如何对抗威胁飞机的无人机“空中雷场”

莱斯利·F·霍克

摩尔定律指出，集成电路的处理能力每18月提升一倍。这种倍增的能力既改进了己方的攻击性军事系统，也改进了敌方的防御型军事系统。从这种趋势和其他可预见的技术进步可以推断，到2025年，目前广泛扩散的四旋翼无人机及其更新的机型将具有自主化飞行的能力，而且飞行高度更高，飞行时间更长，并能做复杂的编队控制机动。由于无人机已经在这些领域取得长足进步，这些推断可能很快成为现实。此外，无人机可能用3D打印等增材制造技术生产，成本更低，而且可能很快能装备部队。

本文评估无人机的现实空中威胁，并探讨打击这种新兴技术的几种可能手段。本文首先分析了未来的无人机威胁，然后对比分析我们可能采用哪些对抗手段，包括定向能武器和动能武器选择，来降低无人机对空中军事资产的攻击。研究表明，未来很可能很快会像过去运用高射炮或神风敢死队那样，使用无人机蜂群对付我方的机群，因此需要增加投资来研发对抗无人机蜂群的技术。

犹如空中雷场的无人机蜂群威胁

1921年，朱利奥·杜黑在《制空权》中提出，飞机应被用作进攻性武器。他认定，如果你要想打败敌人，就应该积极攻击敌方空军在空中飞行的资产，尤其是地面资产。由于命中率太低，杜黑质疑高射炮即“三A”炮的防空效果，他把这比作“一个人骑着自行车想逮住一只信鸽。”

从杜黑理论问世以来，世界已经发生很大变化，虽然制空权对己方有效实施空中和地面行动仍然必不可少，但是，杜黑的理论中有许多已然过时，其中一项变化是，我们必须抓住敌机成为威胁之前就实施攻击的机会。温斯顿·丘吉尔在1914年曾经阐述过这一观点：“对抗空中威胁的最佳防御，是在距敌机出发点尽可能近的地方实施打击。”

空中的无人机蜂群犹如空中雷场，等待飞机与其相撞，或者甚至主动冲向飞机并像神风敢死队那样撞毁飞机。这种概念有些类似二战中使用氢气球的做法，当时的交战国就曾使用氢气球作为空中屏障。这种想法可能也借鉴了广泛采用的针对飞机的高射炮火幕和战术。在第二次世界大战中，友军和敌军都曾使用气球悬吊钢丝组成无法穿过的拦阻网来“区域拒止”低空飞行的飞机。

这种手段今天在军事术语中被称为“拦阻幕防御”，它的含义已经从最初的气球防御，演进到现在以高射炮火和无人机群来阻止来袭兵器打击己方目标。今天的对手在相关区域部署高射炮阵，希望击中逼近的敌机，加以毁伤而无法攻击。这些称为“拦阻幕防御”和“弹幕”的战术在二战中无法精确打击目标，但应用现代技术后，能更加精确锁定入侵飞机目标。

目前，雷達跟踪系统能使高射炮精确发射，并大幅度提高命中率。

类似高射炮发展为导引瞄准开火一样，无人机将很快具备猎杀和摧毁能力。目前，美国麻省理工学院开发可用于无人机的计算机演算程式，将其编程为具备感知与规避能力，并已经展示了这样的自主化软件逻辑。在麻省理工学院的一项研究中，人工智能实验室的一名研究生使用开放源代码立体视觉算法，能让无人机以120帧/s的速度实时地侦测周围物体并绘制一幅全景图。

由此可以推断，这种计算机演算系统能反过来应用，即感知而不规避，迎头撞上。这些技术发展将使无人机装备采取进攻思维模式，而不是麻省理工学院研究中所建议的仅发挥防御阻拦作用屏障。无人机技术正向着能力越来越强而造价越来越低的方向发展。目前，很多商用无人机在市场上就可以买到，而且价格一直在下降。其中，有些品牌无人机自2015年以来价格下跌超过50%。无人机也可能很快大幅度延长巡航时间。电子储存电池技术的发展速度日新月异。例如，剑桥大学研发了一种锂-空气电池，能量密度高，转化效率增加90%以上。这种电池有希望增加10倍电能和寿命，并可能在下个十年内实现商业化。电池性能增加10倍将使得一些无人机飞行时间超过2h以上。

鸟类通常会拼命躲避迫近的飞机，但拥有很高杀伤率的攻击型无人机不躲避。根据规定，如果发生真实的或可疑的鸟击事件，美国空军飞行员必须要停止训练任务；同样，无人机攻击也将迫使他们停止飞行。例如，最新发生在阿富汗的RQ-7固定翼战术无人机撞上一架C-130运输机，不仅造成运输机油箱破裂，而且损毁了机翼梁和机翼盒。

无人机的材料成分不同于鸟，撞击速度也可能相对更凶猛，因此，撞上飞机所造成的破坏性更大。澳大利亚商用飞机安全局的研究人员亚历山大·拉迪（Alexander Radi）说，在撞击发生时，鸟的表现和“流体相似”，随着“鸟的解体和流动吸收能量，撞击力减弱。” 无人机则不同，它是一个“不变形的刚性撞击物，具有以其很高的冲击峰值，在撞击目标材料中产生局部应变，导致材料失效。”这种撞击，尤其是在引擎附近，会造成发动机故障，甚至是灾难性的——特别是单引擎飞机，如F-16或F-35。此外，正如鸟击可迫使任务终止一样，飞机被坚硬金属物体撞击，当然会降低任务成功率，增加停飞时间。

在无人机碰撞的研究结果中，当比较无人机撞击和鸟撞击的破坏时，一个通常的假设是，无人机不是成群结队，因此，命中率比鸟群要低。但如果敌人使用蜂群战术，就颠覆这种假设。虽然无人机集群目前还处于初级技术阶段，但美国海军研究生院在2015年8月展示了用一个遥控器人工控制50架无人机的蜂群技术。研究人员在这次试验中使用了Wi-Fi无线网络演算法，不久将研究如何提升无人机蜂群的自主化水平。这种能力在迅速提升，就在2016年，英特尔公司在美国佛罗里达州的迪斯尼春季狂欢会上上演了一场节日光幻秀，也是用一个遥控器控制300架无人机做各种复杂编队。未来，自主化无人机也能搭载炸弹或大规模杀伤性武器、定向能武器（如激光和高功率微波武器）以及其他小型化武器。即使无人机仅配备非智能材料加猎杀程序、蜂群逻辑和自动操作，也将很快对飞机和战备构成实质威胁。

侦测无人机蜂群的几种手段

在二战中，敌人的高射炮比拦阻气球更令人担忧，美军在二战阵亡的22，951名将士中，很多人都牺牲在高射炮火之下。为了提高生存几率，战斗机和轰炸机飞行员增加飞行高度并修改航线。

对于无人机威胁，目前，我们还没有研发出成熟的对抗手段，但是定向能和动能截杀装置具有致盲或摧毁无人机的潜力。我们可以在己方飞机进入飞行路径前发射定向能武器，清除威胁，但这种攻击方式可能造成附带毁伤而产生问题。为尽量降低附带毁伤，需要识别特定的威胁，然后选择合适的武器将其击毁。

发现并识别无人机威胁有多种方式，包括声音（监测转子声）、电子辐射、视觉（目视跟踪）、普通雷达、光探和测距（LIDAR）激光雷达，以及红外线。所有这些感应探测手段面临的挑战是，在探测隐形飞机，如机身很大、长21m x高5.2m x翼展52.4m的B-2轰炸机时仅能发挥微弱的效果；如探测尺寸40X40mm的无人机会更加困难。

目前，用于查找机场附近飞鸟和其他小型危险的程序对此可能有帮助，但是解决不了已经存在的无人机威胁。2016年4月17日，1架无人机与英国航空公司的727客机相撞的事件就是例证。机场塔台控制人员通常使用双筒望远镜寻找在抵达和起飞走廊附近飞行的猛禽和其他小鸟，飞行员用无线电向其他飞行员发出附近有鸟的警告。但这些方法对于消除无人机威胁可能效果有限，因为无人机将具备躲避能力，且尺寸可能比鸟还小。未来，一个百架无人机群总成本可能只需1，000美元，比单架无人机更容易侦测，但是敌人可增加无人机之间的间距，即降低无人机群的密度，从而降低机群的视觉可探测性。交战一方还可能依据另一方的飞机形状及其最不容易被击中的姿态，来给自己的无人机编队，编成这样的飞行形状可能进一步加大视觉探测的难度。

对于飞行中的四轴无人机，螺旋桨叶片和电动机会发出一种独特的尖利噪声，捕捉这种声音特征，人们可以开发出一种基于声学原理的侦测无人机手段。声波探测系统只需简单地记录被探测的声音，然后与数据库中的已知声音特征进行比较，并用多个地理定位来源进行识别。但是，无人机实验室总裁扎因·纳布拉斯提到，虽然声波探测的确为多来源无人机探测系统增加一些价值，在设计、使用和采购方面相对容易，但并不像其他无人机探测手段那么有效，主要受环境噪声影响和距离的限制。

目前，电光传感器（通常指电视系统）作为很多武器系统探測和跟踪的必备手段，这包括战斗机上发射弹药所用的先进瞄准吊舱，如诺斯罗普·格鲁门公司的“狙击手”G-4先进瞄准吊舱，也广泛用于空对地导弹，如雷神公司的空对地战术导弹“小牛”AGM-65H/K，并用于无人机杀手探测系统，例如波音公司的小型激光武器系统。这些武器系统结合电荷耦合装置，产生高分辨率的数字图像。很多使用电光手段来进行探测的系统也具有红外跟踪能力，使电光传感器的能力进一步提高。

红外探测手段也能帮助发现和跟踪无人机，不过无人机的热源比典型的飞机要小得多，要求探测系统的操作参数不同于标准集成红外搜索与跟踪侦察系统中所使用的参数。尽管如此，我们不应低估红外手段在侦测无人机中的应用潜力。例如，波音公司的小型激光武器系统就采用电光/红外探测技术在非恶劣天气环境中跟踪无人机。

电光/红外探测和跟踪无人机的效果严重受制于天气，不利的天气可极大降低其能力。固然，类似电荷耦合装置这样的先进电子探测技术比肉眼为强，但也受到云层、浓雾和烟雾的影响，无人机和飞机仍然能够在云层中飞行而不被发现。

雷达作为一种传感器，也能探测到无人机。但是，许多传统雷达，例如目前大多数F-16战机装备的AN/APG-68型雷达等，需要升级软件编码和处理能力。即使在升级后，这些老旧雷达发现无人机的成功几率也相对有限。因为无人机雷达反射截面小，尤其是如果它们处于几乎静止状态，等候接近的目标时，多普勒回波很小。此外，APG-68雷达很难将目标从地面反射波或鸟中区分出来。就是说，有很多与无人机无关的假反射会影响雷达。如果F-16将雷达升级到所建议的APG-83可调机敏波束雷达（SABR），即一种有源电子扫描阵列雷达，就有可能发现无人机。像可调机敏波束雷达这类型的雷达，因为分辨率更高且频率机敏性更好，发现无人机的成功几率会高得多。

另一项可能有助于发现无人机的先进技术是激光雷达（LIDAR），该技术具备发现空中物体的潜力，但仍需要等待关键的技术突破。激光雷达能探测喷气式飞机的“排气尾迹中包含的碳氢化合物，精确到每百万份量级浓度，这可能是周围大气浓度的100倍或以上。”美国空军研究实验室的新项目，称为“振动侦测战场探查”，研究如何使用激光测振仪技术来探测引擎振动或其他可供辨识的扰动。虽然小型无人机可能不像固定翼或大型无人机产生那样大的排气尾流，激光雷达技术仍有可能用于无人机侦测。激光雷达也受到上述困扰电光/红外技术的环境制约，因为其波长很难穿透浓雾和厚云层。但是，在透光性不至恶劣到不允许光子返回感应源时，激光雷达能穿透谈谈的阴霾。

任何系统通讯——无论是海军研究生院研究项目中使用的无人机互相之间采用无线网络进行通讯，还是很多无人机系统所用的无线电频率控制——发射的信号都可被侦测。被动传感探测系统也可能用于搜索无人机的电磁发射，但其缺陷是，无法发现不发射电磁信号的无人机。不过，不远的将来很可能开发出一种为发现这类静默无人机的自主化无人机，后者可自主发现目标，不需要等待目标发射电磁信号或要求从外部获得信息输入。

我们期待着能研制出一种能把以上系统所有这些优点整合起来的对抗系统。这样，在恶劣的天气条件下，雷达和声音系统仍能正常工作；在晴朗的天气，所有的系统能联合辨识和跟踪目标，并通过地面或空中防御手段实施歼灭。就是说，发现无人机后，还需要有效的截杀手段将之消灭。

打击无人机蜂群的几种手段

美国空军研究实验室率先开展空中禁区混合防御（HyDRA）项目的研究，重点探索定向能截杀手段（激光和高功率微波），作为动能打击之外的另一项选择方案，从而强化一体化防空能力。激光有不同的介质，其波长也相应覆盖红外线到紫外线的整个范围。美国空军研究实验室的定向能研究部主任威廉·库珀博士称：“定向能研究已经达到了超出许多人意料的较高技术成熟度水平（TRL）。”因此，美国空军可能很快就能使用这种技术。美国空军研究实验室正在开展的空中禁区混合防御研究项目注重探索如何运用定向能手段来补充动能防御武器。实验室预计，在近期，这些系统将作为一项防空手段布置在首都国会山周围，然后逐步推广，满足作战司令官的需要。美国太平洋司令部预计将在无人机上使用这种技术，并有潜力用于对付巡航导弹。库珀博士指出，即使是低千瓦的激光系统，在近距离“也可轻易地击落”无人机，并强调定向能武器不仅能最大程度降低附带毁伤，还确保符合武装冲突法，不超过比例杀伤合法范围。

美国空军研究实验室已经演示了定向能系统的运用，在黑标行动演习中，美国空军就成功地开启MATRIX和MEGA HPEM系统打败1-2类无人机。不过库珀博士强调：研发和部署的道路上还有很多工作要做，要使各利益相关方都愿意获取、集成并使用这种技术。2016年夏天，有关方面在白沙导弹试验场对150kW级系统进行了成功的定向能试验测试。美国空军研究实验室还在实施一个先进技术展示项目，该计划名称为自我保护高能激光演示验证（SHiELD）。前者是通用原子航空系统公司的武器项目，研发能用于“高能液态激光区域防御系统”的激光。后者是美国空军研究实验室和美国国防高级研究计划局合作的耗资5亿美元的先进技术展示项目。库珀博士解释了自我保护高能激光演示验证项目的未来三阶段实施计划，希望能验证其战术用途，并推动作战准则修改。第一阶段实施低功率激光指向，验证锁定和跟踪目标的能力。第二阶段加大功率水平进行验证。第三阶段，如果获得资金，将验证可能还留有充裕剩余功率的全功率系统。

波音公司的小型激光武器系统（CLWS）是另一种激光截杀武器。这种系统仅需几个千瓦功率，能在瞬间摧毁目标。波音公司这个系统的主要优点是操作的简易性和便携性，只要把控制器链接到笔记本电脑就可以进行操控，技术专家们认为其便携性可与X-Box 360游戏机的控制器媲美。根据波音公司的说法，小型激光武器系统的成本相对较低，能覆盖数十公里范围，仅需一个220V的电压接口。该项目主管强调，系统具有不需补充弹药的明显优势。发射成本基本上就是发射激光的电力。而如果发射导弹，还需要考虑物流环节或导弹的成本；如果是发射炮弹，还需要担心落在何处。目前，机载激光武器研制进度主要受制于稳定性和电力来源。由于激光向低千瓦功率方向发展，加上未来电池技术的进步，以及摧毁无人机所需的发射时间缩短，小型激光武器系统具有广阔的潜力。

激光束能使無人机的光学传感器等目标致盲。致盲的定义是使得目标在短时间内无法看见。但是激光束更多用于摧毁目标上，例如此前介绍的小型激光武器系统的设计。HPEM光束所应用的致盲技术或能摧毁无人机，使无人机的某些关键电子元件“烧毁”，暂时失效。有三家技术公司研制出反无人机防御系统（AUDS），此系统能致盲无人机，并可能接管无人机的导航和控制系统。如果敌方在无人机上挂载大规模杀伤武器或其他弹药，无人机被击中自由坠落后可能造成大的伤亡，那么这种系统就可能非常重要。据称，AUDS系统使用电光/红外传感器能侦测9.25km以外的无人机，然后使用无线电频率干扰遥控操作员发送给无人机的无线电信号。无人机收到反无人机防御系统信号后，变得不知所措，“冻结，茫然，不知飞向何方。”下一步怎么飞，就由新的操作员来确定。

与发现和探测无人机的情况一样，多系统队列也能增强定向能的攻击能力。但是，激光和高功率微波光束仍存在瞄准上的局限。激光技术的主要弱点是，在恶劣的天气情况下，其成功率大大降低。高功率微波光束虽然能穿透云层交战，但是，敌方可以利用在无人机上采用定向能硬化技术来反制高功率微波光束。最近，导电复合材料公司就成功地在类似塑料材料的内里将镍涂覆到碳表面上，此材料又可模塑到无人机表面等其他结构上。这样，被打击目标对象便可将照射过来的光束能量引离分散，削弱高功率微波光束的打击效果。这种概念类似于在无人机外围放置一个引离电荷的法拉第笼子。

由于定向能武器强度可调，应用多样，因此成为对付无人机的首选手段。但我们的作战飞机上仍需配置动能杀伤武器，以备在能见度较低的环境中激光和红外武器失效，或敌方的飞行器采用了定向能硬化构件。本文所言常规飞机主要指高速高空飞行的固定翼飞机，高速度使飞机被撞毁坏的几率更大。现实中，受无人机威胁的飞机类型很多。例如，直升机也必须面对无人机的威胁，因为直升机大多在无人机密集的低空环境中飞行。目前的直升机飞行员主要担心的威胁是便携式防空武器和火箭助推枪榴弹（RPG）等武器。但是未来，直升机作战飞行中将需要越来越多地警惕来自无人机的危险。便携式防空武器和RPG威胁已经引起美国海军的关注，并且已经迅速研制出对抗手段，这些手段也可用于打击无人机。

美国海军正在研制的一种对抗手段是直升机主动引爆RPG技术（即HARP，先前缩写为 HAPS），目的是发现和截杀RPG。这个技术概念可以拓展并用于打击构成威胁的无人机。HARP的概念也提供动能拦截选项，可以用于美国空军飞机。HARP最重要的特性是互通操作性，这种拦截弹可以从现有的箔条和曳光弹投射器发射，可纳入机载抗干扰发射器系统 AN/ALE-47中。显然，配置HARP的飞机仍然具有携带箔条和曳光弹的干扰和抗干扰能力，尽管携带数量减少。根据来自Orbital ATK公司在2015年2月的信息，HAPS能够发射和投掷机动，飞行至模仿来袭的RPG引爆点。如何优化爆炸和碎片的数量来截杀RPG或无人机是目前考虑的一个重要因素。美国海军研制HARP的一个相关人士杰伊·罗杰斯（Jay Rodgers）说：“由于拦截器弹头尺寸限制，以及拦截点接近飞行器的距离难以掌握，即使爆炸其本身能否有效击落飞行器是一件非常不容易的事。这是一个很困难的截杀机制。”他表示：“改善爆炸方式和碎片分布能增加击落 RPG和无人机的概率。改善的爆炸方式尤其具有吸引力，杀伤效果截然不同，不像碎片杀伤，可能还会导致自伤。”

美国海军还在研制另一个项目，即防区外截杀武器（SOWD），概念上类似截杀RPG。美国海军认为，防区外截杀武器可用作对抗无人机的反制手段。SOWD项目由美国国防部预研局和特勤局，参与单位有美国陆军有10多个机构以及美国空军中的空军安全部队中心。美国空军不甚积极的这种反差可以理解，因为其目前地基防御准则框架是把基地的大多数动能防御武器置于美国陆军的领导之下。但是美国空军必须要考虑到，SOWD不仅可用于基地防御，也可用于未来的空空作战。未来，飞机的起降和回收正面临着越来越迫近的威胁，因此，美国空军在作战理论研究中对这些区域防御手段比美国陆军更感兴趣，从而吸引美国空军对这类技术研制投入更多资源。

美国空军亦可考虑投资于旨在截杀无人机的新动能武器的研制。这种武器成本应低于价值155万美元的AIM-120 AMRAAM等视距外中程空对空导弹。该概念武器完全有可能实现低成本，因为所摧毁的目标更小。弹头尺寸相对也更小，且飞行距离较短、燃料更少。这种武器本身就是一架无人机，用途就是通过撞击或爆炸猎杀敌方的无人机。总之，在摧毁敌攻击无人机的杀伤链中，需要多个层面和选项。用于探测的传感器必须从上述所及的全部来源融合数据，而且战机应具备可用作杀伤的定向能武器和动能武器选项。

建议

解决来自无人机的危险，必先發现之。因此，美国空军需要做出投资，升级诸如F-16的有源电子扫描阵列雷达等系统，并继续推进所有平台的数据融合系统。为确保美国空军基地的安全，需要在无人机飞抵上空前先机发现；虽然在作战准则层面这是美国陆军的任务，但美国空军有保护其地面机群的重大利益考虑。在空中，美国空军需要投资研发能够探测飞机威胁的系统，由此取得对特定空域的控制。目前的无人机威胁进一步表明，我们不仅要扫清任务航线上的威胁，还应密切关注飞机的起飞和返回时的安全。这一切都要求美国空军飞机上装备探测和截杀能力的武器。为了成功截杀来袭的无人机等威胁，美国空军不应仅选择一种能力，而应获取多种致盲和/或截杀手段，包括定向能和动能武器。美国空军研究实验室的定向能研究，应当考虑用于空空交战，这意味着美国空军应向空中禁区混合防御项目投入资金，提升技术成熟度水平。此外，美国空军应为其所有机型研制一种类似HARP的系统，使飞机具备发射反制手段的系统。还有一点，无人机技术的扩散已经威胁到美国的国家安全，各军种基地防御资源有限，因此各军兵种必须通力合作，部署并操作能保护官兵的一体化融合系统。

有些领域技术领域的发展较慢，有些则已足够成熟，即将进入工程研制和部署试用阶段。在不远的将来，电子元件的不断更新升级使得无人机向蜂群和/或神风敢死队一样可以单枪匹马地对军方飞机发动攻击。这种必然趋势需要军队大幅度调整防空作战思维，加强对探测和截杀来袭无人机威胁的重视和研究。截杀敌无人机没有一种万能的手段。目前，已有许多手段能帮助我们在抗衡环境中制胜。随着技术进步，探测和截杀无人机绝不只是一件侥幸之事。

（编译自《空天力量杂志》）