海戰(zhàn)場無人機威脅對艦炮武器發(fā)展的啟示研究

陳 亮

（海軍士官學(xué)校，安徽蚌埠 233012）

0 引言

艦炮武器自誕生以來，一直是海軍水面艦艇的主戰(zhàn)武器。早在14世紀，風帆戰(zhàn)艦上就開始在兩舷配置滑膛炮，用于撞擊戰(zhàn)和接舷戰(zhàn)前開展舷炮戰(zhàn)，即使用舷側(cè)艦炮進行對射。17世紀，隨著艦炮威力的增大，舷炮戰(zhàn)成為艦隊在海戰(zhàn)中的主要戰(zhàn)法。18世紀，隨著戰(zhàn)艦排水量的增大和大口徑艦炮在戰(zhàn)艦上的普遍配置，舷炮戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)發(fā)展成為比較穩(wěn)定的戰(zhàn)列戰(zhàn)術(shù)。19世紀，隨著技術(shù)的發(fā)展，艦炮配置了后裝線膛炮、彈性炮架、供彈裝置和防護罩等，具備了現(xiàn)代艦炮的雛形，并在20世紀的兩次世界大戰(zhàn)中起到了重要作用。21世紀以來，技術(shù)發(fā)展和作戰(zhàn)需求對艦炮發(fā)展提出了更高的要求。

1 艦炮武器發(fā)展研究情況

近年來，相關(guān)專業(yè)的學(xué)者們從不同角度開展了對艦炮武器發(fā)展的研究。有的學(xué)者在性能上強調(diào)遠射程、高精度、多功能，在設(shè)計上強調(diào)模塊化、輕型化、隱身化；有的學(xué)者系統(tǒng)歸納了艦炮武器發(fā)展趨勢，包括艦炮武器系統(tǒng)的遠程精確打擊能力、小口徑艦炮武器系統(tǒng)作為艦艇末端防御的重要手段、多用途新型彈藥的發(fā)展、快速自動智能供補彈藥技術(shù)的發(fā)展等，指出應(yīng)發(fā)展電熱化學(xué)炮、電磁炮、垂直發(fā)射技術(shù)等新概念艦炮；有的學(xué)者研究幾何強約束條件下射程與威力的均衡發(fā)展，復(fù)雜環(huán)境中自尋的精確打擊智能引導(dǎo)技術(shù)發(fā)展，基于自組網(wǎng)的智能決策及彈載數(shù)據(jù)鏈技術(shù)發(fā)展等具體技術(shù)[1]；有的學(xué)者提出應(yīng)研制大口徑增程制導(dǎo)彈藥，大幅提升艦炮對陸火力支援能力，發(fā)展炮射巡飛彈，增加艦炮對岸火力偵察、評估和毀傷的手段，研究小口徑彈藥不同毀傷機理，提高艦炮武器的防空能力等[2]。

上述關(guān)于艦炮武器發(fā)展的研究立足于艦炮使命任務(wù)，主要考慮對海執(zhí)行遠程精確打擊、對岸實施遠程火力支援、對空開展近程防空反導(dǎo)等任務(wù)背景下，應(yīng)對岸上目標、水面艦艇、飛機和導(dǎo)彈等目標及威脅需求下艦炮的性能發(fā)展要求和技術(shù)發(fā)展舉措。但是近年來，隨著無人技術(shù)的發(fā)展和大量多類型無人機投入運用，海戰(zhàn)場上無人機對艦艇的現(xiàn)實威脅迫在眉睫，對艦炮發(fā)展也提出了新的啟示。

2 海戰(zhàn)場無人機威脅分析

2.1 美軍無人機裝備現(xiàn)狀

無人機憑借著用途多樣、費效比低、無飛行員傷亡等特點受到世界各國的青睞，各國持續(xù)加大軍用無人機的研制和投入。從公開新聞上看，美軍已構(gòu)建了較為系統(tǒng)完整的軍用無人機體系，包括MQ-1 “捕食者”（Predator）、MQ-1C“天空勇士”（Sky Warrior）、MQ-5 “獵人”（Hunter）、MQ-9 “死神”（Reaper）等察打一體多用途戰(zhàn)術(shù)無人機，RQ-4 “全球鷹”（Global Hawk）、MQ-4 “海神之眼”（Triton）等戰(zhàn)略偵察無人機，RQ-7 “影子”（Shadow）輕型偵察無人機、RQ180隱身偵察無人機、RQ-8 “火力偵察兵”（Fire Scout）艦載垂直起降戰(zhàn)術(shù)無人機、X47B艦載噴氣式高速無人轟炸機、XQ-58A噴氣式無人僚機、X51A“乘波者”（Waverider）、HTV-2 “獵鷹”（Falcon）等超音速無人機，“郊狼”（Coyote）、“小精靈”（Gremlins）、“山鶉”（Perdix）等蜂群無人機。美軍無人機運用于陸、海、空、海軍陸戰(zhàn)隊等多個軍種，具有微型、小型、輕型、中型、大型、重型等多種尺寸，通過掛載相應(yīng)的傳感器、通信和武器模塊，能夠單機出動、蜂群出動或協(xié)同載人機群遂行空中偵察、通信中繼、火力打擊和電子對抗等作戰(zhàn)任務(wù)。

2.2 各類無人機威脅判斷

由于海戰(zhàn)場環(huán)境的特殊性，以MQ-1為代表的中型察打一體多用途戰(zhàn)術(shù)無人機由于活動半徑、有效載荷和武器配置（主要是反坦克導(dǎo)彈和炸彈）等問題的制約，對艦艇編隊的威脅較小。目前，對艦艇編隊威脅較大的主要有RQ-4、MQ-4等長航時重型無人機、X47B等艦載重型無人機、蜂群無人機等。其中，長航時重型無人機和艦載重型無人機主要用于戰(zhàn)場偵察或協(xié)同載人機群突防，出于其動輒數(shù)千萬至上億美元的昂貴造價和接近載人機的作戰(zhàn)樣式特性，可由戰(zhàn)機群或艦載遠程艦空導(dǎo)彈應(yīng)對該類威脅；而蜂群無人機由于集群數(shù)量大、單體成本低、單目標特征小等特點，成為目前海戰(zhàn)場對艦艇的重大威脅。

美國國防部公布的《2009-2034財年無人系統(tǒng)線路圖》及《2013-2038財年無人系統(tǒng)一體化路線圖》等相關(guān)文件中，涉及海軍的無人機項目就有無人艦載監(jiān)視和打擊（UCLASS）、艦載無人戰(zhàn)斗機系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)驗證（UCASD）、垂直起降無人機（VTUAV)和小型戰(zhàn)術(shù)無人機/二級（STUAS/Tier II）等多個項目[3]。美空軍以2016年5月發(fā)布的《2016—2036年小型無人機系統(tǒng)飛行規(guī)劃》為藍本，重點發(fā)展小型無人機平臺、提高人機編隊協(xié)同作戰(zhàn)的能力，尤其是引起各方高度關(guān)注的分布式、低成本“蜂群戰(zhàn)法”。

2.3 無人機蜂群威脅分析

2016年10月，美軍從3架F/A-18 “超級大黃蜂”戰(zhàn)斗機上發(fā)射了103個“山鶉”微型無人機組成無人機蜂群，機群決策系統(tǒng)展現(xiàn)出出色的相互協(xié)調(diào)能力?！吧靳嚒蔽⑿蜔o人機長16.5cm，翼展30cm，全重290g，續(xù)航時間約20min，飛行速度為74～111km/h。由于其體積小、載荷低、航程短，在海戰(zhàn)場環(huán)境下，這類微型無人機蜂群難以在艦載武器系統(tǒng)對空防御圈外完成投送，尚無法對艦艇編隊造成嚴重威脅。但是，美國國防先進研究項目局（Defense Advanced Research Projects Agency，簡稱DARPA）主導(dǎo)的“小精靈”（Gremlins）項目則不然。X-61A“小精靈”無人機配備渦噴發(fā)動機，長4.2m，機身截面直徑600mm，翼展3.5m，最大重量680kg，有效載荷66kg，最大速度0.6Ma（約200km/s），航程560km。2019年11月，一架X-61A無人機在C-130 “大力神”(Hercules)運輸機機翼下完成了首次掛飛。2020年1月，進行了X-61A從C-130上的首次發(fā)射試驗。2021年10月，在猶他州達格威試驗場C-130成功捕獲回收了一架X-61A，該項目的長遠目標是根據(jù)作戰(zhàn)要求，X-61A還可以從F-16、B-52和其他飛機上發(fā)射，顯著增加蜂群中的系統(tǒng)數(shù)量。以X-61A為代表的這類空基投放的輕型無人機蜂群，具有一定的有效載荷和活動半徑，能夠在艦載武器系統(tǒng)對空防御圈外完成投送，同時單體目標特征小、單機價格便宜，具有極強的效費比，對水面艦艇編隊造成嚴重威脅。

美國海軍早在20l2年就對“伯克”級驅(qū)逐艦遭受無人機蜂群攻擊的情況進行過演示驗證，表明宙斯盾系統(tǒng)及艦載武器系統(tǒng)在面對這種集群攻擊時的困境。由于無人機的單體雷達信號特征小，從多個方向突防時，等到發(fā)現(xiàn)已經(jīng)來不及使用艦空導(dǎo)彈攔截，干擾彈也無法影響無人機的通信及控制系統(tǒng)，可發(fā)揮作用的只有“密集陣”近防艦炮武器系統(tǒng)和機槍。當無人機群以250km/h的速度來襲時，上述艦炮武器系統(tǒng)從發(fā)現(xiàn)目標到啟動攔截只有15秒時間。更致命的是，防御系統(tǒng)往往難以合理分配火力，從而導(dǎo)致部分無人機能夠避開攔截。對這一作戰(zhàn)模式進行了數(shù)百次模擬仿真的結(jié)果表明，由8架無人機組成的集群進行攻擊時，有2.8架無人機可實現(xiàn)突防[4]。2017年，美國海軍成功協(xié)調(diào)由30架無人機組成的蜂群執(zhí)行聯(lián)合任務(wù)，包括攜帶爆炸彈頭進行自殺性攻擊。結(jié)果表明，面對自殺型無人機蜂群時，艦艇編隊即便擊落十數(shù)架無人機，但是仍可能有數(shù)十架甚至上百架無人機不計代價突破編隊對空防御網(wǎng)，足以摧毀或干擾艦艇的通信、雷達、武器等系統(tǒng)，為反艦導(dǎo)彈、載人飛機等其他傳統(tǒng)武器的攻擊鋪平道路。

3 艦炮武器發(fā)展啟示研究

面對無人機蜂群時，當前“密集陣”類的艦炮武器作戰(zhàn)效能難以滿足艦艇近程對空防御的需求。究其原因，這類艦炮武器主要使命任務(wù)是近程反導(dǎo)，作為對低空突防快速目標實施直接摧毀的點殺傷武器，其設(shè)計目的在于通過較高的發(fā)射率運用大量炮彈追求命中概率，其針對的典型目標是紅外特征明顯的超音速反艦導(dǎo)彈。面對無人機蜂群時，“密集陣”類的艦炮武器存在設(shè)計功能與目標特征不適配的問題。一是艦炮備彈量與目標蜂群數(shù)量之間的尖銳矛盾。以美軍阿利伯克級驅(qū)逐艦為例，裝備2座“密集陣”系統(tǒng)，單系統(tǒng)備彈量約1000發(fā)，理想狀態(tài)下單目標彈藥消耗量約80～100發(fā)，不考慮射擊轉(zhuǎn)火時間、命中概率及無人機蜂群突防對艦艇的損傷問題，該型驅(qū)逐艦“密集陣”系統(tǒng)只能抗擊約20架無人機，由于“密集陣”系統(tǒng)需重新裝填炮彈，整個艦艇近程對空防御處于長時間失能狀態(tài)。二是反艦導(dǎo)彈機動特征與無人機機動特征不一致。雖然反艦導(dǎo)彈也具備末端俯沖機動、蛇形機動等高速機動能力，但是其攻擊路徑仍然有章可循，在其攻擊路徑中仍然具備射擊窗口，而無人機為典型的低、慢、小目標，具有優(yōu)越的變向能力，由于火力控制系統(tǒng)設(shè)計問題及彈丸飛行速度問題，“密集陣”類艦炮武器的跟蹤射擊方式對該類目標命中概率偏低。

3.1 毀傷機制發(fā)展需求

相對導(dǎo)彈、載人機等傳統(tǒng)空中目標，無人機蜂群主要具有單機成本低、單體目標特征小、攻擊密度高、機動能力強等優(yōu)勢。上述分析表明，應(yīng)對此類目標時傳統(tǒng)艦艇武器基于點殺傷、直接毀傷的機制難以滿足艦艇近程對空防御需求。但是從無人機蜂群的弱點角度來看，一是無人機蜂群速度低，且為了增強突防和攻擊能力，其臨艦密度較高，非常容易被造成面殺傷。二是無人機蜂群內(nèi)部為了協(xié)調(diào)動作，如航路規(guī)劃、防碰間距、空中避障、編組方案、攻擊分配等，蜂群內(nèi)的無人機具備大量電子系統(tǒng)，如導(dǎo)航系統(tǒng)主要采用GPS衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航相結(jié)合的方式，受到一定功率的電磁干擾后將無法獲得精確的定位數(shù)據(jù)與航路規(guī)劃，進而出現(xiàn)失控，將干擾蜂群的協(xié)同能力，降低攻擊效能；控制系統(tǒng)需要地面、艦載或機載控制站的遠程控制，其通信鏈路易受到電磁干擾而失效；蜂群內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)主要采用無線自組網(wǎng)(Ad-hoc)通信模式，無人機各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間能夠相互轉(zhuǎn)發(fā)遙控指令，交換感知態(tài)勢、健康情況和情報收集等數(shù)據(jù)[5]。這些系統(tǒng)均為包含大量微電子器件的電子設(shè)備，易受到電磁干擾而失能。因此，針對無人機蜂群威脅，艦炮有必要在保持傳統(tǒng)的直接摧毀機制同時，兼顧向間接毀傷發(fā)展；在保持傳統(tǒng)點殺傷效能的同時，兼顧向面殺傷發(fā)展。

3.2 發(fā)展艦載微波艦炮武器

無人機中的微電子器件能夠被電磁脈沖（EMP）損壞，損傷能量閾值只有10uJ，它們受到EMP損傷或失效，從而導(dǎo)致整個系統(tǒng)功能的失效。射頻電磁波是強電磁脈沖武器輻射的電磁波，這種電磁波最主要的類型是微波。為了滿足現(xiàn)代武器裝備系統(tǒng)的強殺傷功率，使用脈沖電磁波是其主要手段，形成微波武器[6]。高功率微波武器（HPM）工作頻率一般為300MHz～300GHz，脈沖峰值功率在100MW以上，能夠在極短時間內(nèi)通過高增益天線定向輻射高功率微波，形成功率高、能量集中且具有方向性的微波射束照射目標，干擾或損壞無人機的電子元器件，使其失能。公開資料表明，美國陸軍“相位器”高功率微波武器系統(tǒng)能夠損毀無人機內(nèi)部的電子器件，使其控制系統(tǒng)和發(fā)動機失能墜毀；俄羅斯聯(lián)合儀器制造公司研制的微波武器系統(tǒng)使無人機的通信系統(tǒng)失效，導(dǎo)致無人機失去控制；陸基高功率微波武器實驗表明，對無人機有較強的作戰(zhàn)效能。

高功率微波武器既具有直接摧毀能力，又具有間接毀傷能力。高功率微波武器對無人機電子設(shè)備的毀傷途徑主要分為“前門”耦合和“后門”耦合兩種方式。“前門”耦合是指微波電磁脈沖能量通過目標天線或傳輸線等直接耦合到其內(nèi)部；“后門”耦合是指微波電磁脈沖能量通過目標表面孔洞、縫隙、線纜或殼體等耦合到其內(nèi)部。通過各種耦合途徑進入目標內(nèi)部的電磁脈沖能量能夠?qū)﹄娮釉骷斐砷g接毀傷或直接摧毀。原因可能包括熱二次擊穿、瞬態(tài)場致電壓擊穿、復(fù)雜波形引起的其他失效、瞬時熱效應(yīng)引起的金屬化失效等[7]。電磁脈沖能量可以使無人機內(nèi)部控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、定位系統(tǒng)的電子元器件出現(xiàn)高功率微波熱效應(yīng)從而失能或燒毀；還可以通過干擾電磁場使電子元器件產(chǎn)生誤動或功能失效，使數(shù)字電路出現(xiàn)邏輯錯誤或輸出異常信號，造成無人機定位失效、控制失能、相互間通信失敗，甚至直接燒毀。同時，高功率微波武器還是一種典型的面殺傷武器，高能電磁波在空間形成一個以微波武器波源點為中心、以波束角為張角的圓錐體型殺傷區(qū)域，在目標所在平面內(nèi)形成一個不規(guī)則橢圓的殺傷覆蓋區(qū)域，該區(qū)域的長短軸長度與微波武器的波束角、發(fā)射傾角及目標高度相關(guān)。

相對于“密集陣”（彈丸初速約1113m/s，有效射程約1800m，20mm脫殼穿甲彈約2s才可抵達預(yù)定彈著點，需提前解算諸元，無人機飛行機動改變狀態(tài)后則命中率下降）等高射速點殺傷小口徑近程防御艦炮武器而言，高功率微波武器（電磁脈沖光速傳播）具有打擊命中率高、無需儲備彈藥、更換彈藥方便、實現(xiàn)大范圍面殺傷的強大優(yōu)勢；相對于高能激光艦炮武器而言，高功率微波武器具有受氣象條件影響小、指向精度要求偏低和實現(xiàn)大范圍面殺傷的巨大優(yōu)勢，成為艦炮發(fā)展的新方向。

3.3 發(fā)展電磁脈沖炮彈

立足于現(xiàn)有中大口徑艦炮作用的發(fā)揮，出于不同距離下梯次抗擊無人機蜂群的實際作戰(zhàn)需求，基于艦載微波艦炮武器的毀傷原理，可發(fā)展電磁脈沖炮彈。電磁脈沖炮彈通過內(nèi)部電子元件產(chǎn)生初始電流與磁通量，利用火炸藥爆炸能量壓縮初始磁通量從而產(chǎn)生高脈沖電壓，激發(fā)微波，將在空中形成定向的微波輻射范圍。電磁脈沖炮彈將水面艦艇對無人機蜂群的抗擊距離從數(shù)公里拓展至數(shù)十公里，與艦載微波艦炮武器配合，形成較為完善的對無人機蜂群防御能力。

4 結(jié)語

艦炮武器作為海軍水面艦艇的主戰(zhàn)武器，除攻擊岸上目標、水面艦艇、飛機和導(dǎo)彈等多種傳統(tǒng)目標外，還需要作為應(yīng)對無人機蜂群威脅的重要武器。高功率微波具有集直接摧毀和間接毀傷機制一體的面殺傷能力，其反無人機效能也受到了多項實驗的檢驗，成為艦炮武器的重要發(fā)展方向。當然作為艦炮武器而言，艦載微波武器還需進一步解決一系列技術(shù)問題，以進一步提高主瓣功率、增強射程及毀傷能力，降低副瓣對己艦電子設(shè)備的影響。電磁脈沖炮彈還需進一步解決電子元件抗過載能力、空中微波定向等問題。隨著技術(shù)發(fā)展與難題破解，上述武器將與當前各類主戰(zhàn)艦炮武器配合，共同成為水面艦艇?？辗烙膱詫嵠琳稀?/p>