美国反无人机高功率微波技术研究现状及启示.pdf

第 44 卷第 3 期 国 防 科 技 Vol.44,No.3 2023 年 6 月 NATIONAL DEFENSE TECHNOLOGY Jun.2023 收稿日期 2023-03-16 修回日期 2023-04-24 采用日期 2023-04-30 基金项目 国家自然科学基金项目（12205369）；湖南省科技创新青年人才计划（2022RC1195）作者简介 令钧溥，男，博士，副研究员，研究方向为物理电子学；王蕾，男，博士，讲师，研究方向为物理电子学；皮明瑶，男，博士研究生，研究方向为物理电子学；贺军涛，男，博士，研究员，研究方向为物理电子学；陈冬群，男，博士，研究员，研究方向为物理电子学；王朗宁，男，博士，副研究员，研究方向为物理电子学。美国反无人机高功率微波技术研究现状及启示 令钧溥，王 蕾，皮明瑶，贺军涛，陈冬群，王朗宁（国防科技大学前沿交叉学科学院，湖南 长沙 410074）摘 要 无人机及其集群作为智能战争的主要进攻武器之一，具有低成本、抗饱和攻击、隐蔽性好的特点，给现有防空体系带来极大挑战。高功率微波因具有光速攻击、面杀伤、效费比高等特点，成为反制无人机的有效手段。美国在高功率微波领域起步早、重视程度高，成为国际高功率微波技术的引领者。围绕美国高功率微波技术对抗无人机的研究现状，总结现有样机的性能及特点，重点剖析其技术内涵。结合高功率微波的效应研究规律和无人机发展态势，分析得出美国反无人机高功率微波技术的发展趋势。关键词 反无人机；高功率微波；效应机理 中图分类号 TJ864;TN015 文献标志码 A 文章编号 1671-4547(2023)03-0074-07 DOI：10.13943/j.issn 1671-4547.2023.03.10 引言 在近年来的区域性冲突中，无人机及其集群作战正成为一种新的作战样式，给现有的防空体系带来很大挑战。例如，在2020年阿塞拜疆和亚美尼亚之间围绕纳卡地区爆发的新一轮冲突中，无人机首次在战场作为主战装备作战。阿塞拜疆使用了“旗手TB2”察打一体无人机和“哈洛普”反辐射无人机等多种无人机，摧毁了亚美尼亚防空系统，掌握了战场制空权和制电磁权。纳卡冲突充分展示出无人机在战场上已经开始重新定义作战模式1。将低成本、分布式的无人机构成大规模集群，并利用集群中的无人机进行信息共享和交流，能够极大扩展对战场的态势感知范围，助力完成区域封控、饱和攻击等复杂任务，具有高效费比、不易泄密、系统作战、快速响应、灵活性强等优势2-4。世界多国对无人机及其集群作战非常重视：美军多个部门积极推进无人机及其集群作战技术，最具代表性的项目为“小精灵”项目5、“进攻性蜂群使能战术”项目、“天空博格人”项目等；欧洲防务局于2016年11月启动“欧洲蜂群”项目；俄罗斯在2020年首次进行了空中“蜂群”试验，并于2021年首次曝光“闪电”无人机蜂群项目；韩国陆军2021年9月宣布购买无人机计划；印军2020年8月启动“战斗空中协作系统”；波兰、以色列、土耳其等国也在推动无人机项目5。随着无人机及其集群化作战成为未来战争的重要样式，且多国都在积极推动，现有防空系统在反无人机及其集群方面存在诸多挑战，发展有效的无人机及集群反制手段十分必要。目前，实现无人机反制的工作过程是首先对目标无人机进行探测跟踪及预警，然后依据 令钧溥，等：美国反无人机高功率微波技术研究现状及启示 75 实际情况采取摧毁、捕捉、干扰等毁伤技术手段。常用的毁伤手段有：利用传统的高炮、防空导弹进行硬杀伤，此手段虽然技术成熟度高，但成本也高；利用物理捕捉的方式从地面或空中抛网捕获无人机，此手段成本低且实施简单，但命中率低、作用目标有限；利用格斗无人机对抗无人机具有精度高、附带毁伤小的特征，但技术成熟度低；利用高能激光武器照射直接杀伤和攻击目标具有反应快、精度高、威力大的特点，但其效能发挥受目标材质和天气的影响较大，且应对数量庞大的蜂群时效果一般6。高功率微波武器作为定向能武器的一种，主要由脉冲驱动源、高功率微波源、辐射天线及控制系统构成，其发射的电磁脉冲通过后门（孔缝等）耦合扰乱无人机飞控系统或通过前门（微波接收通道）耦合损伤无人机测控接收机，最终根据耦合能量大小使无人机失控或受损7。高功率微波在反无人机及其集群方面具有以下优势：其一，杀伤面积广，能同时对区域内的多目标进行杀伤，且对导引系统精度要求不高；其二，攻击时间短，波以光速传播，在微秒量级内就能对目标造成损伤；其三，波长相较于激光更长，对天气不敏感，可全天候使用；其四，效费比高，反制无人机作战仅需消耗电能8。基于上述优势，高功率微波可以对无人机及其集群实现广域杀伤和高效对抗，将为反无人机领域带来革命性变化。但是，目前高功率微波武器样机普遍存在系统体积较为庞大、灵活机动性较差、打击距离有限等不足，需要进一步发展。美国是高功率微波技术的引领者，在高功率微波技术反无人机及其集群方面处于世界前列。本文将从高功率微波反无人机效应机理及研究概况出发；分析美国高功率微波反无人机典型装备的基本情况；总结出高功率微波系统逐渐趋于轻量化、小型化，其平台逐渐由固定转向移动，战场实用性不断增强的发展趋势；得出高功率微波系统基于基础效应研究进行微波波形等参数调整，配合人工智能等手段，有望进一步提高其打击效果的启示。1 美国高功率微波反无人机效应机理研究现状 美国巴德学院无人机研究中心在反无人机系统一书中提到多种反无人机的方式，包括射频干扰、卫星导航系统（GPS、GLONASS等）干扰、无人机碰撞、高功率微波、高能激光等9。高功率微波以其光速攻击、面杀伤能力强、杀伤时间短、天气敏感度低等优点，能够有效实现无人机广域杀伤和高效对抗8。高功率微波通过前门和后门耦合作用到无人机的电子器件/设备上，破坏其飞控、数传、通信等功能，致其丧失战斗力甚至坠毁。前门耦合包括电子系统的天线、传感器、传输线等；后门耦合包括设备金属外壳上的孔、缝、电缆接头等8。有关上述耦合机理的研究方法主要有两类：一类是注入法，通过电缆、波导将微波脉冲注入器件相关部位，通过实时监测或事后监测获取器件的损伤阈值，研究高功率微波脉冲损伤电子器件的规律；另一类是辐照法，首先通过天线将高功率微波源或高功率微波模拟源输出的微波脉冲辐射出去，直接作用于目标电子系统，然后通过实时监测电子系统的工作状态，判断高功率微波的作用效果，以获取高功率微波效应阈值10。综上，高功率微波效应机理研究是研制反无人机高功率微波武器的基础工作，但高功率微波的效应研究情况复杂、成本高，目前国外对此的相关研究较少。美国于20世纪80年代基于相对论磁控管和虚阴极振荡器开展了多种国防电子系统的效应实验研究。2001年，跨学科大学研究计划（Multidisciplinary University Research Initiative，简称MURI）正式开启了对“射频脉冲对电子电路的效应”的研究，并已于2006年结题。该计划主要研究了超宽带和窄带高功率电磁脉冲与电子电路和系统的相互作用11。近年来，美国高功率微波效应研究思路已从早期的高功率微波效应阈值数据统计与规律分析阶段转向基本的效应物理机理、效应建模分析、效应研究方法学、效应76 国防科技 2023 年第 3 期（总第 340 期）防护技术研究阶段11。2021 年，美 国 国 防 高 级 研 究 计 划 局（Defense Advanced Research Projects Agency，简 称 DARPA）启 动 波 形 敏 捷 射 频 定 向 能（WARDEN）项目。项目目标是生成基于人工智能的数学算法，以快速计算电磁波传播的影响；开发计算模型并通过敏捷波形技术对微波的频率、幅度、脉宽进行调制，以增强微波与复杂器件的耦合，优化后达到毁伤敌内部电子元件及其子系统，同时扩大高功率微波攻击范围的效果。该项目包含3个技术领域：高功率行波管放大器、电磁响应快速评估、数值生成以及敏捷技术开发12。这表明美国高功率微波效应研究发现，通过电磁波波形的敏捷变化可有效增强对目标的耦合作用能力，也意味着未来反无人机高功率微波武器将朝着可产生敏捷波形能力的方向发展。2 美国高功率微波反无人机技术研究现状 在反无人机的军事应用需求的强力牵引下，美国重点研发了一系列可应用于反无人机及其集群的高功率微波系统，目前已经将其集成于地基（固定/移动）或无人机上。这类装备的发展逐渐趋于小型化、实用化，灵活性、机动性不断提升。2.1 反无人机地基高功率微波系统 美国雷声公司研发的“相位器”（Phaser）高功率微波武器样机13，是美国空军研制的第一款反无人机微波装备。Phaser高功率微波系统如图1所示。该系统以高功率磁控管为基础，基于地基平台，安装在1台拖车装载的长约6 m的储存厢内，搭配光电和红外等传感器引导辐射天线定向发射微波进行攻击，可迅速摧毁无人机及其集群。Phaser系统于2013年完成首次击毁无人机试验；2018年在陆军卓越活力中心进行的演示测试中击落了33架无人机。Phaser每次攻击可击落2至3架无人机，但因体积相对庞大，灵活性和机动性相对有限，距战场实用还有一段距离。因此，美国空军在2019年为该系统投入1 600万美元以验证对无人机的打击效果后，在2020年继续投入1 500万美元的研发费用，使Phaser具备可实际部署的 能力13-14。图1 Phaser高功率微波系统（注：图片来源于互联网）美国空军研究实验室等研发了“战术高功率作战响应器”（THOR）高功率微波武 器样机15，用于保护军事基地免受无人机及其集群的袭扰。THOR高功率微波系统如图2所示。该系统的天线可快速进行全方位水平旋转和上下移动来打击不同方向的无人机，形成360防御，并可以一次击落50架以上的无人机14。该系统仅依靠一台发电机即可驱动并可以存储在运输平台中。此外，该系统提供了用户界面，减少了对用户培训的需求，两个人在3 h内就可以完成系统设置，可快速部署，具有较强的机动性。完成任务后，3个人即可折叠起来将其迅速撤离战场，机动性大幅提升。为了进一步提高打击效能、机动性、稳定性和性价比，美国空军研究实验室正计划开发更高功率版本的反无人机THOR，将其命名为Mjolnir。图2 THOR高功率微波系统（注：图片来源于互联网）令钧溥，等：美国反无人机高功率微波技术研究现状及启示 77 美国EPIRUS公司研发的“莱奥尼达斯”（Leonidas）16是一种新型的基于GaN固态放大器的高功率微波系统。相较之前的系统，其小型化和灵活机动性得到进一步增强，具有可靠性高、功率密度大、能在高温等条件下工作的优点；具备数字波束形成、软件定义等功能，使得波束能够快速扫描某片区域，精准优化打击范围，拦截无人机（集群）、车辆、船只等；其能够与陆军“前沿区域防空指挥与控制”（FAAD C2）系统以及一体化防空反导作战指挥系统（IBCS）集成，是美国陆军第一套高功率微波武器系统。Leonidas系统还能通过人工智能控制固态功率放大器以优化功率输出，通过调谐频率提升目标普适性，通过更换放大器模块具备可拓展能力，契合了美军对于反无人机高功率微波武器的效应研究趋势。该系统的有效辐射功率为270 MW，作用距离为300 m，系统响应较传统高功率微波武器更快，可在30 min内完成安装。2021年2月，在一场实验中其击落66架无人机17向美国防部展示了其反无人机（集群）的能力。随着研究人员不断突破Leonidas系统相关核心技术，并不断进行轻量化和小型化迭代设计，其逐渐从陆基版本向移动版本发展，作战性能越来越适应战场需求。2022年10月，通用动力陆战系统公司宣布与EPIRUS公司合作，将Leonidas微波武器集成到“斯崔克”（STRIKE）轮式装甲车上用于短程防空，甚至还可能集成于其他载人和自主地面战斗车辆上。装载于STRIKE装甲车上的Leonidas系统如图3所示。图3 装载于STRIKE装甲车上的Leonidas系统（注：图片来源于互联网）2.2 反无人机机载高功率微波系统 随着高功率微波武器系统的轻量化和小型化，其具备了搭载在无人机平台上的能力。美国洛克希德马丁公司开发了MORFIUS系统来应对无人机及其集群的威胁，即在Altius-600固定翼无人机上搭载高功率微波战斗部来抵近攻击无人机及其集群。携带高功率微波载荷的MORFIUS无人机18如图4所示。MORFIUS可安装在直径15.24 cm的发射管内，质量不到13.6 kg。无人机探测传感器装载于MORFIUS头部，在锁定目标后关闭传感器，并发射数吉瓦的高功率微波打击无人机目标。该系统续航时间超过4 h，航程440 km，可重复使用。因此，MORFIUS具备远距离多次交战和集群作战的能力，有效扩展了打击纵深，使打击效果倍增，将开启高功率微波反无人机及其集群的作战新模式。洛克希德马丁公司正在推进将高功率微波集成到多旋翼无人机和其他平台上。据推测，MORFIUS系统可能采用的是超宽谱高功率微波方案，结合小型化共形天线，实现微波系统的轻小型化、高 效率19。图4 携带高功率微波载荷的MORFIUS无人机（注：图片来源于互联网）同为无人机搭载的高功率微波武器还有美国雷声公司开发的搭载于“郊狼”（Coyote）Block 3型无人机的非动能武器。Coyote Block 3与KRFS有源相控阵雷达配合使用，可识别和消灭威胁无人机。据推测，该非动能载荷为宽78 国防科技 2023 年第 3 期（总第 340 期）谱高功率微波系统，结合共形天线实现小型化。2021年7月，Coyote Block 3型无人机展示了在不同范围内击落10架不同尺寸、复杂度、机动性的无人机。Coyote Block 3型无人机集成了Ku波段射频系统作为火控系统，可以从地面、空中、舰船上单独或集群发射，遂行监视、打击等各种任务，并可重复使用20。与此同时，EPIRUS公司也在探索研制Leonidas吊舱。通过提升武器系统紧凑小型化的程度，2022年2月，EPIRUS公司宣布在无人机上部署高功率微波系统Leonidas吊舱，其比MORFIUS更轻。该系统与地基Leonidas系统协同工作，创建分层防御区域，未来将有效应对无人机蜂群威胁。2.3 美国反无人机高功率微波技术储备情况 尽管美国较少披露其微波武器样机及其关键技术细节，但通过对相关专利及其技术构成进行分析21，可以从其反无人机微波武器系统中的功率源、微波源、辐射天线、总体技术判断相关武器技术储备。高功率脉冲功率源技术方面，主要的发展集中在提高功率源的脉宽、重频、可调谐性及紧凑性等方面。高功率微波源技术方面，主要的发展集中在高输出功率、高重复频率、超宽谱的微波源，以及提升微波源的输出效率和输出微波频率稳定性方面。高功率微波辐射天线方面，主要研究提升天线增益和功率容量，以及模式转换技术，从而提高高功率微波的作用距离和作用效果。高功率微波武器总体技术方面，主要的发展集中在反无人机微波系统应用方面，尤其是针对无人机蜂群的作战总体设计，其中的技术创新侧重于系统紧凑小型化和任务规划智能化。总的来说，美国反无人机高功率微波技术主要通过改善微波重复频率、脉冲宽度、调谐性能、功率容量、天线增益等方式，以及进一步实现系统的紧凑小型化，以提升高功率微波系统的目标作用效果以及灵活机动的能力。3 反无人机高功率微波技术的发展启示 无人机及其集群在战场的作用日益增大，给现有的防空体系带来了巨大挑战。高功率微波由于其光速攻击、面杀伤能力强、效费比高等优点，将成为反制无人机及其集群的有效手段。通过研究美国高功率微波反无人机技术发展现状，判断其未来发展趋势如下。3.1 高功率微波系统的轻量化、小型化和高效率 现阶段，美国高功率微波武器样机普遍存在打击范围有限、机动性不强、反应速度慢等缺点，问题的关键在于其庞大的高功率微波产生系统。从Phaser到THOR再到MORFIUS系统和Leonidas系统可以看出，系统集成方面正在由固定式向移动式发展。美国一直致力于提升高功率微波载荷轻量化、小型化以及效率水平，并且正将微波武器集成到轻小型、高机动、低成本的平台上，以实现更加灵活的未来作战方式，大大扩展了打击纵深，提升了打击水平。因此，实现高功率微波武器系统的轻量化、小型化和高效率，是推动其实战化的重要发展方向。3.2 多功能、智能化、察打一体化 Leonidas系统具备数字波束形成、软件定义等功能，能使波束快速扫过某片区域，精准优化打击范围，且其搭配光电和红外等传感器用于引导辐射天线定向发射微波进行攻击，并通过人工智能优化打击效果，迅速摧毁无人机及其集群。这表明美国正在发展多功能、智能化、察打一体的反无人机高功率微波武器系统。为适应不同战场环境和作战任务，提高反无人机高功率微波系统的打击速度和打击能力，系统应具备探测追踪、预警、机动、瞄准和发射等多种功能，同时还应具有智能化的特点，能够对无人机及其集群进行自主识别与打击。3.3 多平台搭载和远距离打击 从上述武器样机及技术发展调研来看，随 令钧溥，等：美国反无人机高功率微波技术研究现状及启示 79 着高功率微波系统的轻量化、小型化、多功能和智能化发展以及未来在功率水平、脉冲长度、重复频率等方面的进一步提升，高功率微波系统将具备搭载在海陆空等平台中并遂行多种作战任务的能力。美国Leonidas系统的发展过程可以清晰地看出发展趋势：由固定向机动平台发展，由地基向空基方向拓展。3.4 加强效能研究，通过频率调谐、波形捷变获得最佳打击效果 美国非常重视对高功率微波效能的基础性研究，通过效能研究以及引入频率调谐、敏捷波形等技术，根据不同的攻击目标及不同的作战目的，优化得到最合适的微波状态，从而大幅提升武器系统的打击距离、打击效果、目标普适性。Leonidas系统通过优化固态功率放大器输出微波的频谱和信号波形，WARDEN项目基于人工智能快速计算电磁波传播影响，实现高功率微波打击性能的提升。上述发展情况表明，在加强效能研究的同时，未来高功率微波武器系统还应朝着频率可调谐、波形可捷变的方向发展，并与人工智能等科技相结合，以获得更高效的打击效果。4 结语 随着高功率微波系统不断拓展实战化发展应用，其将成为战场上反无人机及其集群的有效手段。本文总结了美国反无人机高功率微波技术的研究现状，从分析美国现有地基/空基、固定平台/移动平台的高功率微波武器样机性能特点出发，重点剖析了其相关技术内涵，并结合高功率微波的效能研究规律和无人机及其集群智能化的发展态势，分析得出美国反无人机高功率微波技术发展趋势。参考文献 1 苏润丛,向文豪,缪国春,等.纳卡冲突中无人机的作战应用与分析J.飞航导弹,2021(1):65-70.2 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characteristics of light-speed attack,area kill and high cost-effectiveness.The United States started early in the field of high-power microwave,attaching great importance to it,and has become the international leader in high-power microwave technology.Focusing on the current research status of high-power microwave technology countering UAVs in the United States,we summarize the performance and characteristics of the existing prototypes and focus on the analysis of their technical connotations.Combined with the research on high-power microwave effects and the development trend of UAVs,the development trend of high-power microwave technology countering UAVs is analyzed.Key words:counter-UAV;high-power microwave;mechanism of effect （责任编辑：李素瑀）