美空军为何要研制新型核弹B61,美军波音B

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  作者:太赫兹工作室

  制作:旋钮工作室

  作者:谢武

  策划:肖春芳

  监制:光明网科普事业部

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  制作:中新起乐军情观察室

  1943年7月24日深夜,英军开始了空袭德国汉堡的战斗。汉堡拥有强大的防空力量,城市周围有54个大口径高炮连,22个探照灯连,3个烟幕站。在港口附近有20个雷达地面引导站,还有6个可供夜间歼击机使用的机场。英国出动了791架的各类飞机,组成了长320千米、宽32千米的巨大飞机方阵,以每小时360千米的速度向汉堡飞来。当时,德军已经装备了“维尔茨堡”、“曼海姆”、“弗里亚”等雷达。这些雷达本已经发现了这批庞大的机群,但是雷达屏幕上这些飞机竟然在“繁殖”,目标回波开始增加,总数达到了上万架飞机,德军马上乱作一团,雷达无法提供正确的目标信息,德军的夜间战斗机只能在空中盘旋,等待地面的引导。雷达控制的探照灯漫无目的地在四处寻找目标,炮瞄雷达无法工作,高炮只能朝天空胡乱射击。这次大规模空袭中,英军飞机没有受到任何阻碍,仅用两个半小时,就将2300吨炸弹投落在汉堡港口和市中心,汉堡遭到了巨大的破坏。而英军飞机只损失了12架,占出动飞机总数的1.5%,低于以往的6%。

  在寻常人眼中,中、美、俄三国自研的导航系统,也就是“北斗”、GPS和“格洛纳斯”从来都是三个彼此独立的系统。诚然,这三个系统提供的定位导航服务虽然从性质到内容都基本相同,颇有互相竞争的意味。

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  但在2017年年末,中美正式签署了《北斗和GPS信号兼容和互操作联合声明》之后,基于之前中俄、俄美双方签署的同样文件,这三种卫星导航系统将如字面上所说那般,同时协力为民间用户提供定位服务。

  据俄罗斯卫星通讯社7月2日援引美国能源部消息称,美空军与能源部国家核安全管理局用B-2A“幽灵”战略轰炸机对B61-12核重力炸弹进行了首轮试验,包括首次从B-2A“幽灵”轰炸机上投放了B61-12非核试验组件。本轮试验是联合测试的一部分,目的是展示导弹的非核功能以及飞机的武器运输能力。另据美国空军官员消息,F-35隐身战斗机将提前于2020-2022年(原定2024年以后)装备这种核炸弹,逐步成为美国部署在欧洲的新一代战术核力量。

  战略轰炸的概念基本上是由B-17飞机开创的。1943-1945年间,在德国上空进行的规模庞大的白天精密轰炸作战中,B-17由于优异顽强的表现而声名大振。B-17垒具有优良的高空性能与出色的抗打击能力,往往在遭受到巨大的战斗创伤后仍能继续飞行,在后期的型号中,更是装备了强大的防御武器,所有这些使它赢得了机组的信赖与喜爱,他们相信B-17能在德军战斗机和高射炮的火网中生存下来,带领他们安全返回基地。

  被干扰的雷达的显示屏(来源:维基百科)

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  揭秘美国的核家底:“威慑加实战”

  实际上B-17完成了欧洲战场上大部分的轰炸任务。但在太平洋战场上,B-17却没有在欧洲那么有名。太平洋局势升级时,为加强战略防御力量,美军一直在向菲律宾运送B-17。珍珠港袭击当天,刚好有12架B-17从西海岸飞往珍珠港并计划部署到菲律宾,这致使珍珠港的雷达员将日本进攻机群误当作B-17,而没有报警。后来没有武装的B-17在第一攻击波结尾的炮火中赶到珍珠港,大部分飞机受损。

  取得如此巨大成功的原因其实很简单,英国人动用了秘密武器——“窗口”。“窗口”其实就是我们经常听到的箔条。箔条是使用最早和最广泛的一种无源干扰技术,在二战前就有人提出了相关概念。1943年所罗门群岛战役后期,日本海军航空兵首次在实战中使用箔条,但由于投放的数量太少,效果不佳,在日后的战斗中极少使用。英国和德国都发现了箔条的强大能力,但考虑到使用箔条很容易被敌方模仿,并且自身没有反制手段,两国都将其视为最高机密,轻易不使用。

  图为北斗卫星的轨道覆盖情况。(来源:Geospatial World)

  美国是世界上第一个研制出核武器的国家,也是迄今唯一对他国动用过核武器的国家。据瑞典斯德哥尔摩和平研究所今年6月发布的年度报告,截至2018年1月,全球共有14465枚核弹头,比去年同期减少470枚。全球核武器数量的下降,主要归功于美俄逐步削减双方的战略核力量。尽管如此两国核武器仍占全球总量的近92%,稳居头等核大国低位。其中,俄罗斯6850枚,占据首位;美国6450枚,排名次席。其他拥核国家还有法国、中国、英国、巴基斯坦、印度、以色列、朝鲜。

  B-17参与了随后的海战,包括在中途岛袭击了日航空母舰。但在这些战术轰炸中,B-17的命中率较低,不如俯冲轰炸机和轻型轰炸机。幸好B-17装甲较厚,不易为日军击落。1943年下半年,由于没有得到及时补充以及随后B-24、B-29飞机的引入,太平洋上的B-17已所剩不多,并渐渐退出了太平洋战场。

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  在这里,笔者首先将解释“为什么要互相兼容”这个问题。首先,无论是开世界之先河的“老前辈”GPS,还是后起之秀北斗和格洛纳斯,这三个导航系统都已经形成了自己的“星座”,也在自身的预定区域内实现了当初设计所需的精度要求。

  从作战用途上分,美国的核武器库主要由战略核武器和战术核武器两大部分组成。战略核武器系统是指用于攻击敌方战略目标或保卫己方战略要地(如军事基地、工业基地、交通枢纽、军事指挥中心等)的核武器,由威力较大的核弹和射(航)程较长的投掷发射系统组成,即俗称的陆海空“三位一体”战略核力量。相比之下,战术核武器威力和射(航)程较小,用于执行战役战术任务,打击敌方战役战术纵深内重要目标,美国还曾称之为“战区核武器”、“非战略核武器”。

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  英国的“窗口”箔条(来源:维基百科)

  比方说北斗导航注重欧亚大陆的服务精度,在高纬度地区精度较差,相反格洛纳斯就注重高纬度定位效果,因为运营格洛纳斯的俄罗斯绝大多数领土位于高纬度寒带区,这都是卫星轨道的取舍结果。

  一般认为,美国的战略核武器是用来与敌人“玩命”的,即只有在发生核大战的情况下才会排上用场,一旦打起来,敌我双方(甚至是整个地球)也就离“同归于尽”不远了。因此,战略核武器的最大作用是威慑。然而,战术核武器在面临小规模冲突时则有其实战价值。如装备了战术核弹的战斗机飞临危机前沿,无疑会给对手造成巨大的心理压力,即使小当量核弹,也能瞬间毁灭敌方战术战役纵深内的大量高价值目标,而其造成的核辐射还不至于对地球其他地区带来太大影响,因此使用“门槛”大大降低,更有灵活性和实战性。

  箔条通常由金属箔切成的条、镀金属的介质或直接由金属丝制成。箔条使用最多的是半波长的振子,也就是箔条长度为雷达波波长的一半(实际比一半略长),这种振子对电磁波的谐振、散射波最强,材料最省。箔条产生的回波类似噪声,能够掩盖目标的回波。为了能够干扰不同极化和波长的雷达,箔条也采用长达几十米甚至上百米干扰丝。

  事实上,若是只要应付民航、海运等现存领域的定位导航需求,三大导航系统实在没有必要寻求信号兼容和互操作,因为同时支持三种导航系统寻星信号的民用定位芯片已经逐渐占到了市场主流,离开卫星覆盖区域找不到信号了?切换系统就行。

  B61核弹:美国伸向欧洲的“核保护伞”

  半波长振子的缺点也很明显,其频带很窄,只有中心频率的15%~20%。为了增加频带的宽度,可以采用两种方法。一个是增大单根箔条的直径或宽度,但这样增加的带宽量有限且重量太大,容易影响相关性能。第二种方法是将不同长度的箔条混合包装。

  但随着人工智能和嵌入式设备在民用领域的快速发展,新的定位导航需求也相应出现,并对现在既存的导航精度提出了极大的挑战。

  冷战期间,美军就已在欧洲部署了大量的战略核武器和战术核武器,一旦战争爆发,美国空军的战略轰炸机和战斗轰炸机将携带这些核武器飞向自己的目标,这些核武器不但美军可以使用,甚至还授权自己的北约盟友在美军监管下使用。冷战后,美俄两国达成一揽子条约和协议,裁减各自在欧洲的核武器。

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  跨过钢筋丛林的唯一办法:更多的卫星?

  迄今,美空军在欧洲部署的核武器只有B61战术核炸弹,包括两个型号:61-3和B61-4,第三种型号即B61-10已于2016年9月全部退役。B61系列炸弹是美国核武库中最老的武器之一,其中很多于20世纪60年代后期和70年代早期进行了初始生产,涵盖了一个巨大的炸弹家族,包括战略核炸弹与战术核炸弹两个分支,前者当量为1到35万吨,后者为300吨到35万吨。

  两种不同长度的箔条(来源:维基百科)

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  据统计,目前约有150枚B61战术核炸弹部署在5个北约国家的6个空军基地,即意大利阿维亚诺和盖迪、德国比歇儿、土耳其英基里克、比利时克莱思•伯格以及荷兰沃尔凯尔。这些北约国家的空军被派遣使用美国在欧洲部署的核武器执行战术核打击任务。在正常情况下,这些核武器处于美国空军的控制之下,只有经美国总统授权和北约批准后方可用于战争。美国配备的少量战术核武器,还可供美军战机在支援欧洲以外的盟国(包括中东和东北亚)时使用。

  箔条使用方便、价格低廉的特点和优异的性能使它在战场上得到了日益广泛的应用。用于在主要攻击方向上形成干扰走廊,以掩护部队接近重要军事目标,或制造虚假的攻击东西。洲际弹道导弹在中段可以通过布撒箔条掩护弹头。飞机和舰船受到雷达制导的导弹攻击时,大量抛撒箔条,形成箔条云以掩护自身。

  图为浦东同一地区不同时间的卫星影像图。可见在卫星角度不同的情况下,高楼对无线电波信号的遮挡效果之明显。(图源:GoogleEarth)

  欧洲核保护伞的后继型:“好机配好弹”

  除了箔条,反射器也是一种常用的无源干扰器材。一块理想的导电金属板,当其尺寸远大于波长时,可以对法线方向的入射波产生强烈的反射,其雷达反射截面积与金属板面积的平方成正比。因此,如果入射波方向偏离法线方向,有效反射面积就会显著减小。针对这些特性,科研人员研发了多种质量和尺寸较小并由较大有效发射面积的反射器,例如龙勃透镜反射器、角反射器、双锥反射器。

  不同于净空条件良好的高空或海上条件,错综复杂的混凝土丛林天生就对卫星信号有极强的排斥力。设想一下吧,用户如果在高楼林布的楼根人行道处对某一定位系统发出服务请求,但这个定位系统最近的卫星则很不恰好地位于天际线处,可怜的用户自然就得不到卫星信号,继而无法进行定位导航了。

  近年来,北约正在实施欧洲核态势升级计划,涉及更新核炸弹、战机和武器贮存系统。为了未来替换日益老旧的现役核炸弹,美国在融合已有的B61多型战术核炸弹性能基础上,研发了B61-12型核炸弹。该弹将在2020年后逐渐成为欧洲战术核武器的中坚,取代现役的B61-3和B61-4核炸弹。B61-12将采用B61-4的核弹芯,仍属于爆炸当量可调的战术核弹,最大爆炸当量为5万吨TNT当量,比后者17万吨的当量上限进一步减小。

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  当然,类似的地形遮挡问题还出现在峡谷、山地等偏远地区,不过都没有城市地带来得严重,这是因为在智能手机等嵌入式设备普及的同时,城市地带还拥有最密集的人口密度,以及最高的导航服务使用率。

  与此同时,B61-12炸弹更加智能化,将配备一个用于精确制导的“制导尾翼工具包组件”(TSA),以提高打击精度和防区外打击能力。据悉,该弹圆概率误差(CEP)将不超过30米,相比同类炸弹的110-170米CEP误差,命中精度显著提高。另外,B61-12还具备钻地能力,既可打击B61-3和B61-4无法摧毁的地下加固目标,又可选用较低当量对相关目标进行战术打击,减少了附带损伤和放射性物质的释放。

  三角反射器(来源:维基百科)

  复杂的地形因素和高使用率互相矛盾,这就出现了令导航服务提供商改善服务质量的压力,而导航系统信号兼容和互操作,便是短时间内解决民用设备在城区内“定位难”的良策:几股微弱信号并在一起,起码还能达到“又不是不能用”的地步。

  当前美军只有F-15E和F-16C两种战机携带B61-3/4型核炸弹,鉴于这两种战机均没有隐身能力,只能在不受防空系统保护的地区投掷炸弹,因此打击范围和威慑作用严重受限。若换装具有高度隐身能力的F-35战斗机将带改变这一局面,为此美军研制B61-12时重点考虑了其与F-35战斗机平台的适应能力。

  角反射器分为三角反射器、圆形反射器和方型反射器,虽然方型反射器的效果最好,但在实际使用中一般选择三角形反射器。角反射器的雷达截面积与雷达波束的波长成反比,因此针对波长普遍较小的火控雷达有很好的效果。龙勃透镜反射器是在龙博透镜的表面加上金属反射面构成的,根据所加金属面的不同有不同的波束宽度。龙勃透镜反射器的优点是重量轻、体积小,却有很高的有效面积,缺点是造价昂贵,适合对重量敏感的航空器。

  另一个不速之客:认死理的人工智能

  作为响应,配置美国B61核弹的诸多北约盟国已着手或准备换装F-35A联合战斗机。荷兰已经接收首架F-35A教练机,意大利授权制造的首架F-35A在2015年9月实现首飞,土耳其正在采购F-35A。比利时正在F-35 A、欧洲“台风”及FA-18战机之间开展采购竞标,F-35A胜出的概率较大。德国空军也倾向于采购F-35A,正等待国会作出最终决定。

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  挂载龙勃透镜反射器的歼-20战机(来源:维基百科)

  图为UBER在美国小范围试点的自动驾驶车。(图源:Uber)

  随着隐身技术的发展,出现了众多隐身战机和舰艇,在非任务时期,为了保证航行安全,它们通常都会搭载反射器,确保自身“可见”。反射器可以被用作假目标压制用于搜索和目标指示的电子设备。反射器也可以做诱饵,诱饵虽然原理与假目标类似,但其作用是破坏敌方导弹的瞄准,使其脱离目标,瞄准诱饵。

  很多时候,用户在城区里的定位服务即使能收到信号,也依旧要面临着少则3-5米,多则数十米的误差,譬如定位到马路的另一边,或是从小区里定到了小区外之类的例子比比皆是,人工调整定位点更是家常便饭。

  当然,根据地名和参照物矫正定位结果对人类是小菜一碟。但如果是思考逻辑完全不一样的机器呢?它们可不会碰一碰路人的后背,和善地询问这里到底是哪条路哪个路口。碍于人工智能技术目前的高度所限,它们暂时只会“认死理”,即在有限的图像识别规避能力框架下,使用卫星导航系统作为自己寻路的唯一根据。

  根据公开资料显示,即便在东亚低纬度地区,北斗导航系统对动态目标的定位误差也依旧会达到数十米之多,这对于需要在城区范围内精准定位的人工智能设备而言是致命的。

  而根据相关领域专家的计算,要想在城区内达到分米级精度的定位,在大洲范围内都需要上百颗的导航卫星,这对于发起三大卫星导航系统的中、美、俄而言都是很难承受的结果。因此,在迫切的需求面前,原本激烈竞争的三大导航系统,在民用领域展开近乎全面而彻底的合作,这一结果实际上是不令人意外的,毕竟火箭也好,卫星也罢,每一发都是真金白银,更不用谈上百颗卫星的高昂购置和运行成本了。

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