美国“上帝之仗”天基动能武器系统详析
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作者: 周伟 张丹丹
“上帝之杖”天基动能武器系统是美军2012年开始研制的一种空间攻击武器，将于2025年之前实现部署。作为一种新型战略武器，“上帝之杖”将汲取“智能卵石”等早期天基武器项目的研究成果，也将借鉴“常规全球快速打击”系统等现有开发项目的高新技术，意味着美国将首次实现天基全球战略打击与威慑能力，进一步完善美国战略打击力量体系。
什么是“上帝之杖”？
“上帝之杖”天基动能武器系统主要由位于低轨道的两颗卫星平台组成，一颗负责通讯和锁定目标，另一颗则搭载有大量被称为“上帝之杖”的金属长杆形动能“导弹”。这些“导弹”实际上就是直径0.3米、长6.1米、重量达100千克的钨、钛或铀金属棒。
其结构主要由动能弹头、推进系统、制导系统、热控系统与通信系统5部分组成。弹头主要由高密度的钨、钛或铀等金属铸造，前方略尖，可减小空气阻力，降低到达地面时的动能损耗。推进系统主要是小型火箭助推器，可在外层空间为导弹提供较为精确、容易控制的推力。制导系统主要是不断调整火箭助推器和空气动力学舵面，改变飞行方向，确保精确命中目标。热控制系统主要是依靠外部特制的热防护涂层来防止弹体过热。
这些安装了小型火箭助推器的金属棒可在几分钟之内依靠卫星制导对地球上任何地区的目标进行打击。“上帝之杖”从空间发射后，不依靠任何弹药，完全依赖动能撞击来对目标产生破坏力，但攻击效果堪比核武器。
美国为什么要发展“上帝之杖”？
美国对“上帝之杖”天基动能武器系统的探索始于20世纪80年代。其主要发展动因有三点：
一是谋求绝对军事优势。目前，尽管美国在核武器上占据较大，但未拥有绝对优势，其核武器的威慑作用受到限制，因此美军需要在其他非核武器上寻求新的突破口和新的战略制高点，而空间武器正是一种可为美国带来新威慑与实战能力的新兴武器。
二是满足新的军事需求。目前深埋加固目标已成为美国重点对付的目标之一，但常规武器尚不具备深足够的钻地能力，以美军的GBU-28型“掩体粉碎机”钻地炸弹为例，仅能穿透6米厚的混凝土或30米的坚硬地层，对地下坚固的钢筋混凝土工事无能为力。因此发展“上帝之杖”等具有强大钻地能力的武器势在必行。
三是进一步完善战略打击体系。目前，美国的战略力量体系主要由陆、海、空“三位一体”的战略核武器系统、导弹防御系统和灵活反应的基础设施组成。而天基战略打击能力则只处于探索阶段，尚未形成现实战斗力。因此推进“上帝之杖”等进攻性空间武器的研制工作将极大丰富美国的战略力量体系。
“上帝之杖”厉害在哪里？
相对于传统的导弹武器，“上帝之杖”具有许多革命性的优势，主要体现在以下一些方面：
反应速度快
由于“上帝之杖”系统通常部署在1000千米以下的低轨道，所以对地攻击准备时间短、反应速度快，从离轨到对地面实施打击仅需几分钟。在相同射程的情况下，打击时间不及洲际弹道导弹的三分之一，能以11千米/秒的初始速度进入大气层，即使在大气下层飞行时速度会有所下降，但仍能达到约3千米/秒的攻击速度。
突防能力强
平时，“上帝之杖”系统部署在距离地面1000千米的轨道上，不易受到一般飞机和导弹的攻击。战时，“上帝之杖”在进入大气层内对地面目标实施攻击时，由于其速度极高，打击目标时通常采取垂直攻击的方式，因此它获得的动能巨大。对于这种速度高、动能大的目标，目前的多层导弹防御系统很难有足够的预警时间，即使发现，也难以进行有效的拦截。
精确毁伤能力强
主要体现在三个方面：一是采用含GPS的复合末制导系统，命中精度较高；二是动能杀伤力巨大，对深埋加固目标的杀伤效果好。这些导弹在卫星制导下，利用小推力液体火箭助推和自由落体产生的巨大动能，钻地深度可达数百米，千克级质量的“上帝之杖”与吨级TNT当量产生的破坏能量基本相当；三是饱和攻击强，每个“上帝之杖”系统可发射100枚导弹，如果在同一轨道部署和使用多个该系统，则可对地面目标进行有效毁伤。
作战范围广
全球打击能力是天基对地打击动能武器的主要能力之一。作为天基动能武器的“上帝之杖”，同样有着打击范围广的特点，其打击范围可覆盖全球任何一个地区，打击对象包括指挥中心、导弹发射装置、地下掩体等所有非移动类目标。
发展“上帝之杖”的关键技术
作为一种研制中的新型武器，“上帝之杖”既采用了现有的成熟技术，也将采用许多高新技术。这里仅列举几项主要的关键技术。
小推力火箭发动机技术
“上帝之杖”平时放置于组网部署的卫星平台上，当接到打击命令后，“上帝之杖”与卫星平台分离，再入大气层后打击目标。这种小推力液体火箭发动机主要应用于天基动能武器的轨道修正、姿态控制、对接、着陆等，具有高性能、高可靠性，同时还有质量轻、尺寸小、响应快等特点。除此之外，小推力火箭发动机还具有以下优点：一是通常比冲最高，在推进剂量一定的情况下飞行器速度最大或者有效载荷最重；二是推进剂贮箱在飞行器内的布局能最大程度地减小动力飞行段中心的变化量，提高了飞行器的飞行稳定性、减小了控制力。
高速飞行制导，控制与导航技术
“上帝之杖”作为一种小型导弹，其飞行弹道与一般的导弹武器一样，分为助推段（时间极短）、中段和再入段，但形状特殊，呈直线状。在抵达目标前，“上帝之杖”需要穿过真空、稀薄大气层与稠密大气层。在进入大气层前，“上帝之杖”需要通过控制姿态角来实现对目标的精确打击，但在进入大气层后弹体必然受到空气流动、密度差异等很多不确定因素的影响，加之速度过快，如果没有尾翼修正，则难以实现对目标的精确打击。
因此，在控制系统方面，“上帝之杖”导弹的再入弹头需要综合使用喷气反作用控制与气动控制两套系统。在真空状态下，必须利用喷气反作用力进行控制；在稠密大气层中，可以利用气动力（矩）进行控制。在稀薄大气层内飞行可能导致动压不足，单纯依靠气动力会引起控制失效，需要喷气反作用控制与气动控制系统配合使用。 在制导与导航系统方面，“上帝之杖”的助推段和中段可采用惯导+GPS组合制导方式；末段可采用主被动雷达、红外成像等末制导方式。不过，稠密大气层中的飞行可能导致严重的气动加热现象，从而产生等离子鞘，严重时可能导致GPS导航信号中断。因此，“上帝之杖”需要采用多传感器信息融合组合制导结构。
热防护技术
“上帝之杖”的弹头在大气层内的高超声速飞行会导致严重的气动加热，例如因空气磨擦而出现弹体过热问题，弹体过热将直接导致内部精密电子元件受损、弹体磨损或解体。因此气动热防护显得尤为重要。一般来说，高超声速飞行器所使用的主要热防护系统方案可分为被动式、半被动式和主动式三大类。其中，主动热防护系统的结构和技术较为复杂，检查、维护、维修不便，同时发展不成熟；半主动热防护系统方案则介于被动防热和主动冷却方案之间，发展也不成熟；被动热防护方案结构简单、技术可靠、易于实现，被各国广泛采用。在被动热防护方案中，热防护材料在加热环境中会产生一系列物理和化学反应；在这些反应过程中一方面消耗了热防护材料，一方面以不同方式分散和消耗环境给予这些材料的热量，以保证飞行器内部结构在允许温度下工作。不过，被动热防护系统只能一次性使用，并会发生烧蚀变形，而“上帝之杖”正是一种不可重复使用武器，因此适合使用被动热防护系统。同时，由于“上帝之杖”的再入段采用垂直飞行，受热最严重的部分为头锥，因此也适合采用被动烧蚀热防护措施。
目前，美国正在开发新型弹体材料，其主要特征为长寿命、耐高温、抗腐蚀、高强度、低密度。这些材料主要包括轻金属材料、金属基复合材料、聚合物基复合材料、陶瓷基复合材料和碳碳复合材料。采用被动烧蚀热防护措施，比较可行的一种方案是利用超高温陶瓷防护头锥、控制面和翼前缘等表面；C/SiC复合材料防护机身迎风侧；金属基复合材料防护背风侧，并利用多层隔热措施保护内部结构。开发由这些材料构成的热保护系统面临许多技术挑战，包括对气动热力负载和烧蚀率的精确预测技术、用于保护内部部件的绝缘技术等。为了解决这些技术难题，美国国防高级研究计划局正在实施包括“高超声速试验飞行器”在内的多项高超声速飞行器计划。2010年和2011年，美国先后两次进行HTV-2的飞行试验，以演示长时间运行的TPS系统性能，但均未获得成功。
飞行中通信技术
对于“上帝之杖”导弹来说，飞行中通信将使飞行中的目标重新瞄准、重新捕获以及验证成为可能。同时，“上帝之杖”导弹的飞行中止和战斗损伤评估也需要进行飞行中通信。
再瞄准和巡飞能力
在实际作战中可能发生的情况是，在发射一枚“上帝之杖”导弹后，一个价值更高的目标可能出现或初始目标可能丢失（如藏入地下），因此原先次要目标可能成为首要目标。飞行中的通信将使指挥员具备在发生上述情况时改变作战方案的灵活性。
“上帝之杖”导弹在再瞄准和巡飞能力方面具有重大优势，因为它们能根据目标坐标的变化来进行机动。通过将发射前未能探测到的新出现目标数据传输给“上帝之杖”导弹，飞行中的通信将能使上述机动能力得到利用。
卫星通信与数据链技术
与“上帝之杖”导弹进行飞行中通信的最具有潜力手段是现役的超高频（UHF）卫星。该频段允许“上帝之杖”导弹可采用一种简单的全向天线。不过，“上帝之杖”导弹再入时所产生的等离子壳层可能会干扰无线频率通信频道，从而影响“上帝之杖”导弹的超高频通信能力。等离子壳层的形成主要取决于再入体的具体特性。速度超过10马赫的再入体可能产生等离子壳层，而速度约20马赫的再入体则一定会产生等离子壳层。高度也是产生等离子壳层的一个重要因素，因为等离子壳层通常产生于约9千米至90千米的高度。再入体的形状也很重要，钝形再入体可产生较高密度的等离子壳层，尖锥形再入体所产生的则密度较低。另外，易烧蚀材料以及含高度产生等离子体的杂质的材料可能增加等离子体的密度。因此，为了提高“上帝之杖”导弹武器系统的飞行中通信能力，需要对“上帝之杖”导弹进行精巧的设计和试验。
同时，每个“上帝之杖”系统之间、“上帝之杖”导弹与系统的两个卫星平台之间都需要在互联互通，形成一个卫星作战网络，以实现体系作战能力。而实现这一能力的重要手段之一便是数据链技术。数据链作为该系统的组成部分，由消息格式、链路协议和传输信道构成，完成传感器、控制系统和武器系统之间实时信息的交换，是三者之间进行无缝链接的重要纽带。数据链主要涉及软件无线电技术、抗干扰技术和保密通信技术等。目前，美军正在使用或发展的通用数据链主要Link-4、Link-11、Link-16和Link-22等。
作战损伤评估技术
在大多数情况下，近实时的作战损伤评估是难以做到的。由于采用更先进的设计和技术，“上帝之杖”导弹可能比现役武器系统具有更强的作战损伤评估能力。“上帝之杖”导弹作战损伤评估能力的基本构想是，由该弹携载一台可在目标上方巡飞的数字照相装置，在目标被击中前和被击中后为其照相，并将相片压缩成比特数较小的数据，之后仍然停留在空中以便通过uHF卫星线路将该数据传输给发射“上帝之杖”导弹的指挥员。“上帝之杖”导弹所携载的照相装置比现役武器系统所携载的更好的原因在于，这种照相装置离目标现场很近；所拍的系列相片可提供对“发动攻击前”和“发动攻击后”的目标进行直接对比；实时相片进行压缩和传输使相片质量高、指挥员接收相片快。
卫星快速发射组网技术
随着地基或天基反卫星武器的逐步发展与部署，“上帝之杖”导弹系统可能面临着严重的生存问题。除了提高自身的防御能力外，“上帝之杖”还需通过快速发射入轨和组网来提高生存能力和补充星座的战斗损失。美国已具备一次将数个“上帝之杖”系统发射入轨的能力，但还不具备快速发射能力。目前，美国除了实施陆基发射外，还在初步具备从潜艇和战斗机上发射小型卫星的能力。未来美国不仅将提高机动快速发射中大型卫星的能力，还将利用X-37B空天飞机等空间平台部署和补充部署“上帝之杖”系统。 “上帝之杖”发展前景展望
具备打击移动目标的能力
从目前来看，“上帝之杖”主要用于打击固定目标，但未来其打击目标将从固定目标拓展至移动目标。这是因为美国不仅有对付移动目标的军事需求，而且“上帝之杖”也具备一定的对付移动目标的潜力。
对于“上帝之杖”导弹来说，移动目标的情况可包括两种，一种是目标不时地移动但当“上帝之杖”导弹发动攻击时却固定下来，如在分散区域部署的机动型洲际弹道导弹；另一种是“上帝之杖”导弹发动攻击时目标正在移动。这里有三种技术方案可用于对付移动目标：一是加装终端传感器；二是加装遥控传感器和武器数据链；三是上述二者的联合。一台终端传感器可加载于“上帝之杖”导弹，以增加目标定位精度。
另外，为了打击移动的地面目标，飞行中的目标重新瞄准也是任何一种远程系统的基本能力要求之一。这是因为它一方面能保持非弹载瞄准系统及其位置精度与数据传输频率之间的性能平衡，同时也能实现武器及其导引头探测和识别目标的能力。为了成功对付移动目标，“上帝之杖”导弹必须不断得到更新的数据。通过在飞行中不断得到最新的瞄准数据，“上帝之杖”导弹可飞抵目标的附近区域，并释放带导引头的弹头来杀伤目标。指挥员可能也需要在“上帝之杖”导弹发射后终止任务的能力。
用于反导和反卫星
“上帝之杖”可用于在来袭弹道导弹的主动段/上升段实施拦截，它可与地基上升段动能反导系统一起构成对来袭弹道导弹的第一层防御。从武器系统的效能来看，尽早拦截有利于扩大保卫区面积，减少武器布防数量，因此最理想的情况是实施主动段/上升段拦截。对于“上帝之杖”来说，由于不存在地域限制，只要天基平台网、指挥控制网和预警探测网一经建立，就可对任何地区来袭的弹道导弹实施上升段拦截。从长远来看，“上帝之杖”等天基反导系统将成为空间战略防御的重要组成部分。
另一方面，“上帝之杖”将具备强大的反卫星能力。目前，美国正在发展“近场红外实验”卫星、“实验卫星系统”等多种反卫星卫星，还通过“轨道快车”等项目发展卫星交会、捕获、破坏等具有潜在反卫星功能的技术。未来“上帝之杖”研制成功后，在采用上述卫星系统相关技术的基础上，可利用动能杀伤机制攻击敌方卫星。
配备生存与机动能力强的卫星平台
未来美国将进一步提高“上帝之杖”卫星平台的生存与机动能力。美国国防高级研究计划局曾于2007年开始实施“以信息交换为纽带的未来、快速、灵活、分块、自由飞行航天器”（即F6卫星项目）航天技术演示项目。尽管该项目于2010年7月终止，但相关技术开发仍在实施之中，并可能应用于“上帝之杖”系统。F6卫星指模块化编队飞行卫星，用于探索构建分布式卫星体系结构。该体系结构将把传统的单个大卫星分成多个功能模块，各模块间依靠无线方式进行数据、能量传输以及分布式计算，各模块通过在轨编队飞行构成虚拟大卫星，以共同执行航天任务，能有效降低传统大型卫星在轨运行面临的风险。
另外，随着技术的不断进步，“上帝之杖”卫星平台的运载能力将得到进一步的提高。通过配备更多的燃料、加装先进的姿控与轨控系统以及对导弹进行小型化等措施，“上帝之杖”卫星平台可以进行大范围内的机动，实现作战的快速反应。同时通过接收提前下达的作战指令，该卫星平台可以进行适当的轨道调整和相位的机动，更快地到达预定轨道，为地面打击提供宝贵的时间。
形成天地一体打击能力
目前，天基系统逐步从提供作战支援、提供空间防御与控制能力向提供天基打击能力的方向发展。作为一种天基打击武器系统，“上帝之杖”不受地域和国界限制，机动性和隐蔽性好，打击范围广，使用方便；未来既可提供信息支援，又可通过配备常规或核战斗部而具有强大的威慑与打击能力。因此，与传统的地基打击武器系统相比，“上帝之杖”有着不可比拟的优势。
“上帝之仗”天基武器系统与地基武器系统（包括各种陆基、海基和空基系统）可有效结合，相辅相成，从而形成天地一体的多维作战体系。在未来作战中，“上帝之仗”利用空间优势，既可提供直接、快速、全方位、精确的对地饱和攻击能力，又可提供信息支援，还可进行信息攻防和反导作战，为地基武器打击创造有利条件，再由地基武器完成打击任务。而地基武器在发挥固有地位与作用的同时，可为“上帝之仗”等天基武器系统提供地面支持，保障其发挥作战效能。二者相互配合可取得最佳作战效果。
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