美军正处于定向能武器研发的关键时期

  【导读】本文编译自美国国防大学《棱镜》杂志2020年1月刊。作者亨利·奥伯林，原美国防部导弹防御局局长，空军中将（已退役），现任美国博思艾伦汉密尔顿控股公司（Booz Allen Hamilton）执行副总裁兼定向能首席专家。文章认为，定向能技术正迅速成熟，美国在发展定向能武器方面已有深厚积累，目前处于关键时期。美国必须投入更多资源最大限度发展和部署这种作战能力，避免重蹈高超声速武器发展滞后的覆辙。

  在1951年的科幻电影《地球停转之日》中，我们正真看到了威力强大的射线枪，它们汽化了步枪甚至坦克。电影《星球大战》描绘了各种各样的定向能武器，从手持式光剑到飞船上的巨型激光炮。

  定向能武器到底是什么？这些武器只存在于科幻小说、实验室，还是真实存在？怎么样去使用它们，它们的破坏性有多大？定向能武器面临的挑战和下步措施是什么？本文将对这样一些问题一一做出回答。

  根据美国防部《联合出版物3-13电子战》，定向能被描述为：“是产生电磁、原子、亚原子粒子集中能量束技术的总称。定向能武器是一种系统，主要使用定向能作为一种直接手段来禁用、破坏或摧毁敌人的装备、设施和人员。定向能作战是指使用定向能武器、设备和对策的军事行动，可直接破坏或摧毁敌方的设备、设施和人员，或通过破坏、摧毁和中断敌方设备设施来终止、利用、减少或防止其使用电磁波谱。”

  定向能武器包括高能激光、大功率射频或微波设备，以及带电或中性粒子束武器。微波和激光都是电磁波谱的一部分，这中间还包括光能和无线电波。其区别是能量的波长和频率。虽然它们都是电磁波谱的一部分，但激光和微波武器的作战使用和毁伤效果却大不相同。

  想想激光笔和手电筒的区别。激光是单色的相干光，而手电筒是广谱光。由于激光的相干性，它可以在很远的距离内保持聚焦，甚至射入太空数千英里。但对于激光武器，与其用激光笔来思考，不如在大脑中将其想象成一个强大的远程喷灯。

  激光器可分为气体激光器、固体激光器和混合激光器。目前实现武器化的激光器包括固态复合光纤和晶体板激光器以及混合激光器。光纤激光器的活性介质是掺有稀有元素（通常是铒）的光纤。平板激光器代表一类高功率固体激光器，其中激光晶体呈平板状。混合激光器，如二极管泵浦碱激光器，使用微量气体和半导体二极管阵列的组合，以此来实现更高功率和效率。

  定向能武器的破坏力（杀伤力）来源于一段时间内转移到目标上的能量。这种集中能量可以产生从非致命到致命的各种影响。例如，激光可以在几秒内切割钢、铝和许多其他材料。它可以非常有效地导致能承受压力的容器爆炸，如导弹推进剂和氧化剂罐。它可以破坏、降级或致盲许多包含传感器和电子设备的系统。对于高能激光器，杀伤力取决于激光的输出功率、光的纯度和浓度（光束质量）、目标距离、保持激光在目标点上的能力（抖动控制和跟踪）、以及大气环境。对于最后一个因素，激光频率和交战高度将对其影响程度产生重大影响。激光能量能够以连续波或脉冲形式产生，这也影响其杀伤力。高能激光器（HEL）的平均功率从几千瓦到几兆瓦不等。

  高功率微波（HPM）和高功率毫米波武器发射的电磁能量束通常在10兆赫到100千兆赫频率范围内。与激光一样，高功率微波武器能够以脉冲或连续方式使用，并用“峰值”或“平均”功率进行分类。大多数高功率微波是基于射频能量的短脉冲，其峰值功率是重要指标。武器系统的天线增益也很重要，当与射频源功率结合使用时，产生武器的有效辐射功率（ERP）。根据武器的详细情况和使用方式，有效辐射功率可达数千亿瓦甚至更高。连续波系统使用高平均功率来攻击目标，功率通常在50-100千瓦到几兆瓦之间，其有效辐射功率主要根据天线和孔径。

  几乎每个人可能都经历过微波设备的“杀伤力”，当他们无意中把金属物放入微波炉，就会看到火花四溅。同样的能量能够以更高的功率产生武器效果。微波能通过许多途径和入口穿透电子系统。如果微波能穿过目标的天线、顶部或其他传感器的开口，那么这个路径通常被称为“前门”。如果微波穿过裂纹、接缝、尾线、金属导管或目标的封口，那么这个路径就被称为“后门”。

  在武器应用中，微波的杀伤力取决于功率和距离，但能量束往往更大，并且对抖动的敏感度比高能激光器低。高功率微波的杀伤力也受大气条件影响，但比高能激光武器受影响程度小得多。高功率微波武器的杀伤力通常以其拒止、降级、破坏或摧毁目标的能力来描述。

  “拒止”的定义是，在不损害系统的情况下消除敌人作战能力的能力。微波武器通过造成敌目标系统内某些中继和处理电路故障来达到这一结果。例如，高压电线可导致汽车无线电静电和失真，但不会造成持久损害，当汽车离开这一区域后，故障便会消失。因此，“拒止”能力不一定是永久的，受影响的系统能轻松恢复到以前的运行状态。

  “降级”的意思是消除敌人的作战能力，并可能对电子硬件系统造成最小伤害。该能力的例子包括信号覆盖或插入、电源循环（以不规律间隔反复开关电源）以及导致系统“锁定”。这些影响也不是永久的，因为目标系统将在指定时间内回到正常状态运行。大多数情况下，目标系统必须关机并重启，并在大多数情况下要稍做维修才能再正常运行。

  “破坏”的概念是对敌人的通信设施、武器系统和硬件子系统造成中等程度的伤害，目的是在一段时间内使敌人丧失能力。例如损坏单个组件、电路板或台式计算机的“主板”。根据攻击的严重程度和敌人诊断、更换或维修能力，这种破坏可能会产生永久性影响。

  最后，“摧毁”的概念是指对敌人的功能和系统造成灾难性和永久性伤害的能力。在这种情况下，如果敌人要将作战状态恢复到任何程度，就必须彻底更换总系统、设备和硬件。

  定向能武器除了能对敌目标产生规模效应外，还有许多出色的固有属性。主要包括：

  定向能武器在美国的研发机构、国家实验室和工业部门已发展了数十年。那么它离武器化还有多远呢？

  在早期版本的激光武器中，光是通过化学反应产生的。2000-2005年间，一台化学激光原型机在野外测试中成功摧毁了飞行中的46枚火箭、炮弹和迫击炮弹。然而，这些激光器通常又大又重。在20世纪90年代末和21世纪初开发的兆瓦级机载激光需要一架747飞机来装载设备。六个激光组件都像小汽车般大小，化学品储罐、光学工作台、控制设备和管路装满了整架飞机。2010年，在飞行测试期间，机载激光击落了两枚处于助推阶段的导弹（固体和液体推进），这证明了激光对导弹目标的杀伤力。我们证明了这项技术的有效性，但其尺寸、重量和电力要求使激光武器无法实战化使用。

  如今，固态电激光器（包括光纤）和混合激光器正在被开发，它们更轻更小。技术的进步提高了杀伤力，并减小了激光器的尺寸、重量和电力要求；同时高超声速武器等威胁的出现，使动能武器解决方案存在问题。这两个因素相结合，导致高能激光器和定向能武器被各军种广泛采用并与《美国国防战略》保持一致。

  近年来，美海军在“庞塞”号海上前进集结基地部署了一种30kW级固体激光武器系统（LaWS）原型机。它能够破坏或摧毁快速攻击艇、无人机，并被用于情报、监视和侦察（ISR）。该系统被集成到舰艇上后，设计和研发人员最初预计它每天工作几个小时。但在2011-2014年的三年部署期间，它几乎昼夜不停地以ISR模式工作。

  美航母战斗群可以有效的进行力量投送，因此保护航母战斗群具有战略意义。美海军正在通过“海军激光系统家族”（NLFoS）项目进行原型机的开发，部署的激光器从低功率的激光眩目器到能够摧毁反舰和高速巡航导弹的高功率激光器。“海军激光系统家族”还包括：预计2021年部署60千瓦“HELIOS”激光器（集成了光学眩目器和监视功能的高能激光），能够烧毁小艇和击落无人机；SSL-TM激光器（固态激光技术成熟系统），它最终将成为“波特兰”号两栖船坞运输舰（LPD-27）上的150千瓦激光武器；除此以外还有ODIN（海军光学眩目），也将部署于驱逐舰。

  美陆军也在积极开发和部署定向能武器，作为其防空和导弹防御现代化优先发展事项。其中，美陆军重点使用高能激光器来提供间接火力保护能力（IFPC）和机动近程防空能力（M-SHORAD）。陆军快速能力和关键技术办公室（RCCTO）正在将定向能推向部队。在过去的5-7年中，该办公室始终致力于美陆军定向能武器的建设工作，包括将50千瓦激光器部署于四辆“斯特瑞克”步兵战车，使其形成排级作战能力，作为机动近程防空能力的一部分，为旅级战斗队提供支援。

  一年前，美陆军在德国联合作战评估及相关工作中，对5千瓦激光器进行了测试，这是在“斯特瑞克”上加装50千瓦激光器的前期工作。2018年3月，美国博思艾伦汉密尔顿公司（Booz Allen Hamilton）和战略与预算评估中心（CSBA）在华盛顿联合举办了“定向能武器峰会”。美《防务新闻》周刊封面刊发了美陆军G3战略计划欧洲负责人丹尼斯·威尔上校的讲线“斯特瑞克”骑兵团（由位俄克拉荷马州锡尔堡的第7陆军训练司令部和美陆军火力卓越中心负责保障）在德国南部格拉芬沃尔训练基地使用5千瓦“移动远征高能激光演示机”实施了实弹射击。这仅仅是未来几年在4辆“斯特瑞克”步兵战车部署50千瓦激光器计划的开端。

  在近期冲突中，美陆军使用海军和空军开发的高功率微波武器对抗简易爆炸装置（IED）。这些爆炸装置能够破坏汽车、卡车或船只的发动机。微波武器在检查点阻止车辆逃跑非常有效。

  2017年，美空军部长和参谋长签署了定向能飞行计划，为美空军发展和部署高能激光器和高功率射频武器制定了路线图。该计划包括一个旨在测试机载高能激光器对抗地空和空空导弹威胁的项目。类似于美陆军快速能力和关键技术办公室和美海军加速采购（AA）流程，美空军利用空军研究实验室的定向能理事会（AFRL/DED）和空军战略发展规划与试验办公室（SDPEO），加速形成作战能力，解决定向能飞行计划中的关键能力差距，最重要的包含：前进基地防御、精确打击和飞机自我防护。此外，美空军与海军正在联合开发一种高功率射频武器——高功率联合电磁非动能打击（HiJENKS），可对电子、通信和计算机网络实施攻击。最近，美“军事”网站刊文报道，美空军在新墨西哥州白沙导弹靶场进行高功率微波武器测试，成功击落多架无人机。美国雷声公司副总裁托马斯·布辛在新闻发布会上表示，“经过数十年的研究和投资，我们始终相信这些先进的定向能装备将很快投入实战。”

  在美国防部开展的项目中，最具前景的是由导弹防御局（MDA）领导的定向能武器项目。该项目研发一种高功率激光器，最终部署于天基平台，可在来袭导弹的助推/上升/中途阶段对其攻击。这种激光器的功率为兆瓦级，射程可达数百英里。这项工作的第一步是为提高功率和光束质量提供资金，用于组合光纤激光器和混合激光器。随着计算能力的显著提高，这些激光器代表了机载激光技术的飞速进步。激光二极管、光纤放大器、电池和电源管理、热控制及光学系统也更加先进。

  美国将很快具备生产兆瓦级激光器的能力，其大小、重量和体积都适合于高空飞机或天基平台。在国防部努力开发和整合这些技术时，许多工作应同步完成，如材料、发电、热控制等方面的改进。然而，多样化的任务、平台和实施环境需要进行持续的军种差异化开发。例如，海军舰空激光器与空军的空空系统有不一样的要求，也与天基导弹防御系统有不一样的要求，因此就需要不同的技术考量。应以任务为牵引进行设计研发，这样才可以在从技术到实战的竞赛中始终占领先机。

  定向能武器在应对当前挑战中的一些使用已经有所描述，例如阻止在国际水域骚扰美舰的敌小型舰群，或者阻止携带简易爆炸装置的车辆。另一个例子是，高能激光可保护前进部署的部队和基地，使其免遭携带爆炸装置无人机群的攻击。

  让我们把这些应用稍微扩展一下。美国导弹防御系统能防御朝鲜的核弹道导弹威胁，但无法防御另外一个威胁——14000门大炮和火箭炮排列在韩朝边境，首尔与其1000万居民将位于打击范围以内。想象一下，如果部署一套由高能激光和高功率微波武器组成的多层次综合系统来抵御这些威胁，朝鲜半岛的地理政治学格局将发生怎样变化？

  视线转向空军，美国耗资数十亿美元研发战斗机和轰炸机的隐身技术，避免雷达探测并被地空导弹瞄准。如果美国在其飞机上部署反导弹激光器，击落向其发射的导弹，情况将会怎样？而实际上，美国将为所有飞机提供“类似隐身”的能力。

  最近发布的《导弹防御评估报告》，是近十年来美国导弹防御战略的首次更新。该报告提出了一个富有远见的计划，建议导弹防御局研发部署天基激光器拦截弹道导弹。天基激光器不仅将对美国的太空防御能力产生深远影响，对美太空作战能力也能产生积极影响。它不但可以在敌弹道导弹的助推/上升和中途阶段进行防御，也可以防御敌反卫星武器对美主要天基装备的攻击。

  定向能武器也可以在防御高超声速武器方面发挥关键作用。美国防部主管研究与工程的副部长迈克·格里芬博士将高超声速武器描述为美国头号威胁，敦促美国开发此类武器并对其防御。2018年3月6日，在一次演讲中他表示，“对那些支持其他首选事项和技术的人，我感到抱歉。我并非不支持，但必须要有第一，而高超声速是我的第一选择。”

  高超声速武器有两种，助推滑翔武器和空射高速巡航导弹。助推滑翔武器在弹道导弹上发射，然后释放滑翔至目标。空射巡航导弹在飞行过程中使用超燃冲压发动机或火箭提供动力。这些高速导弹的飞行速度为马赫数5甚至更大，且能以这种速度机动，包括改变轨迹、航向和高度。因此，目前部署的弹道导弹防御系统将无法有效防御这些非弹道导弹威胁，没有针对这些武器的“银弹”防御，因此一定要采用一种体系办法来进行防御，而定向能武器可在这方面发挥重要作用。

  由于这些武器是机动的，美国需要精确跟踪高超声速导弹的整个飞行过程。实现这一目标的唯一经济有效的方法是使用天基卫星。发展高超声速也将是美防务架构的一个选择。根据以往经验，的速度必须是其防御目标的3倍，才能机动摧毁目标，因此高超声速动能一定要达到马赫数15甚至更高。

  定向能武器的最大特点之一是它以光速运行。因此，对于以25倍声速飞行的高超声速武器，高能激光可以约35000倍的速度攻击它。这也使得定位和跟踪变得更容易。天基高能激光尤其可以在助推滑行高超声速导弹的助推/上升阶段发挥作用，在弹道前期即可将其摧毁。以高超声速飞行，这些武器有许多可被定向能武器利用的弱点。因此，高能激光器和高功率微波也可在上述两种高超声速导弹的中/末段发挥作用。

  定向能武器不再只是科学幻想。它们真实存在并迅速成熟。在未来几年，美陆、海、空军都计划加速发展和部署这些武器。它们将被部署在车辆、飞机、直升机和舰艇上。即使是对定向能武器最保守的市场预测也表明，美国在未来10年将花费近300亿美元。它们不会应对所有挑战，也不会取代动能武器，但它们是对抗特定威胁并在陆地、空中、海洋和太空中占据主导地位的重要辅助手段。美国拥有技术、资源、人才和基础设施，可以开发部署定向能武器，应对当今和未来威胁。唯一的问题是，美国及盟国能否在对手之前取得这种优势。

  美国在发展定向能武器方面已走过一段长路，目前正处于关键时期。该技术迅速成熟，几乎只有定向能可以应对的威胁也正在涌现，作战人员对该技术都表示支持。然而，尽管经过几十年的发展，定向能武器的风险已明显降低，但其在成本、进度和性能方面的风险、挑战和局限依然存在。

  例如，湍流、霾、云等气象条件会影响激光的性能，但有办法解决这样一些问题。首先，选择激光波长有助于减轻这种影响，因为不同的波长在大气中的表现各不相同。当然，在高海拔或太空使用的激光，大气对其基本上没有影响。此外，一种被称为“自适应光学”的技术已发展多年。在这种情况下，激光武器系统会感应大气情况，然后利用快速转向镜，在主激光束离开武器时根据与目标之间的大气情况将激光束变形，就像一对透镜一样，将光束重新聚焦于目标。在许多情况下，增加激光功率和改善光束质量也有助于减少大气影响。

  当今的激光系统，在尺寸、重量和输入功率方面任旧存在一些问题，特别是在热控制和功率管理方面。但这些领域也已取得重大进展，尤其在电动汽车行业。此外，受远距影响，使用激光武器时为避免误伤己方，作战人需要新的态势感知和战斗管理工具。而计算能力和人工智能的进步可为这些能力提供帮助。

  虽然定向能系统的开发成本可能很高，但有几个因素可降低这些成本，或至少在生命周期内可提供更好的投资回报。如上所述，定向能武器的发展可通过在处理器、电能产生和管理、甚至激光子系统自身所取得的进步。

  此外，定向能武器的“单发成本”可能比当前的动能武器便宜一个数量级。如果美国对来袭弹头发射动能拦截弹，将耗资数千万美元，为获得最大成功几率，可能发射多枚拦截弹。相比之下，高能激光可以用一个“弹匣”消灭多枚导弹，而成本只占动能武器的极小部分。此外，当你使用一个电源开火时，可为另一个电源充电，从而基本实现不间断作战。

  更为重要的是，实力相当和近似相当的对手正以惊人速度发展这些武器。美国必须为这些能力的开发和部署提供资源，避免重蹈高超声速武器发展滞后的覆辙。为最大限度提高部署定向能武器的能力，美国应采取以下十项措施：

  1.提高功率和光束质量。国防部应大幅度提高激光功率和光束质量，并开发高功率小型微波武器。这些能力的成熟速度并不受“技术限制”，而是受“资金限制”，因此美国应为定向能武器发展提供充足资金。每年投入应保持在30亿美元或更高水平。

  2.减小尺寸重量和电力要求。应努力减小定向能武器的尺寸、输入功率、重量和成本要求。由于对这些指标要求最高的是导弹防御领域，因此导弹防御局的激光项目应得到充足的资金支持，以提高高空和天基激光器的功率水平。

  3.开发战术决策辅助工具。国防部应为作战人员提供战术决策辅助系统，以确保其知道怎么以及何时使用这一些武器。这将大大增强作战人员信心，使其相信这些武器将有效对抗多种威胁。这些辅助工具应包括作战效能指南，类似于动能武器的《联合弹药效能手册》。

  4.提高对杀伤力的理解。国防部长办公室应资助一个项目，广泛提高对微波和激光武器杀伤力的理解。尽管国防部已做大量工作，但还应开展深入研究，提高对激光和高功率微波在各种气象和大气条件下的杀伤力和可靠性的理解。这项研究还应聚焦如何最大限度减少附带损害。

  5.加快采购速度。国防部应采取非常规做法加速获得定向能能力。在2018年3月举行的第9届美国年度防务项目会议上，美国防部副部长格里芬博士介绍，一项新技术从提出需求到部署估计需要16.5年。但也有时间被大幅度缩短的例子，如海军针对关键任务能力的“快速原型样机试验和演示”（RPED）项目，以及导弹防御局特别采购授权的运作使用。国防部应使用此类快速流程进行定向能武器的开发部署。

  6.承诺长期发展。国防部必须释放将长期发展定向能武器的信号，这样工业部门才会知道未来几年其产品将有市场。为此，国防部应鼓励工业部门作为一、二、三级供应商，支持国家一直增长的需求。

  7.建设测试基础设施。国防部应提供所需的定向能武器测试基础设施，尤其是当定向能武器可以在一定程度上完成更远射程时。该设施应具有快速空域冲突解决能力。

  8.加强技术合作。参与定向能开发的各方应持续保持沟通。通过参与定向能专业协会（DEPS）和高能激光联合技术办公室（HEL-JTO）的相关工作，科技界在交流合作方面已取得重大进展。国防部需要对可部署激光器提出更明确的要求。同时，工业部门必须与国防部及其领导层深入对接，提高对创新激光武器能力的理解。

  9.开展相关培训。国防部必须第一先考虑作战人员的培训问题。但目前尚未建立培训渠道，是因为激光和微波武器还没有正式的项目记录（POR）。一旦项目立项，就必须开展培训。为帮助立项，国防部应鼓励兵棋推演和作战分析，研究并阐明激光武器的战场优势。

  10.提高指控效率。国防部应调整指挥控制职能，以应对诸如高超声速武器等加快速度进行发展的威胁。缩短防御系统的交战时间在大多数情况下要集成人工智能，以便更好利用定向能武器提供的光速交战能力。

  这些都是定向能原型样机带给作战人员的启示。在陆、海、空、天等所有领域，只有定向能武器——这样一个世界上最具前途的技术能力，能够保护美国的国家安全。应该牢记的是，美国的对手从未停止过发展定向能武器的步伐。