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定向能武器的上升轨迹

访问次数: 1556 次    作者: 远望智库开源情报中心 云卷云舒 编译    发布时间: 2023-10-12

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定向能武器包括使用发射光子的高能激光器系统和释放射频电磁波的高功率微波武器系统。

定向能武器是一种将化学能或电能转化为辐射能的电磁系统。它们聚焦于目标,实施物理破坏,从而降低、中和、击败或摧毁对手的能力。定向能武器包括使用发射光子的高能激光和释放高功率射频波的高功率微波的系统。

高功率微波武器在广谱无线电和微波频率上产生电磁能量波束,旨在与位于目标上的电子设备耦合和相互作用,然后造成破坏或暂时功能中断。

约翰·塔图姆在2019年由国防系统信息分析中心主办的网络研讨会上说:“在如何区分高功率微波定向能武器和雷达上没有明确的定义,但我们已经试图基本上有一个分割点。”如果一个源的峰值有效辐射功率大于100兆瓦或辐射能量大于每秒1焦耳,那么它通常会归到高功率微波源的领域。”

正如塔图姆解释的那样,这些辐射源的频率范围横跨从高频到甚高频到超高频到微波到毫米波的很宽的电磁波谱。

塔图姆解释说:“关于大功率微波和定向能武器,最重要的是要记住,无论有没有蓄意的天线和接收器,它们都可以对目标进行攻击。”“这与传统的电子战干扰器不同。它们还可以产生持续的影响,持续的时间比团队在目标上的时间长得多。因此,它们可以产生暂时的电子扰乱或显著的能量伤害。因此,我们有了一种非常规的电子攻击手段。”

持续的发展

定向能武器的原型开发一直在美国空军、陆军和海军进行。美国国防部长办公室(OSD)继续寻求项目资金,以扩大和继续开发这些武器系统。

位于美国新墨西哥州科特兰空军基地的空军研究实验室定向能局一直在研究两种非致命性高功率电磁武器——主动拒阻系统(ADS)和反电子高功率微波先进导弹项目(CHAMP)。

ADS是一种低平均功率微波系统,其设计目标是穿透皮肤至1/64英寸的深度,大约是三张纸的厚度。有人把它比作打开一个热烤箱时感受到的阵阵热浪;大量的测试表明,它对人体皮肤或器官没有破坏性影响。用于对付地面部队或武装暴徒,它会迫使他们分散兵力并撤退。

CHAMP使用的高峰值功率微波持续时间不到眨眼时间的一半——太短了,不会对人体造成伤害,但足以使电子电路失效或损坏。安装在无人机上的CHAMP系统可以飞越敌人控制的城市,像外科手术一样摧毁敌人的指挥、控制和通信系统——甚至可以击中一座建筑,跳过另一座,然后再击中第二座——而不会损坏任何关键的民用系统,也不会伤害目标地区的任何人。对敌方的伤害能力至少与炸弹的直接打击相当,但不会造成结构性或附带损害。

美国空军研究实验室演示了一种可移动战术级高功率微波作战响应器(THOR),具有很快到达作战人员的激进进度设计。THOR的意图是由两个人在三个小时内启动并运行。其设计目的是通过旋转天线控制同时击落敌方多架无人机(uav),提供360度覆盖,发射机制和整体系统控制来自一台笔记本电脑。

自2019年以来,位于美国阿拉巴马州红石兵工厂的陆军太空与导弹防御司令部着手发展4台50千瓦多任务高能激光器(MM高能激光器)安装在“斯瑞克”上的武器。这些武器的威力将是士兵自2018年以来在德国测试的炮兵系统的10倍。作为美国陆军机动-近程防空系统(M-SHORAD)的一部分,MM高能激光将保护机动旅战斗队免受无人机系统、旋翼飞机和火箭、火炮和迫击炮(RAM)的攻击。

车载激光武器

美国陆军也正在为中型战术车辆开发一种100千瓦级高能战术车辆验证(高能激光- tvd)原型激光系统。美国陆军的工作将作为各军种其他定向能武器的研究组成部分。

美国海军领导人已经启动了其部分海军激光系统系列(NLFoS)武器系统的原型,其中包括用于两栖舰艇的固态激光技术成熟(SSL-TM)系统和用于驱逐舰的光学眩目拦截器-海军(ODIN)。高能激光和集成光学眩目器和监视(高能激光)系统是由洛克希德·马丁公司开发的一种60千瓦武器,于2022年8月在阿利·伯克级驱逐舰(USS Preble DDG 88)上进行了发射试验。

在导弹驱逐舰USS Preble (DDG 88)上,这种高能激光器使用集成光学眩目器和监视单元(高能激光lOS)。它是一种60多千瓦的激光器,被指定为水面海军激光武器系统(SNLWS)计划的增量1。

洛克希德·马丁公司将高能激光IOS称为“永不枯竭的弹夹”。它能够摧毁水面和空中威胁,并使敌方舰船和飞机上的光学传感器以及反舰导弹的光学导引头眼花缭乱或失明。

根据2022年9月13日国会研究服务处编制的“国防部定向能武器:国会的背景和问题”报告总结预算分配,美国国防部长办公室准备分配慷慨的项目资金支出来开发这些武器系统。该报告指出:

“在2023财政年度,国防部长办公室申请了1600万美元用于高能激光研究计划,包括基础研究和教育拨款,以及4900万美元用于高能激光开发,用于资助应用研究。国防部长办公室在FY2023还 额外申请了19 项共1.11亿美元用于高能激光器先进开发,其重点是“提高激光发射系统的输出功率,使其达到适用于国防部广泛任务领域的有效功率水平。”

在报告中,国防部长办公室还要求在FY2023拨款1100万美元,继续对定向能武器进行持续评估,包括评估武器的效果、有效性和局限性。此外,DARPA的波形敏捷射频定向能(WARDEN)项目寻求“扩展高功率微波武器的射程和杀伤力……用于反无人机系统、车辆和船只干扰、电子打击和导弹防御。”

战略重点是定向能武器

美国Keysight 科技公司的航空航天和国防战略规划主管John S Hansen说:“在当今尖端射频和微波武器中,最关键的战略需求之一是试验、设计和测量。”该公司位于加州圣罗莎,其核心重点是电气和电子系统的设计、测试和测量。keysight科技公司的仪器和建模软件工具用于开发和校准这种高能系统,但不用于操作。

“这些类型的高能量武器系统需要系统单元之间非常紧密的匹配,以确保最大功率耦合到天线,这还需要严格的校准和维护过程。在此类能量系统的开发和校准阶段,使用最先进的仪器仪表和建模软件工具来设计、测试和测量电气和电子系统是非常重要的。例如,可以应用或调整电子设计自动化(EDA)软件设计工具,以促进放大器和天线的建模和开发过程,包括波束形状和转向。测试仪器可用于在低功率水平下研究脉冲的时间特性或其他波形特性,”keysight科技公司负责航空航天与国防战略规划的John S Hansen这样说。

James Marceau是Aivarez & Marsal私募股权绩效改进小组的董事总经理。他一直是美国国防部(DoD)最高层以及军方、国土安全部和外国政府信赖的专家,在航空航天和国防(A&D)领域为 oem、主承包商和国防工业基地的其他公司提供咨询服务。

马尔索强调,电磁和高能RF和微波武器的发展是航空航天和国防工业的一个重要研究领域,全球军队正在表现出对这一领域浓厚的兴趣。

“定向能武器主要作为战力倍增器部署,能够以更高的精度和准确性破坏物理目标,从而比传统武器具有竞争优势。特别是考虑到目前欧洲和亚洲的全球威胁形势加剧,各国军队正在寻求任何潜在的优势。”“还加大了开发防空压制系统的力度,该系统使用机载激光来干扰或禁用对手自己的防御性武器。”

防御性激光武器

Marceau表示,这一市场的增长是由空军、其他国防机构的分支机构以及渴望测试定向能源武器的强度和有效性的私营部门公司的投资推动的。“当前和先前发展的例子包括针对无人机(uav)的高能激光武器和基于红外的被动机载预警系统。总的来说,重点是电子战(EW)系统的小型化和适应性,以便更容易地集成到机载平台中。非攻击性应用的电磁、RF、大功率微波等技术,如陆地无线电,已经使用了几十年,而涉及光探测和测距(LIDAR)和信号情报(SIGINT)的态势感知能力也在不断发展。”

David Stoudt博士是美国马里兰州博思艾伦咨询公司的高级执行顾问。Stoudt在科学和商业方面为美国作战人员提供领导和指导,以提高定向能能力。此前,他在海军部工作了32年,其中12年担任海军首位定向能项目总工程师,担任行政职务,并帮助领导在弗吉尼亚州达尔格伦海军水面作战中心(NSWCDD)建立了世界级的定向能项目和设施。

Stoudt说:“现在的一个关键趋势是必须减少尺寸、重量、功耗和冷却(SWaP-C)要求,以使这些武器能够用于作战部署。”“定向能武器系统太重、太大、功率不足、成本太高,无法广泛部署,这是一个持续存在的挑战。

在现代战场空间中,我们必须在对功率的需求和对机动性的需求之间做出平衡。现在,随着光纤激光器的发展,电磁和高能武器可以在国防部武器库中发挥更有意义的作用。通过使用模块化开放系统架构和优化SWaP-C,增强了军事和作战效用,可以将定向能集成到以前无法集成到作战平台中的地方。”

Stoudt强调,开发定向能武器系统的明确意图是在击败无人机系统方面发挥作用。“目前的主要用例和关键区别是使用定向能系统来击败无人机系统(UAS),”他说。“Epirus?下一代Leonidas系列系统利用固态的 软件定义的高功率微波来实现对UAS目标的显著反电子效果。Leonidas公司利用软件定义有源电子扫描阵列(AESA)和支持AI的电源管理方案来驱动数十个固态重复脉冲GaN可调谐窄带功率放大器。这允许快速定制窄带波形,以提高效率。SPEAR(专用便携式电磁攻击散热器)系统是一种超宽带,便携,紧凑,高功率电磁源,也可以用来对付单个和蜂群无人机的威胁。由于其便携尺寸、低重量、低功率要求和高效率的优点,SPEAR为地面车辆、固定平台和野战部队提供反小型无人机系统(C-sUAS)能力。SPEAR应用为分层防御方法提供了关键的优势,这是实现超匹配和击败威胁的基础。值得注意的是,定向能是一个独特的多功能技术家族,有几个子集可以针对不同的应用进行定制。”

电磁武器

电磁武器和高能射频武器和微波武器在提高作战能力和创新方面至关重要。电磁脉冲的使用是一项重要的能力,它将成为该技术和这类武器未来的显著区别。

罗伯特·玛索指出:“控制和指挥高功率微波武器的能力使它们对战争能力的发展如此有效和有价值。”“电磁脉冲(EPM)可以使大半径范围内的电子设备失效,当这些能量爆发集中时,它们可以压倒所有的计算机、网络和传感器,而不会伤害人类的生命。在需要低附带伤害作战的战争情况下,例如人口密集的城市地区,这些武器非常有效。定向能武器的一个很大程度上被忽视但很重要的好处是预期的更低成本。通过减少对弹药基武器系统的需求,可以重新分配与维护、解除武装和处置弹药相关的成本。利用这种机遇只会进一步提高定向能武器的创新能力。”

斯托特指出,定向能系统的潜在应用的数量每天都在增加,这也进一步说明了支持这种武器背后的技术的多功能性。

斯托特解释说:“这既是由于DE频谱的灵活性,但同时也是由于功率解决方案在应对各种威胁和许多操作场景时要么不够充分,要么成本效益不高。“随着定向能技术的迅速成熟,应对这些威胁的作战需求的融合大大增加了对可在战场部署的武器系统的需求。首先开发和大规模应用该技术的国家将比其对手具有明显的优势。”

有许多例子说明了定向能武器的巨大效用和价值。斯托特说,正在进行的乌克兰-俄罗斯战争是未来战争的一个例子,在这种战争中,大量平民的城市战斗和无人机的使用是常态。

斯托特解释说:“无论你把它们称为电磁武器、高功率射频武器还是高功率微波武器,它们都可以用来非致命地消除敌人的能力和战斗人员,在许多情况下,可以避免物质损害或平民伤亡。”

“除此之外,该系统还提供了广泛的优势,包括深厚的弹匣容量、更简化的补给后勤策略、低单发成本、光速交战和极高的精度。”

非致命武器

Stoudt补充说,市场上有许多这种类型的武器的例子,包括Epirus的列奥尼达系统系列,以及利用高功率无线电频率来实现对无人机目标的反电子效果的SPEAR。

“此外,THOR(战术级大功率作战响应器)是一种非常高的峰值功率反蜂群电磁武器,由美国空军研究实验室开发,用于禁用空中无人机,特别是无人机群,”Stoudt说。“展望未来,我们将继续看到大功率射频系统的发展,这些系统将带来最新技术,以应对无人机日益增长的威胁,以及其他对手的能力。

詹姆斯·玛索说:“定向能武器很可能在未来十年内达到精密和完全成熟,因此电磁和高能射频武器的发展预计将继续下去。”“不断增加的空中威胁,如高超音速导弹,创造了对定向能武器作为潜在威慑手段的另一种需求,我预计这将在未来几年得到进一步探索。最后,航空航天和国防工业也不能幸免于人工智能(AI)的快速发展。我们可能会看到电磁武器与人工智能和自主系统相结合,以提高有效性。这可能为新玩家提供机会,让他们在传统OEM和中档供应商之外贡献自己的专业知识。然而,定向能武器仍然面临着几个需要研究的障碍:需要高水平的电力供应,它们必须在恶劣的天气条件下耐用和准确,高能激光(高能激光)系统需要冷却解决方案来保持恒温。”

Marceau表示,他在Alvarez & Marsal的航空航天、国防、航空和航天团队定期帮助我们的企业和私募股权客户确定新兴技术(如定向能武器)的研发和上市机会和战略。他说:“这项技术对国家安全至关重要,不断变化的全球威胁形势增加了对专注于这一领域的公司的需求和公共和私人投资。”“随着这些能力的成熟和技术准备水平(TRL)的进步以及投入生产,这些武器的制造商和供应商可能需要应对高需求信号、供应链中断和原材料可用性、通货膨胀成本增加、规模扩大期间的运营问题以及对顶尖技术人才的竞争。”

定向能源技术的未来

定向能武器的重要性和可见性是许多军种接近定向能技术进一步发展的前沿。例如,美国海军正在重组其重点作战中心,该中心负责开发该武器类别的许多相关项目和原型。最近,海军水面作战中心Dahlgren分部(NSWCDD)重组了其部分工作人员,包括综合交战系统部门,领导层研究了两种不同的定向能武器类别,即高能激光和高功率微波(高功率微波)武器系统。这些领域历来维持在一个师的范围内。他们重新组织并将它们分成各自的部门,认识到这两个具有相似技术根源的领域都需要持续增长和发展。他们承认,战争中心重组背后的推动力是为了响应作战社区对新型DE武器系统日益增长的需求,从而导致NSWCDD在该领域的技术能力相应增长。

美国空军研究实验室(AFRL)最近在科特兰空军基地开设了一个新的大功率电磁效应和建模设施。这个价值600万美元的新设施支持高功率射频武器系统,并包含一个专门的法医实验室,用于在交战后研究一系列HPEM目标。随着空军推进定向能技术,新设施将允许更大的合作。

其他机构也在扩大他们的研究和项目。在过去的几年里,美国国会委员会似乎对项目资金有强烈的共识和广泛的支持,这可能会持续很长时间。

美国众议院军事委员会在其《2020年国防未来特别工作组》中将定向能武器确定为国防领域的新兴技术,国会必须对此予以关注和警惕。这可能为未来几年进一步发展定向能武器技术的机会奠定了基础。在他们的报告中,他们有理由将定向能武器与许多技术一起列出,这让我们有充分的理由相信,定向能武器研发的资金和支持是稳健的。这种武器的严肃性在报告列出相关技术的序言中得到了体现,表明它是一个优先事项:“一系列复杂的新武器[定向能武器]正在改变冲突的性质,而且,虽然大多数技术将需要国家行为体提供大量资金和开发。”


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