹的助推段时间一般为240秒。俄罗斯液体的SS-18导弹助推段上班时间为300秒,美国固体的MX导弹助推段上班时间为180秒。也就是说,天基红外系统必须利用这一短暂时间发现导弹尾焰信号,发出警报。
美国中段拦截的预警探测系统是这样的:驻留在赤道附近的DSP卫星红外传感器首先发现导弹尾焰红外信号,然后发出导弹发射警报,将信号传递给战区内的联合战术地面站(JTAGS)、澳大利亚的海外地面站和美国本土夏延山的北美防空防天司令部、美国航天司令部预警中心,进行数据融合与处理,得出导弹大致的飞行方向,判定导弹的大致发射点与落点,然后北美防空防天司令部将初步信息传达到相应方向的地基和海基X波段雷达和弹道下方海域的执勤“宙斯盾”舰,接力探测弹头,从而绘出三维空间飞行轨迹,并将这些导弹信息传送给阿拉斯加格里利堡和加利福尼亚范登堡空军基地的地基拦截弹火控系统,或“宙斯盾”舰的“标准”3火控系统。
跟踪难这包括三个方面。一是拦截弹飞行速度要足够快,因为中段拦截系统的拦截点将在大气层外数十到数百千米的范围内,而反导系统的探测、信息传输处理及指令下达就需要耗费数十秒的时间。而且在进入中段后,弹道导弹已完成助推段的加速。此时拦截弹发射后需要与目标弹抢时间,因此拦截弹需要有足够高的初始速度,以保证在大气层外相遇。关机速度成为衡量拦截导弹拦截能力的重要指标,关机速度越高,导弹拦截能力越强。例如,美国海基中段的“标准”3 Block1导弹关机速度为2.5~3.3千米/秒,其拦截高度达到160千米。改进后的“标准”3 Block2关机速度达到5~5.5千米/秒,拦截高度将达到500千米。部署在美国本土的三级GBI拦截导弹的关机速度超过7千米/秒。作为高空区域拦截导弹的THAAD导弹的关机速度只有2.8千米/秒,这使其拦截高度也只有150千米,但已经能够在中段拦截射程2 000千米以下的导弹。美国正在开发的地基动能拦截弹KEI的关机速度也达到6千米/秒,因此我们说它具备中段拦截能力。而高速火箭发动机是这一问题的关键,这要解决高燃烧值燃料的生产、特殊火药柱型的设计和耐高温燃烧室的材料等一系列问题。
二是拦截弹头要足够灵活。在接近目标导弹后,导弹弹头要足够灵活,机动到与目标弹道的交会点。此时导弹已经飞出大气层,防空导弹中的空气机动方式已经无效,只能设计专门的姿态控制火箭发动机,这要掌握先进的空间矢量火箭技术。
三是导引头反应速度要足够快。目前中段反导拦截大多使用红外或雷达导引头。由于拦截弹头要在太空中很短的时间内发现、跟踪和锁定目标弹头,因此导引头一方面需要较大的视场,在远处不难发现目标,并将快速移动的目标纳入视场,另一方面需要导引头锁定目标信号,并快速跟踪目标。
美国反导系统的工作是这样的:陆基拦截弹(GBI)发射升空后,远程跟踪雷达不断保持对敌方弹头和己方拦截弹的跟踪,并引导己方拦截弹进行拦截;陆基拦截弹(GBI)在达到适当的高度、速度后,进行弹体分离,释放大气层外动能拦截弹头(EKV);EKV上搭载有红外导引头,变轨推进器等;在红外导引头截获敌方弹头后,EKV进行变轨机动使自己的飞行轨道与敌方弹头的飞行轨道交汇,最后直接将敌方弹头撞毁。由于这一技术过于复杂,一时难以实现。美国在地基中段反导试验中,采用了在目标导弹弹头上安装信标的方式,解决反导拦截弹的跟踪与锁定问题,因此被美国国内称为造假,这也使美国反导系统技术水平备受质疑。
识别难在中段拦截中最难解决的就是诱饵弹头的识别问题,因为在这一飞行段中投放诱饵是最容易的。中段处于太空中,在地面中残留有极少气体的气球在进入太空后,由于失去了大气压强,可以迅速膨胀为饱满的气球,所以许多国家都在这一阶段投放外观与弹头类似的气球。这些气球表面涂有金属锡箔涂层,可以反射雷达信号,并可以在内部加装加热装置,使其具有真弹头的热红外特征。而太空中基本上没有空气阻力,它们能伴随真弹头一同飞行,这使火控雷达和拦截弹红外导引头无法区别真假。当然这种诱饵在进入大气层后,很快会被大气阻碍而被过滤掉,落在质量较大的真弹头后面,这种诱饵在末段是无能为力的。识别这种诱饵需要发展大功率的X波段雷达,因为X波段可以穿透大部分的气球薄壁,从而分别出真弹头。此外,还有必要进行多次反诱饵拦截试验,从而积累一定的经验,制定科学的识别算法。这就是美国不断进行反导拦截试验的一个重要原因。
碰撞难一般防空和反导弹头都采用破片杀伤方式,这样的形式破坏威力大,而且只需接近目标爆炸,无需碰撞目标就可以破坏弹头。但这种方式必须把爆炸物和弹丸投送到目标高度,再加上复杂的制导、姿控系统,拦截导弹的载荷就会很大。实际上由于拦截弹头速度很高,利用其本身的质量就可以高速撞击摧毁目标,这样做才能够减少弹头质量,使弹头可以拦截更高的目标,并能灵活机动地跟踪目标。目前美国等发达国家都将动能碰撞,即“碰撞-杀伤”技术作为反导技术的优先项目。
为避免导弹弹头在再入大气层时烧毁,弹头都非常坚固,因此碰撞必须准确,而且相对速度要高,这样才有足够的动能将目标摧毁,否则弹头只能发生轨道偏离,仍能在空中或地面发生核爆炸。动能碰撞的技术核心是杀伤载具的快速姿态调整和目标锁定技术。美国波音北美公司的外大气层杀伤(EKV)的长度约1.2米,在展开时直径约为61厘米,重量不到45千克。该EKV分为前中后三个舱段。前舱段容纳导引头、数据处理器、飞行器的配电系统和惯性测量装置。中舱段装有单甲基肼/四氧化二氮推进剂和转向推力器,共有四个用于拦截末段轴向运动的大推力器和用于姿控的小型双基推进剂推力器。后舱段装有贮箱和遥测设备。该EKV上有一组用弹簧力展开的石墨环氧树脂臂,臂上有钨合金块,当EKV与助推火箭分离后,它沿EKV周围展开,可增大EKV的杀伤范围。
由于中段拦截所需要的较大型火箭技术属于导弹技术限制范围,而且相关的制导技术和导引头技术要求先进,因此在全世界内,此类技术尚没有输出的先例,只被有自主导弹技术的国家所掌握。各国之所以热衷于开发中段反导拦截技术,主要是因为它有着多方面的优势。
尽早拦截,提高系统拦截概率弹道导弹在助推起飞后即进入飞行中段,实际助推段飞行时间很短,远短于目前最先进的美国反导系统的探测和告警时间,因此助推段拦截需要将拦截和探测系统前置到导弹发射区附近。作为固定拦截系统最早的可拦截段即是目标导弹的飞行中段,这种尽可能早地拦截可以为后续拦截留出更充裕的时间。例如,美国地基中段拦截可以在一次失败后,实施第二次拦截,如果仍然失败,则可以将任务转交给区域高空拦截系统,实施第三次拦截。
高空拦截,减少了附带伤害中段拦截大多发生在大气层外的太空中,这里的碰撞可以将导弹弹头摧毁为碎片,碎片会很快进入大气层并烧毁。这一点对生化弹头尤其有效:在大气层内对生化弹头的破坏意味着污染物在大气层内的扩散,终将落到地面;而包裹生化物质的弹头在大气层外被摧毁后,污染物将会在大气层中燃烧为无害的灰烬,因此这是一种相对干净的拦截方式。
防御区大,提高了防护效率中段拦截的另一个优势就是其拦截高度大,火力覆盖范围广。这还在于中段拦截几乎是从导弹源头实施拦截,而在导弹射向角一定的情况下,此时射向变换距离较小。如果进入末段,在相同射向角的情况下,射向变换距离较大,弹头飞行范围也较大,需要多个系统实施拦截。例如,海基中段“标准”3的拦截高度达到500千米时的防御距离将达到1 000千米,而美国地基拦截弹(GBI)的防御距离更是达到数千千米,因此美国当初的国家导弹防御系统NMD只计划了两个西海岸的反导拦截基地,就实现了对整个美国本土的导弹防御。而末段防御系统的防御距离一般只有数十千米,即使高空防御系统也只能达到100千米。
目标特性简单,作战干扰少中段拦截时目标导弹的速度相对是最低的,弹道相对平稳和固定,这有利于拦截弹跟踪目标导弹。末段拦截时,由于弹道导弹进入大气层开始俯冲阶段,弹头轨迹倾角大,速度通常在7~8马赫以上,反导系统要捕捉它相当困难。此外,中段拦截发生的太空中背景较为单纯,温度也较低,有利于拦截弹上的红外导引头尽快发现和锁定温度较高的弹头目标。
我国作为周边弹道导弹威胁最为严重的国家,发展中段反导拦截系统是效率较高的一个选择。目前,在我国周边地区已有印度、巴基斯坦、韩国、朝鲜等国装备了地地弹道导弹。射程也从10年前的1 000千米以内,发展到现在的3 000~5 000千米。我国在宣布试验地基中段拦截系统后,外交部很快宣告试验未在太空产生太空碎片垃圾,表明这次试验高度应在大气层外,即100千米以上。如果此次拦截是在西部靶场,而且如媒体宣称的那样,没用天基预警系统或大型地面雷达,而像“宙斯盾”这样的中型雷达的探测高度只能支持200千米以下的拦截,考虑到试验能力的富裕部分,因此能判断此次拦截高度应在150千米左右。这次试验说明我们国家在某些特定的程度上已经掌握了地基中段反导技术,不但使我国跻身于世界反导俱乐部,还会像40多年前我国爆炸首颗而成为遏制世界核恶魔的和平力量一样,使我国将再次成为遏制全球反导建设浪潮的一支有生力量。