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美国陆基中段防御系统揭秘.pdf

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资源描述

1、8 太空探索2013年第3期视点编者按:1月27日,中国在境内再次进行了陆基中段反导拦截技术试验,试验达到了预期目的。同一天美国也进行了陆基中段导弹防御系统(GMD)的飞行试验。陆基中段导弹防御是一个什么概念?它的技术难点在哪?又由哪些构成要素?美国的试验结果如何?本刊综合国内外消息进行了分析,供读者参考。2013年 1月 27日,美国在加利福尼亚范登堡空军基地成功进行了代号为 GM CTV-01的“陆基中段防御”( GMD)飞行试验。导弹成功完成预定动作后飞向外太空。此次试验没有设置拦截程序,也没有设置要拦截的预定目标,只是2010年 12月 FTG-06a试验失败后扩展试验的一部分。但试验

2、中使用的改进型外大气层杀伤器表现符合预期,在合适的高度进行了拦截弹机动,达到了进行拦截所要求的末速度,对下一阶段拦截试验成功具有重要意义。在大气层外同归于尽陆基中段防御任务是在大气层外拦截处于中段飞行的远程和洲际弹道导弹,并通过直接碰撞杀伤方式 摧毁它们。美国“陆基中段防御”计划于 1992年正式启动,当时称为“国家导弹防御”( NMD)系统,与“战区导弹防御计划”并行发展。 1999年 NMD进行首次拦截试验。 2001年, NMD正式改名为“陆基中段防御”系统。首枚陆基拦截弹( GBI)于 2004年 7月部署在美国阿拉斯加州格里利堡, 2005年具备初始作战能力。近期发展目标是具备针对远

3、程弹美国陆基中段防御系统揭秘 王庆国美国GMD拦截导弹示意图道导弹的有限拦截能力,对外宣称假想敌是朝鲜和伊朗等国。长远目的是保护美国本土 50个州免遭有限数量远程及洲际弹道导弹袭击,真正的假想敌是俄罗斯和中国。美国 G M D系统主要由陆基拦截弹、天基预警卫星,改进的早期预警雷达, X波段雷达以及战场管理指挥控制通信系统五大部分组成。全部建成后,包括 2处发射阵地、 3个指挥中心、 5个通信中继站、 15部雷达、 30颗卫星、 250个地下发射井和 250枚拦截导弹系统。预警卫星用于探测敌方导弹的发射,提供预警和敌方弹道导弹发射点和落点的信息。这些卫星都属于天基红外系统,也就是说靠敌方发射导弹

4、时喷射的烟火的红外幅射信号来探测导弹。改 进 的 预 警 雷 达 是 系 统 的 “ 眼睛”,能预警到 4000千米 4800千米远陆基雷达监控运行中心GMD陆基发射场GBI发射井通信站早期预警雷达洲际导弹X波段雷达通信站再入段导弹预警卫星陆基拦截弹杀伤器指挥控制系统站太空探索2013年第3期 9视点美国“铺路爪”雷达系统天基预警卫星在轨示意图表 1 GMD系统子承包商子承包商 GMD系统子系统雷声公司外大气层杀伤器(EKV)陆基雷达(GBR)升级预警雷达(UEWR)(阿拉斯加“铺路爪”)前置X波段雷达(FBXB)如海基X波段平台航天喷气公司 姿轨控系统轨道科学公司陆基拦截弹:每一枚拦截弹有一

5、个导弹发射井和一个发射井发射井界面穹顶(SIV,一个靠近发射井的地下电子间)诺斯罗普格鲁曼 作战管理指挥控制和通信(BMC3)TRW公司 指挥控制通信系统轨道科学公司 助推器作战管理指挥控制和通信中心GBI导弹的目标。美国除要改进现有部署在阿拉斯加的地地弹预警雷达以及部署在加州与马萨诸塞州的“铺路爪”雷达外,还要在亚洲地区新建一个早期预警雷达。 X波段雷达是一种宽频带、大孔径相控阵雷达,将地基拦截弹导引到作战空域。地基拦截弹是系统的核心,由助推火箭和拦截器 (弹头 )组成,前者将拦截器送到目标邻近,后者能自动调整方向和高度,在寻找和锁定目标后与之相撞,将它击落在太空上。作战管理指挥控制通信系统

6、利用计算机和通信网络把上述系统联系起来。 这些系统部署后, 24颗整天围绕地球不断旋转的低轨道预警卫星和 6颗高轨道卫星,一旦探测到敌方发射导弹,立刻跟踪其红外辐射信号。通过作战管理指挥控制通信系统,卫星除将导弹的飞行弹道“告诉”指挥中心外,还要为预警雷达和地基雷达指示目标。预警雷达发现目标后,将导弹的跟踪和评估数据转告前置雷达。一旦收到美国航天司令部的发射命令后,拦截弹就腾空而起。拦截器靠携10 太空探索2013年第3期视点表 2 拦截弹主要战术技术性能型号 拦截弹(LM-BV火箭) GBI(OBV火箭)对付目标 中远程洲际弹道导弹最大作战距离/千米 4500 5000最小作战距离/千米 1

7、000最大速度Ma 20.6 24.4制导体制 GPS/惯导+末段红外/光学发射方式 地下井垂直发射弹长/米 16.26 16.8弹径/米 1.02(第一级),0.7(第二、三级) 1.27发射质量/吨 14,682 12.7动力装置 三级固体火箭发动机战斗部 大气层外拦截器(EKV)杀伤器长度/米 1.39 1.39直径/米 0.61 0.61质量/千克 64 64拦截速度Ma 715带的红外探测器盯上来袭导弹,大气层外杀伤器竭尽全力 (靠动能 )与它相撞,与对方同归于尽。系统的主承包商为波音防御和空间(BDS)公司,子承包商如表1所示。美国中段拦截弹的两种方案美国陆基中段拦截弹由三级固体助

8、推火箭和“大气层外杀伤器” ( EKV)组成。助推火箭曾有两种方案:轨道科学公司研制的 OBV火箭和洛克希德 马丁公 司研制的LM-BV火箭。LM-BV火箭的第一级采用 ATK公司研制的 GEM-40VN火箭发动机;第二和第三级采用 UTC公司研制的 Orbus-1A火箭发动机。采用这种助推火箭的陆基拦截弹的助推时间约 145秒,关机速度为海基X波段前置雷达OBV助推的拦截弹雷声公司研制的EKV太空探索2013年第3期 11视点美国中段防御拦截弹升空瞬间 LM-BV助推的拦截弹表 3 陆基拦截弹试验记录日期和试验名称 命中情况 备注1999年10月2日IFT-3 成功 进行导引头定位能力试验,

9、检验杀伤器性能,非真正意义上全系统试验。2000年1月18日IFT-4 失败杀伤器的红外传感器冷却系统出现故障(氪气冷却系统存在水分导致未正常冷却),未完成目标识别、机动变轨和拦截目标任务。2000年7月8日IFT-5 失败首次全系统集成飞行试验,目的是验证全系统的技术可行性。杀伤器与助推器没有分离2001年7月14日IFT-6 成功试验中除验证杀伤器的定位、跟踪和直接碰撞拦截并摧毁目标外,还考验了系统集成状态下其部件间的匹配性。2001年12月3日IFT-7 成功杀伤器在太平洋上空 224千米处成功拦截并摧毁模拟弹头。试验成功验证了杀伤器飞行性能和碰撞后摧毁技术,并验证了系统各组成部分集成的

10、能力。2002年3月15日IFT-8 成功这是最复杂的一次试验。试验中靶弹携带 3个气球诱饵,以检测拦截弹识别能力。拦截弹发射9分 钟后在太平洋上空225千米处将靶弹击毁。2002年10月14日IFT-9 成功杀伤器在距靶弹约 2300千米处与推进火箭分离后,在包含三个诱饵的五个物体中辨识出弹头,6分钟后在太平洋上空225千米处将靶弹击毁。2002年12月11日IFT-10 失败 杀伤器和助推器没有分离。IFT-13c 失败此次试验主要是对指挥与控制、战场管理及通信部件进行系统试验。因软件配置出问题导致拦截弹未能发射。2005年2月13日IFT-14 失败 发射井支承臂没有撤离,触发了自动取消

11、发射功能,导致拦截弹未能发射。2006年9月1日FTG-02 成功试验中使用作战状态配置的陆基拦截弹火箭推进系统和杀伤器,试验目的是检测全系统及拦截弹传感器技术性能,收集试验数据。2007年5月25日FTG-03 未试验 因靶标发射后出现故障,拦截弹没有发射。2007年9月28日FTG-03a 成功 试验旨在验证武器系统的性能及可靠性。2008年12月5 日FTG-05 成 功试验旨在证明系统对远程目标的拦截能力,据称是针对复杂靶弹的一次最真实、最全面、最具挑战性的拦截试验FTG-06 失败 系统传感器性能出现问题。X波段雷达故障导致拦截弹错过目标,拦截试验失败。2010年12月15日FTG-

12、06a 失败 杀伤器在飞行最后一秒出现制导错误。2013年1月27日GM CTV-01 成功 未设定目标5.44千米 /秒。由于在研制中遇到技术问题,该计划进度延误。外大气层杀伤器是一个可以自主寻的和机动的飞行器,通过直接碰撞方式拦截并摧毁弹道导弹弹头。由导引头、推进系统、制导设备和姿轨控系统等组成,采用偏二甲阱和四氧化二氮液体推进剂( 9千克 14千克)。末段可以大约6.7千米/秒的速度飞向目标。EKV的多波段导引头采用 1个可见光探测器和 2个红外探测器,可捕获、跟踪和采集典型威胁目标群的有关数据。该导引头由碲铬汞红外焦平面阵列和位于光学望远镜末端的低温冷却装置组成,可见光探测器为远程探测

13、器,除了确定自身方位外,还可捕获与跟踪在阳光照射下的目标。两个长波红外探测器用于捕获位于阴影区的目标。长波红外探测12 太空探索2013年第3期什么叫陆基中段导弹防御弹道导弹飞行分上升段、飞行中段和再入段三个阶段第一个阶段叫上升段,是指导弹从发射架发射到导弹飞出大气层的过程;第二个阶段称为飞行中段,指导弹飞出大气层外,在大气层外向目标区域飞行的过程;第三个阶段就是导弹到达目标区域上空附近,命中目标的过程,一般称为重返大气层阶段或再入段。目前的反导技术主要是针对这三个不同的飞行阶段进行拦截的技术:上升段拦截技术、在大气层外实施的陆基中段拦截技术和针对再入段的末段拦截技术。从导弹飞行的阶段来看,越

14、早拦截效果会越好。国际反导技术的发展趋势是尽可能地提前拦截,如果能在上升段拦截是最好的,但难度也是最大的。目前典型的上升段拦截技术有美国试验的装在波音 747飞机上的 ABL机载反导武器系统。因此,中段拦截的重要性不言而喻。目前,我们看到最多的是末段拦截技术的武器,比如美国的“爱国者” 3、俄罗斯的 S-300和 S-400等。这些导弹都具备在大气层内 针对导弹的末段进行拦截的能力,它们都属于末段反导技术的范 畴。知识链接美国弹道导弹飞行过程和防御阶段示意图中段拦截与末段拦截区别末段拦截的拦截高度一般为 20千米30千米,拦截范围的半径也是几十千米。而中段拦截弹的拦截高度通常都在几百千米以上。

15、所以中段拦截所使用的拦截弹与末段拦截完全不同。中段拦截和末段拦截的目标有很大差别。末段拦截针对多种目标,可以针对中远程弹道导弹,但更多的是针对近程弹道导弹,比如“飞毛腿”。而中段拦截弹则是针对中远程乃至洲际弹道导弹。中段拦截导弹由一个大型的助推火箭和拦截弹头两部分组成。拦截弹头相当于一个小的“导弹”,虽然,在外太空飞行没有空气阻力,不需要做空气动力学等方面的外形考虑。但是,“麻雀虽小,五脏俱全”。这个“小导弹”有动力、跟踪、目标识别等系统,同时有自己的杀伤部分。中段拦截技术难点在拦截弹头拦 截 弹 头 由 于 质 量 和 大 小 的 限制,必须拥有小型化的结构。同时,弹头的飞行精度要求很高,要

16、有很灵敏的目标捕获的制导系统。另外,指器各有一个 256 256元的红外焦平面阵,分别工作在长波红外波段的低端和高 端。E K V的制导设备主要由信号处理器、数字处理器和惯性测量装置等组成。信号处理器负责处理导引头获取的目标数据,并准确确定目标方位;惯性测量装置提供杀伤器精确位置和速度数据;数字处理器负责目标信息和杀伤器自身运动参数,识别真假目标、选择瞄准点并计算正确的拦截弹道,控制姿控与轨控系统工作,使杀伤器准确地飞向目标并与之相撞。EKV的姿轨控系统由 4台轨道控制发动机、 6台姿态控制发动机和推进剂储箱等组成,用于为杀伤器提供横向机动飞行能力和保持姿态稳定。初步具备实战功能小布什政府期间

17、,为实现有限防御能力应对不断出现的威胁,美国提出了“边研制、边部署”的策略发展导弹防御系统,要求尽可能早部署“陆基中段导弹防御系统”。这种高风险的采办策略造成已部署系统实际作战能力不足。1999年以来,美国一共进行 16次中段拦截试验, 9次成功。试验成功率仅为EKV结构图视点安控系统(2)变轨推进器(4)氮气瓶(2)复合连接结构多色导引头传感器遮阳罩太空监视卫星高度导弹预警卫星飞行中段中段防御再入段上升段宙斯盾导弹防御系统宙斯盾导弹防御系统宙斯盾导弹防御系统战区反导系统战区反导系统战区反导系统宙斯盾导弹防御系统洲际弹道导弹射程(千米)近程弹道导弹 中程弹道导弹 远程弹道导弹机载激光反导武器机

18、载激光反导武器机载激光反导武器“ 爱国者”3“爱国者”30 0 600 0 1,300 0 5,500 10,000太空探索2013年第3期 13挥系统计算机的计算能力也要很强,速度要很快。当然,助推火箭也要有一定的要求,最好是速燃火箭,这样才能在尽可能短的时间里把反导拦截弹头送入到大气层。另外,助推火箭的控制精度要求也相当高,如果误差超过弹头制导系统所能捕获的范围,也不能达成拦截效果。构成一个完善的中段反导拦截系统是很复杂的工程,要有强大的导弹预警监测系统,而构成这个预警监测系统的核心就是导弹预警卫星,还要辅助于一些远程测控雷达,同时还要有高效、快捷指挥系统。美国陆基预警雷达系统一是美国空军

19、的 474系统,有 12部超视距雷达,分别设在阿拉斯加的克利尔、格陵兰的图勒和英国的菲林代尔斯,探测距离为 3200千米 4800千米,用来探测卫星及从北方和东方对美国本土和加拿大南部实施攻击的洲际导弹;二是在阿留申群岛的谢米亚建立的“丹麦眼镜蛇”相控阵雷达系统,探测距离 4600千米,用以加强设在阿拉斯加的弹道导弹预警系统。这些雷达预警系统可对来袭 弹道导弹提供 10分钟 15分钟 的预警时间;三是设在北达科他州的大福克斯的相控阵雷达,作为“外围搜索雷达定性系统”,探测距离 2800千米,用于探测、识别北部上空的单个重返大气层飞行器(含潜射弹道导弹);四是分别设在马萨诸塞州和加利福尼亚州的相

20、控阵雷达系统“铺路爪”系统,探测距离 5500千米,分别探测从大西洋和太平洋的潜艇发射的弹道导弹,可提供6分钟的预警时间。美国战区导弹防御系统示意图中段反导拦截是一个实战系统中段反导拦截系统是一个实战系统。弹道导弹从发射到进入中段飞行的时间很短,如果想要在中段实施拦截,就要尽可能提前发现对方发射的弹道导弹,同时要在其上方进行跟踪、计算飞行弹道,这样才能计算出最佳拦截点,将中段拦截弹发射到拦截点的位置,释放拦截弹头。56%,远低于“战区防御系统”、“爱国者”3等系统的试验成功率。截至去年底,美国已完成两个基地共计 30枚拦截弹的部署(阿拉斯加州格里利堡基地 26枚,加利福尼亚州范登堡空军基地 4

21、枚),并在近两年内维持这一数目。2013财年,美国保持 30枚 G B I的部署规模,并继续进行拦截弹的升级改造;新生产 5枚拦截弹用于系统飞行试验、贮存或备份,使拦截弹总数达到 57枚;继续进行拦截弹发射场建设,计划总共建造 38个发射井(格里利堡空军基地 34个,范登堡 4个);继续进行拦截弹和地面系统的软件建设,开始在鼓堡建设“飞行中拦截弹通信系统终端”。今年夏季 将利用改进后的增强型杀伤器进行拦截目标的试验。 转向分阶段的发展策略奥巴马上台后,美国政府于 2010年发布了弹道导弹防御评估报告,提出 “分阶段适应法”的发展策略,降低研发与部署风险。发展重点是提升已部署拦截弹的质量,新增地

22、下发射井,提升系统性能和备战能力。在 2010试验失败后,经过一年的停顿,此次试验采用新型杀伤器进行飞行试验,而没有直接进行拦截试验,充分体现了美国为降低系统试验风险采用分阶段研发的思路。这与“战区导弹防御系统”、“宙斯盾”导弹防御系统发展策略也是一致的。本次试验也是在工业部门主推下进行的,本次试验成功一定程度上为后续经费争取增加筹码。近几年,美国国防预算逐年减少, GMD系统在 2011财年、2012财年和 2013财年预算分别为 12.455亿美元、11.595亿美元和9.032亿美元。近年,美国导弹防御系统建设取得重大进展,多个导弹防御系统研制与试验取得重要进展,特别是 区域导弹防御能力

23、进一步提升。 2012年 10月,在接近实战场景下成功拦截了 5枚目标靶弹中的 4枚,首次验证了多个导弹防御系统协同作战以对抗多目标饱和攻击的能力,演示了其战区级导弹防御能力。随着中远程弹道导弹威胁程度不断增加,美国在发展区域导弹防御系统的同时,会注重发展本土弹道导弹防御能力,以解决拦截弹关键技术为突破口,全面提升系统实战能力,为美国本土免遭弹道导弹攻击构筑更为坚实的盾牌。视点军事星天基激光武器机载激光武器低轨天基红外系统高轨天基红外系统海军战区反导系统全天候空中预警机联合监视目标攻击雷达系统末段高空防御“爱国者”3 “爱国者”3F-15F-22美国陆基中段防御系统揭秘作者: 王庆国作者单位:刊名: 太空探索英文刊名: Space Exploration年,卷(期): 2013(3)引用本文格式:王庆国 美国陆基中段防御系统揭秘期刊论文-太空探索 2013(3)

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