如何对抗威胁飞机的无人机“空中雷场” 编者按: 美国《空天力量》杂志2017年夏

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编者按:傻大方资讯 http:///

美国《空天力量》杂志2017年夏季刊发表了题为《如何对抗威胁飞机的无人机“空中雷场”》的文章,对无人机面临的空中威胁进行了评估,并探讨如何打击空中无人机蜂群。作者是莱斯利·霍克,现任美国空军总部特种技术作战主任。其曾任指挥飞行员,拥有超过2100 小时的飞行经验;另一作者约翰·盖斯是美国空军退役上校,现任阿拉巴马州马克斯韦尔空军基地空中力量研究专案组主任。

摩尔定律指出,集成电路的处理能力每18个月提升一倍。从这种趋势和其他可预见的技术进步可以推断,至2025年,目前广泛扩散的四旋翼无人机及其更新的机型将具有自主化飞行的能力,且飞行高度更高、飞行时间更长,并能做复杂的编队控制机动。由于无人机已经在这些领域取得长足进步,这些推断可能很快成为现实。此外无人机可能用增材制造技术，即3D打印机生产,成本更低,且可能很快能装备武器。本文后续论述均基于这个判断。

本文评估无人机可能带来的空中威胁,并探讨对抗这种新兴技术的可能手段。包括定向能武器和动能武器选择等。本文所做研究表明,敌人可能很快会像过去运用高射炮火或“神风敢死队”那样,使用无人机蜂群对付美国的机群,因此需要增加投资来研发对抗无人机蜂群的技术。

▲波音小型激光武器系统采用光电- 红外探测技术跟踪无人机

▲至2025年，目前广泛扩散的四旋翼无人机及其更新的机型，将具有自主化飞行的能力，且飞行高度更高、飞行时间更长，并能做复杂的编队控制机动

犹如“空中雷场”的无人机蜂群威胁傻大方资讯 http:///

1921年,朱利奥·杜黑在《制空权》中提出,飞机应被用作进攻性武器。他认定,如果要想打败敌人,就应该积极攻击敌人空军在空中飞行的资产,以及在地面的资产。杜黑质疑高射炮即“三A”炮的防空效果,主要是其命中率太低,他将其比作“一个人骑着自行车想逮住一只信鸽。”自杜黑理论问世以来,世界已经发生很大变化,虽然制空权对己方有效实施空中和地面行动仍然必不可少,但是杜黑的理论中有许多已然过时,其中一项变化是,我们必须抓住敌机成为威胁之前就实施攻击的机会。温斯顿·丘吉尔在1914年曾经阐述过这一观点:“对抗空中威胁的最佳防御,是在距敌机出发点尽可能近处实施打击。”

无人机蜂群拥堵天空,犹如雷场,等待飞机与其相撞,或者甚至主动冲向飞机并像“神风敢死队”那样撞毁飞机——这种概念有些类似二战中使用氢气球的做法,当时的交战国就曾使用氢气球作为空中屏障。这种想法可能也借鉴了广泛采用的针对飞机的高射炮火幕和战术。

在第二次世界大战中,友军和敌军都曾使用气球悬吊钢丝组成无法穿越的拦阻网来“区域拒止”低空飞行的飞机。这种手段今天在军事术语中被称为“拦阻幕防御”,其含义已经从最初的气球防御,演进到现在以高射炮火和无人机群来阻止来袭兵器打击己方目标。今天的对手在相关区域部署高射炮阵,希望击中逼近的敌机,加以毁伤而无法攻击。这些称为“拦阻幕防御”和“弹幕”的战术在二战中无法精确打击目标,但应用现代技术后,能更加精确锁定入侵飞机目标。今天,雷达跟踪系统能使高射炮精确发射,提高命中率。

像高炮的演进一样,无人机将很快具备猎杀和摧毁能力。目前已有计算机算法可使无人机具备“看见并规避”的能力,在麻省理工学院的一项研究中,人工智能实验室的一名研究生使用开放源代码立体视觉算法,能让“无人机以每秒120帧图像的速度实时地侦测周围物体并绘制一个全景图。”由此可推断,这种计算机演算系统能反过来应用——看见而不规避,迎头撞上。

这些技术发展将使无人机装备进攻思维模式,而不是如麻省理工学院研究中所建议的仅发挥防御阻拦作用屏障。无人机技术正向着能力越来越强而造价越来越低的方向发展。下表列出截至2016年12月可从市场买到的前10名商用无人机的性能指标和价格。至本文发表时,表中所列无人机价格一直在下降——其中有些品牌自2015年以来价格下跌超过50%。(见图表1)

电池技术的发展速度日新月异,例如,在剑桥大学,“能源密度极高,效率增加90%以上的”锂-空气电池有希望增加10倍电能和寿命,并有望在下个10年内实现商业化。电池能力增加10倍将保障上表中的一些无人机飞行时间超过2小时以上。

鸟类通常会拼命躲避迫近的飞机,但杀手无人机不躲避,攻击型无人机将具有很高的杀伤率。根据规定,如果发生真实的或可疑的鸟攻击,美国空军飞行员必须要停止训练任务;显然,无人机攻击也将迫使他们停止飞行。例如,最新发生在阿富汗的RQ-7无人机撞上一架C-130运输机,不仅造成运输机油箱破裂,而且损毁了机翼梁和机翼盒。

无人机的材料成分不同于鸟,撞击速度也可能相对更凶猛,因此撞上飞机所造成的破坏性更大。澳大利亚商用飞机安全局的研究人员亚历山大·拉迪称,在撞击发生时,鸟的“表现和流体相似,”随着“鸟的解体和流动吸收能量,撞击力减弱。”无人机则不同,它是一个“不变形的刚性撞击物……以其很高的峰值力,在撞击目标材料中产生局部应变场,导致……材料失效。”这种撞击,尤其是在引擎附近,会造成发动机故障,特别是对单引擎飞机如F-16或F-35,其后果甚至是灾难性的。此外,正如鸟的撞击可迫使任务终止,飞机被坚硬金属物体撞击,当然会降低任务成功实施几率,增加飞机的停飞时间。

在研究无人机相撞的文章中,当比较无人机撞击和鸟撞击的破坏时,一个通常的假设是,无人机不是成群结队,因此命中率比一群鸟低。但如果敌人使用蜂群战术,就颠覆了这种假设。虽然无人机目前还处于初级技术阶段,但美国海军研究生院在2015年8月展示了用一个遥控器人工控制50架无人机的蜂群技术。研究人员在这次试验中使用了Wi-Fi无线网络和演算法,不久将研究如何提升无人机蜂群的自主化水平。这种能力在迅速提升,就在2016年,英特尔公司在美国佛罗里达州的迪斯尼春季狂欢会上上演了一场节日光幻秀,是用一个遥控器控制300架无人机做各种复杂编队。将来有一天,自主化无人机也能搭载炸弹或大规模杀伤性武器、定向能武器,如激光和高功率微波武器,以及其他小型化武器。文章认为,即使无人机仅配备非智能材料加猎杀程序、蜂群逻辑和自动操作,也将很快对美国的飞机和战备构成实质威胁。

▲2016年，英特尔公司在美国佛罗里达州的迪斯尼春季狂欢会上上演了一场节日光幻秀，是用一个遥控器控制300架无人机做各种复杂编队

▲雷达作为一种传感器，能发现无人机，但是许多传统雷达，如目前大多数F-16战机装备的 AN／APG-68 型雷达等，需要升级软件编码和处理能力

侦测无人机蜂群的几种手段傻大方资讯 http:///

在二战中,敌人的高射炮比拦阻气球更令人担忧,美军在二战阵亡的22951名将士中,很多人都牺牲在高射炮火之下。为了提高生存几率,战斗机和轰炸机飞行员增加飞行高度并修改航线。

对于无人机威胁,目前尚未研发出成熟的对抗手段,但是定向能和动能截杀装置具有眩盲或摧毁无人机的潜力。可以在己方飞机进入飞行路径前“发射”定向能,清除威胁,但这个选项可能造成附带毁伤而产生问题,故需慎重。为尽量降低附带毁伤,需要识别特定的威胁,然后选择合适的武器将其击毁。

发现并识别无人机威胁有多种方式,包括声音(听到转子声)、电子辐射、视觉(目视跟踪)、普通雷达、光探和测距激光雷达,以及红外线。所有这些感应探测手段面临的挑战是,在探测隐形飞机如机身很大的B-2轰炸机时,仅能发挥微弱的效果;如探测尺寸40*40毫米的无人机则会更加困难。

目前用于查找机场附近飞鸟和其他小型危险的程序可能有帮助,但是解决不了已经存在的无人机威胁,2016年4月17日一架无人机与英国航空公司的727客机相撞的事件就是例证。机场塔台控制人员通常使用双筒望远镜寻找在抵达和起飞走廊附近飞行的猛禽和其他小鸟,飞行员用无线电向其他飞行员发出附近有鸟的警告。但这些方法对于消除无人机威胁可能效果有限,因为无人机将具备躲避能力,且尺寸可能比鸟还小。一个百架无人机群——未来这整个无人机群的总成本可能只需1000美元,比单架无人机更显见,但是敌人可增加无人机之间的间距,即降低无人机群的密度,从而降低机群的视觉可探测性。交战一方还可能依据另一方的飞机形状及其最不容易被击中的姿态,来给自己的无人机编队,编成这样的飞行形状可能进一步加大视觉探测的难度。

四旋翼无人机飞行时,螺旋桨叶片和电动机会发出一种独特的尖利噪声,捕捉这种声音特征,人们可以开发出一种基于声学原理的侦测无人机手段。声波探测系统只需简单地记录被探测的声音,然后与数据库中的已知声音特征进行比较,并用多个地理定位来源进行识别。但是,无人机实验室总裁扎因·纳布拉斯提到,虽然声波探测的确为多来源无人机探测系统增加一些价值,使之相对容易设计、使用和采购,但其并不像其他无人机探测手段那么有效,主要受环境噪音影响和距离的限制。

光电传感器,通常指电视系统,目前作为很多武器系统探测和跟踪的必备手段,例如战斗机使用的先进瞄准吊舱。很多光电探测的系统也具有红外跟踪能力,使探测能力进一步提高。红外探测手段也能帮助发现和跟踪无人机,不过无人机的热特征信号比典型的飞机要弱得多。尽管如此,也不应低估红外手段在侦测无人机中的应用潜力。例如,波音公司的小型激光武器系统就采用光电/红外探测技术在非恶劣天气环境中跟踪无人机。光电/红外探测无人机会严重受制于天气,无人机和飞机仍然能够在云层中飞行而不被发现。

雷达能发现无人机,但是许多传统雷达,如目前大多数F-16战机装备的AN/APG-68型雷达等,需要升级软件编码和处理能力。即使在升级后,这些老旧雷达发现无人机的成功几率也相对有限,因为无人机雷达截面小,多普勒回波很小,尤其是如果它们处于几乎静止状态,等候接近的目标时。此外,APG-68雷达很难将目标从地面反射波或鸟中区分出来,也就是说,有很多与无人机无关的假反射会影响雷达。如果F-16将雷达升级到所建议的APG-83可调机敏波束雷达(SABR),那么这款传统战机至少有机会发现无人机。像SABR这样的雷达,因为分辨率更高且频率机敏性更好,发现无人机的成功几率会高得多。

另一项可能有助于发现无人机的先进技术是LIDAR即激光雷达,该技术具备发现空中物体的潜力,但仍需要等待关键的技术突破。LIDAR能探测喷气式飞机的“排气尾迹中包含的碳氢化合物,精确到每百万份量级浓度,这可能是周围大气浓度的100倍或以上。”美国空军研究实验室的新项目,称为“振动侦测战场探查”,研究如何使用激光测振仪技术来探测引擎振动或其他可供辨识的扰动。虽然无人机可能不像固定翼或大型遥驾飞机产生那样大的排气尾流,LIDAR技术仍有可能用于无人机侦测。LIDAR也受到上述困扰电光/红外技术的环境制约,因为其波长很难穿透浓雾和厚云层。但是,LIDAR能“看透”淡阴霾——前提是此阻碍环境的透光性不至恶劣到不允许光子返回感应源。现今人们虽然可能不了解LIDAR原理,但已经从自动驾驶汽车及自适应巡航驾驶的使用中开始熟悉这种技术。

任何系统通讯发射的信号都可以被拦截,无论是无人机互相之间采用无线网络通信,或者用无线电频率控制(如上述表中所列很多无人机系统所用)。被动传感探测系统也可能用于搜索无人机的电磁发射,但其缺陷是,无法发现不发射电磁信号的无人机。

在讨论了以上各种系统的优缺点之后,文章期待能研制出一种能把所有这些优点整合起来的系统。这样,在恶劣的天气,雷达和声音系统仍能提供输入;在晴朗的天气,所有的系统能通过合作辨识和跟踪目标,并通过地面或空中防御手段实施歼灭。也就是说,发现无人机后,还需要有效的截杀手段将之消灭。

▲波音小型激光武器系统（左）；反无人飞行器防御系统的高功率电子微波（HPEM）武器（右）

▲轨道ATK公司发布的HAPS拦截弹

▲最新发生在阿富汗的RQ-7无人机撞上一架C-130运输机的事件，不仅造成运输机油箱破裂，而且损毁了翼梁和翼盒

打击无人机蜂群的几种手段傻大方资讯 http:///

美国空军研究实验室率先开展空中禁区混合防御(HyDRA)方面的研究,尤其探索定向能截杀手段(激光和高功率微波),作为动能打击之外的另一项选择,从而强化一体化防空能力。激光有不同的介质,其波长也相应覆盖红外线到紫外线的整个范围。美空军研究实验室的定向能研究部主任威廉·库珀博士称:“定向能研究已经达到了超出许多人意料的较高技术就绪水平。”这是好消息,因为美国空军可能很快就需要这种技术。美空军研究实验室正在开展的HyDRA研究项目注重探索如何运用定向能手段来补充动能防御武器。实验室预计,在近期,这些系统将作为一项防空手段布置在国会山周围,然后逐步推广,满足作战司令官的需要。美国太平洋司令部预计将在无人机上使用这种技术,并有潜力用于对付巡航导弹。库珀博士指出,即使是低千瓦的激光系统,在近距离“也可轻易地击落”无人机,并强调定向能武器不仅能最大程度降低附带毁伤,还确保符合武装冲突法,不超过杀伤合法范围比例。

空军研究实验室已经演示了定向能系统的运用,在“黑标行动”演习中开启MATRIX和MEGAHPEM系统成功击落微小型无人机。2016年夏,有关方面在白沙导弹试验场对150千瓦级系统进行了成功的定向能试验测试(详细结果保密)。空军研究实验室还在实施一个先进技术展示项目,称为“自我保护高能激光演示器”(SHiELD)。前者是通用原子公司的武器项目,研发采用“高能液态激光区域防御系统”激光,后者是空军研究实验室和美国防高级研究计划局合作的耗资5亿美元的先进技术展示项目。库珀博士解释了SHiELD项目的未来3阶段实施计划,希望能展示其战术用途,并推动作战准则修改,他指出并非所有阶段都已划拨资金。“第一阶段实施低功率激光指向,展示锁定和跟踪目标的能力。第二阶段加大功率水平。第三阶段,如果获得资金,将展示可能还留有充裕剩余功率的全功率系统。”

波音公司的小型激光武器系统(CLWS)是另一种激光截杀武器。这种系统仅需几千瓦功率,能在瞬间摧毁目标。这个系统的主要卖点是操作简易性和便携性,只要把控制器链接到笔记本电脑,技术专家们称其之方便可与X-Box360游戏机的控制器媲美。根据波音公司的说法,CLWS的成本相对最低,能覆盖“数十千米”范围,仅需一个220伏的电压接口。波音公司的项目主任强调其不需补充弹药的明显效益,他说:“发射的成本基本上就是发射激光的电力。而如果发射导弹,你需要考虑物流环节或导弹的成本;如果是发射炮弹,你需要担心落在何处。”至于在近期能否研制出机载激光武器,主要的限制因素仍然是稳定性和电力来源。

高功率微波技术所应用的眩盲技术能使无人机暂时失能,或“烧毁”其关键的电子元件,使之失效。有3家技术公司研制出反无人飞行器防御系统(AUDS),此系统能眩盲无人机,并可能接管无人机的导航和控制系统。如果敌对行为者在无人机上挂载大规模杀伤武器或其他弹药,无人机被击中自由坠落后可能造成伤亡,那么这种系统就可能非常重要。据称,AUDS系统使用电光/红外传感器能侦测8千米以外的无人机,然后使用无线电频率干扰遥控操作员发送给无人机的无线电信号。无人机“捡拾”到AUDS信号后,变得不知所措,“冻结,茫然,不知飞向何方。”下一步怎么飞,就由新操作员来确定。

与发现和侦测无人机的情况一样,多系统队列也能增强定向能的攻击能力,但即使如此,激光和高功率微波光束仍存在瞄准上的限制。激光技术的主要弱点是,恶劣的天气阻止或很大程度上降低其成功率。高功率微波光束虽然能穿透云层交战,敌人能采用在无人机上采用定向能硬化技术来反制高功率微波光束。例如,导电复合材料公司最近成功在类似塑料材料的内里将镍涂覆到碳表面上,此材料又可模塑到其他结构上,例如无人机表面上,这样,其作为被打击目标便可将照射过来的光束的能量引离分散,削弱高功率微波光束的打击。

定向能武器,因其强度可调、应用多样,而成为对付无人机的首选手段,但作战飞机上仍需配置动能杀伤武器,以备在能见度减低的环境中激光和红外武器失效,或敌人的飞行器采用了定向能硬化构件。本文所言常规飞机主要指高速高空飞行的固定翼飞机,高速度使飞机被撞毁坏的几率更大。现实中,受无人机威胁的飞机类型很多,例如,直升飞机也必须面对无人机的威胁,因为直升机大多在充斥无人机的较低高度环境中飞行。今天的直升机飞行员主要担心的威胁是便携式防空武器和火箭助推枪榴弹(RPG)之类,但是今后,直升机作战飞行中将需要越来越多地警惕和扫描无人机。便携式防空武器和RPG威胁已经引起美国海军的关注,海军迅速研制出对抗手段,这些手段也可用于打击无人机。

美国海军正在研制的一种对抗手段是直升机主动引爆RPG技术(即HARP,先前缩写为HAPS),目的是发现和截杀RPG。这个技术概念可以拓展到打击构成威胁的无人机。HARP的概念也提供动能拦截选项,可以用于美国空军飞机。HARP的一个重要的互通操作性是,这种拦截弹可以从现有的箔条和曳光弹投射器发射(例如纳入机载抗干扰发射器系统AN/ALE-47中)。显然,配置HARP的飞机仍然具有携带箔条和曳光弹的干扰和抗干扰能力,尽管携带数量减少。根据OrbitalATK公司在2015年2月的新闻发布稿,HAPS运载工具(图3)“能够发射和执行投掷机动,飞行至模仿来袭的RPG的引爆点。”如何优化爆炸和碎片的数量来截杀RPG或无人机是一个重要考量。美国海军研制HARP的主要投资人杰伊·罗杰斯说:“鉴于拦截器弹头尺寸限制,以及拦截点接近飞行器的距离难以掌握,即使爆炸本身能否有效击落飞行器都非常不容易,这是一个很困难的截杀机制。”他表示:“改善爆炸和碎片能增加击落RPG(和无人机)的潜力。改善的爆炸尤其具有吸引力,因为它比未改善的爆炸产生更大效果,却不产生像碎片那样的杀伤半径,由此减少自伤担忧。”

美国海军的另一个研制项目,防区外截杀武器(SOWD),和上述HARP项目一样,概念上类似截杀RPG,海军称其为“可用作对抗无人机的反制手段。”SOWD的用户和投资人包括国防部高级研究计划局和特勤局,美国陆军也有10多个机构参与,但美国空军中只有空军安全部队中心一家参与。空军不甚积极的这种反差可以理解,因为其目前的基地防御准则框架,是把基地的大多数动能防御武器置于陆军的领导之下。但是空军必须要考虑到,SOWD不仅可用于基地防御,也可用于未来的空对空作战。进一步,飞机的起降和回收走廊面临着越来越迫近的威胁,空军因此在作战理论研究中对这些区域防御手段应比陆军更感兴趣,从而吸引美国空军对这类技术研制投入更多资源。

美国空军亦可考虑投资于旨在截杀无人机的新动能武器研制——这种武器成本应低于比如价值155万美元的AIM-120AMRAAM先进中程空对空导弹。降低成本完全有可能,因为此概念武器所摧毁的目标更小(弹头尺寸相对也更小),且飞行距离较短(燃料更少)。此武器甚至本身就是一架无人机,由己方发射,作用就是猎杀敌无人机,通过撞击或爆炸截杀敌无人机。总之,在摧毁敌攻击无人机的杀伤链中,需要多个层面和选项。用于探测的传感器必须从上述所及的全部来源融合数据,而且战机应具备可用作杀伤的定向能武器和动能武器选项。

▲文章建议美国空军亦可考虑投资旨在截杀无人机的新动能武器研制—这种武器成本应低于价值155万美元的AIM-120先进中程空对空导弹

建议和结语傻大方资讯 http:///

拦截无人机,必先发现之。因此作者建议美国空军需要做出投资,升级诸如F-16的有源电子扫描阵列雷达等系统,并继续推进所有平台的数据融合系统。为确保空军基地的安全,需要在无人机飞抵上空前先机发现;虽然在作战准则层面这是陆军的任务,但空军有保护其地面机群的重大利益考虑。在空中,空军需要投资研发能够侦测飞机威胁的系统,由此取得对特定空域的控制。目前的无人机威胁进一步表明,美国不仅要扫清任务航线上的威胁,还应密切关注飞机的起飞和返回走廊上的安全。这一切都要求美空军飞机上装备侦测和截杀能力。为了成功截杀来袭威胁,空军不应仅选择一种能力,而应获取多种眩盲和/或截杀手段,包括定向能和动能武器。美空军研究实验室的定向能研究,应当考虑用于空对空交战,这意味着空军应向空中禁区混合防御项目投入资金,提升技术就绪水平。此外,空军应为其所有机型研制一个类似HARP的系统,使飞机具备发射反制手段的系统。还有一点,无人机技术的扩散,已经威胁到令作战司令官的基地防御资源防不胜防,因此各军兵种必须通力合作,部署并操作能保护官兵的一体化融合系统。

作者指出,美空军欲取胜,必须立即思考无人机作战将如何改变战争的特征。在不远的将来,无人机蜂群和/或“神风敢死队”式的单枪匹马无人机也已可能对美国的飞机发动攻击。这种必然性需要美国军方大幅度调整防空作战思维,加强对探测和清除来袭威胁的重视和研究。

作者：莱斯利·霍克傻大方资讯 http:///

来源：《现代军事》杂志

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