比子彈速度快十倍的導彈是怎麼被攔截的?
最近整理了硬碟,發現很早就下載好的一部電影一直沒看——《通緝令(Wanted)》,安吉麗娜·朱莉一甩手,射出的子彈便繞過障礙物飛行。
神奇不?還有更神奇的!
你沒看錯,摩根弗里曼讓男主把垃圾桶里蒼蠅的翅膀射下來!
被槍指著頭的男主不得不努力去做,最後竟然真的射掉了蒼蠅的翅膀。摩根弗里曼對男主這一能力做出了解釋:
有了這樣的設定,那劇情里出現什麼樣的場景都不會太驚訝了。比如:一發子彈射過來,一般電影里不開掛的主角都是象徵性的躲開,而在這部劇裡面的反應則是:
https://www.zhihu.com/video/904491400698134528《通緝犯》精彩片段(大小約3M)
所以在這部劇里,你不會看到為了救愛人而去擋子彈的劇情。一發子彈就夠了,何必要用命。
如果現實中真有這樣的能力,可以將飛行中的子彈攔截,那世界上最危險、殺人最多的子彈將不再那麼可怕,然而我們目前還不能攔截子彈。
在百度里輸入「攔截」一詞,會自動出現「攔截廣告軟體」、「攔截導彈」等關鍵詞,和攔截搭配的詞常常是導彈,導彈是可以被攔截的。
我們目前的技術水平能夠攔截飛機、導彈,但是卻對小小的子彈無可奈何。那為什麼子彈不能被攔截,而10倍於子彈速度的導彈卻可以被攔截呢?下面范特西將為你解答這一疑惑。
導彈是如何被攔截的?
在解釋子彈為什麼無法被攔截之前,先講講導彈是如何被攔截的,理解了導彈的攔截過程,子彈為什麼不能被攔截就自然清楚了。
下面以美國地基中段導彈防禦系統(The ground-based midcourse missile defense system,GMD)的攔截過程為例,解釋導彈是如何被攔截的。
地基中段導彈防禦,即由陸地發射的攔截彈在來襲的洲際彈道導彈的飛行中段對導彈進行攔截。洲際彈道導彈的射程在8000公里以上,彈道可分為上升段、中段和末段。
上升段主要為發動機點火助推,給導彈加速,類似於電視直播中長征火箭的發射;中段為大氣層外的無動力自由飛行段;末段為彈頭再入大氣層飛行,對目標點進行打擊。
導彈防禦一般選擇洲際彈道導彈的飛行中段進行攔截。飛行中段幾乎佔全部飛行過程的80%~90%,持續時間有20多分鐘。中段攔截的時間較充裕,並且可能進行多次攔截;同時中段飛行的導彈只受地球引力作用,彈道易於預測。
防禦過程類似於我們平時打羽毛球。首先由眼睛看到目標飛過來,將看到的信息傳給大腦,大腦對看到的信息進行處理,並對目標飛行軌跡進行預判,然後指揮運動員向目標靠近,最後揮動球拍對目標進行擊打。
對於攔截系統而言,預警系統(衛星、雷達等)相當於眼睛,負責看目標;指揮控制系統相當於大腦,對預警信息進行處理,然後做出決策;攔截彈系統相當於運動員的身體,負責將「球拍」送到預定位置;攔截彈的戰鬥部則相當於球拍,對目標進行攔截。
地基中段導彈防禦系統的具體攔截過程如下:
當敵方向美國本土發射導彈後,由於導彈助推器燃料燃燒會釋放大量的熱能,與周邊環境形成鮮明對比,在進攻導彈飛行至約10km高度時,預警系統的導彈預警衛星(DSP、SBIRS)便可通過助推器尾焰紅外輻射發現目標,通過目標的速度傾角判斷是發射火箭還是發射導彈,如果是發射導彈,則為指揮控制作戰管理與通信(C2BMC)系統——攔截系統的大腦,提供目標的早期預警信息。
洲際彈道導彈為多級助推,助推器將彈頭送至預定高度便與彈頭分離,同時會釋放誘餌等裝備,與真彈頭形成目標群,掩蔽彈頭突防,增加攔截系統的識別難度。
C2BMC系統是一體化智能系統,具有自動處理預警信息和指揮決策的能力。它接收到預警信息後,依據預警衛星提供的來襲導彈的發射地點、助推時間、初步的彈道軌跡參數等信息,形成預警文件和預警雷達(UEWR)引導信息。
預警雷達也是預警系統的一部分,在接收到C2BMC系統的引導信息後,對目標進行探測、捕獲和威脅評估,並將跟蹤數據傳回到C2BMC系統。
C2BMC系統將來自預警雷達的目標彈道數據進行處理並傳送至X波段雷達。
X波段雷達可以通過回波信號獲取目標的微動(姿態變化,為提高彈頭命中精度,通常需要對其進行姿態控制)特性等信息,對目標進行識別並精確跟蹤,這個功能是預警雷達所不具備的。X波段雷達有陸基和海基兩類,范特西的第一篇文章介紹的薩德系統的雷達便是陸基X波段雷達。
X波段雷達接收到引導信息後,對來襲目標進行搜索、捕獲和精確跟蹤,估算其彈道,並與資料庫內相關資料進行智能匹配,識別誘餌和真彈頭,同時將目標的彈道數據和特徵數據傳送至C2BMC系統。
任何單一的感測器或技術都不能滿足對彈道導彈的預警探測要求,對彈道導彈的預警探測需要建立在多階段、多手段、多特徵的基礎之上。為了快速有效地對彈道導彈進行預警探測,需要跨時域、跨地域,融合預警衛星、預警雷達等多種感測器獲取的目標觀測信息。
C2BMC系統對X波段雷達的探測信息進行處理,如果確定該導彈可能威脅美國本土以及能夠對其攔截,則制定作戰方案,選擇預測命中點(攔截彈發射後與目標軌跡可能發生碰撞的空間位置),並指定實施攔截作戰的地基攔截彈(GBI),為其裝載目標數據。
攔截系統根據接收到的C2BMC指令信息,發射攔截彈,攔截彈在助推器的作用下加速向預測命中點飛行。
當攔截彈獲得所需的關機速度後,助推器關機,攔截彈的戰鬥部——大氣層外動能攔截器(Exoatmospheric kill vehicle,EKV)與助推器分離,單獨執行與目標直接碰撞的攔截任務。
EKV採用直接碰撞的方式對目標進行攔截,即利用高速飛行所具有的巨大動能,對目標進行碰撞摧毀。
傳統的破片式毀傷多用於戰術導彈和飛機的攔截,對於洲際彈道導彈高強度的彈頭而言,破片式毀傷的強度不足以對其構成威脅,而EKV的速度能達到7km/s,很小的質量碰撞即可造成巨大的動能毀傷,遠超TNT炸藥的威力。
這就要求EKV具有較高制導控制精度。EKV具有自身的制導控制系統,包括4個軌道控制發動機,通過側向推力,控制EKV軌道接近目標導彈軌道;6個姿態控制發動機,保證EKV的姿態定向,使目標始終在紅外導引頭的視場範圍內。紅外導引頭獲取目標紅外圖像,引導EKV向目標群靠近,識別真目標。
EKV攔截目標的彈道機動分為三段。
第一段為以預測攔截點為基準的遠距離機動。目的是使EKV靠近目標群,並對目標群進行捕獲。
第二段為以目標群跟蹤為基準的制導機動。目的是使EKV導引頭跟蹤包含真目標的目標群。
第三段為以真彈頭為基準的末制導控制。目的是使EKV靠近目標群後,識別出真目標,並將真目標作為基準,導引EKV碰撞摧毀目標。
從攔截彈發射到EKV與目標碰撞所需飛行時間取決於發射點與碰撞點的相對位置、攔截時間的相對速度要求、EKV導引頭對目標的探測要求等有關,當EKV與助推器的分離速度為7km/s時,這一時間最大值約為12min,此時碰撞點距發射點的水平距離約為3500km,高度約為1800km。
清楚了導彈的攔截過程,下面我們來分析為什麼子彈不能被攔截。
為什麼無法攔截子彈?
通常的手槍子彈的初始速度和音速是差不多的,一般在300~500m/s。步槍的子彈速度高於手槍,可以達到900~1000m/s,相當於3Ma,有些特殊的步槍,子彈速度可以達到4Ma。
對於導彈而言,除了亞音速巡航導彈(如戰斧),其它大多數導彈的速度都在2Ma以上,攔截彈的飛行速度可以達到4Ma左右,一些超音速巡航導彈可以實現5Ma以上的飛行速度。
現在,世界上飛行速度最快的導彈莫過於洲際彈道導彈,這種導彈在大氣層外飛行的速度可以達到3km/s以上,甚至可達到6km/s。而美國已經在十多次試驗中對這類導彈進行攔截,並且在今年的5月30日真正意義上實現了對洲際導彈的成功攔截。
從前文介紹的地基中段導彈防禦系統的攔截過程可以看出,攔截的前提便是看得見目標,然後才考慮能不能夠得著。看見目標後通過目標已有的軌跡對後續軌跡進行預測,加上足夠的攔截時間,方可形成攔截條件。
生活中的各種球類運動,足球、籃球的搶斷,科技含量高一些的衛星抓捕、空間站對接,大都是這個原理。
子彈和導彈都具有高速飛行的特性,導彈的速度遠遠高於子彈的速度。導彈可以被攔截,而子彈無法攔截的原因主要有兩點:一是子彈飛行時間短,二是子彈體積小。
由於子彈飛行過程中沒有動力,同時空氣阻力會對其減速,所以動能會逐漸減小,加上重力的作用,飛行時間由發射的方向和高度決定。一般子彈的飛行時間都在幾秒內,所以短時間內很難採取攔截措施。
子彈長度一般為幾毫米到十幾厘米,直徑大都在1厘米內,這樣小的體積,即使飛行時間足夠久也無法用雷達對其進行捕獲,無法獲取和預測其飛行軌跡,因此攔截便無從談起。
那麼,攔截子彈有沒有實現的可能性呢?
美國洛克希德·馬丁公司桑迪亞國家實驗室對外宣布研製了一種類似飛鏢的激光制導子彈。這種激光制導子彈長4英寸(約10.16cm),在飛行過程中能自動調整方向,像微型導彈一樣擊中1英里(約合1.6公里)以外的目標。
在激光制導子彈的內部有一個微型控制系統,其主要由兩大部分構成:一是制導系統。在子彈前端有一個光學感應器,用以搜索、追蹤射向目標的激光制導點,內部的感測器能將目標不斷變化的信息實時傳給制導和指揮元件,後者通過中央處理器計算出需要的飛行路徑,並指揮電磁傳動裝置。二是傳動系統,主要是一個驅動電機和一個類似「魚鰭」的微型彈尾,驅動電機可為傳動系統提供持續動力,微型彈尾可不斷旋轉,調整方向,控制子彈迂迴、曲折地擊中目標。
由於機動能力有限,目前該制導子彈還不能對高速移動的物體進行打擊。同時光學感應器如何捕獲高速移動的子彈也是難題。所以,攔截子彈目前還不能實現。
不過,隨著信息技術、激光制導技術和人工智慧技術的飛速發展,相信未來更先進的智能子彈的出現將會實現對子彈的攔截。
「天下武功,唯快不破」,在新技術突破之前,要想攔截子彈除非你有他這麼快!
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