美国GMD系统拦截弹技术发展研究

樊奇，马春燕

(中国国防科技信息中心 ,北京　100142)



美国GMD系统拦截弹技术发展研究

樊奇，马春燕

(中国国防科技信息中心 ,北京100142)

自1983年以来，美国地基中段反导系统动能拦截弹技术发展历经坎坷，但至今尚有许多技术问题尚未完全解决。试图以地基拦截弹发展各阶段的技术状态、试验过程、试验结果为主线，分析其发展过程中遇到的技术问题，以及出现问题的主要原因。研究结论认为，地基拦截技术难度大，至今影响实战能力的关键技术仍在攻关，主要是火箭燃烧技术和识别技术遇到了瓶颈。

美国；地基中段；拦截技术；导弹防御；拦截飞行试验；动能拦截弹

0　引言

美国地基拦截弹(ground-based interceptor,GBI)由20世纪80年代“战略防御倡议”(strategic defense initiative,SDI)计划开发的“大气层外再入飞行器拦截系统”(exoatmospheric reentry-vehicle interceptor subsystem,ERIS)演变而来，而EIRS的技术基础源于“上层寻的试验”(homing overlay experiment,HOE)计划。GBI是在上述研究计划的基础上发展起来的。

1　GBI技术的摇篮[1-4]

在20世纪60年代，美国陆军开始研究“直接碰撞杀伤”(hit-to-kill)技术拦截和摧毁弹道导弹。所谓的“直接碰撞杀伤”技术就是通过红外寻的传感器来探测目标，引导拦截弹通过直接碰撞来摧毁来袭弹头。1983-1984年，美国防部进行了系列试验，称为“上层寻的拦截试验”(HOE)计划，被称为“GBI技术的摇篮”，其主要目的是探索在大气层外拦截洲际弹道导弹的非核拦截弹所需要的关键技术。

1.1技术状态

经改装的“民兵”导弹的1，2级作为助推器(见图1)，上面装有拦截器。拦截器长约5.2 m，重942 kg，由红外寻的头、战斗部(破坏装置)和一台轨控发动机组成。轨控发动机是高压氮气增压的双组元液体火箭发动机，可使拦截器获得610 m/s的轨控速度以消除初始误差。拦截器的最前端是红外寻的头，配置有一组红外望远镜，具有体积小、重量轻的优点，便于直接装在拦截弹上。拦截器所用的红外寻的头仅长0.508 m，直径0.127 m，其上的长波红外探测器直径仅0.10 m，波长为8～14，16～20 μm，视场为1°×1°。战斗部是伞状结构(见图2)，直径3.66 m，靠直接碰撞来摧毁目标，但不带引信。

图1　HOE杀伤器[5] Fig.1　HOE kill vehicle

图2　HOE试验[5]Fig.2　HOE test

1.2试验过程分析

HOE计划进行了4次飞行试验。1983年2月7日，首次试验由于红外探测器的冷却系统发生故障而遭到失败。在1983年5月、1983年12月又进行了2次试验，仅获得部分成功，但却获得了大量试验数据。1984年6月10日进行的第4次试验才首次获得成功(在大气层外成功拦截1枚“民兵”靶弹)。试验中，靶弹发射后不久就被地面跟踪雷达探测到，控制中心根据靶弹弹道算出拦截弹道，保证拦截弹在第2级关机(125 s)时零脱靶量在35 km以内。靶弹飞行约20 min时，发射拦截弹。拦截弹在第1级分离后抛掉头部整流罩。红外探测器截获了数百千米外的靶弹弹头。拦截弹飞行约450 s时，拦截器的战斗部展开并与靶弹弹头直接碰撞，将弹头摧毁成无数碎片。碰撞速度超过9 km/s，拦截高度为160 km。这次试验验证了非核拦截洲际弹道导弹弹头的可行性，验证了弹载长波红外探测器截获目标和自动寻的能力，还测试了红外探测器的目标识别能力[4]。

1.3试验结果分析

根据美国解密的HOE试验记录记载， 第1次试验彻底失败，第2，3次试验尽管没有拦截到靶弹，但获得了从拦截弹上和靶弹上传输下来的部分数据。第4次拦截试验中，获得的数据比较完整。另外，地基雷达和飞机携带的光学传感器都收集了试验数据，该数据表明靶弹是通过拦截弹的碰撞摧毁的。林肯实验室1984年分析评估了靶弹碎片大小最大10 cm，也证实在拦截过程中，最初短暂的闪光是由于物体与物体的碰撞，能够观察到热离子区的产生，而第2次强度较弱的闪光持续了6 s，是由于靶弹和拦截弹气化部分产生了火球。也有证据表明，拦截弹通过其携带的红外传感器制导控制系统导引到靶弹。HOE计划的后期，由于对传感器性能存在顾虑，陆军决定加强靶弹红外信号，使红外信号特征更接近预期威胁目标最高的信号特征，其措施是：①让靶弹朝向拦截弹方向飞行；②在靶弹发射之前，将其加热到华氏100℉(37.78℃)[5]。

1.4技术成就评价

HOE计划经过3次失败后，终于在第4次拦截试验成功，验证了动能拦截技术的可行性，当时被看作是有望用非核弹拦截弹道导弹的有力证据，为后续ERIS计划奠定了基础。

2　GBI技术的前身[4，6-8]

1983年SDI计划启动不久，随后启动了“大气层外弹头拦截系统”(ERIS)计划，其主要目的是探索轻重量且低成本的非核拦截器方案，被称为“GBI技术的前身”。1989-1992年间，ERIS计划总共进行了5次试验。1993年克林顿政府宣布“星球大战”计划结束，ERIS计划随之中止，战略防御计划研发降格为“技术准备”。

2.1技术状态

ERIS拦截器外形尺寸约为HOE的1/4，助推器采用改装的“潘兴”导弹的第1，2级，其过渡段内装有制导系统和液体火箭发动机(见图3)。拦截器与HOE的相似，在拦截器的最前端安装有可以抛弃的整流罩。在红外寻的器、飞行控制硬件、助推器技术、径向扩展的杀伤机构(目的是增大直接碰撞杀伤的概率)等方面都要比HOE有更多的技术突破。为制导系统研制的光学纤维和环形激光陀螺也取得重大进展。ERIS计划主要技术攻关是能否及时识别出真假弹头。拦截器将在一大群诱饵、真弹头、假弹头和其他干扰物的环境下工作，且可供识别真弹头的时间又极短。为在ERIS飞行试验中获得更精确的试验数据，利用全球定位系统能够得到拦截器和“威胁云团”的实时状态矢量数据。在拦截器的过渡段和被拦截的目标上安装尺寸小、重量轻、功耗低的转发器，以方便从轨道上的导航卫星接收到L波段的时间和位置数据，并将其转换成标准的S波段遥测数据，传给地面接收站。导航卫星可给出精确的数据，中段的实时精度可达8～20 m，而在使命完成后的测量精度可达3～8 m。

图3　“大气层外弹头拦截系统”(ERIS)[4]Fig.3　ERIS

2.2试验过程分析

ERIS总共进行了5次试验，其中包括：1次悬浮试验，2次目标瞄准试验，2次拦截飞行试验。具体试验情况如下：1989年4月24日，试验弹在三轴稳定制导控制系统控制下，在距地面9.1 m的高度上悬浮飞行了21 s，并跟踪了模拟目标。这次试验是拦截弹的首次全工作过程的悬浮飞行试验，具有里程碑意义。1989年9月1日，成功地进行了目标瞄准试验。试验弹上64×64的红外焦面阵列探测器，探测了300 m以外的一台静止火箭发动机的喷焰，并从喷焰中区分出弹体，然后由弹上计算机控制试验弹把瞄准点从喷焰转向弹体；1989年9月12日，成功地演示了弹上新型高速计算机快速瞄准目标的能力。1991年1月28日，ERIS拦截弹第1次拦截飞行试验，在925 km远的距离、270 km的高空[4]、接近速度大于13.4 km/s，成功拦截了带有2个诱饵的洲际导弹靶弹。诱饵弹头由直径为2.2 m气球诱饵伴飞，离弹头有180 m远。ERIS系统被告知寻的3个目标中间的一个。在碰撞前1 s，拦截弹释放了一个膨胀的杀伤增强装置。1992年3月13日，ERIS拦截弹进行第2次拦截飞行试验，是一次全系统演示验证试验。试验中，靶弹从夸贾林导弹靶场发射，拦截从范登堡空军基地发射的洲际弹道导弹，由于ERIS拦截器偏离模拟弹头4.5～6 m，未能撞上和摧毁目标，致使这次试验没有完全成功。

2.3试验结果分析[9-10]

ERIS计划的前3次试验都是为后2次拦截飞行试验做准备，后2次拦截飞行试验的主要任务是演示目标信息的传送、拦截战术、识别近距离的真假目标、瞄准点的选择及拦截目标。总体来看，实现了大部分试验目标，如：探测和跟踪了目标，传送目标信息，成功地完成了ERIS拦截弹发射和识别真假目标等任务。2次试验的不同点是第1次试验用的ERIS拦截弹上的拦截器只有一个长波红外寻的头，而第2次试验用的拦截器上采用了一种新的双色长波红外寻的头和一个可见光探测器，供识别目标用。国防部官员认为，造成ERIS第2次试验失败的主要原因有2点：一是球诱饵与模拟弹头分离的速度比预定的快了2倍。在进行最后拦截的前1 s，拦截弹要按照预定程序观测诱饵和弹头，即进行识别，以便获取目标外形数据。在拦截弹上的探测器观测诱饵和模拟弹头的时候，拦截弹要按程序对准气球诱饵与模拟弹头之间的中点。由于诱饵的分离速度过快，当拦截弹完成数据搜集、识别任务后实施拦截时，气球诱饵已不在原定的位置上，拦截弹很难击中目标。二是人员设定时间不合理，拦截弹完成识别任务后向目标机动和实施拦截的预留时间少了，只有0.8 s，实际上至少应留出0.9 s，拦截器才有充分的时间接近目标。

2.4技术成就评价

ERIS计划总共进行了5次试验，搜集了大量的技术数据，为进一步设计拦截弹，特别是弹載探测器提供了重要依据，有力地支撑了次年(1992年)美国启动地基动能拦截弹计划的决策。

3　GBI技术状态[11-12]

1996年初克林顿政府把战略反导计划由“技术准备”升格为“部署准备”，地基拦截弹计划得以恢复。

3.1GBI主要性能

GBI主要由火箭助推器和大气层外拦截器(exoatmospheric kill vehicle,EKV)动能杀伤器两大部分组成。2004年7月GBI部署前，采用两级代用的助推火箭(LGM-30F“民兵”-Ⅱ第2级和第3级)，拦截弹的关机速度很低(略大于2 km/s)。2004年7月GBI部署后，开始使用部署型三级助推火箭(洛·马公司研制的)，1级发动机为GEM-40VN，2，3级发动机为Orbus 1A。拦截最大速度达8.3 km/s。大气层外杀伤器(EKV)由弹上光学导引头、数据处理设备、制导和轨控推进系统组成。它利用自身的红外探测器探测跟踪目标，当不断接近目标时，开启侧向小推力发动机进行横向和垂直方向的变轨机动，借助其高速飞行的巨大动能，以直接碰撞的方式拦截并摧毁来袭弹道导弹。自20世纪90年代以来，美军为GBI先后研制、试验、部署了3种不同型号的EKV：试验样机型CE-0、初始作战部署型CE-I和改进的作战部署型CE-II。CE-II型拦截器主要是更换CE-I拦截器的老部件及更替其老技术，用新技术提高拦截弹的可靠性和提升能力。GBI主要性能参见表1。

表1　地基拦截弹技术指标[13]

3.2试验过程分析

按照GBI拦截弹部署前和部署后划分阶段，则GBI飞行试验分为2个阶段：第1阶段(1999-2004年底)：技术可行性验证阶段。GBI拦截弹先后进行了8次飞行试验，其中，5次成功，成功率不到63%。该阶段的试验特征如下：使用了替代型硬件设施和设备；目标群特征比较简单，与拦截弹有很好的配合；拦截试验的时空条件基本相同。第2阶段(2004年底至今)：系统集成和实战性能检验阶段。GBI部署后至今总共进行了10次拦截飞行试验，4次成功，成功率少于45%，失败5次，还有1次因故未做[14]。该试验阶段的特征如下：采用实际部署的系统试验，验证系统的综合集成性；通过变化各种试验条件，验证拦截弹的飞行特性；试验兼顾了人员训练，演练人机配合。

3.3试验结果分析

该阶段检验了地基中段防御系统的下列技术水平和能力：验证了实战部署用的EKV以直接碰撞的方式拦截并摧毁远程来袭弹道导弹的能力；验证了EKV弹载红外传感器从“在轨的多个物体”中识别目标弹头，其中目标群中的“诱饵”包含信号特征与模拟弹头有显著区别的“气球”诱饵、第3级助推器，以及从靶标、级间段等部位脱落的碎片；采用了部署在加利福尼亚州比尔空军基地的改进型预警雷达捕获和跟踪目标，海基X波段雷达和“宙斯盾”驱逐舰上的SPY-1雷达亦作为飞行试验的辅助雷达，对目标进行跟踪和识别。验证了初始部署的地基中段防御系统实战性能和可靠性，评估了系统在接近实战环境下的作战效果。验证了初步部署的指挥控制、作战管理与通信系统可应用于应急作战，执行火控任务的能力。

3.4技术成就评价

该阶段的拦截试验成功率不到45%，其主要原因是设计出现了问题，此外就是质量问题。美导弹防御局局长称，每次失败都源于“典型的小技术问题”，“是非常普通的(火箭)燃烧问题”(参见表2)。8次失败中的7次都与火箭有关系，包括3次是因为不同的原因导致EKV未能与助推火箭分离；2次是因为不同的原因导致拦截弹未能发射出去；2次是因为EKV的火箭推进系统(轨控与姿控系统)的问题，导致EKV出现制导误差；只有1次试验失败与火箭无关，因为制冷设备中的碎片引起制冷剂堵塞，导致导引头出现异常。导弹防御局局长称，空间项目出现燃烧问题是非常普通的。有的时候，要用许多年的时间才能解决这些问题。即使解决了出现的问题，在飞行中可能还会遭遇其他助推火箭问题。从2001年在第6次拦截飞行试验(IFT-6)中首次观测到EKV“跟踪门异常”(track gate anomaly)，到2010年底的9年时间里，先后在8次飞行试验中都观测到这种异常。“跟踪门异常”引发EKV轨控与姿控系统高频震动，导致EKV出现瞄准误差。

4　结束语

美国通过上述3阶段计划，验证了通过直接碰撞摧毁来袭弹头的可行性，取得了“子弹打子弹”技术上和工程上的巨大成就。然而，动能拦截技术的难度大，至今影响实战能力的关键技术仍在攻关。例如，火箭燃烧技术和识别技术遇到了瓶颈。美国导弹防御局正在试图从2方面解决问题：一方面，改善导引头的识别能力；另一方面，探索多弹头拦截技术，试图在识别能力不足的情况下，直接摧毁假目标(诱饵)。

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

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[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，辽宁大连人。工程师，硕士，主要研究方向为军事科技情报。

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