导弹扩散的新途径— 危险的远程巡航导弹

文/江雨   2016-05-08 02:03:34


文/江雨


◎1960年美国海军SS-317“巴伯罗鱼”号潜艇装载“天狮星”I巡航导弹的场面,当时该巡航导弹发射准备工作繁琐,耗时很长

局部战争中使用巡航导弹并不奇怪,近年的电视新闻中也看惯了“战斧”的镜头,但俄罗斯这次发射26枚海基巡航导弹攻击IS,特殊在利用4艘轻型导弹护卫舰完成了射程数百千米的“俱乐部”巡航导弹发射。“俱乐部”导弹通用发射装置被广泛出口以及通用化的发展条件,意味着远程巡航导弹这种危险的武器,开始从大国强兵逐步向地区国家使用扩展,导弹扩散的范围也从弹道导弹向巡航导弹覆盖。

从贵族到平民

巡航导弹本身不是个很高端的装备分类,与常规无人驾驶飞机有很多相似之处,但在导弹武器出现后很长时间里,远程巡航导弹都是高技术战术导弹的代表,尤其是执行战略打击任务的巡航导弹,在很长时间里都是强国实力的象征。

战略巡航导弹从二战后开始发展,但很长时间里都无法突破技术关口,也无法与弹道导弹的作战能力对比。真正具备战略导弹技术的巡航导弹,是美、苏在冷战后期装备的以AGM-86和Kh-55为代表的空射型,以及以“战斧”和SS-N-21为代表的舰/陆射型。

战略巡航导弹等同于可以持续低空飞行的无人机,只要有油就可以飞到设定的距离,但想飞到目的地并不容易,限制巡航导弹战略应用的是导航装置。

弹道导弹和巡航导弹的传统导航方式都是惯性参考装置,但采用弹道飞行方式的弹道导弹速度快,受干扰的大气层内飞行时间短,中、短程导弹的全弹道时间只有几分钟,纯惯性制导的误差在射程的1/300~1/1 000,导航精度相对容易保证,很多技术能力一般的国家都能设计制造。战略弹道导弹的惯性装置精度极高,误差可达到射程的1/10 000~1/ 20 000,结合星光导航等方式的误差可控制在300米内,到现在也只有少数国家有能力完成这种精度等级导航系统。

巡航导弹的飞行速度并不大,2 000千米射程需要飞几小时,导弹在这个期间始终处于气动干扰大的大气层内,长时间巡航飞行对导航系统的偏移控制要求相当高。射程在100千米左右的反舰导弹,还能依靠普通的惯性参考系统,利用自动驾驶仪修正1/100的航行误差,但要想达到上千千米长距离飞行的需要,弹载导航的精度要达到射程的1/2 000~ 5 000,已经接近中程和战略弹道导弹的导航精度要求,技术难度相当大,“战斧”这类导弹还要采用中段地形匹配修正惯导累积误差。

惯性导航现在看起来是很普通的技术,但在冷战后期却是真正的高科技,仅有几个军事强国才有相对低成本的惯导科研和生产能力。中国惯性导航技术在上世纪80年代末期还比较薄弱,即使是新生产的歼-7和强-5这类战术飞机,也没条件装上一套高效可靠的机载惯导,出口作战飞机用的惯导还要从欧洲国家引进。机载系统都这样困难,弹载系统自然更难。国外反舰导弹在采用惯性中段控制时,国产的YJ-8还在用陀螺参考的自动驾驶仪,可见惯性参考装置对其它技术能力更弱的国家的难度。

导航系统的技术水平直接关系到导弹精度,弹道导弹对导航精度的要求又比巡航导弹低,这就使很多国家在发展威慑性导弹武器时,都是以技术难度较低的弹道导弹作为起点。弹道导弹就是带有修正系统的火箭,主要误差存在于发射开始阶段的干扰,弹道中段处于大气稀薄和气动干扰少的高空,末段不仅落角大,速度也非常快,气动干扰对精度的影响不大。按照正常的技术条件,上世纪40年代水平的陀螺稳定和测量装置基本能保证1/100的射程误差,“飞毛腿”这样的早期技术水平的弹道导弹,射程300千米时的误差也可以控制在3千米。巡航导弹低空长时间保持航线精度的导航要求很高。中国在上世纪80年代初期进行的对比演习中,强-5攻击机在全程低空突防时,即使由飞行员按照仪表和地图修正,自主导航飞行一小时的误差也很大,巡航导弹如果利用这样水平的导航系统,即便使用核弹头也不具备实战需要的命中精度。正是因为巡航导弹对自主导航精度的高要求及技术复杂性,战略巡航导弹到上世纪70年代后期才具备实用条件,弹道导弹则在50年代就已经发展得比较完善。


◎ 2015年11月20日俄罗斯图-160发射巡航导弹攻击极端组织的场面,远处为苏-30SM


◎ 美国海军早期的“灰鲸”级巡航导弹潜艇SSG-574“灰鲸”号展示其装载的“天狮星”Ⅱ巡航导弹,它也是唯一发射过“天狮星”Ⅱ巡航导弹的潜艇


冷战时代的远程巡航导弹要达到精度要求,整个航线上需要确定多个位置检查和修正点,整个航程的飞行轨迹设计非常复杂烦琐,需要完善的大范围地形数字地图作为参考。为保证导弹准确到达每个修正点,导弹发射前必须保证起点位置精度,尤其是用舰艇和飞机这样的运动目标发射导弹时,发射平台本身的定位精度对整体精度的影响很大。

冷战时期远程导弹对发射位置精度的高标准,使海基和空基运动平台作为发射载具时,都要安装高标准的导航和定位装置,这套装置与数字地图和战区情报支持,成为很多力图发展巡航导弹的国家面对的拦路虎。冷战末期的巡航导弹发射载具中,核潜艇、驱逐舰与战略轰炸机都有高水平导航定位系统,以便为战略巡航导弹提供发射前的技术准备,车载导弹发射装置也需要复杂的定位和测地系统。

导弹发射后主要依靠惯性系统修正飞行误差,并且要在飞行过程中选择多段地形进行测绘,利用雷达测绘地形特征进行定距修正,为惯性导航系统提供修正偏移的辅助措施。无论是高精度惯性导航,还是中段修正的地形参考装置,都需要高性能的元件和高水平的电子技术,因此只有美国和苏联在冷战期间发展出了战略巡航导弹。

远程巡航导弹扩散的技术基础

美国在冷战后期开始发展卫星导航系统,GPS在海湾战争期间初步得到应用,随后在各种军用导航系统中大规模应用。美国军事工业在跨世纪阶段完成的JDAM精确制导武器,就是利用中等精度的低成本惯导与GPS构成了全程导航系统。远程巡航导弹战术改进型中也开始应用GPS,并由GPS替代了高成本的地形参考装置。

GPS导航具备动态化三维定位能力,即使是民用信号的精度也能够控制在100米内,完全达到了中等精度惯性系统的标准,军用信号的精度甚至可以提高到13米。很多国家具备了用民用GPS作为武器辅助导航系统的能力,远程巡航导弹高惯性偏差修正的难题就这样得到了克服。

美国在越战期间使用的“火蜂”喷气无人机,能利用导航系统自主实现战略侦察,这套系统已经具备巡航导弹的导航要求,差距只是最终落点的命中精度还存在不足。现代的民用导航和自动控制设备的技术水平已经完全超过了这个型号,甚至比冷战末期“战斧”的技术指标还要出色,基于红外摄像机和自动识别软件的跟踪装置,也要比冷战时代的雷达地形识别系统精度更高,隐蔽性更好,也更为简单便宜,很多关键功能甚至能通过民用软件实现。

现代加工和控制技术的发展降低了航空技术的设计和生产难度。同样作为远程制导武器的基础平台,运载火箭技术门槛近年已经大幅降低,西方很多企业通过引进成品为基础,发展了很多非国家项目的低成本火箭,技术性能和运载能力已经超过很多国家的专用运载火箭,火箭平台武器化性能也超过了早期的弹道导弹。

巡航导弹平台的设计难度比弹道导弹还低,利用现代工业体系和市场化采购的工艺和制造难度更低。国外很多小企业,甚至个人使用民用成品,已经开发出可长时间自主导航的高性能无人机,国内也有企业完成过类似的产品。这些航空产品不仅可以利用民用材料和工艺,还能够应用3D打印这类灵活制造手段,不需要成规模的工厂化制造和配套体系,就可以完成复杂平台的小规模生产和装配。


◎ 美国“洛杉矶”级核潜艇正在装载“战斧”巡航导弹,过去“战斧”只能由这种大型舰艇发射

比弹道导弹更大的威胁

现代导航技术的快速发展降低了技术难度,曾经由挠性陀螺构成的机械导航装置,是现代精密加工和装配技术的集大成者。上世纪80年代的冷战后期,一套好的惯性平台的技术难度极大,生产技术和核心零件完全被有数的几个强国所垄断。

弹道导弹采用的是简单的火箭技术,看起来难度不算大,但想要实现超过百千米的实用射程,导弹固体燃料融铸和填充就是个难题,液体燃料火箭发动机也不容易获取。弹道导弹的飞行速度快,再入的角度大,弹头的气动加热温度高,对弹头的结构材料都有比较高的要求。根据结构技术和材料方面的指标分析,再简单的弹道导弹都需要依托稳定的工业基础,以及军工体系生产的火工材料/燃料。游击队这类缺乏系统军工体系的武装力量,只能造出“蹿天猴”这样的简易近程无控火箭。

巡航导弹相比弹道导弹的优点是结构简单,弹体可以利用常规的轻金属和非金属(如玻璃钢)材料制造,加工工艺也比较简单。巡航导弹采用的吸气式发动机技术难度低,很多用于大型模型的喷气动力系统,都可以作为一次性使用的导弹动力系统使用,使用的燃料也是市场上能方便获取的汽油和航空煤油。

现代惯性导航系统以激光和光纤为基础,惯性系统实现了核心组合件的固态化,单位时间的偏移率也有了明显降低。最关键的是曾经作为军用高端技术的惯性导航装置,现已广泛进入民用市场。组合的中等精度惯性参考/全球定位系统,已经能集成在饮料瓶大小的平台甚至是手机的电路模块中,用于为汽车、野外活动或无人机导航。现在有很多民用无人飞行器都可依靠捷联惯导和GPS组合,自主按任务设定航线精确飞行数小时,返回起飞场地自主着陆。这样的导航系统虽然抗干扰能力算不上出色,但导航用成品和系统都能在市场上采购到,只要进行简单改进和元件加固处理,就可用于武器平台的导航。

扩散的危险

巡航导弹等同于带弹头的无人机,加速度和巡航速度都比弹道导弹低,弹载系统承受的过载值不高,弹上电子设备的工作环境也容易保证。民用导航系统虽然抗干扰能力差,环境适应性低,但同样可以控制巡航导弹远距离低空巡航,末段误差也可以达到GPS民码的150米内,足够满足面杀伤的精度要求。

如果考虑到简易导航巡航导弹的易得性,不需要高精度末段修正系统,及GPS对发射点精度要求低的特点,简易巡航导弹装备的扩散几乎没有任何难度。不仅各国军方可以利用,游击队甚至恐怖分子也都能用。可以想一下,恐怖分子利用虚假的身份采购到民用无人机,用炸药替换无人机的照相设备,完全能在几乎不暴露自身目标的前提下对面目标进行攻击。军事技术能力较差的国家也可以利用这套导航系统,利用军品级标准的弹体和控制装置,制造出威力更大、速度更快、突防条件更好的导弹。

冷战时代远程巡航导弹的惯性导航装置,测量系统本身的体积就有排球大,成本高达十几万美元,而现有的简易姿态参考+GPS组合系统可综合到手机大小的装置中。现代自控民用无人机用三轴姿态控制和GPS定位装置的尺寸只有方便饭盒大,成本不过几百美元,无论直接市场采购还是拆机都可以获取。

冷战时期,巡航导弹是种非常高端的远程打击手段,技术核心就是远距离自主导航的高精度。巡航导弹的弹体设计和材料很平常,与普通的反舰导弹并没什么大的差异,很多反舰导弹装上末段修正导引头,将人工修正融合到自动驾驶系统回路中,就可变身成非常不错的战术巡航导弹,美国的“斯拉姆”就是这样改造的成功例子。随着弹载GPS/捷联惯导组合导航系统的完善,战术巡航导弹增程的改进潜力得到发挥,反舰导弹改型的射程已经从上百千米提高到几百千米。如果能利用好目前的弹载导航系统,增加战术导弹的燃料载荷,甚至采用巡航经济性更好和空间更大的弹体,制造出上千千米射程的巡航导弹也没什么难度。正是受到远程自主导航系统技术门槛降低的支持,巴基斯坦、韩国、印度和伊朗这些军事技术并不强的国家,近年都开发出了性能比较过关的巡航导弹。


◎ 印度“塔尔瓦尔”级护卫舰发射“布拉莫斯”巡航导弹的场面

传统的远程全程自控导弹,发射和巡航段的实时定位精度将直接影响导弹的命中精度。巡航导弹自主导航系统在冷战后期基本完善,但GPS的应用彻底改变了巡航导弹自主导航的瓶颈,也改变了对导弹发射平台的技术要求。

巡航导弹在海湾战争中虽体现了远程精确打击能力,但也暴露出航路规划时间长和反应速度慢的弱点。采用GPS作为导航和修正手段的巡航导弹,并不需要保持发射点位置的高精度,导弹可以在发射后再通过卫星信号修正误差,这就使发射平台功能要求极大简化。

美国在海湾战争中应用了早期的GPS导航系统,随后就将GPS导航大量应用于制导武器,不仅开发出了JDAM这类低成本制导炸弹,还用GPS测量系统替代了复杂的地形修正系统,将“战术战斧”的航路规划由十几个小时缩短到可供灵活反应的十几分钟,并具备发射后自行对准航路自主修正,甚至在飞行过程中修改打击目标的条件。“战术战斧”导航系统大幅度放松了对发射平台自身定位精度的要求,并明显降低了巡航导弹的制造和使用成本,并基本回避了巡航段数字地图和航路规划的难关。巡航导弹的新式组合导航彻底改善了武器的使用灵活性,从导弹艇上发射巡航导弹这种灵活性在冷战时期不可想像。

现代组合导航系统的应用,意味着战略巡航导弹不再需要核潜艇、轰炸机、驱逐舰,更不需要覆盖整个飞行轨迹的大区域数字地图。只要能承载导弹发射筒的发射平台,目标点确定也仅需全球定位系统的坐标位置,用很简单的基础条件和很短的准备时间就可完成远程巡航导弹的准备和发射。考虑到巡航导弹制造和使用比弹道导弹还简单的现实,它将成为比弹道导弹更大的威胁。

以现有反舰导弹改装巡航导弹的技术条件为例。俄罗斯Kh-35反舰导弹的射程为130千米,如果用GPS/惯导系统替代主动雷达导引头,不设置末段修正的精确制导系统,将导引系统省下的弹体空间充填发动机燃料,现有弹体的射程很容易就可以翻番。再结合不再需要末段掠海的高燃料消耗飞行段,全程经济巡航的有效射程可以轻松超过300千米,突破目前国际导弹技术出口的射程限制。这样的改造不仅强国可以进行,朝鲜、越南这样的国家也可以进行。这种改造投入很小,但对其周边国家的威胁很大。全自控确实存在打得不够准的弱点,但对于很多追求获取远程导弹能力的国家,这样的导弹在某些时候要比打得准更有威胁。

导弹属于精确打击武器,但与当初的弹道导弹扩散情况相似的是,很多国家并不需要依靠导弹完成战术意图,而是把导弹作为威胁或实施不对称对抗的手段。国家力量所拥有的更好资源,可以提供技术水平更高,性能更稳定的导航组件,发展出精确打击效果虽然不如强国专用武器,但却具备很强威慑效应的远程巡航导弹。低水平航空器的技术难度远低于弹道导弹/火箭,喷气动力巡航导弹的射程潜力也比弹道导弹更高,发射和巡航飞行的隐蔽性也更好。这些特点不仅降低了远程巡航导弹发展的门槛,增加了导弹防御难度,也使导弹扩散的控制更为困难。严格说起来,弹道导弹的控制还有迹可寻,而巡航导弹技术扩散目前已接近失控边缘。

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