聚焦科技前沿丨助推段导弹防御的可行性

随着无人机和太空军事化的迅速发展，各国开始关注和探索助推段反导的可行性。战略前移是反导作战的必然趋势，美国已进行该领域的研究并取得了较大的优势。2022年6月24日，美国战略与国际问题研究中心（CSIS）发布了《助推段导弹防御》报告（Boost-Phase Missile Defense）。

报告指出，由于助推段导弹防御计划的成本高昂、技术不成熟和操作性限制，美国国防部导弹防御局 (MDA) 的工作几乎集中在研发中段和末段导弹拦截系统。然而，2017年后朝鲜洲际弹道导弹能力的展示重新引发了美国关于如何改善本土导弹防御的问题。朝鲜和伊朗的助推后机动再入飞行器等技术也同样促使美国重新重视助推段（上升段）导弹防御的可行性研究。

助推段防御可以缓解与末段拦截相关的许多技术挑战，目标可以提前部署对抗措施并执行规避机动。美国2019 财年“国防授权法案”要求国防部导弹防御局开始空基或舰载动能助推阶段拦截器的开发计划，并研究区域性天基动能或定向能拦截器， 随后确定天基拦截器和改造F-35 用于助推段防御的方案。

“助推段"的定义

“助推段”通常是指弹道导弹的发动机燃烧阶段和在燃尽后的一段时间（见图1）。在燃尽后的一段时间，导弹将部署诱饵和分离再入飞行器，因此这也是防御方可利用的阶段。该报告的“助推段拦截”指从发射到发动机燃尽的时间，“早期拦截”指在燃尽后直至弹头和诱饵释放期间的交战。虽然这一持续时间因导弹类型而异，但该报告认为早期拦截包括从发射到发动机燃尽后 100 秒的时间，之后导弹交战将变得更加复杂。

技术支持

报告认为，助推段防御可行性仍存在争议，但以下技术变革大大提升了这项研究的可行性：

先进的传感器：遥感和图像处理技术的提高有望提升早期导弹探测和跟踪能力，因此延长与助推段防御相关的交战时间；

遥控驾驶航空器（RPA）：成熟的高空长航时无人机技术增加了空基防御的可能；

定向能技术：激光缩放技术的进步有望在未来提升激光武器的潜力；

航天领域技术：卫星制造和发射成本大幅下降，节约了天基防御系统预算。

面临的挑战

尽管有这些技术上的顺风，但仍然存在重大的操作、预算和政治逆风。助推段防御可行性研究仍面临以下挑战：

助推段时间很短——压缩了交战周期；

防御部署通常必须接近目标；

拦截器必须速度快、加速快；

指挥、控制和决策必须低延迟。

研究表明，当拦截器到达4-5千米/秒时，部署在国际空域的高空长航时无人机可以拦截助推段液体推进剂的朝鲜洲际弹道导弹。伊朗的洲际弹道导弹轨迹对于空中拦截器来说更具挑战性，但在某些突发事件中还是有可能实现，从而有助于补充中段防御或主动抑制发射打击作战。但陆基或空基动能拦截器在战略纵深更大的中、俄领土内进行拦截，只有在战时才有可能，甚至拦截器能否存活都成问题。

尽管政策环境可能有利于助推段防御研究，但仍受到财政预算的限制。美国的导弹防御预算已经非常紧张，美国国防部导弹防御局的首要任务包括陆基中段防御系统的重大更新、天基传感器层和新兴、高超声速防御计划，以及针对巡航导弹和无人机的低层防御能力等。因此决策者需要慎重考虑助推段防御系统研发的相对成本和效益。

助推段防御交战窗口

1.交战窗口的界定

导弹助推段的飞行时间不超过5分钟，在这段时间内与之交战是一项艰巨的技术挑战。在极短时间内探测、跟踪、处理和拦截导弹，使助推段导弹防御系统的需求复杂化。助推段交战窗口通常被理解为威胁导弹的推进燃烧时间和防御方在计算火力控制解决方案的延迟时间(即预测和精确撞击点)，这将提高传感器和拦截器的性能要求。对过去20 年的评估发现，速度较慢的液体燃料洲际弹道导弹可能的交战窗口持续时间为 175 到 235 秒，而速度更快的固体燃料洲际弹道导弹的交战窗口仅为 125 到 151 秒 （见图2）。

2.交战时间的重要性

图 3显示了来自朝鲜洲际弹道导弹的北美防御区域，空基拦截器防御覆盖范围随着交战延迟变长而变化。红色区域代表无法防御，黄色区域有一次交战机会，绿色区域代表将有两次防御机会。假设概念拦截器的平均速度为每秒 4 公里 (km/s)，发射高度为 15,000 米，传感器覆盖对手全域，杀伤评估延迟均为 15 秒， 唯一的变量是交战延迟时间分别为75秒，50秒和30秒。

许多变量都会影响导弹防御系统在助推段的防御覆盖范围，包括发射位置、拦截器的速度和威胁导弹的发射位置。然而，上述数据表明，在这些变量相等的情况下，缩短交战延迟时间可以提高助推段防御层的性能。因此，缩短交战延迟是提高助推段防御可行性的一种方法。

3.交战延迟的原因

探测延迟：探测助推导弹的延迟是造成这种交战延迟的首要因素。

天基探测——与天基红外系统（SBIRS High）类似的天基红外传感器在洲际弹道导弹发射后，可能需要长达 45 秒才能检测到目标。天气条件将大大限制天基传感器检测洲际弹道导弹威胁的能力。假设最坏情况下的云量，天基传感器只能在洲际弹道导弹到达 7 公里高度后才能检测到。与直觉相反，固体燃料洲际弹道导弹将以比液体燃料洲际弹道导弹更快地被发现，因为它们会更快穿过云层。

空基探测——空基雷达可以在恶劣的天气条件下运行并探测到 7 公里以下的移动目标，但是范围受到地球曲率的限制。空基 X 波段雷达对固体和液体燃料洲际弹道导弹的探测范围分别可达 655 到 980 公里，探测时间比天基传感器快大约 10 到 15 秒。

跟踪延迟：初步探测后，传感器平台必须跟踪洲际弹道导弹的飞行下降范围并向火控系统提供跟踪数据，以计算预测拦截点（PIP），即估算拦截器和洲际弹道导弹轨迹相交的位置。跟踪延迟原因仍然在分析师之间存在相当大的分歧，根源在于对洲际弹道导弹性能、传感器分辨率和拦截点预测精度要求的不同假设，差异大约在 5 到 30 秒之间。

助推段防御架构可行性分析

报告指出各种防御设计都有可能解决助推段防御的问题。这些方法可以按其拦截器的操作领域粗略分类：陆基、空基和天基。

1.陆基防御系统

陆基助推段防御架构将基于机载或卫星传感器网络与陆基拦截器融合，以实现早期拦截。陆基拦截器受地理位置的限制，因此会提高拦截器的性能要求（即距离对手越远需要越快的拦截器）。对手国家的陆地面积和拦截器发射位置将严重影响陆基助推段防御系统的可行性。对于像伊朗等国土面积较大的国家几乎没有合适的拦截器基地的位置，因此防御方必须使用更快的拦截器才能在发动机燃尽之前到达助推目标。

针对朝鲜与针对伊朗的典型情景防御要求不同。

朝鲜：分析表明，对于美国大陆的有限覆盖范围来说，需要速度为5 km/s或更快的快速加速拦截器（见前文图3）。这种拦截器将比海军宙斯盾系统现有的标准-3防空导弹（SM-3）拦截器大得多，并且需要部署在朝鲜水域东北方向的日本海。

伊朗：拦截来自伊朗的导弹将更加困难。根据美国物理学会 (APS) 的说法，这样的系统需要 8 公里/秒或更快的拦截器来拦截自土耳其东部和阿富汗西部的伊朗液体燃料洲际弹道导弹。另外，美国国家科学院(NAS)声称，6 km/s的拦截器可以充分应对来自里海附近的液体燃料洲际弹道导弹的威胁。

2.空基防御系统

空基防御系统是将拦截器安装在飞机上，例如战斗机或无人机。与陆基相比，空基拦截缓解了地理位置方面的限制：飞行器可以在有利拦截的区域巡逻，并在危机中迅速靠近敌方发射场；空基还可以放宽对拦截器性能的要求：空基拦截器可能会更小更轻，因为陆基拦截器需要装载更多的推进剂才足以加速到拦截高度。空基防御架构还可以将助推段传感器和武器集成到同一平台，因此可简化操作并减少延迟。更经济、更轻的光学设备、雷达和边缘计算的发展，将推动助推段防御的可行性研究。

空基防御系统也受到一些限制。与可以在基地停留数月的陆基或海基平台不同，现有的战斗机和无人机续航能力不足，在对手附近保持持续的空中巡逻成本很高。

2021 年，CBO 评估了 2019 年导弹防御审查关于为 F-35 配备助推阶段拦截器的建议，得出的结论是，针对朝鲜的防御运营成本每年将花费 200 亿美元。为了达到其击败 20 枚或更多洲际弹道导弹的既定指标，该研究评估了 30 至 60 架 F-35 携带 120 至 240 枚拦截器保持持续巡逻的要求。因此，该方案可能用来在地缘政治紧张局势加剧时，作为防御增援能力，比如作为陆基中段防御系统的补充。报告认为，任何助推段防御系统都应被视为分层系统的一个元素，而不是整个系统本身。

2019年，有专家分析建议，针对朝鲜的场景，美国可以采用高空长航时无人机（PRA）大幅降低成本，以实现基于RPA的助推段防御。一架MQ-9“收割者”的运营成本仅为F-35的15%多一点。RPA领域的巨大创新，使其成为拦截平台的一个有吸引力的选择。图4展示它们如何用于助推段防御系统。

朝鲜：研究发现，拦截器的速度在 3 -5 公里/秒之间，空基系统可以提供美国对朝鲜洲际弹道导弹的国土防御。图5描绘了从日本海单点发射的不同速度拦截器的名义防御区域覆盖范围。

伊朗：据评估，拦截伊朗洲际弹道导弹在助推阶段都更具挑战性，应对伊朗的威胁需要该国北部的多个轨道和4 公里/秒到 6 公里/秒拦截器。如果空基拦截器可以实现更高的速度（5+ km/s），那么土耳其东部的空中巡逻可能会获得一些覆盖。

机载定向能防御：

机载平台也仍然是定向能防御系统最有可能的基础模式。与动能拦截器不同，定向能武器，特别是高能激光，在瞄准后允许在一个时间范围内与洲际弹道导弹进行多次交战。由于激光近乎瞬间的速度，激光武器对交战几何变化不太敏感。例如，导弹发射方位角后面的激光系统无法应对追尾拦截的运动学挑战。

与动能拦截器不同，激光射程受到平台视线和大气条件的限制，大气条件会在更远的距离消耗能量。尽管激光几乎可以立即到达目标，但交战本身可能需要几秒钟才能完成，包括旋转激光所需的时间和光束加热、削弱和摧毁目标所需的时间。

部署机载激光系统的主要技术挑战是将精确和高性能的激光器建在重量、空间和功率受限的机载平台上。尽管技术发展为该系统可行性提供了空间，但短期内似乎没有激光系统能够接近满足远程助推段拦截的要求。

3.天基防御系统

天基动能拦截器可以部署在最佳位置以拦截助推段洲际弹道导弹，而不受地面或空中部署的地理限制。然而，天基防御系统的可行性和成本存在分歧。由于停留在轨道上需要不断的运动，单个天基拦截器不能在发射场范围内停留很长时间。因此，需要多个搭载拦截器的卫星群才能覆盖给定区域。卫星群的大小取决于几个变量：（1）覆盖的位置和密度；(2) 洲际弹道导弹的燃烧时间；(3) 拦截器的飞出速度；(4) 拦截器的寿命和平均故障率。

许多研究提出卫星群可以按需补充新卫星，以解决其生命周期内的自然机械故障。据估计，全球范围覆盖需要远远超过 3,000 个拦截器，因此美国大多数研究选择分析伊朗和朝鲜的助推段拦截，其包括纬度 25 到 45 度之间的轨道，在任何时间点大约有两个拦截器在射程内。自 2000 年以来，可重复使用的卫星发射系统成本下降了近十倍，预估每公斤送入轨道的最小成本在 8,000 美元到 15,000 美元之间。拦截伊朗和朝鲜液体燃料洲际弹道导弹，预估需要至少 240 到高达 700 枚拦截器。

需要注意的是如何应对天基架构的脆弱性。对手可以使用反卫星武器打击天基拦截器，或者开发燃烧时间更短的洲际弹道导弹，从而降低卫星群的覆盖范围。由于一定时间段内都只有少数天基拦截器，对手可以将其导弹发射集中在一个位置以摧毁一个卫星群平台。

报告主要研究发现

再入飞行器、诱饵和其它助推后反措施等技术的提高增加了弹道导弹威胁，使助推段防御更加重要。

由于技术和政策限制，美国之前的助推段防御研究尚未成功。

地理因素对助推段导弹防御系统尤为重要。

高空长航时无人机（RPA） 技术的进步为传感器和拦截器提供持久平台，提高了空基助推段防御的可行性算法。

传感技术的进步可以提高空基雷达平台的可用性，从而减少其在助推段的探测和追踪延迟。红外传感器分辨率和图像处理的进步可能会进一步缩短未来的卫星探测时间。

全程跟踪导弹威胁（从发射到击中）对于任何助推段防御系统都是必不可少的。传感器架构系统应混合多种传感器平台和类型，以确保及时检测和跟踪。及时进行杀伤评估对于在分层防御内瞄准助推阶段也很重要，以避免浪费中段拦截器或在有利条件下启用多个助推段交战的机会。

1.陆基拦截

陆基拦截器受地理因素限制极高，在助推段拦截朝鲜或伊朗的洲际弹道导弹弹道几乎不可能。

海上舰艇可为朝鲜助推段拦截提供更有利的地理条件，但在军事危机期间，海军水面作战人员有限。

因为海军缺乏舰载发射器能力，增加其领土弹道导弹防御任务将会受到海军的巨大阻力。

2.空基拦截

配备动能拦截导弹的高空长航时无人机具有良好的性能和经济效益，短期内有望增加助推段防御能力。

F-35 的分布式孔径传感器和作战系统使其有望成为助推段防御平台，但它续航能力不高、经济效益相对较低且易耗损。

与其他拥有更大陆地面积对手相比，朝鲜缺乏地理纵深，使其洲际弹道导弹相对更容易受到空基助推阶段防御系统的拦截。

使用高速拦截器，美国可从盟军领空对伊朗发射的洲际弹道导弹进行早期拦截。

3.天基拦截

天基防御是美国对中国和俄罗斯洲际导弹进行助推段拦截的唯一选择。

天基拦截器系统将是一项浩大的工程和财政任务，但是可重复使用的运载火箭降低发射成本，小型传感器、航空电子设备和发动机涡轮泵的进步也可减少拦截器的数量。

天基拦截器在各种形式的反卫星攻击中的生存能力将是一个主要问题，特别是在面对同等竞争对手时。

结论

传感器的进步——图像处理和新一代雷达——可能有助于延长交战时间。高空长航时无人机的进步也有望提高机载平台的续航能力，该平台可以克服陆基平台的地理限制以及载人飞机的成本、可用性和持久性缺点。从长远来看，太空发射、高功率激光器和卫星制造方面的进步也有望给助推段防御架构带来更高性能。这些相关技术的发展提高了助推段防御的可行性。

即使拥有更强大的下一代拦截器，仅依靠单一的国土防御解决方案存在风险。基于技术成熟的助推段防御系统可能可以有效地补充国土防御，从而减轻陆基中段防御系统的负担。报告指出，随着平壤继续推进其弹道导弹计划，美国短期内有可能通过利用和整合军事和商业领域的技术进步，启动对朝鲜洲际弹道导弹动能助推段防御。

出品：科普中国军事科技

作者：渊亭防务

监制：光明网科普事业部