首发 | 美智库报告分析高超音速武器防御问题

导读

伴随高超音速武器的迅猛发展，如何防御这类新兴武器日益成为各国试图探索的重要问题。美国智库“战略与国际研究中心”（CSIS）两位研究员汤姆·卡拉卡（Tom Karako）和马索·达尔格伦（Masao Dahlgren）在其报告《复杂的防空：反制高音速导弹威胁（Complex Air Defence: Countering Hypersonic Missile Threat）》中分析了反制高超音速导弹的一些可行方法，对应对和解决高超音速导弹威胁问题具有一定参考价值。现将原文主要观点编译如下，以飨读者。

图1 《复杂的防空:应对高超音速导弹威胁》报告封面

从大约5马赫开始，飞行物体会遇到不同于超音速和太空飞行空气动力学和热力学的现象。高超音速武器高飞行速度大、飞行高度低、机动性强的特点令其很难被世界现有防空导弹系统有效拦截超音速。近年来，世界各国的高超音速武器开发和部署工作迅速推进，使我们不得不思考：要如何有效防御乃至反制高超音速导弹？

一、高超音速导弹的特点

高超音速武器与其他导弹的区别在于，它们能够在大气层中保持较高速度并灵活变轨，这对现有防空体系构成了巨大挑战。因此，反高超音速作战必须依赖新的感知和拦截能力、新的作战概念和理论组织体系。

物体高速飞行必然需要承受与大气高速摩擦产生的极端气热环境。高超音速武器以大约20马赫的速度重新进入大气层后，其表面将超过2000摄氏度。在这种环境下，气体分子电离成等离子体，与飞行器表面发生剧烈反应，会产生高温效应、低密度流等一系列特殊现象。

（一）高温效应

空气分子的分离、等离子体的形成以及隔热材料漏气，都会使热防护系统的设计复杂化，并可能引发抗电磁干扰等一系列问题。

（二）低密度流

在将近100公里的高空，大气的物理特性类似于离散粒子而不是连续的气流。在大气层边界，撞击导弹的空气分子可能永远不会与其他空气分子相互作用。

虽然高超音速武器的机动性很强，难以拦截，但是高超音速武器不会带来核武器那样毁灭性的打击，因此，反高超音速导弹将仅仅是一种较为复杂的防空。首先，防御系统无需在寒冷真空的太空中识别弹头，从而省去了弹道导弹防御中最棘手的挑战之一。其次，虽然高超音速导弹机动性高，但高超音速武器的红外特征更为明显，飞行高度更高，更容易被探测到，而且频繁机动会对其性能产生一定损耗。采用动能效应器、电子战和定向能系统等多种拦截机制的防御体系结构，是高超音速武器的劲敌。所以高超音速防御从理论上讲是可行的。

图2 高超音速武器与其他导弹弹道对比

传统防空系统中的地面雷达跟踪、天基传感和低延迟网络等依旧可以在高超音速防御系统中发挥作用。不过，需要明确的是，将弹道导弹防御系统转换为导弹防御系统(Missile Defense System，简称 MDS)将需要相当大的改进和优化。

二、高超音速防御系统现状

现阶段，高超音速防御的发展还囿于概念的研究。美国在高超音速防御系统的研发经费一直远小于高超音速导弹研制经费。高超音速防御最重要的组成单位是一个完善且使用寿命高的天基传感器，能够获取、观察、分类和跟踪高超音速的威胁。其次是滑翔相位拦截器，其实用性高，但是研发速度缓慢，技术尚不成熟。最后，美国导弹防御局(Missile Defense Agency，简称 MDA)和美国海军正在研发海基末端高超音速防御项目。

（一）天基传感器(Space Sensors)

传感器仍然是实现高超音速区域防御能力的核心瓶颈。目前的弹道导弹防御系统依赖相对少量的水面雷达来跟踪导弹。受地平线的限制，目前的弹道导弹防御系统传感器只能在飞行的最后阶段支持反高超音速交战。因此留给计算、通信和开火的时间十分有限。

搭载低延迟通信网络的天基传感器具有全程跟踪高超音速武器的能力。这种能力对于在飞行早期干扰和击毁高超音速导弹至关重要。但目前这种能力还十分有限。在地球同步轨道上的传统导弹预警系统可以探测高超音速武器火箭助推器的热羽流，但灵敏性远达不到追踪高超音速导弹的要求。

图3 天基传感器跟踪低空目标

因此，美国导弹防御局正在开发弹道跟踪太空传感器(Hypersonic and Ballistic Tracking Space Sensor，简称 HBTSS)，这是一种能够跟踪高超音速武器的卫星群，保真度高且延迟低，以支持拦截。跟踪层的卫星位于近地轨道(Low Earth Orbit,简称 LEO)，可以在高超音速武器发射初期、飞行的早期阶段探测到它们，在高超音速导弹滑翔阶段将跟踪数据传递给太空传感器。尽管研发过程比较顺利，但仍存在数据传输和处理困难、能源供应不足和使用寿命过短等问题。

（二）海基终端拦截系统（Sea-Based Terminal，简称SBT）

海基终端拦截系统，是美国首个用于拦截高超音速武器的末端拦截系统。配备有标准导弹-6（Standard Missile-6,简称SM-6）的海基终端拦截系统最早于2018年部署。不过，海基终端拦截系统目前还不完善，为了使其能够应对更先进的高超音速威胁，还需要进一步的优化。

（三）滑翔相位拦截器（Glide Phase Interceptor）

目前，导弹防御系统主要依靠天基红外探测和地面雷达跟踪，高超音速武器在低空飞行时，仍然在地面雷达的跟踪视界之下。即使高超音速武器在滑翔阶段被追踪到，中段拦截弹也无法完成拦截。

图4 高超音速武器最低飞行表面传感器

目前的防空和导弹拦截系统架构，无法拦截具有高速机动性的目标。因此在高超音速导弹飞行末段阶段拦截成功率非常低。而高超音速武器在滑翔阶段会规避机动以节省能量，因此更容易被追踪，也会提供较长预警时间。所以在飞行的早期滑翔阶段拦截高超音速武器的成功率将大大提高，滑翔相位拦截器至关重要。

高超音速防御系统可以将上述单元和其他系统结合起来，以最大限度地利用运动学漏洞，降低乃至化解高超音速武器的威胁。

三、转换防御思路

高超音速武器速度很快，但不能瞬间转向。高速飞行带来的高温和阻力限制了它们的高速机动能力。无动力高超音速滑翔机每一次机动都会降低巡航速度和航程。虽然高超音速导弹转弯后可以消耗额外的燃料恢复速度，但超燃冲压发动机难以承受多次急转弯。

图5 频繁变轨降低性能的原理图

高超音速武器通过进行机动消耗大量燃料，因此通过诱导其更早或更频繁的机动以降低其有效射程，实现防御效果。尽管高超音速导弹的弹道相对难以预测，但为了节省能量和时间，高超音速导弹也会选择最佳路线。防御系统则可以利用这些最佳路线来部署拦截计划。

（一）传感器的部署

报告建议在太平洋部署包括先进数字雷达在内的分布式冗余传感器防御体系结构，这样高超音速导弹不得不消耗大量能量进行机动，否则其行动将会被持续监测。

（二）建模等软件技术

反高超音速导弹系统的建模和仿真模块需要增强和优化。美国“指挥、控制、战斗管理和通信”系统（C2BMC系统）中的先进建模软件可以通过预测敌方导弹的发射位置和轨迹，进而优化防御单元的布署。人工智能和机器学习工具则可以优化武器资源利用。

四、新概念拦截方式

在高超音速飞行状态下，即使是很小的粒子撞击也会损坏或破坏机体的稳定，进而导致导弹性能降低乃至脱靶，间接达到拦截目的。因此除命中杀伤外，以下几种方式也可以达到拦截效果。

（一）区域范围杀伤

命中拦截弹头能够对目标造成灾难性的破坏，更容易确认拦截是否成功。不过，高超音速武器很难被击中，所以在不诉诸核爆炸或其他大规模能源装置的情况下，可以利用区域范围杀伤效应来补偿目标的不确定性。高超音速武器即使没有被灾难性地摧毁，也无法顺利完成任务。

图6 利用区域范围效应补偿弹道不确定性

（二）粉尘防御

在高超音速的速度下，大气尘埃、降雨和其他粒子对导弹的影响,可以具有子弹一样的动能,从而破坏导弹的结构。美国早期研究资料显示，大气中的灰尘、雨水和其他碎屑颗粒与高速飞行器相撞后，能够“削平”其表面“突出物”。高超音速导弹高速飞行过程中，即便是与微小颗粒碰撞，也会削弱其飞行速度，或导致其结构损伤。如果有针对性地将这些“颗粒弹头”布置在高超音速导弹的来袭路径上，可影响其性能并改变其飞行轨迹，从而在不对其进行击毁的情况下达到拦截目的。该报告称，这种拦截方式不仅简单方便，而且对探测和控制技术要求不高，可大幅降低部署成本。

图7 大气尘埃、降雨和其他粒子对导弹的影响与速度关系图

（三）高功率微波（High-powered microwave ，简称HPM）武器

高功率微波武器适用于多种天气，且性能可靠。高功率微波武器可以利用辐射屏蔽的漏洞来实现干扰目的。微波辐射可以通过以相同频率工作的天线进入高超音速武器，破坏内部电子设备，进而破坏飞行器的导航能力。不过，高功率微波武器也将损坏附近的友军装备。

（四）模块化弹头导弹

模块化弹头导弹能够容纳包含爆炸碎片、粒子弹头、定向能和电磁系统在内的多种弹头，可以有效拦截高超音速导弹。替代有效载荷类型可以提供比传统命中杀伤系统更大的灵活性，且容错率更高。新型粒子弹头的部署速度更快。针对不同类型的高超音速导弹，可以搭载不同特性的弹头，例如燃烧、烟幕或腐蚀性。高超音速武器的设计深度集成化，这种拦截方法将在长时间内有效。

图8 模块化弹头导弹概念图

五、结语

高超音速武器是矛，高超音速防御系统是盾。反高超音速武器作战复杂但是可行。高超音速武器的飞行过程相较于传统弹道导弹和巡航导弹更为复杂，但又不会带来核武器那样毁灭性的打击，因此进行高超音速防御迫切呼唤新思路。这一任务定位将对理解和应对大气层附近日益多样化的威胁变得越来越有用。报告认识到高超音速防御不仅仅是传统弹道导弹防御的附属问题，这既点明了问题的范围，也提示我们应创新性地利用高超音速飞行本身的特性而“对症下药”。有关高超音速武器防御的问题任重而道远，需要各国绵绵为力久久为功。所幸我们已经看到不少国家正在为此积极努力。

THE  END

文字 | 王 骏（国防科技大学）、文力浩（国防科技大学）

图片 | 来源于原报告和网络

编辑 | 谢士娇

审阅 | 张于舒晴

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