杨萌,龚俊斌,丁凡
(1.中国舰船研究设计中心,湖北 武汉 430064;2.国防科技工业海洋防务技术创新中心,湖北 武汉 430064)
海基弹道导弹防御,就是利用海上武器平台进行弹道导弹防御,包括探测、跟踪和锁定目标的情报监视侦察系统,作战指挥控制体系,拦截来袭弹道导弹的武器系统。其具有作战环境特殊(海洋环境下海基平台承载能力有限)、作战目标特殊(弹道导弹的目标和种类多样)、机动和生存能力强的特点。其使命包括拦截敌方弹道导弹目标和实施海基太空战。
海基弹道导弹防御离不开海上舰船平台的支持,拦截弹道导弹目标需要综合利用海上舰艇平台的相控阵雷达探测、指令发送和接收能力,外部早期预警和目标跟踪信息等。另外,通过利用末段高层和海基中段拦截导弹,可以充分发挥舰艇平台机动部署、探测通信手段丰富、高度集成、攻防一体的优势,在远海最佳阵位和海战场最优战机打击敌方低轨卫星。
关于国外海基弹道导弹防御的研究成果已有不少[1-11],但是以舰船研究的视角分析海基弹道导弹防御系统架构的文章并不多,需要结合舰艇平台特点对其阐述。为此,本文将依次介绍国外海基弹道导弹防御的技术发展现状,国外海基弹道导弹防御系统的优劣势和具体构成,以及其作战运用分析,最后介绍了未来发展挑战及趋势。
美国拥有种类繁多、型号各异的导弹防御系统。其拦截精度高,性能优越[1]。弹道导弹防御系统(BMD)是美国对国家导弹防御系统(NMD)和美国战区导弹防御系统(TMD)进行整合的产物。从防御目标上看,可看作NMD和TMD 2部分。NMD用于防御袭击美国本土(包括其人口密集的大城市)的“战略型弹道导弹”,主要在外层空间拦截来袭导弹。相对于TMD,NMD射程较小,主要用于战区防御。两者通常以3 000 km射程为界限划分。作战系统融合后,两者一起构成了覆盖全球的多层弹道导弹防御系统。
通过多层一体化多级拦截,美国弹道导弹防御系统是一个覆盖全球的整体拦截网络,是针对从近程到洲际弹道导弹的完整、全空域、可靠、具有良好外延扩展能力的综合防御系统。美国弹道导弹防御系统的整个拦截体系总结如图1所示。
图1 各型拦截系统防御区域示意图Fig.1 Illustration of defense regions of various interception systems
俄罗斯在大力发展空天防御系统的总体背景下,不断推动弹道导弹防御系统建设[12],拥有4种具代表性的反导系统:①机动式全天候的C-300反导系统;②超高机动性和反应能力的C-400反导系统;③发射准备时间短且可防空反巡航导弹的安泰-2500系统;④远程高空拦截的C-500反导系统。总的说来,俄罗斯的弹道导弹防御系统自成体系,作战能力遥遥领先除美国以外国家。
以弹道导弹防御能力最强的美军为例。美军认为目前存在以下现实威胁:①北朝鲜对南韩和日本的弹道导弹威胁;②伊朗对在阿拉伯湾的阿拉伯国家弹道导弹威胁;③伊朗和叙利亚对以色列弹道导弹威胁;④中国大陆对台湾地区、日本和东南亚的弹道导弹威胁。因此需要美国海军具备吓阻或击败对手使用弹道导弹挑战美国的能力,从而为美国联合海上基地等提供防御。2008年以后,美国虽然总体上对弹道导弹防御计划的规模进行了裁剪,但加强了海基弹道导弹防御部分。
研究海基反导优劣势的工作已有一些[13-14],若结合舰船平台在海上的使用特点,可进一步总结出海基弹道导弹防御系统的优劣势如下:
相较于陆基反导,海基弹道导弹防御具有以下独特的优势:①地理优势,海基系统能从海上实施作战,可进入占领有利的拦截位置;②独立性,拦截导弹系统装备于海上,无需同盟国的支援和第三国授权,无需谈判基地准入问题;③快速性,海军舰艇及其人员和武器装备可全球布置,响应快速,利于躲避敌方的侦测和瞄准;④完整性,海上拦截导弹系统自身是一个完整高效的战术单位,不需要防御或支援部队;⑤改装经济性好,可以升级军舰上已有的拦截系统、探测系统和作战指挥控制通讯系统,技术风险小;⑥隐蔽性好,在海上运行,布防位置机动且隐蔽。
每种样式的反导防御系统都既有所长又有所短,与陆基、空中以及天基相比,海基反导防御系统主要存在以下不足:①易受攻击,拦截行动会暴露自身位置,海基系统在前沿地区作业比地基系统更易受到攻击;②与地基系统相比费用较高,增加了海上环境防护、电磁干扰抑制及满足舰艇安全要求的费用;③增加前沿部署舰艇数量,需要投入好几艘海军舰艇维持战备,同时为保护海基系统免受潜在的攻击,需要增加护卫舰艇数量;④多任务灵活性有限,由于舰艇平台的使命任务较多且有载荷限制,执行反导作战行动时防空能力会暂时削弱;⑤恶劣的海上环境会对装备使用造成不利影响,偶尔会导致潜在空当。
第2节介绍了海基反导系统的优劣势。优势主要体现在整体效能的提高上,而劣势主要表现在效费比较差。尽管成本较高,各海上强国还是积极增加对其研制的经费投入,下面将依次介绍。
3.1.1 主要组成部分
“宙斯盾”防御系统是美国海基弹道导弹防御系统的主要组成,其功能是不仅与陆基弹道导弹防御系统一起进行中段防御,还具备探测并跟踪所有射程的弹道导弹(包括洲际弹道导弹)能力,但尚不具备拦截洲际弹道导弹能力。“宙斯盾”导弹防御计划(Aegis MD)主要包括“宙斯盾”作战系统和标准系列拦截导弹2部分。
3.1.2 “宙斯盾”作战系统
Aegis MD的传感器部分实现了与BMD其他部分融合,主要包括天基预警部分、地(海)基预警系统,引导与跟踪雷达系统等组成。其中,海基反导系统独有的“宙斯盾”作战系统是其核心。
“宙斯盾”作战系统从1963年开始研制,全称是“全自动作战指挥与武器控制系统”,包括相控阵雷达系统、计算机系统、指挥决策系统、武器控制系统、武器火控和发射系统、战备状况检测系统、作战训练系统。“宙斯盾”系统具有强大的防空、反舰和反潜作战能力,其关键部位是多功能的相控阵雷达系统,下面简要介绍一下其发展型号。
(1) AN/SPY-1基本型
AN/SPY-1雷达是4阵面多功能S波段相控阵雷达,每个八边形阵面具有90°覆盖范围,每个阵面有1 448个辐射元。该雷达可迅速从探测状态进入跟踪状态,并将信息传递给舰上的指挥和交战决策系统。雷达功率高达4 MW,能同时搜索、跟踪和引导100个以上目标,探测距离463 km。指挥和决策系统对雷达跟踪的目标进行监控。美国海军“提康德罗加”级巡洋舰和“阿利·伯克”级驱逐舰装备了该型雷达,日本、西班牙、挪威、韩国和澳大利亚等国也均有装备。
(2) AN/SPY-1改进型
为提高作战能力,美军持续对AN/SPY-1雷达进行升级改造,主要型号如下:
1) AN/SPY-1A
装备于美国“提康德罗加”级(CG-47~58)大型巡洋舰/驱逐舰。
2) AN/SPY-1B
装备于美国“提康德罗加”级(CG-59~73)大型巡洋舰/驱逐舰。AN/SPY-1B采用新型移相器和波束成形技术,质量减轻,在同样的峰值功率条件下具有2倍工作占空比。引进超大规模集成电路技术,使系统重量减轻30%。信号处理器能力加强。增加了自动栅锁定装置,以Link-l1数据链将数艘舰艇的雷达整合运作并共享数据,并新增越天顶追踪模式,雷达波束能指向垂直方位,能有效侦测以终端拉高再俯冲攻击的导弹。目前已升级为SPY-1B(V)。
3) AN/SPY-1C
该雷达是搭载在飞机上的超大型预警机项目,因极难实现而被取消。
4) AN/SPY-1D
装备于美国“伯克”级(DDG)、日本“金刚”级(DDG)、西班牙大型巡洋舰/驱逐舰。AN/SPY-1D雷达由AN/SPY-1B雷达将其功率放大部分缩小一半改制而成的。DDG-79后的“阿利·伯克”驱逐舰上装备的是AN/SPY-1D(V)雷达。
AN/SPY-1D(V)雷达具有里程碑意义。该雷达具有双波束搜索能力,使得雷达在杂波和严重干扰条件下仍有很高的数据率,并采用稳定的新型行波管,以及新的目标筛选和杂波抑制算法。该雷达提高了探测和跟踪掠海飞行的巡航导弹和战术弹道导弹等目标的能力,从而增强了舰船平台的远海作战性能。
5) AN/SPY-lE
AN/ SPY-lE是在AN/SPY-1D(V)雷达的T程模型基础上开发出来的多功能有源相控阵雷达,又称为S频段先进雷达,即美军的AN/SPY-2雷达。该雷达是一种全新的有源相控阵雷达,阵面上安装了固态收发组件,提高了灵敏度,开放式系统结构易于采用新的雷达波形和数字信号处理技术。其可以对付包括隐身目标、反舰巡航导弹、远程弹道导弹和先进的干扰措施。
6) AN/SPY-1F
AN/SPY-1F雷达是AN/SPY-1D雷达的轻型化产品,装备在护卫舰上。采用一个直径为2.4 m的天线阵列,有1 856个辐射单元。性能与AN/SPY-lD雷达相当,拥有多重作战和探测战区弹道导弹的能力,还可以与非美军的作战系统直接连接,支持ESSM和“标准”Ⅱ导弹,能增强濒海作战和导弹防御能力。
7) AN/SPY-1K
AN/SPY-1K雷达是AN/SPY1系列中最小、最轻的多功能雷达,天线直径是1.7 m,单阵面有912个辐射单元,仍支持SM-2和ESSM导弹,主要装备于轻型护卫舰和巡逻艇等。
(3) AN/SPY-l雷达改进总结
AN/SPY-l雷达从1969年开始研制,1973年试验型上舰,从1983年第1部AN/SPY-1雷达作为“宙斯盾”作战系统的组成部分正式在舰队服役,至今已有100多部、7种型号进入“宙斯盾”作战系统。
其中,AN/SPY-1A,AN/SPY-1B,AN/SPY-1D,AN/SPY-1D(V)属无源相控阵体制,是目前主要装备。通过采用成熟技术,包括:相控阵阵列天线、2台行波管发射机、2部AN/UYK-7型数字计算机,可同时处理11种模式的信息。而为了对付日益增强的新式威胁,比如隐身目标、反舰巡航导弹、远程弹道导弹和先进的干扰措施,AN/SPY-1E雷达采用有源相控阵体制。
综上所述,“宙斯盾”作战系统的功能特点是反应速度快,抗干扰性能好,作战火力猛,编队防空能力强,系统可靠性高。
3.1.3 “标准”舰空导弹
“标准”导弹是美国通用动力公司防空系统分公司研制生产的全天候、中远程舰对空导弹。经多次改进,演变成16种型号,形成舰空“标准”导弹系列,是目前世界上性能最先进、装备数量最多的舰对空导弹。
1997年,类似于“爱国者”导弹的新型“标准”导弹开始装舰,其中,海基末段拦截采用“标准”Ⅱ(SM-2)系列舰空导弹,海基中段和弹道导弹拦截采用“标准”Ⅲ(SM-3)系列舰空导弹,海基末段防空反导后来采用“标准”-6系列拦截弹。
(1) “标准”Ⅱ导弹
20世纪90年代末,美国海军区域战术弹道导弹防御(TBMD)项目的拦截器是SM-2 Block4导弹,美国导弹防御局要求其能实现海基末段拦截弹道导弹能力。为此,“提康德罗加”级导弹巡洋舰“伊利湖”号和“皇港”号被改装成所谓的护卫舰,用作海上试验平台。TBMD项目后来在2001年被取消,但在寻求长期解决方案的过程中,恢复了导弹研发作为过渡。
SM-2 Block4的主要改进是采用了红外成像导引头,增强了末制导。动能碰撞与破片杀伤战斗部共同作用,摧毁目标。当时已多次成功验证了该型导弹用于防御在飞行末段再入大气层的近程弹道导弹的能力。但由于后来项目终止,其改进型“标准”-6导弹成了末段弹道导弹防御的关键。
(2) “标准”Ⅲ导弹
“标准”Ⅲ导弹是美国海基弹道导弹防御系统中段拦截和末段高层拦截的核心,拦截中远程和部分洲际弹道导弹能力强。“标准”Ⅲ导弹是在“标准”Ⅱ导弹研制基础上改进而得。
目前正在服役的是SM-3 Block 1A基线1.0型导弹。该型导弹基于SM-2 Block 4的气动外形和推进系统重新设计,配装了可展开的头锥、动能战斗部、三级制导部分和一个第3级火箭发动机。
SM-3导弹第1次升级后得到SM-3 Block1B(基线2.0版本),该导弹改进了导引头、信号处理器和推进系统。运用全反射光学系统,新型的双色导引头捕获距离更远,威胁识别能力更强;同时升级的信号处理器可提供更强的处理能力,支持新的识别算法。多个助推器实现导引头的机动而到达拦截点。这种可调节能力为导引头提供了动态可变的推力和作战机动时机。
该导弹的进一步改型为SM-3 Block 2A拦截器(基线3.0版本),由美国和日本合作研发,日本通过日-美联合研究项目为研制提供关键技术。2017年,未列装拦截弹SM-3Block 2A导弹在夏威夷海域的试验中首次成功拦截中程弹道导弹,评估了其动能战斗部、姿轨控系统、头罩、控制舵、助推器、发动机及其分离装置等关键组建的设计成熟度。其燃尽速度快,射高达到70~500 km。SM-3升级改进示意图如图2所示。
图2 SM-3升级改进示意图Fig.2 Illustration of upgrades of SM-3
(3) “标准”-6导弹
“标准”-6导弹是SM-2 Block4的进一步改型,于2013年形成初始作战能力。目前已研发出具备不同作战能力的多个型号。起初型号具备吸气式目标拦截能力,主要用于超视距防空作战,后续2个阶段的升级版——SM-6 Dual Ⅰ型和SM-6 Dual Ⅱ型是美国海军未来末段反导主力。“标准”-6导弹具有标准化程度高、威胁适应性强、效费比高的特点,具备防空反导反水面舰船等多任务作战能力、一体化火控-防空能力和主动寻的作战能力。
2017年,美国海军成功进行了SM-6 Dual Ⅰ导弹拦截中程弹道导弹靶标试验,验证了其海基末段大气层内防御能力。这极大地提振了美国海军对航母编队自身反导的信心,美军方还声称试验中使用的复杂中程弹道导弹靶弹模仿了中国DF-21反舰导弹的性能和特征[2]。
俄罗斯的弹道导弹防御系统主要由3部分组成[3]:①莫斯科系统;②陆基机动型弹道导弹防御系统;③海基弹道导弹防御系统。前两者是陆基的,不再赘述。对于海基的,目前仅使用S-300F堡垒及其改进型S-300FM,只适合对近程和部分中程导弹拦截,处于战斗值班状态的只有少数几艘巡洋舰。好在S-400和S-500的海基型号也将逐步装备海军部队。最快2020年服役的S-500防空导弹系统,能够拦截陆基超声速导弹,无人驾驶飞机,和各类飞机甚至包括隐形飞机,能力十分强大。
其他国家的弹道导弹防御技术水平不如美俄,尚处于探索阶段。比如,英国海军正尝试45型驱逐舰开展弹道导弹防御试验[4],法国升级“紫苑”-30弹道导弹防御能力[5],日本通过购买美军装备,建立了完整的导弹防御系统,包括“宙斯盾”驱逐舰、“爱国者”-3拦截系统、陆基X波段雷达等[6]。进入21世纪后,印度也尝试推出了自己的弹道导弹防御系统计划,但最近几年发展速度变缓,并出现了拦截试验失败的情况。除自主研发外,印度还对以色列的“铁圆屋顶”反导系统表达了采购意愿。澳大利亚没有弹道导弹防御拦截能力,只采购了少量“宙斯盾”驱逐舰,并与美国合作建立了几座预警雷达基地,响应美国的“联合的一体化防空反导”构想[7]。
海基弹道导弹防御系统由侦察情报、指挥控制和拦截打击系统3部分组成[1,11-14]。根据弹道导弹飞行特点,对其防御通常分为在助推段、中段和末段3个区段实施拦截。文献[15]中认为还有上升段防御,但考虑到该防御研究已被美军取消,这里不再讨论。海基弹道导弹防御则需要根据大型舰船的作战能力与装备特点,同时综合考虑海空区域内参与协同的探测、指挥、武器、保障等作战资源的具体情况,采用合适的拦截时机和拦截方式。
助推段以导弹离开发射架为起点,以最后一级火箭助推器熄火并与有效载荷分离为终点。在助推段,火箭助推器产生的尾焰明显,飞行速度相对较慢,同时这个阶段整个导弹的体积庞大,因而具有较大的雷达发射面积,而且穿过电离层时喷焰会引发电离层扰动,易于被天基侦察卫星探测。尽管易于发现,但助推段飞行的时间较短,防御的主要难点在于如何快速响应,即在弹道导弹发射后几秒钟内迅速完成对其飞行轨道及攻击目标的预测,同时部署好相应的实施拦截力量。助推段的探测手段主要有地球同步轨道预警卫星、低轨红外跟踪卫星以及机载、浮空器等空基预警探测系统等。
在外部情报引导下,海基弹道导弹防御系统可发挥海上作战平台的快速部署优势,抵近敌方沿海弹道导弹发射阵地观察,建立搜索警戒线探测来袭导弹,并拟定交战方案,组织第1阶段拦截,对处于助推段飞行的导弹目标使用舰载激光武器或动能拦截器实施拦截。
由于弹道导弹在中段飞行距离远、时间长,防御方实施跟踪、计算其飞行参数并组织防御的时间相对充分。但是弹道导弹通常携带多弹头(含假弹头和诱饵),中段散开致使目标数量陡然增多,同时目标特征也要小得多、弱得多,探测、识别和拦截难度很大。
中段防御是弹道导弹防御发展的重点,海基中段拦截尤为重要。其有海上作战平台灵活部署的优势,通过由远及近形成多平台纵深梯次配置、全程接力探测与多次协同拦截,提高了对中段飞行时间相对较长的导弹目标的跟踪拦截概率。为保证探测弹道导弹持续不间断,平台间信息应实时共享,舰载雷达要具备超远程目标探测的能力;另外,指控系统要及时制定交战计划,完成第2阶段的拦截组织方案,一边接受外平台信息,一边向外平台提供弹道导弹目标信息。
弹道导弹目标再入大气层后,留给防御方末段拦截的跟踪、识别和拦截打击的时间非常短暂。弹道导弹防御系统海上末段防御分高、低2层,可分别通过海上作战平台配备舰载末段高层反导系统和舰载末段低层反导系统实施双层拦截。其中,末段的高层拦截最大拦截斜距达250 km,可在大气层外和大气层内实施2次拦截;末段的低层拦截一般针对目标高度30 km以下的空域,可为舰艇、港口、机场和岸上基地提供区域防空能力,兼容了区域防空和反导防御能力,实现从传统防空向防空反导一体化作战的转变。海基弹道导弹防御分段拦截过程如图3所示。
海基弹道导弹防御系统架构主要有以下4点:①联合多层次预警;②多层次、全方位拦截,包括助推段、中段和末段的三层防御,陆基、空基、海基、天基拦截相结合;③各军种相互协调、强调一体化作用;④覆盖范围不局限于国内,正向外扩展。
近年来,海基导弹防御系统的发展出现如下新趋势:
美国近期发布的《2019年导弹防御评估》中指出,目前超过20个国家使用弹道导弹和巡航导弹,或者正在研制高超声速武器。美军认为,不仅弹道导弹的威胁日益加重,隐身飞机、高超声速武器、天基武器、无人机“蜂群”等新型空天威胁也日益增多,导弹防御评估不能只局限于弹道导弹防御,导弹防御系统应进一步将高超声速导弹、巡航导弹等防御问题纳入全面评估范畴。防御装备需要朝着海空天一体构建、多层次立体打造、多路径构想方案的方向全面发展。
图3 海基弹道导弹防御分段拦截示意图Fig.3 Illustration of multi-layer interception of sea-based ballistic missile defense
导弹防御系统必须领先于对手的威胁,应对未来威胁的新型导弹防御系统和新概念武器正飞速发展。一方面,导弹防御系统的机动性得到提升,新型导弹防御系统得以发展,比如2020年“F-35”战斗机将试验助推段反导能力,其作为传感器节点整合到弹道导弹防御系统;SM-3 Block 2A导弹将于2020年进行洲际弹道导弹拦截试验;10年内使所有“宙斯盾”舰具备导弹防御能力;另一方面,新概念武器也快速发展,包括激光、高功微波等定向能武器和电磁武器等,比如美国导弹防御局2018年9月授出的21份“高超声速防御武器系统概念定义”研究合同中,有6份为激光武器、电磁武器等非动能拦截武器,有1份为天基拦截器。美国海军2018年宣布继续推动电磁轨道炮研发,提高发射速率,并使射程达到130~160 km。同时,为寻求对高超声速武器和弹道导弹的全程跟踪和监视能力,不排除试图探索未来可能的天基拦截弹能力。
美军导弹防御系统的预警探测系统还无法全程跟踪弹道导弹发射,尤其在导弹穿出云层前。美军认为,要实现全程准确拦截,不仅需要发展性能更强的天基预警与探测系统,而且还应发展更强的前沿预警能力。而海上平台放出的无人机集群,作为前沿预警和拦截手段,具备部署灵活、在航时间长、拦截弹发射初速度高、目标在助推段机动能力弱的优势,适合执行随遇突发作战任务。
巡逻待战的无人机集群在高空搭载红外探测器,可提供早期预警。一发现目标,无人机集群迅速向截击位置机动,占据来袭目标前方正迎头位置,向目标发射拦截弹,并进行毁伤效果评估。拦截弹制导采取与美国空射撞击杀伤系统类似的地面火控雷达制导。如果无人机与陆基“标准”Ⅲ拦截弹或改进型海基“标准”Ⅲ拦截系统相结合,可构成前沿部署的区域导弹防御系统,进一步提高导弹防御系统的拦截能力。
美军认为导弹防御的关键要素之一是寻求与盟友和伙伴之间更大程度的整合和互操作性。通过多层次更严密的攻防一体化和互操作性,美军海基弹道导弹防御系统可以更稳妥地执行好“威慑、被动防御和主动防御”的导弹防御战略。具体通过2个手段提高导弹防御系统的一体化水平:一是提高拦截系统的通用性,如正在研发的海陆通用型“标准”Ⅲ拦截弹、陆空通用的“爱国者”和“末段高空区域防御”系统拦截弹等;二是改造信息系统,提高互联互通及互操作能力。相关计划已初现端倪,日本在2018年版《防卫白皮书》中宣布,将购买2套陆基“宙斯盾”系统,与“宙斯盾”驱逐舰、“爱国者”-3地空导弹构成多层拦截系统,2023年左右部署。日本采购的陆基“宙斯盾”反导系统将使用日美正在联合开发的SM-3 Block 2A拦截导弹和最新型LMSSR雷达。
海基导弹防御系统离不开融于导弹防御一体化系统的海上平台。如果未来搭载激光武器、新型雷达,则海上弹道导弹防御平台不仅可以反导,还可以攻击卫星、飞机甚至地面目标。虽然,其还面临着诸多要解决的难题,比如平台条件限制带来的任务之间的冲突,成本过高,易受攻击等问题。但这并没有影响世界海军强国对建立海基弹道导弹防御系统的强烈意愿,比如美国海军仍在探讨发展大型弹道导弹防御舰。随着军工科技发展,更大型的海上弹道导弹防御平台或许很快就将出现。