聚焦科技前沿丨助推段導(dǎo)彈防御的可行性

隨著無人機(jī)和太空軍事化的迅速發(fā)展，各國開始關(guān)注和探索助推段反導(dǎo)的可行性。戰(zhàn)略前移是反導(dǎo)作戰(zhàn)的必然趨勢，美國已進(jìn)行該領(lǐng)域的研究并取得了較大的優(yōu)勢。2022年6月24日，美國戰(zhàn)略與國際問題研究中心（CSIS）發(fā)布了《助推段導(dǎo)彈防御》報(bào)告（Boost-Phase Missile Defense）。

報(bào)告指出，由于助推段導(dǎo)彈防御計(jì)劃的成本高昂、技術(shù)不成熟和操作性限制，美國國防部導(dǎo)彈防御局 (MDA) 的工作幾乎集中在研發(fā)中段和末段導(dǎo)彈攔截系統(tǒng)。然而，2017年后朝鮮洲際彈道導(dǎo)彈能力的展示重新引發(fā)了美國關(guān)于如何改善本土導(dǎo)彈防御的問題。朝鮮和伊朗的助推后機(jī)動(dòng)再入飛行器等技術(shù)也同樣促使美國重新重視助推段（上升段）導(dǎo)彈防御的可行性研究。

助推段防御可以緩解與末段攔截相關(guān)的許多技術(shù)挑戰(zhàn)，目標(biāo)可以提前部署對抗措施并執(zhí)行規(guī)避機(jī)動(dòng)。美國2019 財(cái)年“國防授權(quán)法案”要求國防部導(dǎo)彈防御局開始空基或艦載動(dòng)能助推階段攔截器的開發(fā)計(jì)劃，并研究區(qū)域性天基動(dòng)能或定向能攔截器， 隨后確定天基攔截器和改造F-35 用于助推段防御的方案。

“助推段"的定義

“助推段”通常是指彈道導(dǎo)彈的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒階段和在燃盡后的一段時(shí)間（見圖1）。在燃盡后的一段時(shí)間，導(dǎo)彈將部署誘餌和分離再入飛行器，因此這也是防御方可利用的階段。該報(bào)告的“助推段攔截”指從發(fā)射到發(fā)動(dòng)機(jī)燃盡的時(shí)間，“早期攔截”指在燃盡后直至彈頭和誘餌釋放期間的交戰(zhàn)。雖然這一持續(xù)時(shí)間因?qū)楊愋投?，但該?bào)告認(rèn)為早期攔截包括從發(fā)射到發(fā)動(dòng)機(jī)燃盡后 100 秒的時(shí)間，之后導(dǎo)彈交戰(zhàn)將變得更加復(fù)雜。

技術(shù)支持

報(bào)告認(rèn)為，助推段防御可行性仍存在爭議，但以下技術(shù)變革大大提升了這項(xiàng)研究的可行性：

先進(jìn)的傳感器：遙感和圖像處理技術(shù)的提高有望提升早期導(dǎo)彈探測和跟蹤能力，因此延長與助推段防御相關(guān)的交戰(zhàn)時(shí)間；

遙控駕駛航空器（RPA）：成熟的高空長航時(shí)無人機(jī)技術(shù)增加了空基防御的可能；

定向能技術(shù)：激光縮放技術(shù)的進(jìn)步有望在未來提升激光武器的潛力；

航天領(lǐng)域技術(shù)：衛(wèi)星制造和發(fā)射成本大幅下降，節(jié)約了天基防御系統(tǒng)預(yù)算。

面臨的挑戰(zhàn)

盡管有這些技術(shù)上的順風(fēng)，但仍然存在重大的操作、預(yù)算和政治逆風(fēng)。助推段防御可行性研究仍面臨以下挑戰(zhàn)：

助推段時(shí)間很短——壓縮了交戰(zhàn)周期；

防御部署通常必須接近目標(biāo)；

攔截器必須速度快、加速快；

指揮、控制和決策必須低延遲。

研究表明，當(dāng)攔截器到達(dá)4-5千米/秒時(shí)，部署在國際空域的高空長航時(shí)無人機(jī)可以攔截助推段液體推進(jìn)劑的朝鮮洲際彈道導(dǎo)彈。伊朗的洲際彈道導(dǎo)彈軌跡對于空中攔截器來說更具挑戰(zhàn)性，但在某些突發(fā)事件中還是有可能實(shí)現(xiàn)，從而有助于補(bǔ)充中段防御或主動(dòng)抑制發(fā)射打擊作戰(zhàn)。但陸基或空基動(dòng)能攔截器在戰(zhàn)略縱深更大的中、俄領(lǐng)土內(nèi)進(jìn)行攔截，只有在戰(zhàn)時(shí)才有可能，甚至攔截器能否存活都成問題。

盡管政策環(huán)境可能有利于助推段防御研究，但仍受到財(cái)政預(yù)算的限制。美國的導(dǎo)彈防御預(yù)算已經(jīng)非常緊張，美國國防部導(dǎo)彈防御局的首要任務(wù)包括陸基中段防御系統(tǒng)的重大更新、天基傳感器層和新興、高超聲速防御計(jì)劃，以及針對巡航導(dǎo)彈和無人機(jī)的低層防御能力等。因此決策者需要慎重考慮助推段防御系統(tǒng)研發(fā)的相對成本和效益。

助推段防御交戰(zhàn)窗口

1.交戰(zhàn)窗口的界定

導(dǎo)彈助推段的飛行時(shí)間不超過5分鐘，在這段時(shí)間內(nèi)與之交戰(zhàn)是一項(xiàng)艱巨的技術(shù)挑戰(zhàn)。在極短時(shí)間內(nèi)探測、跟蹤、處理和攔截導(dǎo)彈，使助推段導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的需求復(fù)雜化。助推段交戰(zhàn)窗口通常被理解為威脅導(dǎo)彈的推進(jìn)燃燒時(shí)間和防御方在計(jì)算火力控制解決方案的延遲時(shí)間(即預(yù)測和精確撞擊點(diǎn))，這將提高傳感器和攔截器的性能要求。對過去20 年的評估發(fā)現(xiàn)，速度較慢的液體燃料洲際彈道導(dǎo)彈可能的交戰(zhàn)窗口持續(xù)時(shí)間為 175 到 235 秒，而速度更快的固體燃料洲際彈道導(dǎo)彈的交戰(zhàn)窗口僅為 125 到 151 秒 （見圖2）。

2.交戰(zhàn)時(shí)間的重要性

圖 3顯示了來自朝鮮洲際彈道導(dǎo)彈的北美防御區(qū)域，空基攔截器防御覆蓋范圍隨著交戰(zhàn)延遲變長而變化。紅色區(qū)域代表無法防御，黃色區(qū)域有一次交戰(zhàn)機(jī)會(huì)，綠色區(qū)域代表將有兩次防御機(jī)會(huì)。假設(shè)概念攔截器的平均速度為每秒 4 公里 (km/s)，發(fā)射高度為 15,000 米，傳感器覆蓋對手全域，殺傷評估延遲均為 15 秒， 唯一的變量是交戰(zhàn)延遲時(shí)間分別為75秒，50秒和30秒。

許多變量都會(huì)影響導(dǎo)彈防御系統(tǒng)在助推段的防御覆蓋范圍，包括發(fā)射位置、攔截器的速度和威脅導(dǎo)彈的發(fā)射位置。然而，上述數(shù)據(jù)表明，在這些變量相等的情況下，縮短交戰(zhàn)延遲時(shí)間可以提高助推段防御層的性能。因此，縮短交戰(zhàn)延遲是提高助推段防御可行性的一種方法。

3.交戰(zhàn)延遲的原因

探測延遲：探測助推導(dǎo)彈的延遲是造成這種交戰(zhàn)延遲的首要因素。

天基探測——與天基紅外系統(tǒng)（SBIRS High）類似的天基紅外傳感器在洲際彈道導(dǎo)彈發(fā)射后，可能需要長達(dá) 45 秒才能檢測到目標(biāo)。天氣條件將大大限制天基傳感器檢測洲際彈道導(dǎo)彈威脅的能力。假設(shè)最壞情況下的云量，天基傳感器只能在洲際彈道導(dǎo)彈到達(dá) 7 公里高度后才能檢測到。與直覺相反，固體燃料洲際彈道導(dǎo)彈將以比液體燃料洲際彈道導(dǎo)彈更快地被發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樗鼈儠?huì)更快穿過云層。

空基探測——空基雷達(dá)可以在惡劣的天氣條件下運(yùn)行并探測到 7 公里以下的移動(dòng)目標(biāo)，但是范圍受到地球曲率的限制?？栈?X 波段雷達(dá)對固體和液體燃料洲際彈道導(dǎo)彈的探測范圍分別可達(dá) 655 到 980 公里，探測時(shí)間比天基傳感器快大約 10 到 15 秒。

跟蹤延遲：初步探測后，傳感器平臺(tái)必須跟蹤洲際彈道導(dǎo)彈的飛行下降范圍并向火控系統(tǒng)提供跟蹤數(shù)據(jù)，以計(jì)算預(yù)測攔截點(diǎn)（PIP），即估算攔截器和洲際彈道導(dǎo)彈軌跡相交的位置。跟蹤延遲原因仍然在分析師之間存在相當(dāng)大的分歧，根源在于對洲際彈道導(dǎo)彈性能、傳感器分辨率和攔截點(diǎn)預(yù)測精度要求的不同假設(shè)，差異大約在 5 到 30 秒之間。

助推段防御架構(gòu)可行性分析

報(bào)告指出各種防御設(shè)計(jì)都有可能解決助推段防御的問題。這些方法可以按其攔截器的操作領(lǐng)域粗略分類：陸基、空基和天基。

1.陸基防御系統(tǒng)

陸基助推段防御架構(gòu)將基于機(jī)載或衛(wèi)星傳感器網(wǎng)絡(luò)與陸基攔截器融合，以實(shí)現(xiàn)早期攔截。陸基攔截器受地理位置的限制，因此會(huì)提高攔截器的性能要求（即距離對手越遠(yuǎn)需要越快的攔截器）。對手國家的陸地面積和攔截器發(fā)射位置將嚴(yán)重影響陸基助推段防御系統(tǒng)的可行性。對于像伊朗等國土面積較大的國家?guī)缀鯖]有合適的攔截器基地的位置，因此防御方必須使用更快的攔截器才能在發(fā)動(dòng)機(jī)燃盡之前到達(dá)助推目標(biāo)。

針對朝鮮與針對伊朗的典型情景防御要求不同。

朝鮮：分析表明，對于美國大陸的有限覆蓋范圍來說，需要速度為5 km/s或更快的快速加速攔截器（見前文圖3）。這種攔截器將比海軍宙斯盾系統(tǒng)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)-3防空導(dǎo)彈（SM-3）攔截器大得多，并且需要部署在朝鮮水域東北方向的日本海。

伊朗：攔截來自伊朗的導(dǎo)彈將更加困難。根據(jù)美國物理學(xué)會(huì) (APS) 的說法，這樣的系統(tǒng)需要 8 公里/秒或更快的攔截器來攔截自土耳其東部和阿富汗西部的伊朗液體燃料洲際彈道導(dǎo)彈。另外，美國國家科學(xué)院(NAS)聲稱，6 km/s的攔截器可以充分應(yīng)對來自里海附近的液體燃料洲際彈道導(dǎo)彈的威脅。

2.空基防御系統(tǒng)

空基防御系統(tǒng)是將攔截器安裝在飛機(jī)上，例如戰(zhàn)斗機(jī)或無人機(jī)。與陸基相比，空基攔截緩解了地理位置方面的限制：飛行器可以在有利攔截的區(qū)域巡邏，并在危機(jī)中迅速靠近敵方發(fā)射場；空基還可以放寬對攔截器性能的要求：空基攔截器可能會(huì)更小更輕，因?yàn)殛懟鶖r截器需要裝載更多的推進(jìn)劑才足以加速到攔截高度。空基防御架構(gòu)還可以將助推段傳感器和武器集成到同一平臺(tái)，因此可簡化操作并減少延遲。更經(jīng)濟(jì)、更輕的光學(xué)設(shè)備、雷達(dá)和邊緣計(jì)算的發(fā)展，將推動(dòng)助推段防御的可行性研究。

空基防御系統(tǒng)也受到一些限制。與可以在基地停留數(shù)月的陸基或?；脚_(tái)不同，現(xiàn)有的戰(zhàn)斗機(jī)和無人機(jī)續(xù)航能力不足，在對手附近保持持續(xù)的空中巡邏成本很高。

2021 年，CBO 評估了 2019 年導(dǎo)彈防御審查關(guān)于為 F-35 配備助推階段攔截器的建議，得出的結(jié)論是，針對朝鮮的防御運(yùn)營成本每年將花費(fèi) 200 億美元。為了達(dá)到其擊敗 20 枚或更多洲際彈道導(dǎo)彈的既定指標(biāo)，該研究評估了 30 至 60 架 F-35 攜帶 120 至 240 枚攔截器保持持續(xù)巡邏的要求。因此，該方案可能用來在地緣政治緊張局勢加劇時(shí)，作為防御增援能力，比如作為陸基中段防御系統(tǒng)的補(bǔ)充。報(bào)告認(rèn)為，任何助推段防御系統(tǒng)都應(yīng)被視為分層系統(tǒng)的一個(gè)元素，而不是整個(gè)系統(tǒng)本身。

2019年，有專家分析建議，針對朝鮮的場景，美國可以采用高空長航時(shí)無人機(jī)（PRA）大幅降低成本，以實(shí)現(xiàn)基于RPA的助推段防御。一架MQ-9“收割者”的運(yùn)營成本僅為F-35的15%多一點(diǎn)。RPA領(lǐng)域的巨大創(chuàng)新，使其成為攔截平臺(tái)的一個(gè)有吸引力的選擇。圖4展示它們?nèi)绾斡糜谥贫畏烙到y(tǒng)。

朝鮮：研究發(fā)現(xiàn)，攔截器的速度在 3 -5 公里/秒之間，空基系統(tǒng)可以提供美國對朝鮮洲際彈道導(dǎo)彈的國土防御。圖5描繪了從日本海單點(diǎn)發(fā)射的不同速度攔截器的名義防御區(qū)域覆蓋范圍。

伊朗：據(jù)評估，攔截伊朗洲際彈道導(dǎo)彈在助推階段都更具挑戰(zhàn)性，應(yīng)對伊朗的威脅需要該國北部的多個(gè)軌道和4 公里/秒到 6 公里/秒攔截器。如果空基攔截器可以實(shí)現(xiàn)更高的速度（5+ km/s），那么土耳其東部的空中巡邏可能會(huì)獲得一些覆蓋。

機(jī)載定向能防御：

機(jī)載平臺(tái)也仍然是定向能防御系統(tǒng)最有可能的基礎(chǔ)模式。與動(dòng)能攔截器不同，定向能武器，特別是高能激光，在瞄準(zhǔn)后允許在一個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)與洲際彈道導(dǎo)彈進(jìn)行多次交戰(zhàn)。由于激光近乎瞬間的速度，激光武器對交戰(zhàn)幾何變化不太敏感。例如，導(dǎo)彈發(fā)射方位角后面的激光系統(tǒng)無法應(yīng)對追尾攔截的運(yùn)動(dòng)學(xué)挑戰(zhàn)。

與動(dòng)能攔截器不同，激光射程受到平臺(tái)視線和大氣條件的限制，大氣條件會(huì)在更遠(yuǎn)的距離消耗能量。盡管激光幾乎可以立即到達(dá)目標(biāo)，但交戰(zhàn)本身可能需要幾秒鐘才能完成，包括旋轉(zhuǎn)激光所需的時(shí)間和光束加熱、削弱和摧毀目標(biāo)所需的時(shí)間。

部署機(jī)載激光系統(tǒng)的主要技術(shù)挑戰(zhàn)是將精確和高性能的激光器建在重量、空間和功率受限的機(jī)載平臺(tái)上。盡管技術(shù)發(fā)展為該系統(tǒng)可行性提供了空間，但短期內(nèi)似乎沒有激光系統(tǒng)能夠接近滿足遠(yuǎn)程助推段攔截的要求。

3.天基防御系統(tǒng)

天基動(dòng)能攔截器可以部署在最佳位置以攔截助推段洲際彈道導(dǎo)彈，而不受地面或空中部署的地理限制。然而，天基防御系統(tǒng)的可行性和成本存在分歧。由于停留在軌道上需要不斷的運(yùn)動(dòng)，單個(gè)天基攔截器不能在發(fā)射場范圍內(nèi)停留很長時(shí)間。因此，需要多個(gè)搭載攔截器的衛(wèi)星群才能覆蓋給定區(qū)域。衛(wèi)星群的大小取決于幾個(gè)變量：（1）覆蓋的位置和密度；(2) 洲際彈道導(dǎo)彈的燃燒時(shí)間；(3) 攔截器的飛出速度；(4) 攔截器的壽命和平均故障率。

許多研究提出衛(wèi)星群可以按需補(bǔ)充新衛(wèi)星，以解決其生命周期內(nèi)的自然機(jī)械故障。據(jù)估計(jì)，全球范圍覆蓋需要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 3,000 個(gè)攔截器，因此美國大多數(shù)研究選擇分析伊朗和朝鮮的助推段攔截，其包括緯度 25 到 45 度之間的軌道，在任何時(shí)間點(diǎn)大約有兩個(gè)攔截器在射程內(nèi)。自 2000 年以來，可重復(fù)使用的衛(wèi)星發(fā)射系統(tǒng)成本下降了近十倍，預(yù)估每公斤送入軌道的最小成本在 8,000 美元到 15,000 美元之間。攔截伊朗和朝鮮液體燃料洲際彈道導(dǎo)彈，預(yù)估需要至少 240 到高達(dá) 700 枚攔截器。

需要注意的是如何應(yīng)對天基架構(gòu)的脆弱性。對手可以使用反衛(wèi)星武器打擊天基攔截器，或者開發(fā)燃燒時(shí)間更短的洲際彈道導(dǎo)彈，從而降低衛(wèi)星群的覆蓋范圍。由于一定時(shí)間段內(nèi)都只有少數(shù)天基攔截器，對手可以將其導(dǎo)彈發(fā)射集中在一個(gè)位置以摧毀一個(gè)衛(wèi)星群平臺(tái)。

報(bào)告主要研究發(fā)現(xiàn)

再入飛行器、誘餌和其它助推后反措施等技術(shù)的提高增加了彈道導(dǎo)彈威脅，使助推段防御更加重要。

由于技術(shù)和政策限制，美國之前的助推段防御研究尚未成功。

地理因素對助推段導(dǎo)彈防御系統(tǒng)尤為重要。

高空長航時(shí)無人機(jī)（RPA） 技術(shù)的進(jìn)步為傳感器和攔截器提供持久平臺(tái)，提高了空基助推段防御的可行性算法。

傳感技術(shù)的進(jìn)步可以提高空基雷達(dá)平臺(tái)的可用性，從而減少其在助推段的探測和追蹤延遲。紅外傳感器分辨率和圖像處理的進(jìn)步可能會(huì)進(jìn)一步縮短未來的衛(wèi)星探測時(shí)間。

全程跟蹤導(dǎo)彈威脅（從發(fā)射到擊中）對于任何助推段防御系統(tǒng)都是必不可少的。傳感器架構(gòu)系統(tǒng)應(yīng)混合多種傳感器平臺(tái)和類型，以確保及時(shí)檢測和跟蹤。及時(shí)進(jìn)行殺傷評估對于在分層防御內(nèi)瞄準(zhǔn)助推階段也很重要，以避免浪費(fèi)中段攔截器或在有利條件下啟用多個(gè)助推段交戰(zhàn)的機(jī)會(huì)。

1.陸基攔截

陸基攔截器受地理因素限制極高，在助推段攔截朝鮮或伊朗的洲際彈道導(dǎo)彈彈道幾乎不可能。

海上艦艇可為朝鮮助推段攔截提供更有利的地理?xiàng)l件，但在軍事危機(jī)期間，海軍水面作戰(zhàn)人員有限。

因?yàn)楹＼娙狈ε炤d發(fā)射器能力，增加其領(lǐng)土彈道導(dǎo)彈防御任務(wù)將會(huì)受到海軍的巨大阻力。

2.空基攔截

配備動(dòng)能攔截導(dǎo)彈的高空長航時(shí)無人機(jī)具有良好的性能和經(jīng)濟(jì)效益，短期內(nèi)有望增加助推段防御能力。

F-35 的分布式孔徑傳感器和作戰(zhàn)系統(tǒng)使其有望成為助推段防御平臺(tái)，但它續(xù)航能力不高、經(jīng)濟(jì)效益相對較低且易耗損。

與其他擁有更大陸地面積對手相比，朝鮮缺乏地理縱深，使其洲際彈道導(dǎo)彈相對更容易受到空基助推階段防御系統(tǒng)的攔截。

使用高速攔截器，美國可從盟軍領(lǐng)空對伊朗發(fā)射的洲際彈道導(dǎo)彈進(jìn)行早期攔截。

3.天基攔截

天基防御是美國對中國和俄羅斯洲際導(dǎo)彈進(jìn)行助推段攔截的唯一選擇。

天基攔截器系統(tǒng)將是一項(xiàng)浩大的工程和財(cái)政任務(wù)，但是可重復(fù)使用的運(yùn)載火箭降低發(fā)射成本，小型傳感器、航空電子設(shè)備和發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵的進(jìn)步也可減少攔截器的數(shù)量。

天基攔截器在各種形式的反衛(wèi)星攻擊中的生存能力將是一個(gè)主要問題，特別是在面對同等競爭對手時(shí)。

結(jié)論

傳感器的進(jìn)步——圖像處理和新一代雷達(dá)——可能有助于延長交戰(zhàn)時(shí)間。高空長航時(shí)無人機(jī)的進(jìn)步也有望提高機(jī)載平臺(tái)的續(xù)航能力，該平臺(tái)可以克服陸基平臺(tái)的地理限制以及載人飛機(jī)的成本、可用性和持久性缺點(diǎn)。從長遠(yuǎn)來看，太空發(fā)射、高功率激光器和衛(wèi)星制造方面的進(jìn)步也有望給助推段防御架構(gòu)帶來更高性能。這些相關(guān)技術(shù)的發(fā)展提高了助推段防御的可行性。

即使擁有更強(qiáng)大的下一代攔截器，僅依靠單一的國土防御解決方案存在風(fēng)險(xiǎn)。基于技術(shù)成熟的助推段防御系統(tǒng)可能可以有效地補(bǔ)充國土防御，從而減輕陸基中段防御系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。報(bào)告指出，隨著平壤繼續(xù)推進(jìn)其彈道導(dǎo)彈計(jì)劃，美國短期內(nèi)有可能通過利用和整合軍事和商業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，啟動(dòng)對朝鮮洲際彈道導(dǎo)彈動(dòng)能助推段防御。

出品：科普中國軍事科技

作者：淵亭防務(wù)

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