高超音速武器防禦系統
美國國防部先進研究計畫局(DARPA)在2018年9月D60座談會(D60 Symposium)中公布的「滑翔擊破者」想像圖。
──by Captain Picard
在2010年代,隨著中國與俄羅斯大力發展高超音速滑翔(Hypersonic Glide)武器,美國除了大力推進自己的高超音速飛彈發展,也研究對抗高超音速武器的防禦體系。高超音速滑翔載具(Hypersonic Glide Vehicle,HGV)是指飛行速率5馬赫以上、在內大氣層飛行的飛行器,可以靠著氣動力控制面達成比彈道飛彈更複雜的迂迴動作,迴避敵方的探測以及攔截武器。HGV的飛行高度與特性,與在外大氣層彈道飛行的彈道飛彈不同,需要建構不同的攔截體系(例如用來在外大氣層攔截彈道飛彈的SM-3系列反彈道飛彈,面度高超音速滑翔武器就無用武之地)。美國國防部、飛彈防禦局(Missile Defense Agency,MDA)以及國會一致認為同時擁有彈道飛彈以及高超音速武器的對手,會對國家安全造成重大威脅,尤其是航空母艦之類的高價值資產可能是敵方高超音速武器的打擊目標。在2017年美國國防授權法案中,責成美國飛彈防禦局(MDA)研擬對抗高超音速武器的方法。 在2019年12月,每日航太週刊(Aerospace Daily)首度披露美國目前進行中的高超音速武器防禦項目,包括美國國防部先進研究計畫局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)的滑翔擊破者(Glide Breaker),以及飛彈防禦局(MDA)的高超音速防禦武器系統(Hypersonic Defense Weapon System,HDWS)。
DARPA:滑翔擊破者 DARPA的「滑翔擊破者」(Glide Breaker)項目在2018年啟動,主旨是研發、展示對抗高超音速武器所需的技術,促進美國在攔截高超音速武器領域的進步。DARPA在2018年9月D60座談會(D60 Symposium)中首度公布「滑翔擊破者」的概念想像圖,使用硬殺(hard-kill)攔截器攔截敵方高超音速滑翔載具。在2019財年預算中,DARPA為「滑翔擊破者」項目提供了競爭採辦程序的資金,並由DARPA位於維吉尼亞州阿靈頓(Arlington, Virginia)分部負責委外發包。在2020年初,DARPA陸續與幾家廠商簽署合約,各公司各自針對「滑翔擊破者」發展提案,具體工作包括研究、發展、展示能夠攔截在上大氣層(upper atmosphere)進行機動的高超音速目標所需的各項關鍵技術。在2020年1月底,諾斯洛普.格魯曼系統(Northrop Grumman Systems Corp.)獲得DARPA價值1300萬固定價款合約。 在2020年2月10日,Aerojet Rocketdyne公司獲得DARPA價值1960萬美元的合約,為DARPA的「滑翔擊敗者」項目發展攔截器原型。Aerojet Rocketdyne公司的主要業務是為高超音速飛行器供應固態燃料火箭或吸氣式推進系統,例如美國空軍、DARPA與國家太空總署(NASA)合作的X-51A乘波者(WaveRider)高超音速飛機(採用烴燃料衝壓發動機)。 在2022年4月14日,DARPA發佈滑翔擊破者(Glide Breaker)發展項目第二階段(Phase 2)的初步聲明(Broad Agency Announcement,BAA),回覆截止日期是6月10日,啟動日期是11月3日。這份BAA提到,滑翔擊破者技術發展項目的重點是轉向與姿態控制系統(Divert and Attitude Control System,DACS),在高超音速滑翔階段時推動動能擊殺載具(KV)飛行並朝向目標。在第一階段(Phase 1),有兩個團隊的DACS原型的表現符合項目需求,並且進入了實際製造與展示階段(應該是前述斯洛普.格魯曼系統與Aerojet Rocketdyne公司)。不過,競爭者在第一階段的表現,不會影響回覆第二階段BAA的資格。 「滑翔擊破者」第一階段的測試項目包括部件測試(component tests)、DSCA整合原型的靜態點火(static hot-fire)測試等。第一階段雖然是關鍵階段,還沒有著墨於內大氣層(Endo-Atmospheric)飛行控制技術,尤其是DSCA噴射氣流與高超音速交叉氣流(hypersonic cross flow)之間相互干涉的噴射氣流干擾(Jet interference,JI)問題;先前只有少數幾個計畫,例如1990年代美國國防部進行過的先進攔截器技術(Advanced Interceptor Technology,AIT),進行相關領域的研究並累積了一些數據;AIT項目測試顯示JI與許多要素高度關連,包括載具外部線型(outer mold line geometry,包含鼻錐角度)、噴流位置(Jet placement)、噴流形狀(jet geometry)、推進噴流力道(jet thrust)、未燃燒完全的火箭推進劑化與高超音速交叉氣流產生學反應等。 而滑翔擊破者第二階段(Phase 2)主要就是研究滑翔載具(DSCA加上KV戰鬥部)與在高超音速滑翔階段產生的JI效應,作為發展實用型高超音速滑翔攔截器的關鍵技術基礎。競爭者在第二階段需要進行風洞測試,最後進行展示系統(Demonstration System,DS)飛行測試(包含DSCA與籌載),確認能將載具飛行時的JI效應具體表徵化與量化。第二階段的競標者需要產出風洞與飛行測是的資料參數,用來驗證模式以及指引未來進一步的發展。 在2023年9月11日,波音宣佈獲得DARPA合約,繼續發展與測試「滑翔擊破者」高超音速攔截器原型。
MDA:HDWS與RGPWS 在2019年12月5日,美國飛彈防禦局(Missile Defense Agency)披露了一項攔截高超音速武器的計畫,稱為區域性滑翔階段武器系統(Regional Glide Phase Weapon System,RGPWS),這是HDWS研究項目的後續。在2019年12月18日,MDA舉行對業界的說明會,隨後打算向業界徵求意見。 在2020年1月29日,MDA正式公布了RGPWS項目的原型提案需求草案(Draft Request for Prototype Proposal,DRPP),隨後原型武器系統設計、研發、展示計畫等多個階段會採用競爭程序。MDA表示,相關競爭作業不會透過傳統的合約架構,而是其他交易協議(Other Transaction Agreement,OTA)程序,並由MDA直接發佈;OTA是聯邦政府用在先進技術研發、採辦、研製原型階段使用的架構,只有獲得OT認證的組織機構有資格參與。MDA表示,會在相關的研發競爭程序中,釋出機密的技術資料集(Technical Data Library)如系統需求文件(System Requirements Document,SRD)、威脅對象的原始資料(threat data)、彈道(trajectories)等給參與單位。在2月4日至8日舉行的業界會議(Industry Day)中,MDA分別與每一家回覆DRPP的廠商單位進行一對一會議(Industry Day one-on-one sessions),並在2020年4月初提出最終的原型提案需求(Request for Prototype Proposal,RFPP)。 依照MDA目前透露的信息,RGPWS攔截器的主要工作是攔截高超音速加速-滑翔載具(hypersonic boost-glide vehicles),而不是吸氣式高超音速飛彈(air-breathing hypersonic missiles)。高超音速加速-滑翔載具以固態火箭推進器載運,升空加速到適當的高度與速度之後,固態火箭脫離,滑翔載具沿著朝目標的彈道繼續飛行。俄羅斯與中國都研製出這類武器,利用彈道飛彈的火箭推進器結合新開發的高超音速滑翔載具,例如中國在2019年10月1日閱兵首度公開的東風17(DF-17)鄰近空間超高聲速導彈。 在2020年3月4日,MDA主管、美國海軍中將瓊.希爾(Vice Admiral Jon Hill)在華盛頓DC的麥卡利斯國防計劃會議(McAleese Defense Programs Conference)中,透露了若干RGPWS項目的內容。在會議中,美國海軍作戰部長(CNO)麥可.葛萊德上將(Admiral Michael Gilday)討論在幾艘柏克級飛彈驅逐艦上部署RGPWS武器的可能性,麥可.葛萊德隨後在3月5日參加參議院武裝部隊委員會(Senate Armed Services Committee)聽證會。希爾中將在國防計劃會議中說,RGPWS初期目標是部署在美國船艦的MK-41垂直發射器裡,使MDA能在艦隊中快速擴展這種能力。 依照2020年2月公布的2021財年國防預算書,MDA的項目的確包括將RGPWS結合到神盾反彈道飛彈(BMD)系統中,並打算編列預算配置在數艘柏克級飛彈驅逐艦以及數處岸基神盾系統。依照MDA的2021財年預算書,MDA在2020財年就展開將RGPWS整合到神盾武器系統(Aegis Weapon System,AWS)的初期研究,主要是初步整理所牽涉的軟硬體修改等;在2021財年則會繼續進行研究,確認現階段神盾武器系統設計對於RGPWS存在的差距、各項需要克服的挑戰等。 在2021財年預算中,MDA為「滑翔階段擊敗武器系統」(Glide Phase Defeat Weapon System,GPDWS)整體項目申請了1.17億美元左右的預算,包括發展RGPWS項目以及改進神盾BMD系統等相關工作;這些項目在上一個財年(2020年)週期獲得8850萬美元預算。MDA為這個項目取的名字意味這是區域性(regional)防禦系統,用於在全球各戰區(theaters)內對抗高超音速加速-滑翔武器的威脅,包括歐洲、亞洲、俄羅斯等。 每日航太週刊的文章表示,雖然高超音速滑翔載具(Hypersonic Glide Vehicle,HGV)速度快、機動性記高,但在滑翔階段易受到攻擊;而RGPWS的目標,是在HGV在滑翔階段、朝目標進行最後俯衝之前進行攔截。與反彈道飛彈類似,RGPWS也需要早期預警探測系統支持,可以探測敵方領土深處的HGV發射活動,提示陸基和海基單位展開攔截作戰;因此,同時間美國也正在發展超高音速與彈道追蹤感測系統(Hypersonic and Ballistic Tracking Sensor System, HBTSS)的概念,是一種低軌道探測衛星,可追蹤較低高度的HGV武器或爬升階段的彈道飛彈,將來可能用來支持RGPWS系統。MDA整與NASA等單位合作,在三年內部署用來探測高超音速武器發射、彈道跟蹤的相觀感測器系統。依照目前的規劃,GPDWS系統目標是能在2020年代中期形成戰鬥力。 在整個防禦體系中,HBTSS屬於中等寬度視角(medium-field-of-view)追蹤衛星,部署在低地球軌道,負責追蹤正在大氣層上方滑翔的高超音速武器,以及爬升階段的彈道飛彈;HBTSS能提供射控等級的目標資料更新,使防禦體系能進行射擊解算並發射攔截器,擊毀來襲的高超音速滑翔武器以及彈道飛彈。此外,五角大廈的太空發展局(Space Development Agency,SDA)也發展監視範圍更大、部署在高軌道的廣視角(wide-field-of-view)探測衛星,稱為追蹤層(Tracking Layer)項目,用於早期預警,研發合約頒給L3Harris跟SpaceX。MDA以及SDA會購買上百顆各型預警衛星,建立全球化的彈道飛彈/高超音速飛彈防禦體系。HBTSS以及追蹤層衛星都採用紅外線偵測;其中,HBTSS主要用於探測高超音速武器在滑翔階段的震波,此震波雖然會加熱周遭大氣與彈體,但並像升空階段一樣有火議案噴出高溫高壓的火焰與二氧化碳,所以不會產生如升空階段的強大中波長紅外線,因此必須改用不同的紅外線波段測(固體彈體高速摩擦空氣加熱釋放的應該是短波紅外線,探測距離較短;此外,也可能使用無論如何一定會產生的長波紅外線)。 依照2021年8月17日每日航太週刊(Aerospace Daily)的消息,美國飛彈防禦局(MDA)已經跟業界討論了許多關於防禦HGV的技術。先前MDA曾在2020年8月曾傳出暫停推動在滑翔階段攔截的RGPWS計畫,並把相關項目內容分成短期與長期兩個階段,並優先推動較保守的短期計畫,使之能盡快服役並部署在現役神盾艦上;不過在MDA跟業界充分討論各項技術的可行性之後,此時已經恢復推動動RGPWS。其中,HGV中段航程(滑翔階段)的攔截工作可能使用現有的飛彈推進器(例如標準SM-6),搭載全新的攔截器,並首先發展艦載版本、再發展陸基版。因此,攔截器勢必要能裝載於艦載的MK-41垂直發射器裡。美國國防部先進計畫研究局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)為了支持MDA研發「滑翔擊破者」, 會投資研發一些先進關鍵技術,已在近期撥款給Aerojet Rocketdyne研發 新一代轉向與姿態控制系統(Divert Attitude Control System,DACS)。 新一代DACS技術以標準SM-3反彈道飛彈搭載的LEAP動能獵殺載具所採用的DACS為基礎進行發展; DACS控制側向的固態火箭發動機,控制LEAP航道來撞擊彈道飛彈。LEAP是在大氣層外進行攔截,此時 已經沒有氣動力效應,所以LEAP需要使用直接側推的DACS。在大氣層頂部飛行的高超音速目標能使用氣動力舵面 來改變軌道,因此變軌能力超過在大氣層外飛行的彈道飛彈;而對攔截器而言,由於大氣層頂部的空氣密度較低,氣動力舵面效應相對較弱;因此,「滑翔擊破者」除了傳統的氣動力控制面之外,也同時使用在側面直接推動施加反作用力的DACS技術, 增加攔截器的快速轉向能力。Aerojet Rocketdyne開發的新一代DACS的推進控制能力將高於先前SM-3的DACS, 目標是能攔截以3G加速度迴避的高超音速滑翔武器。依照目前估計,「滑翔擊破者」在30~45km的高度,同時 使用氣動力以及DACS直接側向推力控制,產生足夠的控制力道。MDA也認為,就算攔截器沒能直接攔截,敵方高超音速武器若顧慮遭到攔截而在中段進行更劇烈的閃避,就會降低飛彈在彈道終端剩餘的動能,使得終端攔截變得更容易。 HGV防禦體系
在2021年6月17日,MDA透露了HGV防禦體系的概念,結合多種部署在太空、地面以及水面的平台以及資產,探測以及追蹤高超音速武器的動態,並由神盾艦發射攔截器,可在HGV中途滑翔飛行階段或者終端階段進行攔截,具備在神盾艦自身雷達探測範圍以外進行遠隔發射(Launch
on Remote, LoR)以及遠隔接戰(Engage on Remote,EoR)的能力。這個體系由以下資產組成: 如同反彈道飛彈能力一樣,防禦高超音速滑翔武器的攔截體系,最終勢必會整合到美國海軍的射控防空計畫(Naval Integrated Fire Control-Counter Air,NIFC-CA)裡。 HBTSS研發 在2019年10月,美國彈道飛彈防禦局(MDA)與四家廠商簽署合約,進行超高音速與彈道飛彈太空追蹤感測器(HBTSS)的概念設計,四家廠商分別是諾斯洛普.格魯曼(Northrop Grumman)、雷松(Raytheon)、Leidos以及L3Harris,每家廠商各獲得2000萬合約。經過兩年發展後,MDA選擇了諾格以及L3Harris兩家廠商進行下一階段建造實際原型的測試評比,在2021年1月14日與雙方各簽署了發展合約;其中,諾格獲得的合約價值1.55億美元,L3Harris則獲得1.21億美元。在2021年11月10日,諾格集團宣佈,該公司的HBTSS設計方案通過關鍵設計審查(Critical Design Review),意味MDA認可該集團的設計能在低軌道上探測以及追蹤高超音速武器和彈道飛彈;隨後諾格集團就會進入原型製造階段,隨後進行實際測試。 GPI研發 滑翔階段攔截器(GPI)方面,MDA選擇了洛克西德.馬丁(Lockheed Martin)、諾斯洛普.格魯曼以及雷松飛彈防禦(Raytheon Missiles and Defense)三家廠商進行競爭,在2021年11月19日分別與三家廠商簽署GPI原型設計發展合約,繳交原型提案的期限是2022年9月。其中,與雷松飛彈防禦簽署的合約價值2096萬8584美元,與洛馬集團簽署的合約為2093萬8788美元,與諾格集團簽署的合約是1895萬7035美元。先前MDA在2021年5月19日宣布的項目時程,打算在夏季就與廠商簽署GPI的概念原型合約,但由於探討複雜技術細節花費了比原先更久的時間,所以到11月才簽署合約。 在2022年7月24日,美國飛彈防禦局(MDA)宣佈選擇雷松飛彈與防衛來繼續發展GPI(排除洛馬),在現有的固定價款其他交易協議(Other Transaction Agreement,OTA)之下簽署價值4100萬美元的的修訂,使總額增加到6200萬美元,讓雷松飛彈與防衛繼續發展GPI。 接著在2022年9月24日,雷松飛彈與防衛宣布完成GPI的原型系統需求審查(Systems Requirements Review-Prototype,SRR-P);雷松飛彈與防衛的總裁宣稱,這是一種基於現有標準系列防空飛彈的低風險方案,並引進關於高超音速飛行的新技術。 在2024財年預算中,MDA為GPI項目申請2億900萬美元研發預算。在2024財年國防授權法中,國會希望GPI在2032年底達成全戰備能力(FOC),並在2029年底前進行不少於12次測試。 在2023年3月15日年度麥克阿里斯防務項目論壇(McAleese Defense Programs Conference)上,飛彈防禦局(MDA)主管約翰.希爾中將(Vice Adm. Jon Hill)表示,MDA正考慮與日本合作來發展GPI。這是基於過去美國與日本合作開發標準SM-3 Block 2A反彈道飛彈的成功經驗。約翰.希爾中將認為,最簡單的方法是讓日本負責研製GPI的助升火箭,像先前日本製造SM-3 Block 2A的第二級與第三級助升火箭一樣;然而現在日本可能會想要參與更多,例如飛彈前部的攔截器(含戰鬥部)。由於此時MDA已經與雷松和諾格集團先屬GPI的發展合約,因此如果日本要加入研製攔截器,就又得分別與這兩家廠商簽署合約,而最後只會有一家獲勝得到採用,這可能並不容易。約翰.希爾中將在論壇上也透露,MDA在日本有一個團隊,負責與日本官方對口單位交流分享信息,包括關於採辦、技術與後勤等。
依照2023年8月底出爐的日本防衛省令和6年度(2024年)防衛預算內容,日本會參加美國GPI計畫,編列預算750億日圓。
在2024年9月25,MDA宣佈GPI項目由諾格集團勝出,由諾格繼續進行GPI的設計工作,並將與日本政府簽署合約來共同發展。 通常美國重大軍備案不會只選擇一家承包商進入初始設計審查階段(Preliminary Design Review,PDR),但MDA主管海斯.柯林斯中將(Lt. Gen. Heath Collins)在2024年8月就向防務新聞透露, 就像國防部其他部門一樣,他必須做出「非常艱難的決定」並依照資源來做決定(resource-informed decisions),所以必須在多個面向取得平衡。 海斯.柯林斯中將表示,選擇單一承包商之後,MDA會評估廠商的設計的風險,並進行必要的修正措施,隨後根據獨立價格評估(independent cost estimate)作業的結果來重置這個項目的基線。 諾格集團表示,該公司會在GPI下一階段發展時,持續改進其初步設計,並運用數位工程技術快速推進項目;此外,該集團打算在PDR階段完成之前,就先在高超音速環境下進行飛行測試來驗證表現。依照目前階段,GPI的部署不會早於2035年。
|