【智库声音】美国防部定向能武器技术主要研发及采办机构设置

【智库声音】美国防部定向能武器技术主要研发及采办机构设置

搜狐军事·2021-04-20 14:01

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来源: 空天防务观察 作者: 陈珊珊

美国定向能武器技术发展处于世界领先水平,美国防部是定向能武器技术的主要研发、采办、使用机构,从其组织架构、任务分工、主要项目可以看出美国防部对定向能武器技术发展的整体布局。从整体看,各军兵种都有各自的定向能武器技术基础科学研究机构、技术成果转化机构、试验鉴定机构,相关机构之间相互连接、部分业务交叉;发表从结构形态看,海军部的机构设置最为分散,结构幅度最“宽”,空军部的机构设置最为集中,结构长度最“深”;从机构分工来看,美国防部不止于定向能武器开发与采办,在定向能武器局限性、反制措施、人员防护等方面都设有专业机构开展研究。

美国防部定向能武器技术主要研发及采办机构(中国航空工业发展研究中心,作者整理制图)

一、海军部

美海军部的定向能武器技术研发与采办工作主要服务于美海军、美海军陆战队。海军研究办公室主要负责基础科学研究,并将相关技术从技术成熟度4 过渡到技术成熟度6;海军海上系统司令部主要负责海军武器系统的集成、试验、鉴定和维护;海军陆战队系统司令部主要负责海军陆战队武器的采办、部署。

1、海军研究办公室(ONR)

海军研究办公室下设的航空、兵力投送和综合防御部门与海军研究实验室(N RL)涉及定向能武器技术研究。

海军研究办公室定向能、电磁研究与采办机构

备注:由于各机构所处层级不一致,表格中仅列示重要层级机构。

(1 )航空、兵力投送和综合防御部

航空、兵力投送和综合防御部由三个处组成,分别为航空科学研究处(代号3 51)、空战和海军武器应用处(代号3 52)、小型企业创新研究和特殊计划处(代号3 53)。航空科学研究处、空战和海军武器应用处具体负责开展定向能武器技术研究。

1 )航空科学研究处

航空科学研究处对定向能武器技术的研究主要集中在高能激光器和反定向能武器、高功率微波武器、超短脉冲激光和大气特性三个领域。

高能激光器和反定向能武器。美海军研究办公室开发的“海上激光样机”( MLD)是第一个海上的激光武器系统,随后,海军研究办公室和海军研究实验室(N RL)、海军海上系统司令部进行合作,开展了“固态激光快速反应能力计划”( SSL-QRC),在“庞塞”号上部署了第一个军用高能激光武器 —“激光武器系统”( LaWS),该高能激光器的研究为航空科学研究处后续开展连续波激光武器研究奠定了基础。此外,针对各国在定向能武器技术领域的迅速发展,航空科学研究处还发起了反定向能武器研究计划,旨在通过该计划为美军提供抵御海上定向能武器威胁的有效措施,具体包括探测定向能武器、削弱定向能武器影响、单元防护。

高功率微波武器。航空科学研究处对高功率微波武器的研究涵盖高功率微波子系统及相关辅助技术、电子系统耦合及相互作用等。子系统需满足各种平台对尺寸和能力的要求,并最大程度减小尺寸、重量、功率和成本;相关的辅助技术包括电力电子、脉冲功率驱动器、功率调制器、频率捷变射频源及天线等;电子系统耦合及相互作用研究的首要目标是要有助于开发现有系统的预测效果工具,其次是探索带内带外耦合和相互作用机制。通过上述研究,实现现有高功率微波武器的重大改进,挖掘潜在新型武器。

超短脉冲激光和大气特性。航空科学研究处对超短脉冲激光和大气特性的研究旨在探索定向能武器的局限性,具体包括大气和自适应光学、激光脉冲材料相互作用与反应、超短脉冲激光光源开发。其中,值得关注的研究包括针对机动目标精确可选效果的动态交战研究,高能电量储备且单发低成本、低至零附带损害的研究等。

2 )空战和海军武器应用处

空战和海军武器应用处主要通过“未来海军能力” (FNC) 项目、“创新海军原型”(INP)项目实现海军应用研究和先进技术的转化,其重点研究领域包括定向能武器。

①“未来海军能力”项目

该项目是海军研究办公室“未来海军能力”项目的组成部分,旨在将成熟技术过渡到海军采办计划。该项目的转化工作通常以技术成熟度 4为起点,以技术成熟度6为终点,总时长一般不超过三年。空战和海军武器应用处高度重视科学技术研究是否能满足部队和作战人员的需求,所有资助的项目都要有清晰的过渡路线,并以科学技术为基础。根据2020年2 月发布的美海军(研究、开发、试验与鉴定)预算要求文件,2021财年“未来海军能力应用研究”项目计划总经费为 1.68亿美元,其中涉及定向能武器的“海军空战和武器”课题经费为 3009.4万美元,占比1 7.96% 。

② “创新海军原型”项目

该项目是海军研究办公室“创新海军原型”项目的组成部分,旨在通过颠覆性技术改变海军作战方式。“创新海军原型”根据预期的海军需求进行研发,而不是现有的需求。开发的原型最终将部署到部队。根据 2020年2 月发布的美海军(研究、开发、试验与鉴定)预算要求文件,2021财年“创新海军原型应用研究”项目计划总经费为 1.61亿美元,其中涉及定向能武器的“高功率联合电磁非动力学打击”( HIJENKS)课题经费为2232万美元,占比13.90% ;2021财年“创新海军原型先进技术开发”项目计划总经费为 1.42亿美元,其中涉及定向能武器的“电磁导轨炮”( EMRG)、“高能激光对抗反舰巡航导弹” (HELCAP)、“高功率联合电磁非动力学打击”课题经费合计 5346.50万美元,占比3 7.65% 。

(2)美海军研究实验室(N RL)

美海军研究实验室是海军研究办公室开展科学技术研究的主要单位,是美海军研究、开发和采办链的重要环节,是学术界和工业界研发链的结合点。美海军研究实验室在定向能领域的研究包括:高能激光物理、大气激光传播、激光物资相互作用、光学材料的微波处理、自由电子激光、水下激光应用、非线性光学。该实验室由多个职能处和研究处组成,其中,涉及定向能技术的研究处包括:等离子物理处、光学处。

1 )等离子物理处

等离子物理处主要在等离子物理基础和应用领域开展理论和试验项目。涉及定向能技术的核心能力包括:

激光等离子体研究。开展激光核聚变物理基础研究、高能增益激光惯性聚变目标设计、激光物质高强度作用实验和模拟,推进高能氟化氪/ 氟化氩激光器技术,开发高重频脉冲电源和电子束二极管,研发激光泵浦,将激光核聚变转变为能源。

太空和实验室等离子体研究。其中的脉冲功率研究包括电磁发射技术研究、定向能系统研究。

脉冲功率物理研究。推进国防应用相关的脉冲功率驱动加速器技术,研究涉及兆瓦级脉冲功率系统的脉冲等离子体和高功率带电粒子束的产生、传输、表征和建模。

定向能物理研究。开展与美国防部、美海军研究办公室、国防高级研究计划局、能源部相关的超强场激光物理学、高能激光在大气中的传播、先进辐射加速物理学、激光等离子体微波的相互作用、非线性动力学的理论研究和实验。

2 )光学处

光学处对处于近紫外至远红外区域内的光波辐射进行研究、开发与应用,包括:量子光学,激光物理学,光波导技术,光的大气传播,激光与物质的相互作用,光纤传感器系统,光学系统,光学材料,辐射损伤研究,红外监视和导引头技术等。核心能力包括:

光学物理学。通过光学纳米技术、量子光电、气溶胶光学、量子光电、先进光学材料的研究,开发满足美军激光器、传感器要求的材料、工艺和设备。

光学材料和设备。开发光学材料、组件及系统;参与开发人眼安全高能激光器,红外激光器,有源、无源红外光纤,轻量多波段光学器等。

光子技术。开展光纤和固态激光器研究,高功率光纤放大器,相控阵光子控制,微波光子学等。

光学应用。开展情监侦、红外基础应用研究,具体包括全光谱有源无源智能传感器,激光技术与集成,先进图像信号处理算法,可与多平台集成的传感器。

光学技术。研发应用于磁场系统、船体传感器系统的光纤干涉传感器,分布式光纤传感器,激光传感器等。

2、美海军海上系统司令部(N SWC)

(1 )海军水面战中心

美海军水面战中心下设十个处,其中,达尔格伦处(N SWCDD)、休尼姆港处(N SWCPHD)涉及定向能武器及技术的研发。

达尔格伦处为美海军设计、开发和集成先进技术作战系统,在所有与先进技术作战系统相关的领域开展高级研究,其中包括定向能、物理等学科研究;该处还设有海军激光安全项目,根据军事需要,开展识别和控制激光辐射研究,促进美海军和海军陆战队安全、及时、经济高效的部署使用激光武器系统。“光学眩目拦截器”( ODIN )是达尔格伦处研发的30 千瓦级激光眩目武器系统,2020年2月,美海军“杜威号”(DEWEY)驱逐舰在维修期间首次配装了该系统,未来三年内,还将有7 套“光学眩目拦截器”安装在其他舰船上,以测试相同技术在不同船上的适用性。

休尼姆港处是美海军试验设备设施及环境的聚集地,集合了导弹装配设施、白沙导弹靶场、水面作战工程设施、试验舰船、航行补给测试站等设备设施,可为美海军水面战及武器系统(包括定向能武器)提供试验、评估服务;该处是美海军在役工程服务中心,可为任务系统提供全生命周期工程和维护服务,包括在舰船上的安装任务系统,并按照设计要求进行系统认证,对运行和维护系统的工作人员进行培训和资格认证;在系统安装完成后,还需提供相应的后勤支持;提高已安装系统的可靠性、可维护性、安全性和效能,对系统升级、改进进行试验和评估,并验证与其他系统的兼容性。2 020年5 月启动建设的美海军“定向能系统集成试验室”(DESIL )是美海军唯一的定向能实验室,休尼姆港处负责该实验室的试验鉴定管理和开展,该实验室预计于2 021年启用,届时将有助于美海军加速定向能武器系统交付。

(2 )海军电动舰船办公室(ESO)

2007年,为促进新技术与舰船平台、动力系统的高度集成,确定未来的技术发展范围,“海军舰船项目办公室”( PEO)中设立“海军电动舰船办公室”。目前,电动舰船办公室负责开发海军电力和能源系统,其任务是为所有海军平台开发尺寸更小、构造更简单、成本更低、功能更强大的电力系统;重点是定向能和其他高功率任务系统与电力系统的集成,并提升这些组件和系统的效能;面临的挑战是既要满足武器对可用电功率和脉冲功率不断增长的需求,又要满足平台上其他组件对电力质量的需求。解决问题的方式是通过与工业界合作,共同开发和引入创新技术,利用高效的电能管理实现海军分布式杀伤概念。

“海军电动舰船办公室”引入的与定向能武器相关、支持定向能武器发展的技术包括:

固态激光器。利用高能激光束摧毁目标,可为海军提供近距防御能力;

电磁导轨炮。射程远,发射速度快,可为海军提供远程、精确射击能力;

“能源仓库”( EM)。模块化、可扩展的能源系统,可支持现有舰船上的多种任务系统。

“综合电力与能源系统”( IPES)。多用途分布式能源存储系统架构,可支持包括未来水面舰船在内的多个水面平台。

3、美海军陆战队系统司令部

美海军陆战队系统司令部下设陆上系统项目办公室(P EO-LS),该项目办公室开展的“地面防空” (GBAD )项目涉及定向能武器的使用。“地面防空” (GBAD )项目旨在利用地面防空系统、一体化防空未来武器系统使美海军陆战队具备高效、可持续对抗无人机威胁的能力。

“紧凑型激光武器系统”(CLaWS ),重约272 千克,功率2~10千瓦,是一种模块化的高能激光反无人机武器,也是美国防部批准的第一款供地面战斗人员使用的地面激光武器。2018年,美海军陆战队系统司令部陆上系统项目办公室运行的“ 地面防空” 项目,通过当时的国防部军械技术联盟(DOTC )快速采办了“紧凑型激光武器系统”原型,从签订合同、集成、测试、培训,到准备部署,仅用时一年。

“紧凑型激光武器系统”(美国波音公司图片)

二、陆军部

美陆军部定向能武器技术研发与采办工作主要服务于美陆军。陆军研究实验室主要负责基础研究,将相关技术过渡到技术成熟度4 ;陆军快速能力和关键技术办公室主要负责将科学技术成果转化为战斗力原型;陆军空间与导弹防御司令部技术中心主要负责武器原型开发、试验。

陆军部定向能武器技术研究与采办机构

注:由于各机构所处层级不一致,表格中仅列示重要层级机构。

1、美陆军空间与导弹防御司令部(U SASMDC)

美陆军空间与导弹防御司令部下设技术中心,该中心通过提供科学、技术、试验和评估方面的专业知识,使作战人员在当今和未来战场占据主导地位。技术中心成立的定向能处,负责为美陆军和联合作战人员提供定向能武器。定向能处主要的定向能武器包括:

“高能激光战术车辆样机”( HEL TVD)。该样机是一种坚固、机动的预原型固态激光系统,其子系统包括1 00千瓦级激光、光束指向器(孔径大于3 0厘米)、电源、热管理系统、战斗管理系统、指控系统、通信和情报系统。该激光系统杀伤成本低,每次射击成本约3 0美元。“高能激光战术车辆样机”预计于 2022财年开展演示验证。

“高能激光战术车辆样机”预原型系统,用于满足美陆军“间接火力防御能力增量 2-拦截2”(IFPC 2-I Blk 2)的要求(美陆军太空与导弹防御司令部图片)

“机动实验高能激光器”( MEHEL)。该激光器集成了固态激光器、光束控制器、Ku 波段雷达、激光辅助子系统。经过发展,已由最初的2千瓦激光器发展成10千瓦以上的激光器。

“多任务高能激光器”( MMHEL)。该激光器的最终体现是美陆军的“机动近距防空系统” ( M-SHORAD ),一种可集成到“斯崔克”( Stryker )轮式装甲车上的50千瓦级激光器,可为前线部队抵御无人机、旋翼机、火箭弹、火炮、迫击炮等空中威胁。2020年,两套“机动近距防空系统”原型已在阿拉巴马州亨茨维尔进行集成,并计划于 2021 年春季,对两套原型进行射击试验,于2022 年完成四套“机动近距防空系统”的作战部署。这说明“机动近距防空系统”激光技术已临近成熟。

“固态激光试验台”( SSLT)。该试验台是高能激光数据收集和演示验证设备,位于新墨西哥州白沙导弹靶场。美陆军空间与导弹防御司令部已将联合高能固态激光器与战术高能激光指向器跟踪子系统集成在试验台中,可开展机动目标(火箭、迫击炮、无人机等)试验;采购5 0千瓦激光器,支持高能激光数据收集。

“固态激光试验台”(美陆军太空与导弹防御司令部图片)

2、美陆军快速能力和关键技术办公室(R CCTO)

陆军快速能力和关键技术办公室下设的定向能项目办公室致力于将定向能科学技术成果转化为战斗力原型。

目前,该机构正在“机动近距防空系统” 的研制基础上,开发 300千瓦级的激光器原型,在美国空军研究实验室定向能源局研发的“战术高功率作战响应器”( THOR )基础上,开发高功率微波原型,并将两种技术结合,实现“间接火力防御能力”快速原型设计,预计于 2024年部署。

3、美陆军未来司令部(A FC)

美陆军未来司令部下设的美陆军作战能力发展司令部(D EVCOM)由八个主要领域机构组成。其中,陆军研究实验室(A RL)的传感器与电子设备部、武器与材料研究部涉及定向能武器技术的研究。

(1 )传感器与电子设备部

传感器与电子设备部是美陆军在定向能、电子战等方面进行基础研究的组织机构。该部门促进美陆军研究实验室、美陆军作战能力发展司令部、美陆军及其他行业机构的相关技术过渡到技术成熟度4,以充分利用基础应用研究成果。

(2 )武器与材料研究部

武器与材料研究部的目标是为美陆军提供前瞻技术。该部门的核心能力包括定向能、威胁探测与防护研究。

三、空军部

美国空军部的定向能武器技术研究部门主要集中在美空军装备司令部,其下设的空军研究实验室负责定向能技术研究,空军试验中心负责为定向能技术开发提供试验与鉴定支持;美空军特种作战司令部主要研发A C-130J武装运输机载高能激光武器。

美空军装备司令部定向能武器技术研究机构

注:由于各机构所处层级不一致,表格中仅列示重要层级机构。

1、美空军装备司令部(A FMC)

(1 )美空军研究实验室(AFRL )

美空军研究实验室下设定向能部,该部门总部位于科特兰空军基地,分四个处负责技术的研发和转化,具体包括:

高功率电磁处。负责高功率电磁技术研发,如高功率微波系统及相应的微波源研究,紧凑型脉冲电源,防御高功率微波攻击的强化套件。

美空军研究实验室物理学家在进行试验,该实验室可帮助研究人员测量高功率电磁源的辐射方向(美空军研究实验室图片)

激光处。负责研究先进高能激光源、光束指向技术,激光建模与仿真,激光效能测试,对激光武器系统进行集成与试验。

空间光电子处。负责改进光学和成像系统,以提升空间观测能力;研究激光导星适应光学、光束控制和空间物体识别技术等,使美空军在空间态势感知领域保持领先。

任务规划支持处。负责对美空军定向能相关的概念、任务和作战模型进行研发、分析及评估。

定向能部负责的项目主要包括:高功率电磁系统增材制造,空军毛伊光学系统,“自卫高能激光演示样机”( SHiELD),“战术高能作战响应器”( THOR )等。其中,“自卫高能激光演示样机”是由定向能部主导研制的一种机载激光武器系统,可为战斗机提供对抗敌机或地空导弹的手段,其三个重要组件(波音公司吊舱、洛马公司激光器、诺格公司光束控制系统)中的吊舱已于 2021年2 月底交付,其余两个组件预计于2021年7 月前交付,预计于2024年开展整个系统的试验;“战术高能作战响应器”是定向能部研发的反无人机群武器,也是美空军的第一个高功率微波武器, 2020 年,美空军战略发展计划与试验办公室(SDPE)开始对该系统开展为期12 个月的外场评估工作。

(2 )美空军试验中心(A FTC)

美空军试验中心下设的阿诺德工程发展中心(AEDC)柯特兰空军基地第704 试验大队(704 TG/OL-AA), 为定向能项目试验提供概念、计划、方法、程序和技术,促进定向能技术快速从研发系统过渡到采办项目。柯特兰空军基地第704 试验大队与美空军研究实验室定向能部位于同一地点,因此可以为美空军定向能技术开发提供同地试验与鉴定支持。

特兰空军基地第704 试验大队定向能试验场景(美空军阿诺德工程发展中心图片)

2、美空军特种作战司令部(AFSOC)

美空军特种作战司令部联合美海军水面战中心达尔格伦处,正在研发AC-130J武装运输机载高能激光器。该激光器研制初期,美空军特种司令部以早期美海军研究办公室研究用的4 千瓦转塔式固态激光器为基础进行改进,以降低成本;现已对完整的激光系统进行评估;预计2022 年在AC-130J武装运输机上开展60 千瓦及以上激光原型机的射击试验。

四、国防部研究与工程副部长办公室

1、国防高级研究计划局(D ARPA)

美国防高级研究计划局下设微系统技术办公室(M TO),负责开发高性能智能微系统和下一代元器件,以支持美国在C4ISR、电磁战、定向能领域处于领先地位。近期计划开展的项目如:2 021年2 月26日发布“灵巧波形射频定向能” (WARDEN) 项目的招标书,将开发高功率微波宽带行波管放大器、电磁响应快速评估与数值生成模型、灵巧波形,以攻克高功率微波技术当前的技术难题,项目总投资达5 100万美元。

2、导弹防御局(M DA)

美导弹防御局下设定向能研究项目办公室。该办公室位于新墨西哥州阿尔伯克基,主要研发的项目如“机载激光试验台” (ALTB )。

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