高功率微波技術(shù)的發(fā)展

近年來，無人機成了一個非常熱門的話題。2022年10月，俄羅斯使用殺傷性無人機和巡航導(dǎo)彈對烏克蘭各地的能源和電力基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)動了大規(guī)模攻擊。盡管俄羅斯許多導(dǎo)彈和巡飛彈（包括伊朗提供的“沙赫德-136/-131”）的技術(shù)水平并不高，但其發(fā)射數(shù)量達到了數(shù)百枚，有時單次發(fā)射多達十幾枚甚至更多，目的是靠數(shù)量壓制烏克蘭的防空系統(tǒng)。

烏軍稱在這些襲擊中至少擊落了俄方四分之三的無人機和巡航導(dǎo)彈。這些戰(zhàn)果幾乎完全依賴于數(shù)量有限的射頻和紅外制導(dǎo)的地空導(dǎo)彈，不過俄羅斯對能源基礎(chǔ)設(shè)施25%的命中率仍然給烏克蘭造成了嚴重問題。烏克蘭用價值20萬美元的地空導(dǎo)彈去攔截價值2萬美元的無人機，會造成烏克蘭成本上的失衡。但在戰(zhàn)場上，在得到更好的武器之前，也只能使用現(xiàn)有的武器。

在未來沖突中，許多國家極有可能也會面臨對手武器化的無人機。正如烏克蘭戰(zhàn)爭所表現(xiàn)的那樣，地空導(dǎo)彈和雷達制導(dǎo)的防空高炮系統(tǒng)并不能完美地解決這個問題。雖然它們具備更遠的射程和更高的精度，但主要是用于攻擊戰(zhàn)斗機、轟炸機以及巡航導(dǎo)彈，而不是數(shù)量多、成本低的無人機。對付無人機這類目標需要能夠以低成本（非動能）的方式，快速多次發(fā)射的系統(tǒng)，并且最好能以光速與目標交戰(zhàn)。換言之，防空部隊需要利用定向能武器來對付無人機和巡航導(dǎo)彈的攻擊。

過去十年，美國、以色列和一些歐洲國家在定向能武器發(fā)展上取得了重大進展。與其他類型的動能和非動能武器相比，高功率微波武器具有若干優(yōu)勢。它通常能在不到一秒的時間內(nèi)發(fā)射，而且最新型的系統(tǒng)擁有在短時間內(nèi)多次發(fā)射的能力。高功率微波武器可以對目標產(chǎn)生一系列效應(yīng)，包括摧毀或損壞靈敏的電子元器件、降低其性能或使其重啟。高功率微波系統(tǒng)通過目標的射頻和微波天線將射頻和微波能注入到目標的處理器和其他邏輯器件中，或者注入到未采取電磁防護的線路和電路中。此外，由于高功率微波系統(tǒng)通過天線發(fā)射電磁波，其波束寬度可以根據(jù)天線孔徑進行調(diào)整。使用小孔徑的寬波束天線，高功率微波系統(tǒng)可同時攻擊多個目標；使用大孔徑的窄波束天線，可將能量集中到一個目標之上。此外，配備有源電掃陣列的高功率微波系統(tǒng)可以根據(jù)需求快速切換波束形狀。

美國空軍研究實驗室“戰(zhàn)術(shù)高功率作戰(zhàn)響應(yīng)器”（THOR）的原型樣機

美國空軍研究實驗室的另一型高功率微波反無人機系統(tǒng)“相位器”（Phaser）

發(fā)展現(xiàn)狀

高功率微波系統(tǒng)一般用于毀傷武器系統(tǒng)中脆弱的電子元器件，但針對無人機、無人機蜂群等目標，所需要的只是干擾其電子設(shè)備或使其無法工作，并不需要使用高功率超寬帶脈沖將其摧毀。這意味著高功率微波系統(tǒng)不一定需要發(fā)射吉瓦級的功率來摧毀單個目標，功率大小只需要能使其傳感器無法工作或影響導(dǎo)航或飛行控制系統(tǒng)即可。自雷聲公司2006年研制出“雄鷹”（Valiant Eagle）系統(tǒng)以及BAE系統(tǒng)公司研制出“Bofors高功率微波管制”（HPM Blackout）系統(tǒng)以來，這種能力在過去15年里已經(jīng)得到了驗證。

在過去幾年里，美國空軍研究實驗室開發(fā)和評估了至少四種高功率微波演示系統(tǒng)，其中包括雷聲公司的“相位器”（Phaser）系統(tǒng)。該系統(tǒng)將高能射頻匯聚到一部反射面天線上，其圓錐形的波束意味著單個脈沖可一次性攻擊空中的多架無人機，使其非常適用于對抗無人機蜂群。

美國空軍研究實驗室的“戰(zhàn)術(shù)高功率作戰(zhàn)響應(yīng)器”（THOR，簡稱“托爾”）系統(tǒng)由雷多斯公司、BAE系統(tǒng)公司和Verus研究公司聯(lián)合研制而成。該系統(tǒng)已經(jīng)展示了同時使100架無人機失效的能力，目前已被部署到非洲進行作戰(zhàn)評估?？哲娧芯繉嶒炇以凇巴袪枴毕到y(tǒng)的基礎(chǔ)上正在開發(fā)下一代高功率微波系統(tǒng)，用于使威脅軍事基地的無人機蜂群失效，該系統(tǒng)被命名為“雷神之錘”（Mj?lnir）?？哲娧芯繉嶒炇乙呀?jīng)授予雷多斯公司一份價值2600萬美元的合同，用于開發(fā)“雷神之錘”的原型樣機，并定于2024年初交付。

最后，美國空軍研究實驗室正與雷聲公司合作開發(fā)“反電子高功率微波增程空軍基地防御”（CHIMERA）系統(tǒng)。顧名思義，與針對近距離目標的“相位器”和“托爾”系統(tǒng)不同，該系統(tǒng)旨在攻擊距離更遠的空中目標。

值得注意的是，“托爾”和“相位器”等類型的高功率微波系統(tǒng)都使用真空管技術(shù)產(chǎn)生所需的輻射功率。其體積都相對較大，更適用于固定站點，例如防御軍事基地免受無人機和火箭炮攻擊。

美國空軍研究實驗室和海軍研究實驗室還一直在開發(fā)另一類高功率微波武器，這種武器的體積更小，專為導(dǎo)彈和無人機平臺而設(shè)計。波音公司和空軍研究實驗室2012年展示的“反電子高功率微波先進導(dǎo)彈項目”（CHAMP），以AGM-86常規(guī)空射巡航導(dǎo)彈（CALCM）為載體，搭載了雷聲公司研制的高功率微波有效載荷，一次任務(wù)可發(fā)射多枚高功率微波彈。作為CHAMP的后繼型號，“高功率聯(lián)合電磁非動能攻擊武器”（HiJENKS）也采用高功率微波技術(shù)使對方的電子系統(tǒng)失效。HiJENKS運用了體積更小、更耐用的高功率微波技術(shù)，可以集成到更廣泛的平臺系統(tǒng)中。在空軍研究實驗室和海軍研究辦公室的共同資助下，為期五年的HiJENKS項目于2022年夏天在加利福尼亞州中國湖海軍航空站完成了最終測試。

由氮化鎵驅(qū)動

高功率微波技術(shù)的最新發(fā)展是使用有源相控陣和基于固態(tài)（氮化鎵）的射頻功率放大器來產(chǎn)生所需的射頻功率，而不是靠真空管。一家成立于2018年的初創(chuàng)企業(yè)伊庇魯斯（Epirus）獨立研制了“列奧尼達斯”（Leonidas）系列高功率微波系統(tǒng)。

“列奧尼達斯”是該公司的可擴展高功率微波產(chǎn)品，最初的型號采用拖車配置，并對用于無人機的機載吊艙型進行了測試。此外，該公司在2022年10月公布了一個集成到“斯瑞克”戰(zhàn)車上的機動型號。與有源電掃陣列系統(tǒng)一樣，“列奧尼達斯”利用波束控制將能量集中在一個或多個目標上，同時劃定一個禁飛區(qū)使己方部隊能夠繼續(xù)作戰(zhàn)。“列奧尼達斯”可以安裝在相對較小的地面車輛上，每秒發(fā)射數(shù)千次?！傲袏W尼達斯”采用開放式系統(tǒng)架構(gòu)，并依賴于基于氮化鎵的現(xiàn)場可更換放大器組件，可迅速發(fā)射一連串獨特的波形，以利用容易對無人機目標造成影響的頻率。

該公司強調(diào)，“列奧尼達斯”不是通過中斷無人機用于通信的衛(wèi)星導(dǎo)航信號來干擾其數(shù)字化電子設(shè)備，而是作為一種電磁脈沖發(fā)生器，用覆蓋甚低頻到甚高頻的電磁能“包裹”住目標。伊庇魯斯首席產(chǎn)品官安德魯·洛厄里（Andrew Lowery）稱：“我們不關(guān)心無人機的工作頻率，我們是一個電磁脈沖系統(tǒng)，所以頻率并不重要。使數(shù)據(jù)鏈路或GPS失效相對簡單，很多公司都可以做到。而我們可以從遠距離覆蓋目標，遠超動能武器甚至‘托爾’系統(tǒng)的作用范圍。”

該公司僅將“列奧尼達斯”的作用距離定義為“戰(zhàn)術(shù)”距離，這通常意味著大約10公里。洛厄里稱，“我們的波束實際上不是很窄，3dB波束寬度約為6度。如果我想干掉一個無人機群，會以每秒一千次的速度進行掃描，這樣任何進入的無人機都會撞到一堵無形的電磁能墻?！?/p>

“我們想要形成一個巨大的電場，由于目標的空腔和其他進入點在某些頻率下更容易受到攻擊，因此我們創(chuàng)建的是能量罩而不是發(fā)射一枚‘能量子彈’，任何飛入能量罩的東西都會被破壞。即使有很小的間隙和各種其他進入點，如果在開關(guān)上施加10或20伏電壓，也足以擾亂電子設(shè)備，將其關(guān)閉。這就是高功率微波的威力，它會影響計算機、相機、引擎控制或其他任何電路?！?/p>

伊庇魯斯公司研制的“列奧尼達斯吊艙”（Leonidas Pod）高功率微波系統(tǒng)

“列奧尼達斯”使用該公司獨有的“智能電源”（SmartPower）電源管理技術(shù)，優(yōu)化了射頻的性能，確保系統(tǒng)在不會過熱的情況下產(chǎn)生高功率脈沖?！爸悄茈娫础笔且粋€由硬件、軟件和機器智能算法組成的專用技術(shù)平臺，采用實時人工智能和機器學(xué)習(xí)，最高可降低70%的功耗，從而降低系統(tǒng)的功率需求和對大功率電源的需求，并且比基于真空管的系統(tǒng)所需要的冷卻更少。

該系統(tǒng)采用數(shù)字技術(shù)監(jiān)控能量的轉(zhuǎn)換，例如從交流電到直流電。洛厄里稱，“數(shù)字架構(gòu)提高了功率，因為目標中的所有非線性電路都被無源網(wǎng)絡(luò)圍繞，將其置于適當?shù)钠脳l件下。它優(yōu)化了非線性電路的性能，并且我們采用了一系列動態(tài)控制，因此超越了無源靜態(tài)系統(tǒng)的能力。也就是說，我們利用機器學(xué)習(xí)，通過調(diào)節(jié)漏極、柵極和輸入信號來管理電路，以優(yōu)化每個轉(zhuǎn)換指標。”

洛厄里稱，“我們還在應(yīng)用的脈寬內(nèi)和上升/下降時間上面執(zhí)行包絡(luò)跟蹤、預(yù)失真和算法。這消除了傳統(tǒng)非線性轉(zhuǎn)換中產(chǎn)生的大量浪費，提高了效率并減少了熱量，因此所需的冷卻要少得多。我們盡全力使目標的等效全向輻射功率最大化，因為每個信道都低于‘托爾’等單信道方案所需的等效全向輻射功率?！?/p>

由于該系統(tǒng)采用軟件定義技術(shù)，可以實時修改波形的帶寬和其他參數(shù)，以便在擁塞的頻譜環(huán)境中瞄準特定目標，這意味著“列奧尼達斯”可以對付己方裝備附近的單架敵方無人機，同時降低大規(guī)模無人機蜂群的威脅。人工智能和機器學(xué)習(xí)技術(shù)的運用也使“列奧尼達斯”系統(tǒng)能隨著時間的推移進行學(xué)習(xí)，因為它會接觸到新的目標數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)可以在空中進行軟件升級，以優(yōu)化參數(shù)，有助于對抗新的目標。

現(xiàn)實問題

高功率微波技術(shù)正在迅速成熟，與1970年代和80年代一樣，來自作戰(zhàn)方面的需求正在增加，目前主要應(yīng)用于防空和機載武器，用于攻擊敵方傳感器到射手網(wǎng)絡(luò)中的許多非動能弱點（即未采取電磁防護的線路和未受保護的數(shù)字化組件）。

在當前的俄烏沖突中，如果烏克蘭武裝部隊可以獲得這些高功率微波系統(tǒng)，一定會很有幫助。俄羅斯的無人機和巡航導(dǎo)彈對這些系統(tǒng)而言是絕佳的現(xiàn)場測試，但這似乎不太可能發(fā)生。據(jù)報道，“托爾”和“相位器”已經(jīng)被美國部署到海外地區(qū)進行作戰(zhàn)評估，“列奧尼達斯”還沒有。洛厄里表示，伊庇魯斯公司已經(jīng)研制出四種型號的“列奧尼達斯”樣機，已經(jīng)準備好進行低速率初始生產(chǎn)（LRIP），并可在2023年部署至烏克蘭。

審核編輯 ：李倩