粒子束武器（Σ粒子 Beam Weapon，PBW)，是發(fā)射接近光速的粒子束，借助粒子對目標碰撞和滲透過程中產(chǎn)生的熱能和副生電磁能來破壞目標或使之失效的一種武器，它是與激光武器和高功率微波武器(HPMW)同時發(fā)展的三大定向能武器之一，被譽為“太空時代的核武器”“光炮武器”。
粒子束武器面的研究，主要是在美國和蘇聯(lián)（俄羅斯）兩國進行。20世紀50年代，美國已經(jīng)開始進行了粒子束武器技術(shù)的研究。1958年，美國制訂了代號為“SeeSaw”的粒子束武器計劃，研究帶電粒子束作為武器應(yīng)用的可能性。1974年，美國海軍開始進行代號為“ChairHeritage”的帶電粒子束武器計劃，從1977年起，美國把研究重點從武器系統(tǒng)轉(zhuǎn)向基本理論和技術(shù)問題。次年，美國建立了開發(fā)粒子束武器的蹺板計劃。美國從1981財年開始實施預(yù)算額為3.15億美元的5年粒子束武器開發(fā)計劃。1989年7月，美國用阿里斯火箭將束流能量為1MeV的射頻四級場加速器(RadioFrequencyQuadrupole，RFQ)發(fā)射到空中，對粒子束的空間傳輸特性等技術(shù)進行試驗驗證。蘇聯(lián)是從1974年開始對粒子束武器進行的研究的，在電離層和大氣層外的宇宙系列衛(wèi)星、載人飛船和禮炮號空間站上進行了8次帶電粒子束傳導(dǎo)方法試驗。1978年蘇聯(lián)制造了粒子束產(chǎn)生裝置。美國從1978年開始建立了開發(fā)粒子束武器的蹺板計劃，美國國防部在1981年設(shè)立了定向能技術(shù)局來開發(fā)粒子束武器和激光武器，從1981財年開始實施預(yù)算額為3.15億美元的5年開發(fā)計劃。目前均尚處于實驗室的可行性驗證階段。中國自20世紀80年代起對三大定向能開展了概念研究，粒子束技術(shù)相關(guān)研究則主要集中于空間自然環(huán)境下的高能粒子輻射效應(yīng)防護研究等。
粒子束武器按運載平臺類型分可分為天基粒子束武器、艦載粒子束武器、地面粒子束武器等；按粒子種類分可以分為帶電粒子束武器、中性粒子束武器、離子束武器等。粒子束武器的一般由能量源、粒子源、粒子加速器、目標識別系統(tǒng)、跟蹤瞄準系統(tǒng)、能束掃描系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)等組成。
粒子束武器具有攔截速度快、能量高度集中、轉(zhuǎn)換射向靈活、彈區(qū)不受限制、能全天候作戰(zhàn)、無放射性污染等特點。它可以擊毀高速飛行的導(dǎo)彈，特別適用于對付帶核彈頭的洲際彈道導(dǎo)彈，能把導(dǎo)彈擊毀在外層空間，相對于激光武器和高功率微波武器而言，具有更好的應(yīng)用前景。
發(fā)展沿革
粒子束武器面的研究，主要是在美蘇（俄羅斯）兩國進行。
美國
20世紀50年代，美國已經(jīng)開始進行了粒子束武器技術(shù)的研究。1958年，美國國防高級研究規(guī)劃局制訂了代號為“SeeSaw”的粒子束武器計劃，研究帶電粒子束作為武器應(yīng)用的可能性，由于整個計劃規(guī)模十分龐大，耗費太高，該計劃于1972年結(jié)束。1974年，美國海軍開始進行代號為“ChairHeritage”的帶電粒子束武器計劃，該計劃旨在實現(xiàn)有限的電子束武器能力，用以保衛(wèi)艦船，擊毀機載導(dǎo)彈的進攻，著重于“點”防御而不是大面積的防御能力。由于該計劃在執(zhí)行中存在很多技術(shù)上難以解決的問題，從1977年起，把研究重點從航空武器系統(tǒng)轉(zhuǎn)向基本理論和技術(shù)問題。次年，美國海軍建立了開發(fā)粒子束武器的蹺板計劃，研究用帶電粒子束攔截導(dǎo)彈的核彈頭。1979年后此計劃歸美國國防高級研究規(guī)劃局負責(zé)。美國陸軍代號為“Sipapu”計劃研究中性粒子束武器。1981年歸國防高級研究規(guī)劃局負責(zé)，改名為“WhiteHouse”。美國從1981財年開始實施預(yù)算額為3.15億美元的5年粒子束武器開發(fā)計劃。1989年7月，美國用阿里斯火箭將束流能量為1MeV的射頻四級場加速器(RadioFrequencyQuadrupole，RFQ)發(fā)射到空中，對粒子束的空間傳輸特性等技術(shù)進行試驗驗證。
蘇聯(lián)（俄羅斯）
1974年，蘇聯(lián)開始大規(guī)模研究粒子束武器技術(shù)。1975年以來，美國預(yù)警衛(wèi)星多次發(fā)現(xiàn)大氣層上有大量帶有氚的氣體氫，認為可能是發(fā)射帶電粒子束造成的。1976年，美國預(yù)警衛(wèi)星探測到前蘇聯(lián)在哈薩克斯坦的沙漠地帶進行了產(chǎn)生帶電粒子束的核聚變型脈沖電磁流體發(fā)動機的試驗。20世紀70年代中期以來，蘇聯(lián)在電離層和大氣層外的宇宙系列衛(wèi)星、載人飛船和禮炮號空間站上進行了8次帶電粒子束傳導(dǎo)方法試驗；在圣彼得堡(今為圣彼得堡)地區(qū)進行過粒子束武器的地面試驗，試驗裝置有線性電磁感應(yīng)加速器、X射線儀器、γ射線儀器、磁力存儲器和多頻道超高壓開關(guān)等，而且進行過帶電粒子束對洲際彈道導(dǎo)彈、宇宙飛船以及固體燃料目標的照射試驗。1978年，蘇聯(lián)在東德制造了使用1000GeV質(zhì)子加速技術(shù)的0.5MV、80J、16層7列的粒子束產(chǎn)生裝置。在以后的幾年里，蘇聯(lián)在哈薩克斯坦阿茲古爾地區(qū)沙漠中的薩諾瓦導(dǎo)彈發(fā)射場和塞梅伊的試驗工廠，進行過粒子束脈沖發(fā)動機、高能加速器和大功率能源利用的系列試驗。
中國
20世紀80年代起，中國對三大定向能開展了概念研究，經(jīng)過理論分析與技術(shù)路徑論證，得到優(yōu)先發(fā)展的是高能化學(xué)激光、自由電子激光和高功率微波等定向能系統(tǒng)，粒子束技術(shù)相關(guān)研究則主要集中于空間自然環(huán)境下的高能粒子輻射效應(yīng)防護研究等。
基本原理
粒子束武器是利用粒子加速器原理制造出的一種新概念武器。帶電粒子進入加速器后就會在強大的電場力的作用下，加速到所需要的速度。這時將粒子集束發(fā)射出去，就會產(chǎn)生巨大的殺傷力。粒子束武器發(fā)射出的高能粒子以接近光速的速度前進，用以攔截各種航天器，可在極短的時間內(nèi)命中目標，且一般不需考慮射擊提前量。粒子束發(fā)射到空間后，還會發(fā)生二次磁場作用，對目標進行進一步破壞。粒子束武器將巨大的能量以狹窄的束流形式高度集中到一小塊面積上，是一種殺傷點狀目標的武器，其高能粒子和目標材料的分子發(fā)生猛烈碰撞，產(chǎn)生高溫和熱應(yīng)力，使目標材料熔化、損壞。
分類
按運載平臺類型分
按運載平臺類型分可分為天基粒子束武器、艦載粒子束武器、地面粒子束武器等。
天基粒子束武器
天基粒子束武器是把粒子束武器部署在衛(wèi)星或空間作戰(zhàn)平臺上，用以截擊飛到大氣層外的洲際彈道導(dǎo)彈。
艦載粒子束武器
艦載粒子束武器用以對抗反艦導(dǎo)彈。
陸基粒子束武器
陸基粒子束武器用以攔截襲擊導(dǎo)彈發(fā)射井中的核彈。
按粒子種類分
按粒子種類分可以分為帶電粒子束武器、中性粒子束武器、離子束武器等。
帶電粒子束武器
帶電粒子束武器發(fā)射的束流可以由電子、重離子、帶正電的質(zhì)子、氘核、α粒子、帶負電的電子、氫負離子等組成。帶電粒子束的主要缺點是會受到地球磁場的偏轉(zhuǎn)影響而使波束發(fā)散。
中性粒子束武器
中性粒子束武器不受地磁場影響，使用氫、氘等原子束構(gòu)成。中性粒子束宏觀不帶電，利用加速器使之加速的技術(shù)是：先產(chǎn)生出低發(fā)散度的負氫離子(H-)束，利用其帶電的特點，再利用帶電粒子加速器將陰離子加速到高能，經(jīng)過磁聚焦和磁準直后，在剝離室內(nèi)通過原子碰撞或光致分離過程，把負離子上的松散附著的多余電子剝離掉成為中性原子，以其獲得的高動能沿直線軌跡射向目標。中性粒子束還可對目標周圍產(chǎn)生的中子、γ、X射線進行遙測，實現(xiàn)對目標的識別。
離子束武器
離子束武器，陽離子是失去一個或以上電子的原子，負離子是得到一個或以上電子的原子。將離子加速至一定速度就成為離子束武器。
組成結(jié)構(gòu)
粒子束武器的一般組成結(jié)構(gòu)是：能量源、粒子源、粒子加速器、目標識別系統(tǒng)、跟蹤瞄準系統(tǒng)、能束掃描系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)。
能量源
能量源就是驅(qū)動系統(tǒng)工作的高能電源。產(chǎn)生高能束流需要能夠提供10?V量級電壓的高功率電源以及能夠在大約10-s量級的時間范圍開啟和關(guān)斷這種高電壓和大電流的能力。
粒子源
粒子源就是能夠產(chǎn)生大量粒子的裝置。在電子加速器中，粒子源是通過加一個高壓于真空中的兩個金屬電極上產(chǎn)生火花放電來得到的，這個裝置叫作真空二極管。從負極(陰極)發(fā)射的電子朝正極(陽極)飛去，通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計和安排，能夠使電子不被陽極所收集，而是穿過陽極進入加速腔。離子脈沖也可以用同樣的方法產(chǎn)生。將一個很短的高壓脈沖加到兩個電極上，陽極(正電極)便產(chǎn)生陽離子(它們可以來自固體材料的游離，也可以從氣體放電過程中產(chǎn)生)。如果希望產(chǎn)生陰離子，可以把電子注入正電極空間，使電子附著在陽極附近的氣態(tài)原子上，這樣就形成了帶負電的離子，接著把它們引出到加速器，通過調(diào)節(jié)加速電壓可以把所希望的帶電粒子送入加速腔(例如只失去一個電子的原子)。用同樣的方法，通過剝離氫原子的電子，可產(chǎn)生質(zhì)子束。類似地，也能夠產(chǎn)生自然界中最重的元素——鈾的離子束。
粒子加速器
粒子加速器作用是使粒子達到很高的速度以具備很高的能量(為了識別真假洲際彈道導(dǎo)彈彈頭目標及其誘餌，需要10～20MeV能量，貫穿殺傷目標需要100MeV以上能量)。用于粒子束武器的加速器一般可以分為：集團離子加速器、電子感應(yīng)加速器、直線感應(yīng)加速器、自共振加速器、射頻直線加速器。電子或離子束一經(jīng)產(chǎn)生，就必須加速到很高的速度，使其具有很大的能量。這要求短的粒子脈沖通過強電磁場，使其獲得能量。其能量的單位是電子伏(eV),1eV能量的數(shù)值為一個電子通過1V的電場所獲得的能量。航空武器系統(tǒng)需要的粒子能量達到數(shù)百萬電子伏(MeV)。由于加速器只能加速帶電粒子，如何產(chǎn)生高速中性粒子也是一個問題。美國洛斯·阿拉莫斯國家實驗室的做法是：先讓氫原子帶負電，即兩個電子環(huán)繞一個質(zhì)子。用帶電粒子加速器把它加速到高能量后，經(jīng)過磁聚焦和磁準直，讓它通過氣體或者某些其他介質(zhì)等，經(jīng)過原子碰撞或者光致分離等過程，把陰離子上的松散附著的多余電子(約0.7eV)剝離掉，變成中性原子，即剝離多余的電子使負離子成為高能中性粒子。蘇聯(lián)發(fā)明的射頻四級加速器為加速氫負離子提供了條件。
目標識別系統(tǒng)
目標識別系統(tǒng)根據(jù)目標受到粒子束射擊后的反應(yīng)現(xiàn)象判斷目標的性質(zhì)。跟蹤瞄準系統(tǒng)，控制粒子束發(fā)射器對準目標。能束掃描系統(tǒng)，控制能束的掃描方向。指揮控制系統(tǒng)管理整個武器系統(tǒng)的同步工作。
武器特點
優(yōu)點
粒子束武器不用光學(xué)器件產(chǎn)生粒子束的加速器非常堅固，而且加速器和四氧化三鐵不受強輻射的影響粒子束在單位立體角內(nèi)向目標傳輸?shù)哪芰勘?a href="/hebeideji/7185384314879328296.html">激光大，而且能貫穿目標深處。粒子束武器具有攔截速度快、能量高度集中、轉(zhuǎn)換射向靈活、彈區(qū)不受限制、能全天候作戰(zhàn)、無放射性污染等特點。
缺點
帶電粒子在大氣層中傳輸時，由于帶電粒子與空氣分子的不斷碰撞，能量衰減非常快，而中性粒子不能在大氣中傳播帶電粒子在大氣中傳輸時散焦，因此在空氣中使用的粒子束，只能打擊近距離目標，而中性粒子束在外層空間傳輸時也有擴散受地球磁場的影響，會使光束彎曲，從而偏離原來的方向。
應(yīng)用前景
粒子束武器尚處于實驗室的可行性驗證階段，將廣泛運用于防空反導(dǎo)、反衛(wèi)和近程防御作戰(zhàn)。高能粒子束擊中目標后，其攜載的能量沉積在目標表面上，會將目標的金屬表皮或外殼瞬時擊穿而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞；高能粒子穿入電子設(shè)備，可引起脈沖電流，使電子設(shè)備失效；高能粒子束穿入目標內(nèi)部，產(chǎn)生強大的電場、熱輻射和沖擊波，從而使目標戰(zhàn)斗部的炸藥爆炸、易燃物品燃燒、電子線路損毀或使絕緣材料變?yōu)?a href="/hebeideji/5387669033352731461.html">導(dǎo)體；高能粒子束在射向目標的途中會與大氣相互作用，產(chǎn)生很強的二次輻射，從而對目標形成軟殺傷。粒子束武器的主要特點是貫穿能力強、速度快，能量大，反應(yīng)靈活，能全天候作戰(zhàn)。粒子束武器在高技術(shù)戰(zhàn)爭中的應(yīng)用，表現(xiàn)在利用天基中性粒子束武器進行洲際彈道導(dǎo)彈的攔截和彈頭飛行中段的識別。在大氣層外，中性粒子束武器主要用于攔截助推段飛行的洲際彈道導(dǎo)彈，還可用于攔截高層空間飛行的彈道導(dǎo)彈和衛(wèi)星，識別再入大氣層的目標是真實彈頭還是假目標誘餌。地基帶電粒子束武器適用于大氣層內(nèi)的海上或陸上的防空反彈道導(dǎo)彈。美國海軍研究得出結(jié)論，地基帶電粒子束武器對反艦導(dǎo)彈的硬殺傷作用要優(yōu)于激光炮和高功率微波武器。粒子束武器可以擊毀高速飛行的導(dǎo)彈，特別適用于對付帶核彈頭的洲際彈道導(dǎo)彈，能把導(dǎo)彈擊毀在外層空間，相對于激光武器和高功率微波武器而言，具有更好的應(yīng)用前景。
技術(shù)難點
能源問題
粒子束武器必須要有強大的脈沖電源，中性粒子束武器實用化最關(guān)鍵的脈沖電源功率技術(shù)是連續(xù)波甚高頻(VHF)射頻源。
加速器尺寸和重量問題
由于中性粒子束不能穿越大氣層，只能裝在衛(wèi)星上，所以減小加速器尺寸和重量是一大難題。
傳感器問題
天基粒子束武器要在外層空間作戰(zhàn)，在監(jiān)視和跟蹤系統(tǒng)方面，對傳感器要求極高，而且需要適合于部署在空間的尺寸和重量。
藝術(shù)形象
《機甲世紀II》游戲，其中的遠戰(zhàn)型機體詮釋了粒子武器遠距離、高殺傷的優(yōu)秀特性。
參考資料 >
粒子束武器——“太空長矛”.微信公眾平臺.2024-07-09
天軍的“刀槍”太空武器.國家航天局.2024-07-09