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利剑能否出鞘?——中国反舰弹道导弹技术透视

利剑能否出鞘?——中国反舰弹道导弹技术透视

众所周知,鉴于弹道导弹的特殊性,要将这种打击固定目标的精确打击系统改造为打击海上移动目标,确实并非易事。不过中国工程师们对此似乎充满信心。某种程度上中国的反舰弹道导弹项目体现了过去20多年来中国在科技领域的巨大投入及取得的成绩。中国如今取得的不少科研成就,都要归功于上世纪80年代启动的“863计划”,正是该计划直接推动了中国的科技进步和国防工业的提升。反舰弹道导弹就可视为“863计划”科研成果转化的最佳范例。中国军方、国防工业部门与地方大学不断增强的协作,必将加速推动中国在诸多关键性技术领域实现重大突破。

目标侦察与定位能力

据悉,包括反舰弹道导弹在内的战略打击能力均离不开先进的海上侦察探测、跟踪、定位以及战损评估。目前,充当中国反舰弹道导弹“耳目”的海上综合侦察系统已被列为国家级优先发展项目,也是“863计划”确定的八大关键性研发项目之一。有学术著作显示,中国的海上综合侦察系统可能包括以下四个部分:

近空海上侦察

未来五年内,近地空间飞行器有望在广域海上侦察中扮演主导角色。近地空间通常是指距地球表面约20到100千米之间的区域。这一高度对战斗机来说高不可及,对轨道卫星来说又太低矮,却正好适合飞船等近地空间飞行器展开高空侦察,而且探测分辨率非常高。飞行器在近地空间所受的地球引力非常小,且自身携带有推进和操纵系统,续航时间远远超过无人飞行器。美国空军一份研究报告认为,近地空间飞行器的雷达和热辐射横截面非常小,传统的跟踪和定位手段很难捕捉,因而具有极强的生存能力。近地空间飞行器可采用光和太阳能电池提供动力,可大大降低持续性广域侦察的成本。

不过近地空间飞行器的研制难度也颇大。近地空间的空气要比地面稀薄得多,飞行器必须采用独特的推进系统,并加大机翼面积,以弥补喷气发动机在高空运行时产生的推力损失。此外,飞行器长期暴露于臭氧层中,极易导致一些器件的腐蚀失效,且宇宙空间的辐射现象有时也会造成无线电频率信号的突然消失。

尽管如此,中国国防研发部门对近地空间飞行器的兴趣仍日渐浓厚。目前,合成孔径雷达侦察和电子情报侦察可能已被列为优先发展项目。中国航天工业部门为此新组建了两个专门负责近地空间飞行器设计和研制的研究所。

太空传感器

为赶上世界发达国家水平,中国启动了规模庞大、具有一定军事色彩的空间开发项目。中国不少权威刊物也呼吁加速发展和强化太空侦察系统,包括覆盖范围达3000千米的“空基战区电子信息系统”。有未经证实的消息称,中国反舰弹道导弹使用的“战略目标指示网络系统”高度依赖具有双重用途的卫星群座,并已先期投入使用。

一般来说,合成孔径雷达是太空传感器的合适选择,其可在多种条件下进行广域探测,若与高分辨率光电传感器相配合,还可搜集更多的舰船识别信息。不过光电传感器狭窄的扫描阵列可能会限制其对预定方位的探测。而数据中继卫星(如2008年4月发射的“天链”-1号)则可使传感器超越地面站的探测范围。目前中国工程师已着手研制未来更先进的数据中继卫星。

合成孔径雷达卫星:反舰弹道导弹和区域性打击能力部分有赖于分辨率高、具有双重用途的太空合成孔径雷达,以探测和锁定美军航母战斗群或其他海军战舰。合成孔径雷达利用微波传输原理进行目标成像,可全天时、全天候对海上和地面目标进行探测和侦察。有中国专家曾指出,合成孔径雷达成像对于自动识别海上舰船目标至关重要。经过处理后的合成孔径雷达图像可根据气候条件、舰船的方位和结构特点以及电子束聚焦等,从多角度对舰船进行识别。合成孔径雷达卫星还可获得舰船的尾流成像,并据此推断出舰船的航向及航速。舰船通常属于移动目标,因此接获卫星图像后尽快通报舰船侦察信息就变得至关重要了。

据信,中国在2012年前将拥有至少两种型号的太空合成孔径雷达系统——HJ-1C和HY-3。中国太空合成孔径雷达系统项目的预研始于上世纪80年代末,1991年正式启动系统工程研制,并获得国家“863计划”部分资金的支持。该项目的关键是机载L波段合成孔径雷达的研制。1994年,机载合成孔径雷达成像处理系统研制完成,中国随即在第二年批准了系统定型和联合高速数据传输系统的研制。1997年,机载合成孔径雷达系统通过测试并投入部署。至上世纪90年代末期,合成孔径雷达卫星系统成功进行了地面模拟试验。据称中国在研制合成孔径雷达卫星天线过程中得到了俄罗斯航天专家的大力协助,中国的HJ-1C与俄罗斯的合成孔径雷达卫星都能在S波段运行。

中国第一代太空合成孔径雷达系统将与其他卫星共同组成一个小型灾害监测星座。该星座包括在太阳同步轨道运行的两颗光电卫星(HJ-1A和HJ-1B)和两颗合成孔径雷达卫星(HJ-1C),并计划于2010年投入运营。两颗光电卫星已于2008年9月发射升空,第一颗合成合成孔径雷达卫星(HJ-1C)在2009年择机发射。该星座计划尽快扩充为四颗光电卫星和四颗合成孔径雷达卫星,以增大探测范围。有未经证实的消息称,2008年12月发射的“遥感”-5号卫星可能就是实验性合成孔径雷达卫星;另外一颗疑为合成孔径雷达卫星的“遥感”-6号已于2009年4月22日发射升空。

随着HJ-1C新一代合成孔径雷达卫星接近或已经部署,第二代合成孔径雷达卫星系统——“海洋”-3号(HY-3)的开发工作据称也已接近尾声,2012年将进行首次发射。中国官方对HY-3卫星的初始要求是每五年发射一颗,能够在太阳同步轨道X波段运行,预期寿命至少三年。有人认为HY-3卫星的分辨率可达1米。

电子情报侦察卫星:为加大对地面信息的搜集力度,中国可能重新启动已搁置20余年的电子情报卫星项目。航母和其他水面战舰行进途中都会释放大量的电磁波、声学和红外信号,而且具有较大的雷达截面。尽管通过技术手段可以进行短时间的信号控制,但航母编队的空中行动依赖电磁辐射。无线电信号也很容易被地面多种平台搜集和拦截。

上世纪70年代中期,解放军曾以“技术试验卫星”的名义发射过电子情报卫星,用于空间电子情报搜集试验,但后来不知何故该项目突然中断。不过,中国国内一些技术性刊物显示,中国已经重新启动该项目,并计划部署星载电子侦察系统。据信中国正在评估至少一个小型电子侦察卫星星座计划,确保获得准确的情报信息和长久的耐用性。

可紧急升空的微卫星:危急情况下,中国还可选择利用固体燃料火箭应急发射微卫星,以强化现有的太空侦察力量。2002年7月,中国航天科工集团为满足军民客户需求,专门组建了信息技术研究院,负责重约100公斤以下的微卫星和纳米卫星的研制,用于遥感探测、通讯、导航、卫星导航接收机以及移动式卫星地面站。

为将重量不足100公斤的微卫星送入近地轨道,中国航天科工集团研发了采用四级固体燃料发动机的“开拓者”小型运载火箭。该项目研制启动于2000年11月;翌年2月25日成功进行三级发动机试射;2003年成功进行四级发动机试射,并验证了发动机与卫星分离的可行性。

据称“开拓者”-1型运载火箭能将重约50公斤的有效载荷送入距地面400千米的太阳同步轨道,而“开拓者”-1A等后续型号则能运载100至200公斤的载荷。“开拓者”-1A的第一级发动机直径非常大,远超过基本型“开拓者”-1前两级发动机的直径。据称计划中的“开拓者”-2火箭采用的发动机直径将继续加大(据称达1.7米),足以将重约300至400公斤的载荷送入近地轨道或太阳同步轨道。

超视距雷达

超视距反向散射雷达系统也是反舰弹道导弹获取目标信息的重要手段。超视距雷达有两种基本类型:利用电离层对短波的反射效应使电波传播到远方的雷达,称为天波超视距雷达;利用长波、中波和短波在地球表面的绕射效应使电波沿曲线传播的雷达,称为地波超视距雷达。天波超视距雷达的作用距离可达3000千米。地波超视距雷达的作用距离虽然较短,但能监视天波超视距雷达所不能覆盖的区域。在一定程度上可以说,超视距雷达的探测距离直接关系到中国海上精确打击的范围。

超视距雷达在使用上也存在不少问题,比如只能获得目标的方位和距离虽然信息,很难获得仰角信息;测量精度低、分辨率差;电波通道不稳定,干扰因素多,气候变化、北极光和太阳黑子直接影响天波超视距雷达的性能,甚至使它不能正常工作;在中波、短波波段,频谱拥挤,带宽窄,互相干扰严重。此外,超视距雷达系统庞大,雷达站内还配建诸如电离层监测站和气象站等支援设施,其目标明显,战时很容易遭到敌方导弹摧毁。

中国于1967年开始研制超视距雷达系统,并在钱学森的带领下成功研发出可探测250千米以内目标的地波超视距雷达,为当时尚处于萌芽状态的中国巡航导弹项目提供目标数据。进入上世纪70年代后,中国曾部署了一部实验型地波超视距雷达,但由于西方国家的对华出口限制和技术封锁,致使该项目进展十分缓慢。直到1985年后,随着计算机、微电子和数字信号处理技术的突飞猛进,中国超视距雷达的研制工作才重新驶入快车道。中国的研究机构近来主要致力于增强超视距雷达的电子对抗能力和数字化水平,也有意研发一种机动式超视距雷达。此外,中国工程师们认为超视距雷达还可在一体化防空方面发挥重要作用。中国已研发了一种实验型天波超视距雷达,可跟踪1000千米内的飞行目标;1995年还测试过一种高频雷达系统,既能探测低空和掠海飞行目标,也能跟踪海上目标。

据信中国如今已拥有至少一种天波和一种地波超视距雷达系统。天波雷达系统为军民两用,既可以用于大气和海洋领域的科研,也可为解放军提供情报支援。距离过近就军用而言,现有的雷达网络目前主要发挥战略作用,通过数据传输网络将空中探测信息直接送达解放军的作战指挥中心。

常规无人飞行器

常规高空、长航时无人飞行器同样可以有效增强太空和地面系统的情报信息搜集能力。未经证实的消息称,西北工业大学等多家机构都在研制高空长航时无人飞行器。其中成都飞机制造厂研制的“翔龙”无人机巡航速度为750千米/小时,飞行高度18000~20000米,最大航程达7000千米,据称可使用光电和合成孔径雷达传感器套件。目前成都飞机制造厂还在“翔龙”基础上开发用于通讯中继和电子战的改型。“翔龙”无人机已在2008年10月进行了地面测试,有望在2009年年底前首次试飞。

飞行控制与制导能力

鉴于中国在研制“东风”-21C和“东风”-15C导弹过程中已解决末制导问题,反舰弹道导弹项目的科研重点将主要集中在开发和完善微电子技术和先进制导、导航与控制系统方面。

微电子技术实力

由于微电子技术的研发得到了军方的资助,加之可以利用的现成民用微电子技术也越来越多,使得解放军的信息化进展迅速。这种发展趋势在中国的反舰弹道导弹及其C4ISR系统项目中体现的最为突出。比如,中国半导体制造技术——特别是超大规模集成电路技术的迅速发展,大大减小了电子产品的体积,为反舰弹道导弹战斗部安装末制导系统或更多体积较大的弹头创造了条件。这些电子技术成果还包括甚高速集成电路以及辅助计算机和软件的开发。甚高速集成电路可用于导弹雷达和其他制导控制系统使用的数字信号处理机,以及弹载电子战系统。芯片集成电路的发展则能够将多项功能浓缩在一块微小的电路片上,既节省了空间也提高了效率。中国还在投资研发一种效率高、重量轻、耐用性强的放大器和微波功率模块,可为弹载寻的器提供更强大的能量支持。

反舰弹道导弹对弹载传感器的要求极高,必须要能适应各种极端环境(比如超高温、超低温、震动以及重力等);还要以极快的速度处理信息并发射足够功率的无线电频率信号,以尽早捕捉并跟踪海上移动目标。这对制造传感器的零部件和材料提出了非常高的要求。可以说,先进微电子技术和嵌入式软件是反舰弹道导弹形成战斗力的基础。中国可能还在研发更先进的微电子材料以求获得更大的雷达功率。

2008年10月,中国航天工业部门组建了一个专门利用氮化镓材料开发先进半导体装置的国家级研发中心。氮化镓是微波功率晶体管的优良材料,也是蓝光电子器件中一种具有重要应用价值的半导体,其单位体积产生的能量是其他材料的五倍,因此非常适用于高能雷达和通讯领域。氮化镓具有出色的耐高温性能,几乎不会出现高电压问题。利用氮化镓制成的宽频带装置体积小,覆盖频率范围大,能在更高温度下产生更大的能量,而且不存在制冷问题,可极大地降低微电子系统的体积、重量和成本。

反舰弹道导弹的制导控制系统,包括使用合成孔径雷达和自动识别系统,需要有强大的数据计算能力。早在2000年,中国航天科技集团的工程师便提出要重点发展用于导弹控制的先进弹载计算机系统时,曾考虑使用当时市场上最好的数字处理器,但导弹的运行模式和速度使其无法为自动识别系统提供符合要求的成像质量。中国的微电子工程师们随后开发了弹载实时数字信号处理器。

为进一步减轻制导系统的重量,中国也十分重视先进微机电系统的研发。微机电系统是集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统,其每秒能存储数百万条指令信息,而且能耗极低。中国反卫星动能拦截器在试验中的出色表现,很大程度上就是因为其采用了基于微机电系统技术的三轴线性加速计芯片,或是能大幅减小惯性测量装置体积的微型陀螺仪。客观上说,微机电系统在商业领域的巨大需求也推动了其快速发展。

飞行校正与制导能力

反舰弹道导弹在飞行中途或刚再入大气层后不久,需要及时更新目标跟踪和定位信息,供其校正攻击坐标。中途修正通常有两种方式:一种是由地面站通过数据链将指令传给弹载控制系统;另外一种是更可取的“发射后不管”方式,即依靠弹载制导系统进行自我校正。中国的导弹设计师更重视利用弹载雷达自行完成弹道校正或目标捕捉。

“发射后不管”式制导:中国正大力发展能进行高空自我修正和目标捕捉的弹载合成孔径雷达。与多数雷达一样,合成孔径雷达也是通过向目标或区域发射电磁脉冲,然后收集返回的信号来进行侦察,其特殊之处在于能从不同角度获得极为清晰的目标成像。数字信号处理系统负责存储并处理图像信息。该型雷达的探测范围取决于发射机功率、所用频段、天线直径、探测器灵敏度以及目标的体积。

中国在研发弹载合成孔径雷达方面投入了大量资源,并努力使之与卫星定位和惯性导航系统综合使用。弹载合成孔径雷达的优势非常明显,其分辨率高,能全天候工作,其寻的器在飞行途中能穿透云雾和遮盖物发现水上目标,并在导弹飞行末段将目标移交给其他主动或被动寻的器。合成孔径雷达一般在导弹飞行速度降至极超音速以下(通常低于5马赫)时便会自动启动。

合成孔径雷达系统在具体应用中也面临诸多挑战,比如导弹极高的飞行速度,速度和运动的突然改变,以及高斜角等。中国工程师们试图通过发展高精度和高速度的弹载微型惯性测量装置以弥补其不足之处。目前在研的项目中比较受关注的是聚光模式合成孔径雷达,该型雷达能将光束聚焦于某特定目标以获得最大的分辨率。为提高合成孔径雷达的生存力,中国还为其研制了一套电子战模拟系统。据技术专家指出,雷达系统的研制是反舰弹道导弹项目中花费最多的部分。

中国航天科技集团曾于2001年模拟测试过弹道导弹发射后激活目标捕捉系统的最佳高度。导弹在200千米高度启动了滑翔和速度控制装置,在80千米高度激活了弹载雷达系统进行目标捕捉,并进行飞行弹道修正。不过,也有工程师指出,发动机高空燃烧时间过长容易暴露再入飞行器的行踪,因此建议缩短导弹的高空滑翔时间。

末段“硬杀伤”制导:尽管合成孔径雷达的研制还面临诸多技术困难,但中国已在末制导技术方面奠定了坚实的科研基础。此前中国已成功部署了第一代末制导弹道导弹,并于2007年成功进行了直升式反卫星动能拦截试验。中国航天科技集团高级工程师曾指出,反舰弹道导弹的末段制导大体上与空空导弹地空导弹采用的技术没有多大区别。

“东风”-21C导弹采用了先进弹载计算机系统、末段机动以及目标自动识别等多项技术。目标自动识别系统的工作原理是将弹载雷达和红外传感器获得的图像,与弹载计算机预先存储的目标图像进行对比校正。来自中国航空业的消息称,“东风”-21C具备了类似美国“潘兴”-II导弹的机动飞行能力。“潘兴”-II的末制导雷达体积90╳45厘米,重45.5公斤,放大器功率60千瓦,工作波段J-波段(20GHz)。“潘兴”-II的战斗部重647.1公斤,在40千米高空通过控制系统,使飞行速度降至6到8马赫,15.25千米高空激活末制导雷达,4.5千米高空雷达可对35平方千米区域进行扫描成像。

此外,有中国航天官员指出,反舰弹道导弹也将采用2007年反卫星武器试验的诸多成熟技术。反卫星动能拦截器采用的基本技术包括:中波红外寻的器、电荷耦合装置、全数字光线陀螺仪、毫米波寻的器等。毫米波雷达技术已被列为国家级优先发展项目,未来可能用于反舰弹道导弹末制导系统。毫米波雷达末制导系统工作频段可能为Ka波段,其小巧耐用、分辨率高。毫米波雷达技术在防空和反舰导弹系统中的应用也日益普遍。比如“爱国者”3型导弹采用毫米波雷达寻的器,可直接通过“硬碰撞”拦截来袭导弹。此外,毫米波雷达技术也被用于机器人、隐身武器探测、宽频通讯卫星以及地形测绘雷达。一般认为,拦截体积如小型货车、速度为20马赫的目标,与打击航母的原理在本质上是相似的。

红外成像和激光制导:红外成像雷达寻的器的优点是探测精度高,这对导弹发现并打击高速移动的目标非常重要,且航母会发出明显有别于海洋环境的红外信号。出于减轻导弹重量的考虑,未来不需冷却的红外寻的器发展前景被看好。除了红外成像雷达寻的器,中国航天工程师和二炮部队也在研究激光末制导系统的可行性。

耐高温与突防能力

中国航天工程师们面临的另一个挑战,是确保导弹再入大气层时弹载雷达系统能够正常工作。弹道导弹或其他飞行器以超音速再入大气层返回地球时,飞行器的前端会形成很强的激波。由于激波的压缩和大气的粘度作用,使高速飞行的动能大量转化为热能。飞行器表面达到很高的温度时,导弹的气体和被烧蚀的防热材料均发生电离。于是,在飞行器的周围形成一层高温电离质,等离子体鞘和电磁波相互作用,从而导致用于通信的电磁波传输衰减或反射。此时,地面与飞行器之间的无线电通信便中断了。这就是航天领域常说的“黑障”。不过有报道称,中国已初步解决“黑障”问题,比如“神舟七号”执行航天任务期间就将“黑障”危害控制在了最低程度。

高温也是再入大气层后滑翔飞行时必须面对的问题,这可能会制约反舰弹道导弹的助推滑行能力。采用热保护系统可以解决这一问题,但会大大增加导弹的重量。中国航天科技集团一直在进行耐高热材料的研发,2007年12月,他们研发的用于某型再入飞行器的新型烧蚀材料热保护系统通过了鉴定。中国另外一项有关全球常规打击能力的研究,要求再入飞行器耐极热环境的持续时间达300~700秒,而在一次测试中,由碳-碳复合材料制成的热保护系统耐超高温时间已达600秒。

反舰弹道导弹要击中目标还需能突破敌方的防御系统。通过研究美国的导弹防御系统,中国也愈加重视对导弹防御的反制措施。中国启动“863计划”的一个重要动因,就是要确保中国核武器在美国导弹防御系统面前仍具威慑力。这些研究项目包括技术反制措施、干扰欺骗手段,以及太空反击作战等不对称措施。其中技术反制措施共分两大类、八大突防技术,包括反侦察和反拦截技术。

中国反侦察系统的研发主要集中在电子对抗措施、隐形、假目标和高速燃烧发动机等方面。在中国看来,主、被动电子对抗措施是确保弹道导弹实现打击目标不可或缺的有效手段。从十多年前中国就已开始研制机载干扰发射装置,利用撒布箔条等被动电子对抗措施来干扰敌地面雷达系统。目前在研的电子对抗措施还包括再入飞行器携载的电子和红外对抗装置,以及使用反辐射导弹对敌战区导弹防御雷达实施硬杀伤。反拦截措施主要是寻求用技术手段破坏敌导弹防御系统精确拦截己方导弹的能力,包括研发再入式多弹头机动弹道导弹以及对弹道导弹进行淬火与旋压处理。多年以前中国就已有能力研发和部署多弹头和机动式再入飞行器系统,这会增大敌导弹防御系统的跟踪拦截难度。

推进系统性能

反舰弹道导弹的推进系统可能将采用新型固体火箭发动机。有迹象显示中国的航天固体火箭发动机研究机构正致力于开发更为先进的固体燃料推进系统,包括固体/液体混合动力发动机、超燃超压发动机以及能够产生更大推力或大幅减少红外辐射信号的新一代固体火箭发动机。中国有关固体燃料发动机的许多技术文献都对先进的固体燃料推进剂予以重点关注,其燃烧速度快,辐射信号低,且能有效削弱美国太空红外卫星的探测能力。

火箭的上面级采用混合动力有助于某些分导式飞行器的被动飞行。中国航天科研机构从2004年开始研发用于控制飞行姿态的固体/液体混合动力发动机,并在2007年成功进行了样机测试。据称该发动机主要用于微卫星发射,但也可用于飞行器。实际上解放军的一项模拟研究就曾设想,增程型防空拦截器和弹道导弹采用相同的上面级,可在40到60千米的高度激活。 《现代舰船-军事广角》2009年刊载

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