海战场无人机威胁对舰炮武器发展的启示研究

陈 亮

（海军士官学校，安徽蚌埠 233012）

0 引言

舰炮武器自诞生以来，一直是海军水面舰艇的主战武器。早在14世纪，风帆战舰上就开始在两舷配置滑膛炮，用于撞击战和接舷战前开展舷炮战，即使用舷侧舰炮进行对射。17世纪，随着舰炮威力的增大，舷炮战成为舰队在海战中的主要战法。18世纪，随着战舰排水量的增大和大口径舰炮在战舰上的普遍配置，舷炮战战术发展成为比较稳定的战列战术。19世纪，随着技术的发展，舰炮配置了后装线膛炮、弹性炮架、供弹装置和防护罩等，具备了现代舰炮的雏形，并在20世纪的两次世界大战中起到了重要作用。21世纪以来，技术发展和作战需求对舰炮发展提出了更高的要求。

1 舰炮武器发展研究情况

近年来，相关专业的学者们从不同角度开展了对舰炮武器发展的研究。有的学者在性能上强调远射程、高精度、多功能，在设计上强调模块化、轻型化、隐身化；有的学者系统归纳了舰炮武器发展趋势，包括舰炮武器系统的远程精确打击能力、小口径舰炮武器系统作为舰艇末端防御的重要手段、多用途新型弹药的发展、快速自动智能供补弹药技术的发展等，指出应发展电热化学炮、电磁炮、垂直发射技术等新概念舰炮；有的学者研究几何强约束条件下射程与威力的均衡发展，复杂环境中自寻的精确打击智能引导技术发展，基于自组网的智能决策及弹载数据链技术发展等具体技术[1]；有的学者提出应研制大口径增程制导弹药，大幅提升舰炮对陆火力支援能力，发展炮射巡飞弹，增加舰炮对岸火力侦察、评估和毁伤的手段，研究小口径弹药不同毁伤机理，提高舰炮武器的防空能力等[2]。

上述关于舰炮武器发展的研究立足于舰炮使命任务，主要考虑对海执行远程精确打击、对岸实施远程火力支援、对空开展近程防空反导等任务背景下，应对岸上目标、水面舰艇、飞机和导弹等目标及威胁需求下舰炮的性能发展要求和技术发展举措。但是近年来，随着无人技术的发展和大量多类型无人机投入运用，海战场上无人机对舰艇的现实威胁迫在眉睫，对舰炮发展也提出了新的启示。

2 海战场无人机威胁分析

2.1 美军无人机装备现状

无人机凭借着用途多样、费效比低、无飞行员伤亡等特点受到世界各国的青睐，各国持续加大军用无人机的研制和投入。从公开新闻上看，美军已构建了较为系统完整的军用无人机体系，包括MQ-1 “捕食者”（Predator）、MQ-1C“天空勇士”（Sky Warrior）、MQ-5 “猎人”（Hunter）、MQ-9 “死神”（Reaper）等察打一体多用途战术无人机，RQ-4 “全球鹰”（Global Hawk）、MQ-4 “海神之眼”（Triton）等战略侦察无人机，RQ-7 “影子”（Shadow）轻型侦察无人机、RQ180隐身侦察无人机、RQ-8 “火力侦察兵”（Fire Scout）舰载垂直起降战术无人机、X47B舰载喷气式高速无人轰炸机、XQ-58A喷气式无人僚机、X51A“乘波者”（Waverider）、HTV-2 “猎鹰”（Falcon）等超音速无人机，“郊狼”（Coyote）、“小精灵”（Gremlins）、“山鹑”（Perdix）等蜂群无人机。美军无人机运用于陆、海、空、海军陆战队等多个军种，具有微型、小型、轻型、中型、大型、重型等多种尺寸，通过挂载相应的传感器、通信和武器模块，能够单机出动、蜂群出动或协同载人机群遂行空中侦察、通信中继、火力打击和电子对抗等作战任务。

2.2 各类无人机威胁判断

由于海战场环境的特殊性，以MQ-1为代表的中型察打一体多用途战术无人机由于活动半径、有效载荷和武器配置（主要是反坦克导弹和炸弹）等问题的制约，对舰艇编队的威胁较小。目前，对舰艇编队威胁较大的主要有RQ-4、MQ-4等长航时重型无人机、X47B等舰载重型无人机、蜂群无人机等。其中，长航时重型无人机和舰载重型无人机主要用于战场侦察或协同载人机群突防，出于其动辄数千万至上亿美元的昂贵造价和接近载人机的作战样式特性，可由战机群或舰载远程舰空导弹应对该类威胁；而蜂群无人机由于集群数量大、单体成本低、单目标特征小等特点，成为目前海战场对舰艇的重大威胁。

美国国防部公布的《2009-2034财年无人系统线路图》及《2013-2038财年无人系统一体化路线图》等相关文件中，涉及海军的无人机项目就有无人舰载监视和打击（UCLASS）、舰载无人战斗机系统关键技术验证（UCASD）、垂直起降无人机（VTUAV)和小型战术无人机/二级（STUAS/Tier II）等多个项目[3]。美空军以2016年5月发布的《2016—2036年小型无人机系统飞行规划》为蓝本，重点发展小型无人机平台、提高人机编队协同作战的能力，尤其是引起各方高度关注的分布式、低成本“蜂群战法”。

2.3 无人机蜂群威胁分析

2016年10月，美军从3架F/A-18 “超级大黄蜂”战斗机上发射了103个“山鹑”微型无人机组成无人机蜂群，机群决策系统展现出出色的相互协调能力。“山鹑”微型无人机长16.5cm，翼展30cm，全重290g，续航时间约20min，飞行速度为74～111km/h。由于其体积小、载荷低、航程短，在海战场环境下，这类微型无人机蜂群难以在舰载武器系统对空防御圈外完成投送，尚无法对舰艇编队造成严重威胁。但是，美国国防先进研究项目局（Defense Advanced Research Projects Agency，简称DARPA）主导的“小精灵”（Gremlins）项目则不然。X-61A“小精灵”无人机配备涡喷发动机，长4.2m，机身截面直径600mm，翼展3.5m，最大重量680kg，有效载荷66kg，最大速度0.6Ma（约200km/s），航程560km。2019年11月，一架X-61A无人机在C-130 “大力神”(Hercules)运输机机翼下完成了首次挂飞。2020年1月，进行了X-61A从C-130上的首次发射试验。2021年10月，在犹他州达格威试验场C-130成功捕获回收了一架X-61A，该项目的长远目标是根据作战要求，X-61A还可以从F-16、B-52和其他飞机上发射，显著增加蜂群中的系统数量。以X-61A为代表的这类空基投放的轻型无人机蜂群，具有一定的有效载荷和活动半径，能够在舰载武器系统对空防御圈外完成投送，同时单体目标特征小、单机价格便宜，具有极强的效费比，对水面舰艇编队造成严重威胁。

美国海军早在20l2年就对“伯克”级驱逐舰遭受无人机蜂群攻击的情况进行过演示验证，表明宙斯盾系统及舰载武器系统在面对这种集群攻击时的困境。由于无人机的单体雷达信号特征小，从多个方向突防时，等到发现已经来不及使用舰空导弹拦截，干扰弹也无法影响无人机的通信及控制系统，可发挥作用的只有“密集阵”近防舰炮武器系统和机枪。当无人机群以250km/h的速度来袭时，上述舰炮武器系统从发现目标到启动拦截只有15秒时间。更致命的是，防御系统往往难以合理分配火力，从而导致部分无人机能够避开拦截。对这一作战模式进行了数百次模拟仿真的结果表明，由8架无人机组成的集群进行攻击时，有2.8架无人机可实现突防[4]。2017年，美国海军成功协调由30架无人机组成的蜂群执行联合任务，包括携带爆炸弹头进行自杀性攻击。结果表明，面对自杀型无人机蜂群时，舰艇编队即便击落十数架无人机，但是仍可能有数十架甚至上百架无人机不计代价突破编队对空防御网，足以摧毁或干扰舰艇的通信、雷达、武器等系统，为反舰导弹、载人飞机等其他传统武器的攻击铺平道路。

3 舰炮武器发展启示研究

面对无人机蜂群时，当前“密集阵”类的舰炮武器作战效能难以满足舰艇近程对空防御的需求。究其原因，这类舰炮武器主要使命任务是近程反导，作为对低空突防快速目标实施直接摧毁的点杀伤武器，其设计目的在于通过较高的发射率运用大量炮弹追求命中概率，其针对的典型目标是红外特征明显的超音速反舰导弹。面对无人机蜂群时，“密集阵”类的舰炮武器存在设计功能与目标特征不适配的问题。一是舰炮备弹量与目标蜂群数量之间的尖锐矛盾。以美军阿利伯克级驱逐舰为例，装备2座“密集阵”系统，单系统备弹量约1000发，理想状态下单目标弹药消耗量约80～100发，不考虑射击转火时间、命中概率及无人机蜂群突防对舰艇的损伤问题，该型驱逐舰“密集阵”系统只能抗击约20架无人机，由于“密集阵”系统需重新装填炮弹，整个舰艇近程对空防御处于长时间失能状态。二是反舰导弹机动特征与无人机机动特征不一致。虽然反舰导弹也具备末端俯冲机动、蛇形机动等高速机动能力，但是其攻击路径仍然有章可循，在其攻击路径中仍然具备射击窗口，而无人机为典型的低、慢、小目标，具有优越的变向能力，由于火力控制系统设计问题及弹丸飞行速度问题，“密集阵”类舰炮武器的跟踪射击方式对该类目标命中概率偏低。

3.1 毁伤机制发展需求

相对导弹、载人机等传统空中目标，无人机蜂群主要具有单机成本低、单体目标特征小、攻击密度高、机动能力强等优势。上述分析表明，应对此类目标时传统舰艇武器基于点杀伤、直接毁伤的机制难以满足舰艇近程对空防御需求。但是从无人机蜂群的弱点角度来看，一是无人机蜂群速度低，且为了增强突防和攻击能力，其临舰密度较高，非常容易被造成面杀伤。二是无人机蜂群内部为了协调动作，如航路规划、防碰间距、空中避障、编组方案、攻击分配等，蜂群内的无人机具备大量电子系统，如导航系统主要采用GPS卫星导航与惯性导航相结合的方式，受到一定功率的电磁干扰后将无法获得精确的定位数据与航路规划，进而出现失控，将干扰蜂群的协同能力，降低攻击效能；控制系统需要地面、舰载或机载控制站的远程控制，其通信链路易受到电磁干扰而失效；蜂群内部通信网络主要采用无线自组网(Ad-hoc)通信模式，无人机各网络节点间能够相互转发遥控指令，交换感知态势、健康情况和情报收集等数据[5]。这些系统均为包含大量微电子器件的电子设备，易受到电磁干扰而失能。因此，针对无人机蜂群威胁，舰炮有必要在保持传统的直接摧毁机制同时，兼顾向间接毁伤发展；在保持传统点杀伤效能的同时，兼顾向面杀伤发展。

3.2 发展舰载微波舰炮武器

无人机中的微电子器件能够被电磁脉冲（EMP）损坏，损伤能量阈值只有10uJ，它们受到EMP损伤或失效，从而导致整个系统功能的失效。射频电磁波是强电磁脉冲武器辐射的电磁波，这种电磁波最主要的类型是微波。为了满足现代武器装备系统的强杀伤功率，使用脉冲电磁波是其主要手段，形成微波武器[6]。高功率微波武器（HPM）工作频率一般为300MHz～300GHz，脉冲峰值功率在100MW以上，能够在极短时间内通过高增益天线定向辐射高功率微波，形成功率高、能量集中且具有方向性的微波射束照射目标，干扰或损坏无人机的电子元器件，使其失能。公开资料表明，美国陆军“相位器”高功率微波武器系统能够损毁无人机内部的电子器件，使其控制系统和发动机失能坠毁；俄罗斯联合仪器制造公司研制的微波武器系统使无人机的通信系统失效，导致无人机失去控制；陆基高功率微波武器实验表明，对无人机有较强的作战效能。

高功率微波武器既具有直接摧毁能力，又具有间接毁伤能力。高功率微波武器对无人机电子设备的毁伤途径主要分为“前门”耦合和“后门”耦合两种方式。“前门”耦合是指微波电磁脉冲能量通过目标天线或传输线等直接耦合到其内部；“后门”耦合是指微波电磁脉冲能量通过目标表面孔洞、缝隙、线缆或壳体等耦合到其内部。通过各种耦合途径进入目标内部的电磁脉冲能量能够对电子元器件造成间接毁伤或直接摧毁。原因可能包括热二次击穿、瞬态场致电压击穿、复杂波形引起的其他失效、瞬时热效应引起的金属化失效等[7]。电磁脉冲能量可以使无人机内部控制系统、通信系统、定位系统的电子元器件出现高功率微波热效应从而失能或烧毁；还可以通过干扰电磁场使电子元器件产生误动或功能失效，使数字电路出现逻辑错误或输出异常信号，造成无人机定位失效、控制失能、相互间通信失败，甚至直接烧毁。同时，高功率微波武器还是一种典型的面杀伤武器，高能电磁波在空间形成一个以微波武器波源点为中心、以波束角为张角的圆锥体型杀伤区域，在目标所在平面内形成一个不规则椭圆的杀伤覆盖区域，该区域的长短轴长度与微波武器的波束角、发射倾角及目标高度相关。

相对于“密集阵”（弹丸初速约1113m/s，有效射程约1800m，20mm脱壳穿甲弹约2s才可抵达预定弹着点，需提前解算诸元，无人机飞行机动改变状态后则命中率下降）等高射速点杀伤小口径近程防御舰炮武器而言，高功率微波武器（电磁脉冲光速传播）具有打击命中率高、无需储备弹药、更换弹药方便、实现大范围面杀伤的强大优势；相对于高能激光舰炮武器而言，高功率微波武器具有受气象条件影响小、指向精度要求偏低和实现大范围面杀伤的巨大优势，成为舰炮发展的新方向。

3.3 发展电磁脉冲炮弹

立足于现有中大口径舰炮作用的发挥，出于不同距离下梯次抗击无人机蜂群的实际作战需求，基于舰载微波舰炮武器的毁伤原理，可发展电磁脉冲炮弹。电磁脉冲炮弹通过内部电子元件产生初始电流与磁通量，利用火炸药爆炸能量压缩初始磁通量从而产生高脉冲电压，激发微波，将在空中形成定向的微波辐射范围。电磁脉冲炮弹将水面舰艇对无人机蜂群的抗击距离从数公里拓展至数十公里，与舰载微波舰炮武器配合，形成较为完善的对无人机蜂群防御能力。

4 结语

舰炮武器作为海军水面舰艇的主战武器，除攻击岸上目标、水面舰艇、飞机和导弹等多种传统目标外，还需要作为应对无人机蜂群威胁的重要武器。高功率微波具有集直接摧毁和间接毁伤机制一体的面杀伤能力，其反无人机效能也受到了多项实验的检验，成为舰炮武器的重要发展方向。当然作为舰炮武器而言，舰载微波武器还需进一步解决一系列技术问题，以进一步提高主瓣功率、增强射程及毁伤能力，降低副瓣对己舰电子设备的影响。电磁脉冲炮弹还需进一步解决电子元件抗过载能力、空中微波定向等问题。随着技术发展与难题破解，上述武器将与当前各类主战舰炮武器配合，共同成为水面舰艇海空防御的坚实屏障。