用竹竿捅下蝙蝠

晨枫

在60年代，中国用苏制S-75（北约代号萨姆-2）防空导弹打下了美制U-2高空侦察机。外交部长陈毅在回答记者问题的时候，幽默地回答是“我们是用竹竿捅下来的”。12月9日，伊朗宣称缴获一架美国无人机，后来证实是洛克希德RQ-170“哨兵”。这是一架像蝙蝠一样的喷气式隐身无人机，据说在击毙本•拉登的战斗中还出动了。伊朗没有说这是用竹竿捅下来的，而是用电子对抗软杀伤“打”下来的。后来有伊朗工程师透露，这是用干扰无人机的通信后，在无人机切换到GPS自动归航时伪造GPS信号，把无人机骗下来的。美国声称这是机械故障，要求伊朗归还，伊朗当然直接拒绝了，还要把被俘的“哨兵”大卸八块，制造伊朗的无人机。
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伊朗版本和美国版本哪个更可信，这是一个还在继续争论中的问题。但无人机将成为未来空中战场越来越重要的因素，如何打下无人机，这是一个问题。

0 a. ?  F) e' P2 s* }无人机顾名思义是无人驾驶的飞机。无人机有遥控和自主控制两大类，遥控的无人机由操作员在地面遥控，实际上不是无人驾驶，而是有人在远方驾驶。遥控的无人机对通信保障的要求很高，容易因为干扰而无法正常工作。自主控制不需要人工干预，不会因为通信收到干扰而无法正常工作，也不受遥控距离的限制，但在技术上要求较高。和60年代的无人机相比，现代无人机的自主控制水平大大提高，起飞、降落、简单机动和按照路由点确保航迹都可以自主完成，操作员只需要发出高层次的任务式指令即可，不必具体到繁琐细节。

打下无人机有两个问题，一是发现和锁定，二才是打的问题。和有人机相比，无人机通常较为小巧。省却飞行员座舱倒不见得能降低多少重量，但无人机的用途相对简单，主要用于侦察，有的兼有对地攻击功能，实战化的专业对地攻击无人机尚在早期科研阶段，空战用的无人机更是还没有走出概念阶段。因此无人机的机动性要求较低，对机体加强就没有什么要求；现代主流无人机都不超过高亚音速，因此对发动机和机体的要求进一步降低；除非是电子战专用的无人机，否则对电子对杭能力也没有什么要求。这些都使无人机可以相对轻小。以美国MQ-1“捕食者”为代表的现在这一代无人机还没有大量采用隐身设计，主要用于没有对方空中和防空威胁的环境。RQ-170“哨兵”为代表的新一代无人机已经大量采用隐身技术，比如无尾飞翼布局、机背进气口、带下方屏蔽的扁平喷口等。无尾飞翼不仅前向雷达特征小，侧向雷达特征也降到最低。RQ-170“哨兵”那样的隐身无人机的机背进气口还采用吸波格栅，格栅的“网眼”小于雷达波长的话，格栅对于雷达波就相当于完整的平板，可以将雷达波反射到无害方向，避免进入进气道形成空腔反射。如果采用带下方向后延伸屏蔽的扁平喷口，雷达和红外特征都得到有效屏蔽，扁平喷口还有利于散开喷流，加强和环境空气的混合，进一步降低红外特征。这样高度隐身的无人机在对方相对完整的空中和防空威胁下也具有很强的生存力。小巧加隐身是的无人机不容易被常规防空体系所发现，但总体来说，发现和锁定无人机的问题和一般的反隐身相似，这是一个很大的话题，这里不扯远了。
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打下无人机是另一个问题。无人机也是飞机，能打下飞机，就能打下无人机，这是一个很简单的事实。在60年代，中国空军就多次用简陋的歼-6加航炮击落入侵的美国无人侦察机。现在用战斗机直接击落无人机依然是最直接的战术，空空导弹和航炮都是有效的毁伤武器。但无人机的特殊性使得软杀伤具有特殊的吸引力。

0 I) Y/ Y' {, q# `: b采用遥控的无人机容易受到电子干扰的攻击，强力干扰或者欺骗干扰都可以使得遥控信道受阻，无人机失控。在理论上，可以用伪造信号把敌人无人机诱骗降落或者反戈一击，在数字通信和加密技术高度发达的今天，这在技术上非常困难，但使得无人机失控还是可能的。在技术上，遥控失灵的时候可以自动切换到程序控制，也就是按照预定路由点自动飞往下一个待命点，或者直接返航。路由点导航需要GPS或者惯性导航。
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GPS用卫星精确授时加星座坐标提供精确导航数据，GPS有军用码和民用码，加密的军用码更加精确，不加密的民用码对所有人开放使用。和精确的地图配合使用时，民用的车载GPS在已知道路上使用可以精确到米级，军用级GPS则可以在任意情况下达到米级甚至更高的精度。在技术上，压制GPS信号以干扰机载导航系统是可以做到的。惯性导航的核心是陀螺。传统的机械陀螺已经很少使用了，环形激光陀螺的精度高，成本低，已经得到大量使用。惯性导航的优点是完全自主，不需要任何外部信号，所以是核潜艇的主要导航手段，当然也在航空上大量使用。即使在GPS时代，也可以在GPS信号丢失或者受到严重干扰的时候用惯性导航接替。不过陀螺有漂移偏差，时间越长，累计偏差越大，通常定时用GPS信号加以修正，随时纠正漂移偏差。
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即使像JDAM那样一次性使用的精确制导弹药也装备有环形激光陀螺，无人机不装环形激光陀螺是不可想象的，所以即使能成功地干扰遥控和GPS，也无法迫使无人机失控。在理论上，可以伪造GPS信号，把无人机骗下来或者反戈一击。但是且不说伪造GPS信号的难度，典型导航系统具有卡尔曼滤波，很容易辨别出不合理的突然变化。卡尔曼滤波的理论在60年代建立，这是信号处理和自控技术中的一个里程碑，开创了预估-校正方法的理论框架。简单地说，卡尔曼滤波用一个数学模型根据不久前的过去和当前状态预估未来状态，然后再用实测值校正，以确保进一步预估的精确性。数学模型可以用理论计算或者经验数据建立，还可以通过统计方法确立实测值和预估值之差的合理范围，超过这个合理范围，就可以规定的概率确认实测值不可靠而应该抛弃，使信号处理和超常数据甄别超过了拍脑袋和凭经验的传统境界。当然，要是伪造信号的偏差足够轻柔地逐步增加，卡尔曼滤波也是可以骗过的。不过要把伪造的GPS信号“灌进”无人机不简单，干扰遥控信号也有同样的问题。

干扰简单地说就是将虚假信号或者噪声信号“灌进”对方的天线，顶替或者淹没真实信号。全向天线没有方向性，对飞机姿态不敏感，但信号增益较低，也容易受到干扰。GPS信号来自天顶，用于遥控的卫星通信信号也来自天顶。为了提高信号增益，也为了抑制杂波干扰，无人机应该使用方向性较强的定向天线，而且应该指向天顶。定向天线有主瓣和旁瓣，主瓣指向信号源，旁瓣是天线的物理特性决定而不可避免的，方向性好的天线旁瓣小一点而已。用眼睛做比方的话，主瓣好比视线方向，旁瓣好比眼角余光。对于定向天线，干扰源能设置在信号源同一方向最好，否则只有通过旁瓣进入天线，但这要求很高的功率。这就像通过眼角余光来干扰视线一样，干扰光源强度低了起不到作用。干扰和信号的角度相差太大的话，干扰效果也剧减。因此，如果不能在轨道上设置干扰卫星的话，就只有用高空气球或者高空飞机把干扰机带上高空，从有利角度干扰无人机。但这要求很高。无人机本身飞行高度就高，高空气球或者高空飞机的高度要更高，而且需要贴近无人机的航迹。及时布防高空气球到规定高度和航迹很不容易，用高空飞机干扰还不如直接攻击无人机，所以在高空自上而下实施干扰的实用性很受限制。

2 T1 o* ^  ~1 h! U! ~如果不能用伪造GPS或者遥控信号把无人机骗晕，也不能用强力干扰把无人机唬倒，还有用电磁杀伤的办法点穴。这就是传说中的电磁脉冲武器。对于全身披挂满电子玩意的无人机来说，使电子系统失能至少和用爆炸毁坏发动机或机体一样有效。

% I% M& s$ Q5 A! ^0 s- s+ x2 D高功率微波可以损坏雷达和电子系统，这是理论物理学家早就预测的事实。在1945年6月16日的第一次核试验时，费米就指令将电子仪器进行电磁屏蔽，但很多测量仪器还是受到电磁冲击而信号饱和。60年代初，美国进行过几次空间核试验，试图确立空间核爆炸造成的电磁脉冲的影响，但物理学家低估了空间核爆造成的电磁脉冲的威力，几次试验测量仪器都达到饱和，根本无法得到有意义的读数。在大大扩展仪器量程并进行周密准备后，1962年7月8日，美国在中太平洋的约翰斯顿岛上空400公里的高空再次进行代号“海星”的空间核试验，140万吨当量的热核武器在空间产生的巨大火球像一个人造太阳，远在1450公里外的夏威夷透过云层都能看见强烈的闪亮。空间核爆在近地空间造成强烈的人造极光，远在南太平洋的新西兰海军正在作夜间反潜演习，明亮的夜空照亮了海面，蔚为奇观。“海星”核爆产生的强大电磁脉冲使几乎所有测量仪器的读数饱和，夏威夷有至少300盏路灯损坏，众多防盗警报哇哇乱响，电话公司的微波接力站损坏，使库瓦伊岛和其他夏威夷岛屿的电话通信中断。电磁脉冲使卫星上的太阳能电池板和电路损坏，三颗卫星立刻故障，一个月后7颗卫星故障，包括第一颗商用通信卫星Telstar，残余辐射的累计影响最终使几乎1/3的近地轨道卫星故障。苏联也哈萨克进行了类似的试验，其中184号试验在地下长途电缆中引起强大脉冲，造成卡拉甘达的一个电厂起火。
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% J  y) v2 C9 ^0 q核爆产生的电磁脉冲虽然强大，但使用起来太惊天动地，碍手碍脚。苏联核物理学家安德烈•萨哈罗夫在成为不同政见人士之前，在1951年提出用爆炸磁通量压缩的方法，在高爆炸药的爆炸瞬间压缩磁场中的线圈截面或者线圈圈数，导致切割磁力线和磁通量“浓缩”，从而产生强大的电脉冲。另一种方法是用爆炸产生高温高压等离子体，在装有电极的导管中高速流动，也可以通过切割磁力线产生强大的电脉冲。爆炸压缩法只能一次性使用，磁流体法可以多次使用。爆炸磁通量压缩方法已经用于产生兆瓦级瞬时功率，磁流体方法也可以产生强大的电脉冲，用于驱动虚阴极管或其他微波发生器，就可以产生微波脉冲，通过定向天线把微波能量向目标发射。

  O6 F+ q. c. r# _5 q电磁攻击像射击一样，可以像狙击枪一样一击夺命，也可以像冲锋枪那样连续点射。短促脉冲可以使能量高度集中，威力足以毁伤经过电磁加固的军用电子系统或者工业电力设备；急促的点射则可以有效对付密集目标，或者在一击不中后补射，毕竟电磁攻击武器的定向天线也有瞄准问题，但能量密度要相应降低，适合对付无防护的办公室电脑和民用照明等无防护目标，对于无电磁加固的简单无人机也有足够的杀伤力。
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8 E) ]5 F( Q) |, u8 G. ]电磁攻击对于无人机特别有效。越是高度自主的无人机越是依赖各种雷达，从导航雷达到火控雷达到无线电高度计，各种天线用于接收微弱的电磁回波，在本质上是电磁脉冲的放大装置，因此对于电磁攻击特别脆弱。即使没有天线，长导线本身就是良好的天线，所以电磁攻击对于无人机的控制电缆也十分有效。缺乏电磁屏蔽的电路板也是电磁攻击的良好目标。目标被击中的效果和遭到雷击相似，根据接收的能量不同，损坏可以从信号误码、信号饱和、电路元器件烧毁一直到设备受到强电流冲击而起火爆炸。

) I; [% b, N/ e* P有矛必有盾，电磁攻击的盾就是电磁屏蔽。地面系统可以通过具有良好接地的严密金属罩护视线屏蔽，但空中的无人机就不大容易做到良好的屏蔽。飞机在空中飞行，机体和空气摩擦容易在表面堆积静电，容易吸引雷击，也容易放大电磁攻击的效果。飞机防雷击一直是一个问题，尽管有放电针，但遇到雷区还是尽量躲着走，但遇到电磁攻击就不大躲得开了。采用金属机体的飞机还容易通过导电的表面迅速散开雷击或者电磁攻击的能量，能通过放电针释放多少是多少，剩下的只有靠机体结构硬抗。但无人机大量使用复合材料，不仅重量轻，而且隐身好。问题是复合材料的导电不好，遇到雷击或者电磁攻击的时候无法迅速疏导能量。在飞机雷击事件中，约20%导致雷达罩损坏，这是因为雷达罩通常采用玻璃钢。波音787获取FAA适航证过程中，就因为复合材料机体抗雷击的问题没有解决而耽搁了很久。无人机大量采用复合材料，或许最终成为阿基里斯的脚跟，在电磁攻击面前格外脆弱。
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几十年来，电磁攻击一直被当作科幻武器，因为武器级的爆炸磁通量压缩装置或者爆炸磁流体装置一直没有过关。电磁攻击武器的具体研制在各国都是守口如瓶的秘密，但美国空军下一代战略轰炸机的基本要求之一就是具有电磁攻击能力。下一代轰炸机原本要求2018年开始使用，在美国国防开支急剧收缩的现在看来不再可能，但技术准备已经就绪。波音在2011年5月进行了首次电磁攻击导弹的试验，将在2013年结束技术验证。导弹的弹体、制导和推进都没有太大的特别，技术关键在于非核电磁脉冲产生技术。波音公布的电脑动画显示了一枚隐身巡航导弹在黑夜中悄悄飞行，经过之处，大楼的灯火像遭到诅咒一样纷纷熄灭，屏幕闪烁的办公室电脑则在一股股青烟之后变成废物。不难想象，把更大功率的电磁攻击导弹战斗部用作防空攻击武器，可以使无人机“神魂颠倒”。这或许才是终极的反无人机之道。
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燕庐敕

以后老大专门开一个科普专栏吧。我一定回回都来献花。

魔术师

伊朗搞下“哨兵”，到现在我都觉得不可思议，伊朗工程师的说法也不是很有说服力。伊朗会不会是像当年苏联搞下第一架U2一样，事先在飞机上动了手脚？话说“哨兵”的前进基地好像在巴基斯坦，找个机会作弊也不是没有可能。

瞎想哈，仅仅是瞎想。
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MacArthur

还是没弄明白伊朗到底怎么把无人机整下来的。。。 总不会真是竹竿捅的吧。。。
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从美帝着急看，无人机十有八九是真的 -- 如果只是一个哄人的模型，美帝自己的东西，一眼就看穿了。。。 再说丢没丢无人机自己清楚。。。
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从晨大的分析看伊朗人声称的GPS诱骗法不太具有可行性。。。 但从展品看机体完整，没有任何烧痕缺损，又的确是自己降落而不是被打下来的。。。
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那只能有一种可能了：无人机处于某种原因和控制中心联系中断，但又因为控制程序里的BUG --- 指不定外包到InforSys去了，印度IT，你懂的 --- 没能自动返回美帝的基地，而是随便找了一个貌似己方基地的机场，甚至是野外一块平地，自动降落。。。

% Z( C: W5 j& D! S/ `  Y8 M然后就被伊朗农民伯伯发现了。。。
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晨枫

MacArthur 发表于 2012-1-10 08:45
6 g! a+ N( _  Q9 H: q还是没弄明白伊朗到底怎么把无人机整下来的。。。 总不会真是竹竿捅的吧。。。

从美帝着急看，无人机十有 ...

( }; A# L: H3 t哈，个人估计，你说的可能性是最大的。不能想象伊朗人胡掰的干扰GPS能成功。我都想得到的反干扰方法，洛克希德不可能想不到。

晨枫

燕庐敕 发表于 2012-1-9 19:20
/ J6 E+ g- {7 G' k" V$ D以后老大专门开一个科普专栏吧。我一定回回都来献花。

! U8 _! b& _$ E& [. K9 E不许捧杀！

晨枫

魔术师 发表于 2012-1-10 05:42
1 s. F- a7 C; B1 `伊朗搞下“哨兵”，到现在我都觉得不可思议，伊朗工程师的说法也不是很有说服力。伊朗会不会是像当年苏联搞 ...

$ L5 ~. C- F0 j( y) X( B$ G$ K这个可能性太小了。

爱思伯爵

希望我国的无人机技术更快提高

夏雨

电磁攻击过后电脑是全部损坏还是只是断电了？

晨枫

夏雨 发表于 2012-1-13 22:57
电磁攻击过后电脑是全部损坏还是只是断电了？

4 M' W6 }: E* A5 p看攻击的目标是什么。如果是电网节点，那就是断电；如果是直接瞄准电脑，那就是电脑损坏了。

茉莉

深入浅出，我这个军事盲都看入迷了