BMDS动能拦截弹研制与部署现状

本帖最后由 刀背战士 于 2010-1-29 13:42 编辑


动能拦截弹是一种由助推火箭和作为弹头的动能杀伤飞行器(KKV)组成,借助KKV高速飞行时所具有的巨大动能,通过直接碰撞摧毁目标的武器系统。20世纪80年代实施“战略防御计划”(SDI)以来,美国导弹防御系统研制了多种KKV,其中包括地基中段防御系统的地基拦截弹(GBI)、“宙斯盾”导弹防御系统的“标准”3(SM-3)海基拦截弹、末段高空区域防御系统(THAAD)拦截弹、“爱国者”3(PAC-3)拦截弹以及最新研制的可机动部署的动能拦截弹(KEI)。目前,GBI、SM-3、PAC-3和THAAD拦截弹等都已进入部署阶段。


地基拦截弹


地基拦截弹(GBI)是地基中段防御(GMD)系统的“武器”部分,是一种先进的动能杀伤防御武器,其任务是在地球大气层外拦截来袭的弹道导弹弹头并利用“直接碰撞”技术将其摧毁,即在大气层外(100km以上的高度)拦截来袭导弹。在GBI飞行过程中,作战管理指控系统通过飞行中拦截弹通信系统向其发送信息,修正来袭弹道导弹的方位信息,使得GBI弹上探测器系统能够识别指定的目标并进行寻的。


GBI有两种型号,一种是部署在美国本土的三级动能拦截弹,另一种是计划部署在欧洲的两级动能拦截弹。


美国本土部署的三级GBI


美国本土部署的GBI包括一个外大气层杀伤飞行器(EKV,以碰撞方式摧毁弹头)、三级固体助推火箭以及发射拦截弹所需的地面指挥和发射设备。波音北美公司和休斯公司(现已并入雷神公司)设计的EKV分别于1997年和1998年进行了试验。1998年11月,选中雷神公司的EKV。但波音北美公司继续研制EKV,作为主要的备选方案。EKV本身是一个能够自主作战的高速飞行器,由红外导引头、制导装置、姿轨控推进系统和通信设备等组成。雷神公司的EKV重64kg,长约1.4m,直径0.6m。它采用惯性测量装置制导,依靠激光起爆系统执行各种指令,如在拦截弹助推段打开阀门和点燃点火器等。其导引头采用了一种三镜面不散光望远镜系统,将成像聚集到一个由两个波束分离器和三个256×256焦面阵组成的光学试验台组件上。为了保证冗余度,每个焦面阵都有各自独立的电子器件和信号处理信道,但三个信道的数据都将汇集到一个数据处理器中。据称,当光进入第一个波束分离器后,部分能量被反射到一个硅CCD焦面阵上,部分光则通过该分离器。在通过第二个波束分离器时,部分能量被反射到碲镉汞焦面阵。剩余的光继续前行,最后撞在第二个碲镉汞焦面阵上。这样,光通过每个光反射部件其波段依次变短,物体被三种不同的探测器成像,而且每个探测器是在同一时间看同一物体,只是带宽不同而已。采用这种方案有很多优点:第一,消除了在不同时间由不同波段对一个物体成像所带来的问题;第二,采用三个单独的焦面阵,如果一个或两个焦面阵出现故障,仍能继续执行任务;第三,这种系统的光学部分无需致冷,碲镉汞焦面阵的工作温度约为70K。


关于助推火箭,美国导弹防御局(MDA)曾考虑多种方案,其中有研制新的助推火箭和改进现有“民兵”导弹的助推火箭等。1998年8月,当时的弹道导弹防御局(BMDO)决定以商用助推火箭为GBI的助推火箭(BV)方案。其一级发动机采用阿联特公司的GEM-40VN固体发动机(最初用于德尔它2火箭),二级和三级发动机采用考顿公司的Orbus 1A发动机。但该计划进展并不顺利,到2001年8月进行飞行试验时,已经比原进度落后了18个月。MDA最终调整采购战略,决定由轨道科学公司研制新的助推火箭(命名为OSC Lite),而洛马公司接手波音公司的商用助推火箭(重新命名为BV+)的工作。轨道科学公司的助推火箭为三级火箭系统,它的很多部件来自该公司的“飞马座”、“金牛座”和“人牛怪”火箭。

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Boeing COTS booster vehicle


1 小时前

目前,轨道科学公司已经成功进行了两次助推火箭飞行试验。2003年2月7日,成功完成了首次飞行试验。该助推火箭从加利福尼亚州范登堡空军基地发射,飞行高度达到了1800km,飞行距离达到距发射场5600km。根据飞行试验后对所采集数据的初步分析,助推火箭的所有主要目标均已实现,包括检验拦截弹的设计和飞行特性、通过机载设备采集飞行数据、确认推进系统预期达到的性能指标。2003年8月16日,轨道科学公司圆满完成第二次助推火箭发射,其试验目的包括检验火箭的设计和飞行特性;确认制导、控制和推进系统的性能。

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OSC booster vehicle


1 小时前

而洛马公司的助推火箭首飞试验推迟到了2004年1月。该公司研制的助推火箭一直受技术问题和工业事故所困扰,远远落后于轨道科学公司助推火箭的发展。但按照目前的战略,MDA支持上述两家公司研制助推火箭,从而降低导弹防御计划的风险。


因此,从2004年以来进行的GMD系统飞行试验以及所部署的地基拦截弹采用的均是轨道科学公司研制的助推器,而之前飞行试验采用的只是一种代用的两级助推火箭。截至2008年,美国已经部署了24枚动能拦截弹,其中21枚部署在阿拉斯加,3枚部署在加利福尼亚州的比尔空军基地。预计到2013年左右,在美国本土部署的GBI将达到44枚左右。


计划在欧洲部署的两级GBI


小布什政府决定在欧洲部署导弹防御设施,包括在波兰建立拦截弹阵地,2011~2013年间部署10枚远程地基拦截弹;将现在太平洋试验靶场使用的地基X波段雷达样机(GBR-P)改进后部署在捷克。原计划在欧洲部署的GBI与美国本土部署的GBI基本相同,也是由助推火箭和EKV组成;但不同的是美国本土部署的GBI采用三级助推火箭,而欧洲部署的GBI采用两级助推火箭。两级GBI的最大速度略低于三级GBI,约7km/s,拦截高度200km。MDA称这种拦截弹更适于在欧洲的交战距离和时间要求。该拦截弹地下发射井的直径和长度比“民兵”3导弹等进攻型导弹所用的地下发射井小得多。


奥巴马上台后于2009年9月17号宣布放弃在东欧设立导弹防御基地的计划,但是他同时警告,伊朗实施的导弹计划仍然是一种威胁。国防部长盖茨17日解释,由于新的情报显示伊朗在短程及中程导弹的发展对美国与盟国造成更大威胁,因此美方改变策略,但美国仍打算在2015年在波兰和捷克部署陆基标准3型反导弹系统。



“标准”3海基拦截弹


“标准”3(SM-3)导弹是“宙斯盾”海基导弹防御系统采用的拦截弹。该弹包括SM-3 Block 0基本型、SM-3 Block 1型系列(1型、1A型、1B型)和Block 2型系列(2型和2A型)。目前,美国已经部署了少量的SM-3 Block 1型拦截弹,正在研制Block 1B型以及Block 2型系列。


SM-3 Block 1型系列


SM-3 Block 1型系列导弹(直径约0.35m)的关机速度在3~3.5km/s之间,具备拦截近程和中程弹道导弹的能力。


SM-3 Block 1型导弹是以大气层内防御使用的两级SM-2 Block 4A导弹为基础,改进成四级大气层外使用的拦截导弹。SM-3导弹第一级、第二级采用了SM-2 Block 4A型导弹的发动机(MK-72助推器和MK-104双推力火箭发动机),增加了第三级火箭发动机、一个新的头锥和外大气层轻型射弹(LEAP)动能弹头。第三级火箭发动机(TSRM)的设计是以美国空军菲利普斯实验室“先进固体轴向级”(ASAS)计划所开发的技术为基础。为了提高能量管理的灵活性,TSRM现包括两个独立的推进剂药柱,按照指令两次点火。两次脉冲工作能独立地按照指令点火,以获得最大的时间上的灵活性。第一个脉冲为第三级提供变轨机动,而第二个脉冲能用于修正相对位置误差,这种误差在中段飞行期间有可能增大。对于较短交战距离来说,可能不需要第二个脉冲。第一个脉冲发动机熄火参数和第二个脉冲发动机点火参数由大气层外中段导引算法计算产生。


TSRM的前面是一个改进的制导设备段(GS)。把制导设备段放在第三级上,可为动能弹头提供更大的空间,主要作用包括:(1)用于远程飞行的电力设备;(2)“宙斯盾”武器系统的通信;(3)遥测;(4)飞行终止电子设备;(5)GPS辅助的惯性导航(GAINS)。GAINS用于在拦截弹中段飞行期间提供较高的制导精度。GPS的信息与雷达的修正数据相结合,可以为拦截弹提供更高的状态精度。为了确保高拦截成功率,SM-3导弹即使在没有GPS数据的情况下也能作战使用。

拦截弹的第四级是LEAP动能弹头。动能弹头本身能自动调节方向和高度,作大机动飞行。LEAP动能弹头高度模块化,结构紧凑,已经进行了空间试验,用于防御中远程弹道导弹。为了提高动能弹头的系统性能、部署能力及费效比等,LEAP必须控制在10kg量级,一般在6~18kg之间,带有弹射机构的LEAP为16.7kg,长约0.56m,直径0.254m。LEAP动能弹头主要由导引头、制导设备、固体轨姿控系统(SDACS)以及接口弹射器机构等四部分组成。SDACS包括一个主发动机和两个脉冲发动机。在2003年6月进行的FM-5飞行试验中,SDACS系统主发动机工作(即在持续燃烧模式下)使弹头过热,因此其它两个脉冲(脉冲1和脉冲2)使转向球出现裂纹。为此,2004年部署的首批5枚SM-3 Block 1型导弹只具备持续燃烧的功能,禁用了两次脉冲燃烧。目前正在对SDACS系统进行改进。


SM-3 Block 1型导弹的动能弹头采用单色长波红外导引头和固体SDACS推进系统,具备目标识别能力,在海基导弹防御系统飞行试验中成功地完成了拦截靶弹的任务。


SM-3 Block 1A型导弹与Block 1型导弹的区别不大,只是在Block 1型导弹的基础上改进了某些部件。Block 1A型导弹仍然采用单色导引头,其动能弹头采用了全反射光学系统和先进的信号处理器。


目前雷神公司还在开发SM-3 Block 1B。该型导弹包括先进的双色红外导引头、先进的信号处理器和一套节流轨姿控系统(TDACS)。TDACS能够动态调整弹体的推力和运转时间,而且很可能会提供更大的推力,使系统应对不同威胁的能力更强。


SM-3 Block 2型系列


美国还正在与日本共同研制SM-3 Block 2型和Block 2A型导弹(直径约为0.53m),关机速度将比Block 1型系列导弹提高45%~60%,达到5~5.5km/s左右,具备拦截洲际弹道导弹的能力。美日的研制工作由美国的雷神公司和日本的三菱重工公司共同承担。日本主要参与导引头、轨姿控系统(DACS)、第二级火箭发动机和蚌壳式头锥的研制。Block 2型的主要改进如下:


● 第二级将采用直径53cm的火箭发动机;


● 动能弹头采用双色导引头,对突防装置具有更强的识别能力;


● 改进动能弹头信号处理器,视场内识别的弹头数量增加;


● DACS可能采用延长固体燃料燃烧时间或增加DACS长度的液体DACS或液体/固体燃料混合系统;


● 新型蚌壳式头锥。


SM-3 Block 2A型导弹则是在Block 2型导弹的基础上,采用了比Block 2型更大的动能弹头,提高动能弹头的轨控能力。MDA计划2009年进行Block 2型拦截弹火箭发动机试验,2013年左右部署Block 2型导弹,2015年部署Block 2A型导弹。

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SM-3 Evolution Plan


1 小时前


THAAD拦截弹


THAAD是一种高速动能杀伤拦截导弹,由固体火箭推进系统、KKV和连接这两部分的级间段等部分组成。THAAD全弹长6.17m,最大弹径0.37m,弹重660kg。

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THAAD1


1 小时前

KKV主要由捕获和跟踪目标的中波红外导引头、制导电子设备(包括电子计算机和采用激光陀螺的惯性测量装置)以及用于机动飞行的轨姿控推进系统组成。整个拦截器(包括保护罩)长2.325m,底部直径为0.37m,重量为40~60kg。


KKV装在一个双锥体结构内:前锥体为不锈钢制造,其上有一个矩形的非冷却蓝宝石板,作为导引头观测目标的窗口;后锥体用复合材料制造。为了保护导引头及其窗口,在前锥体的前面还有一个保护罩,由两块蚌壳式的保护板组成,在导引头即将捕获目标之前抛掉。在大气层内飞行期间,保护罩遮盖在头锥上,以减小气动阻力和保护导引头窗口不受气动加热。


导引头的设计包括一个全反射Korsch光学系统和凝视焦平面阵列。THAAD拦截弹在前7次飞行试验中,其红外导引头采用硅化铂焦平面阵列,阵列规模据信为256×256元。从第8次试验起,THAAD拦截弹的红外导引头改为碲化铟焦平面阵列,很可能是多色的焦平面阵列。


KKV的变轨与姿控系统提供姿态、滚动和稳定控制,也提供最后拦截交战的变轨能力。轨控和姿控系统包括单独的氧化剂箱、推进剂箱、增压剂箱和轨控与姿控发动机。轨控系统由4台发动机组成,姿控系统由6台较小的发动机组成(4台俯仰与滚动控制发动机,2台偏航控制发动机)。


用于制导的集成电子设备组件包括几台简化指令的计算机,用以改进直接碰撞杀伤制导;而采用环形激光陀螺的惯性测量装置用于测量和稳定平台的运动,并作为寻的头的测量基准。


THAAD拦截弹发射前由拦截弹装运箱提供保护。该装运箱用石墨环氧树脂材料制造,以使重量最小。装运箱采用气密式密封,在拦截弹储存或运输时提供保护。装运箱也起发射筒的作用,被紧固在有10枚拦截弹的托盘上。该拦截弹的托盘再安装在发射车上。拦截弹直接从装运箱中发射出去。

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THAAD2


1 小时前

2007年1月,洛马公司被授予生产THAAD的合同,包括48枚拦截弹、6辆发射车和2个火力控制与通信单元,2008年部署了首批24枚拦截弹。美国陆军计划最终将采购1400多枚THAAD拦截弹。


可机动部署的动能拦截弹


GBI、SM-3、THAAD和PAC-3拦截弹等都属于动能拦截弹。但这些拦截弹都是单一用途的,只能用于各自的武器平台系统。这些拦截弹的助推器多数是由原有导弹武器系统的助推器改进而成,如SM-3和PAC-3的助推器都是分别由相同名称的舰空导弹地空导弹的助推器改进而成,GBI助推器的早期方案也是采用“民兵”3导弹的助推器,后来调整为采用商业运载火箭的发动机。这些助推器的加速性能都不高,存在着两个主要缺陷:一是应用平台单一,二是性能受到限制。这些缺陷使拦截弹的效费比难以提高,在作战中也缺乏灵活性。


因此,美国从2002年就已经开始考虑研制下一代可机动部署的多用途(用于助推段、上升段和中段拦截)动能拦截弹(KEI)。其目的是通过通用助推器与有效载荷的逐渐集成,利用可机动部署能力和战场空间的交战灵活性来逐步增强一体化导弹防御体系的多层次拦截能力和健壮性,并且达到较高的效费比。KEI要达到的这些能力是一体化弹道导弹防御系统(BMDS)采办策略中非常重要的目标。


在KEI方案中将设计一种通用的集装箱式的高加速度拦截弹。KEI由机动发射车、拦截弹和作战管理系统组成。一个KEI连包括5辆机动发射车(每个发射车装备2枚拦截导弹)和6辆运载作战管理系统的高机动性多用途轮式车辆(每辆装载4个S波段天线的卡车)。利用7架C-17运输机可以在24h内将一个KEI连部署到世界任何地方,并且能在部署后3h内做好作战准备。

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KEI


1 小时前

KEI拦截弹长约11.8m,弹径1.02m,重10.44t,体积约是SM-3的两倍。KEI的杀伤器由自动导引系统、SM-3导弹的电子系统以及为GBI研制的轨姿控系统等组成。KEI可在60s的时间内加速到6km/s,速度约是SM-3 Block 1型导弹的两倍。


按照最初的计划,KEI旨在研制成一种新型可机动部署的助推段/上升段动能拦截弹,作为机载激光助推段拦截系统的后备方案。但是随着该计划的发展,MDA已将KEI助推器按通用助推器使用,与多用途杀伤飞行器和先进的具有目标识别能力的有效载荷(如子母拦截器MKV)进行集成,以增强GMD、“宙斯盾”、THAAD和PAC-3等的能力。


KEI计划目前进展比较顺利,成功地进行了第一级和第二级发动机静态点火试验,初步验证了这两级发动机应用于高加速度、高速度以及高机动能力导弹方案的可行性。今后,还将陆续进行一系列发动机静态点火试验,利用获取的数据进一步优化设计,为2009年计划进行的首次助推器飞行试验做准备。


KEI既可陆基部署,也可海基部署。预计,陆基KEI将于2014~2015年左右具备初始作战能力,海基KEI的部署时间尚未确定。


PAC-3拦截弹


PAC-3型导弹由一级固体助推火箭、制导设备、雷达寻的头、姿态控制与机动控制系统和杀伤增强器等组成。弹头与助推火箭在飞行中不分离,始终保持一个整体。PAC-3导弹的杀伤增强器增大了拦截目标的有效直径。该装置位于助推火箭与制导设备段之间,长127mm,重11.1kg。杀伤增强器上有24块0.214kg重的破片,分两圈分布在弹体周围,形成以弹体为中心的两个破片圆环。当杀伤增强器内的主装药爆炸时,这些破片以低径向速度向外投放出去。

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pac3


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PAC3


1 小时前

新型动能拦截器——子母拦截器


如何从“威胁云团”(由弹头、弹体和诱饵组成)中识别来袭弹头是目前中段防御系统面临的重大挑战之一。而GBI和SM-3导弹目前均是携带单个动能拦截器,在无法有效解决识别目标问题的情况下,拦截一枚具有复杂突防装置的导弹就可能需要多枚拦截弹。为此,MDA于2002年公布了微型杀伤拦截器(MKV)计划,即利用微型化技术,使一枚拦截弹携带数十个拦截器,采用一种“多对多”的策略来有效弥补弹头识别方面的不足,降低对来袭导弹发射前的情报需求和对导弹防御系统识别能力的需求。


冷战时期,美苏1972年签订的《反导条约》严格限制研制子母杀伤器用于国家导弹防御中。但由于该条约存在一些漏洞,美国实际上已经很早就开始相关技术的研究。20世纪90年代中期,美国海军与当时的弹道导弹防御局合作,研制一种用于战区导弹防御系统的微型拦截器——LEAP。2002年6月,美国退出《反导条约》后,MKV计划正式对外公布。2004年,洛马公司获得研制和验证微型杀伤器的合同,为期8年,要求拦截器和母舱适用于现有的以及计划发展的各种助推火箭。同时,微型拦截器计划正式更名为子母拦截器(MKV)。


MKV体积小,重量轻,对运载工具的要求较低。新MKV概念是针对GMD目标识别问题提出来的,未来可用于GBI、SM-3和KEI上。MKV计划引进了一种双色导引头和改进的液体轨姿控系统。MDA曾估计单个拦截器的重量在2~10kg之间。现在预计每个拦截器大约重5kg,直径15~20cm,长25cm,大小如咖啡罐。具体携带的拦截器数量是保密的,如果使用GBI携带的话,拦截器应在10个以上。MDA和洛马公司的官员一直暗示,一枚拦截弹将可以携带24个拦截器或者更多。但是如果现在的估计是准确的(即每个拦截器为5kg),现有的或者计划研制的助推火箭能够携带的拦截器数量似乎将大大少于24个。而且,由于拦截器必须有足够的质量,以便采用“碰撞杀伤”的方式进行拦截,因此不能无限制地减小拦截器的尺寸。


MKV的具体方案如下:拦截弹发射后,在导弹防御系统探测器(包括海基X波段雷达以及天基跟踪与监视系统)的引导下飞向目标。母舱与助推火箭分离后,利用自身配置的目标识别装置探测目标,为拦截器分配打击目标的任务,释放拦截器。母舱上的远程红外探测器探测、跟踪及识别弹头和诱饵。每个拦截器都会从母舱接收到瞄准信息。对于每一个已识别的弹头可能需要分配几个拦截器进行拦截。每个拦截器也都在自身的光学探测器(工作在可见光和红外波段)制导下,飞向“威胁云团”,将所有可能的目标全部摧毁。即便与母舱分离,拦截器仍将能实时接收到母舱提供的目标修正信息。

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目前MKV计划的重点是研制所需的微型化硬件。拦截器微型化技术面临严重的挑战,如何消除拦截器封装组件产生的热量也是亟待解决的难题。


2005年完成了拦截器导引头关键设计评审、导引头软件产品设计评审、成像稳定性试验、导引头软件关键设计评审以及制造导引头部件的电路板。2006年3月,洛马公司完成了首个“探索者”导引头的研制,在硬件回路设施中进行试验,模拟杀伤器的振动工作环境。在复杂的光电试验中,验证了导引头和相关杀伤器电子设备的功能。2006年7月,洛马公司又进行了MKV拦截器轨姿控推进装置的初始试验,验证使用单组元液体推进剂的轨姿控系统用于MKV的可行性。试验表明,实际飞行重量的推进装置样机以及阀门组合等达到了规定的性能和寿命指标。


MKV计划在完成硬件回路试验、杀伤器(KV)悬浮试验、KV飞行试验后,最终将于太平洋试验台上对母舱(CV)和KV等进行BMDS系统级飞行试验。预计2010~2011年间开始系统飞行试验。

MKV的技术可能会带动助推段拦截技术的发展,甚至带动天基拦截技术的发展。但是,也有技术专家对MKV技术提出质疑。他们认为,MKV可能在对付诱饵方面比较有效,但对其它类型的突防措施却不能提供什么帮助,例如通过在弹头表面涂上颜色等简单的战术就会影响光学探测器的探测性能等。

转自止戈论坛 http://bbs.zhige.net/