空战新时代

作者:晨枫

本文转载自:航空知识(ID:HKZS1958)

空战新时代

战斗机是否还需要航炮是一个有争议的问题,但空战早已进入导弹时代,这是不争的事实。AIM-120中程空空导弹已经生产了21000枚以上,其中至少4500枚在训练、测试和实战中发射。AIM-9近程空空导弹家族更是累计生产了11万枚以上,没有累计发射数量的数据,但据估计至少有270架各种飞机被AIM-9击落。

 

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战斗机是否还需要航炮是可以争论的,但战斗机的主力空战武器是导弹,这是不需要争论的

 

传统上,中程空空导弹采用主动或者半主动雷达制导,近程空空导弹采用红外制导。新一代主动雷达制导采用主动电扫天线,加大了捕获和跟踪能力;红外制导则采用凝视阵列,从光点追踪转为图像模式识别和追踪,大大加强了抗干扰能力,还有把导弹引向飞机重心以达到最大杀伤效果的能力。在发射方式上,通常中程空空导弹像炸弹一样,采用投放发射;近程空空导弹像火箭炮一样,采用滑轨发射。
但全新的下一代空空导弹正在浮现,重点在于中近两用,这使得实际可用的空空导弹数量显著增加。F-22的空空导弹数量不少,典型挂载有两枚AIM-9X近程弹和6枚AIM-120中程弹,但两种导弹各司其职,难以串用。AIM-9X没有足够的射程,难以在中远程拦截中使用;AIM-120的机动性(尤其是大离轴攻击能力)不足,不适合在近距格斗中使用。中近两用的话,所有8枚都可在所有情况下使用,增加了实际可用的挂弹量。

 

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战斗机需要更多的空空导弹,中外都有同样的问题

 

主动雷达-红外成像双模式制导是下一代空空导弹又一特点。主动雷达和红外成像都是“发射后不管”的制导模式,前者探测范围更远,有测距能力,但后者反隐身能力更强,不过有本质的测距困难。两种模式结合可以取长补短,在雷达还难以锁定的远距离上,由红外做概略引导;在接近到烧穿距离时,转入以雷达为基础的精确跟踪和弹道规划;在最后汇聚阶段,再次转入红外成像,精确辨认敌机形状,计算飞机重心,把导弹引向最薄弱点攻击,以达到最大杀伤效果。
除了在目标截获和引导方面取长补短,双模式还极大地加强了反干扰能力。不管是雷达还是红外,阻塞式干扰说起来容易,但在很宽的频谱上都要求巨大的能量,真正起到干扰和压制作用的能量很小,好比对稀疏的目标实行地毯式轰炸,实际效果并不好。欺骗式干扰“对症下药”,能量利用率大大提高,但可能被“看出”破绽。最大的破绽就是雷达和红外的特征不一致。不管如何先进,电子和红外干扰是难以做到在时间和空间上的绝对一致的。如果某一方向、某一时刻有雷达回波,但红外图像指向的是另一个方向,很可能有一个是假的。用前一个雷达和红外特征一致的目标方位为基础,以“合理”的目标速度和惯性来推断,是可以“抓出”虚假目标的。然后再仔细观察,遭到欺骗的探测手段也可能重新建立起新的跟踪,再巧妙的欺骗也经不起有引导的重点观察,这时又恢复到更加可靠的双模式跟踪了。
下一代空空导弹的另一个特点可能是统一采用投放发射。投放发射适合隐身战斗机的机内武器舱吊挂。用作近程空空导弹在空战格斗中发射时,投放发射会有可靠分离的困难,可能需要回到滑轨发射,所以新一代中近两用弹有可能是两种发射方式都相容的。另一个可能是采用可伸缩、具有弹射能力的新型挂架,避开分离困难的问题。

 

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雷西恩“游隼”(上)和洛克希德CUDA代表了新一代双模空空导弹

 

但最大的特点是体积和重量大大减小。洛克希德CUDA和雷西恩“游隼”都只有AIM-120的一半大小,机动性与AIM-9X相当,而射程与AIM-120相当。这使得只能机内挂载的隐身战斗机也能大大增加空空导弹的携带数量,有条件在翼下用多联装挂架吊挂的第三代战斗机更是都有成为“导弹卡车”的潜力。比如说,F-22将能在机内武器舱携带12枚,两侧武器舱如果改用双联装发射架的话,又是4枚,总计16枚。F-15X在翼下和机腹下可携带24枚,甚至可能达到惊人的32枚,都不再是“导弹卡车”,可能算得上“导弹列车”了。
中近两用弹的小型化部分来自于发动机和气动技术的进步,部分来自于动能杀伤。不管是简单的预制破片,还是在四散中迅速展开的连续杆,传统空空导弹需要有一个装药的战斗部。动能杀伤没有引爆和破片,用直接撞击的动能制造破坏。这把所有的破坏性能量统统传递到目标,没有任何散失弹片的损失,效率最高,重量最轻,也没有近炸引信受到干扰而错过引爆时机的问题,但对制导精度的要求极大提高,这是中近两用弹的关键技术。
新型的更高效的双推力火箭发动机使得导弹速度更加均匀,增加了能量利用效率。更加简洁的导弹气动外形则降低了阻力。最极端的是无弹翼外形,只有很小的尾翼,如英国ASRAAM;甚至根本没有弹翼,像美国THAAD。这需要更轻、更灵敏的矢量推力,还需要更适合微调、可较长时间工作的侧推力。CUDA和“游隼”都不是无弹翼,但弹翼面积相对于“响尾蛇”还是小了很多,“游隼”细长的边条翼不仅阻力小,升力大,还可在很大的迎角范围里保持有效。
大大增加的挂弹量对未来空战具有重大意义。随着战斗机航程和留空时间的大大增加,挂弹量成为限制实际空战战斗力的重大因素。燃油没了可以空中加油;导弹没了,那就只有返航了。另一方面,空空导弹的射程、机动性和抗干扰能力增加了,战斗机的电子和红外干扰、压制能力也增加了,主动防御也开始浮现,使得导弹命中率显著下降,需要用数量来补偿。

 

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微型的MSDM导弹是革命性的

 

中近两用弹是很大的进步,但在某种意义上依然是对现有技术的深度发展。对空空导弹和防空导弹的主动防御则对空战是革命性的。至今反导都是陆基或者海上系统的专有能力,但空中反导正在向硬杀伤转化,依赖闪光弹、箔条、无源或者有源的滑翔或者机动诱饵、电子和红外干扰等软杀伤已经不够了。美国空军研究院(简称AFRL)正在推动微型自卫弹药(简称MSDM)和自卫高能激光(简称SHIELD)项目,刚结束第一阶段试验,正在转入第二阶段。SHIELD在2018年4月在白沙试验场测试过,成功地拦截了多枚导弹。不过现阶段的SHIELD测试系统是从美国陆军的激光武器演示系统改装过来的,体积、重量、耗电都不适合机载,这只是概念论证试验。2018年中期,AFRL也结束了为期三年的MSDM第一阶段,波音和雷西恩提交了研究结果,第二阶段将对MSDM和SHIELD进行实用化研究。
美国陆军对激光武器要求能击落小型无人机和巡航导弹,波音负责系统集成,诺斯洛普提供火控和指向系统(通过低功率激光首先建立稳定跟踪,以便主激光发射形成有效杀伤),洛克希德提供50kW固体激光器。系统将在2021年开始第二阶段试验。第三阶段可能在2022-25年进行,要求把全系统装入机载吊舱,功率也增加到150kW。这就差不多达到实战级了。

 

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SHIELD来自陆基激光,离机载还有距离,但已经在试验中成功低击落空中目标

 

与此同时,波音和雷西恩要在2019年1月31日之前递交第二阶段的竞标书,估计各获得拨款1亿美元。第二阶段要求提供实用化的微型反导导弹原型,要求长度不超过1米,只有AIM-9X的1/3,要具有全向攻击、低成本的特点,而且不影响战斗机的通常武器挂载。在2025年前后,MSDM和SHIELD将竞争最终的空中反导系统。
与此同时,AFRL在2018年7月已经发布招标,要求厂商提供反导吊舱设计,要求能容纳10枚MSDM或者一套SHIELD,另一个选择是高能微波。直接整合进机体的激光反导系统也在研究之中。
传统的红外和电子干扰、箔条、闪光弹、滑翔/机动诱饵等都是软杀伤手段,不直接摧毁来袭的导弹,只能把来袭导弹诱骗到无害的方向。这些欺骗手段不仅可能被越来越先进的导弹制导系统(尤其是双模式甚至多模式制导)所识破,而且被攻击飞机上的飞行员只能从导弹行为的改变来推断欺骗的效果,不仅可靠性无法保证,心理压力也是巨大。只有硬杀伤才能可靠及时地确认反导拦截的效果。
除了AFRL,英法的MBDA也在研究空中的导弹反导,并在2019年6月推出只有10公斤重的微型反导导弹。中国则在公开网页上招标机载激光武器吊舱及相关控制软件,但技术指标和时间表是保密的。
激光反导和导弹反导在概念上由来已久,在陆基和海上系统上也已经在不同程度上得到实现,但在机载应用中,除了体积、重量、在机动中精确击中机动目标等显而易见的问题之外,还有特殊问题。

 

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机载激光武器是长久以来的梦想,但除了功率,还有很多具体问题,比如波束穿过激波时的折射

 

不管是用吊舱还是直接安装在机内,对于激光反导来说,跨音速和超音速飞行时的激波会导致光路转折,影响瞄准和毁伤。激波是速度超过音速时飞行体对空气极度压缩产生的空气中的致密层,理论密度为无穷大。高亚音速到跨音速飞行时,局部气流速度也能超过音速,所以激波现象在高亚音速飞机上同样存在。民航客机的超临界翼就是通过气动设计来推迟机翼上表面局部激波产生的先进技术,临界是指产生局部激波的条件。
密度的激变导致光线在穿过激波时发生转折,转折角度受实际密度和入射角影响,这与光线从空气入射水面时会发生折射是一样的。来袭导弹很可能是超音速飞行的,所以陆基和海上系统也有这个问题。导弹引起的激波紧贴导弹的表面,折射导致的误差大体不影响击中和摧毁。但机载激光一出门就遇上紧贴机体表面的激波,折射的影响就大多了。AFRL的第二阶段测试就是要把理论计算与实测结果统一起来,确保由陆基和海上系统发展而来的激光武器在机载情况下的可用性。
不过激波对前半球反导的影响较大,对后半球尤其是尾后锥形空间内影响不大,这里应该在激波锥之内,激光束不需要穿越激波。对于战斗机来说,在大部分情况下能通过高机动迫使来袭导弹进入尾追状态,所以激波对机载激光的影响不是一票否决,只是有效程度而已。
对于导弹反导,挑战是反过来的。向前发射是早就解决的技术,但向后发射是减速再加速的过程,有失速问题,这一阶段导弹的气动控制是一个挑战。向前发射然后急转弯避免了失速问题,但能量损失巨大,也存在着从发射到转向后锁定之间的“黑窗”期,建立可靠锁定是一个挑战。
但反导问题一旦解决,第三代战斗机在空战和对地攻击中的生存力也成数量级地增加,隐身战斗机的优势将大大降低。另外,这也将使得轰炸机、运输机、反潜机、巡逻机、预警机等大型、低机动飞机的生存力极大提高,直升机同样受益。

 

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战斗机一旦能主动击落来袭导弹,而不是被动地规避,这对空战是颠覆性的影响

 

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足以击落无人机和制导弹药的战术激光武器已经接近实战化了

 

激光反导在经历了几十年的 “再有5-10年就可成熟”的讥笑后,已经开始试验性部署,俄罗斯用Peresvet激光武器保卫洲际导弹基地,美国海军在一些战舰上启用了反无人机激光武器,美国空军则在海外基地用两台雷西恩10kW高能激光武器系统(HEL-WS)进行作战测试,雷西恩还在为美国陆军研制安装在斯崔克装甲车上的激光武器,基本设计与10kW版相同,但功率达到50kW,射程和威力更大。
必须说,现阶段已部署的激光武器还有能量不足的问题,只能击落低速、无加固的小型无人机或者简易巡航导弹,主要优点在于“弹舱深度”,可长时间连续发射,拦截“蜂群攻击”,而没有打掉几发导弹后就用光弹药的尴尬。但对付高速飞行的先进导弹只有很小的拦截窗口,需要更大的能量密度,这引出激光武器能量效率的老大难问题。
一般认为,每产生一瓦的激光功率,需要三瓦的输入功率。换句话说,两瓦最后都成为热量,需要散发。雷西恩取得了技术突破,HEL-WS“只有”60%的输入功率转化成需要散发的热量,而不是67%,五十步与百步的区别。因此,不仅激光武器本身有轻小型化的挑战,发电机、散热系统也需要轻小型化,挑战同样巨大。成功的机载激光反导只有在这些挑战都解决后才谈得上,这正是AFRL 在努力的,说不定还需要最后一个5-10年?
另一方面,导弹反导在技术上成熟度更高,适合首先投入使用,所以AFRL两条腿走路,这也是第三阶段对比研究的重点。
除了常规的导弹,带近炸引信或者智能控制的无动力弹药可能也是一个思路。这些可以像闪光弹一样大量抛洒的弹药可以在机后形成一条宽阔的“地雷走廊”,只要在空中漂浮到来袭导弹通过时引爆就足够了。战斗机有能力通过高机动迫使来袭导弹进入尾追,把来袭导弹带入“地雷走廊”,多个弹药相继引爆,足以造成足够的损坏,导致高机动中的导弹解体,或者直接引爆。为了增加威力和“射程”,这些反导弹药最好有简单的一次性使用的姿态控制微型火箭或者压缩空气喷嘴,在来袭导弹通过的时候自动调整指向,引爆定向战斗部,发挥最大毁伤效果。在控制方面,弹上装用近炸引信是一个办法,另一个办法是像HVP的制导机理一样,由机上后视雷达精确跟踪,实时“广播”发布来袭导弹的位置、方向和速度,弹上GPS在比较自己位置和导弹信息后,自主控制姿态调整和引爆时机。这样的弹上系统更简单,控制更精确,也相对不容易受干扰,不过需要5G级的近距离、低时延无线技术。
中国在几十年奋起直追后,空空导弹技术已经进入世界前列,但这是相对于当前主流空空导弹技术而言的。下一代空空导弹和空中反导是空战新高地,希望这成为中国空中作战能力从赶到超的转折点。

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