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美国高能激光武器发展概况

发布时间:2022-09-15 21:42:09 来源:雷竞技官方网页版 作者:雷竞技app在线下载

内容简介:  为了在未来战争中继续保持先进装备武器的优势地位,实现美国颠覆性创新制衡目标,美国防部大力支持激光武器发展,并积极推动其走向实战化。近年来,固体激光技术快速发展,以光纤体制结构破坏带外干扰器件损伤为代表的战术激光武器在系统小型化和功率实用化方面有了显著提高。随着发射功率逐步由数万瓦量级提升至几十万瓦量级,战术激光武器的作战效能也由目标光电传感器干扰损伤向目标壳体结构破坏摧毁的方向发展,未来在光电对抗作战领域将更具战术应用潜力。  高能激光武器利用高功率激光的热效应、光电效应和热力耦合等效应直接使目标失效甚至毁伤, 具有快速响应、打击...

  为了在未来战争中继续保持先进装备武器的优势地位,实现美国颠覆性创新制衡目标,美国防部大力支持激光武器发展,并积极推动其走向实战化。近年来,固体激光技术快速发展,以光纤体制结构破坏带外干扰器件损伤为代表的战术激光武器在系统小型化和功率实用化方面有了显著提高。随着发射功率逐步由数万瓦量级提升至几十万瓦量级,战术激光武器的作战效能也由目标光电传感器干扰损伤向目标壳体结构破坏摧毁的方向发展,未来在光电对抗作战领域将更具战术应用潜力。

  高能激光武器利用高功率激光的热效应、光电效应和热力耦合等效应直接使目标失效甚至毁伤, 具有快速响应、打击精准、弹药成本低廉、战场保障简单和作战隐蔽不易追溯等优点,可以在诸如要地 防御、导弹拦截、卫星对抗和蜂群对抗等现代局部作战场景中发挥独特作用,逐渐成为可适应未来信息化高技术战争的主战武器之一。不同功率级别激光武器的作战效能如图1所示。

  美国的高能激光武器围绕战略及战术等不同层次的作战需求,基本遵循由低功率到高功率,由软杀伤向硬摧毁的方向发展。沿着偏重战略应用→弹道导弹防御→偏重战术应用→战术硬摧毁的作战应用路线 美国高能激光武器战略应用阶段

  美苏冷战时期,为摧毁敌方卫星和弹道导弹而致力于研发天基激光武器和地基激光武器,能够远距离摧毁目标,实施反卫计划。激光武器体制以化学激光器为主,体积较为庞大。自1977 年起,美国一直在努力研发天基激光武器,内容涵盖了总体概念、关键技术以及子系统的工程化集成等。当时美空军资助了天基激光武器的研制工作。美国国防高级计划局(DARPA)也陆续实施旨在验证天基激光武器可行性的“三位一体”技术计划,即“阿尔法”、“大型光学演示实验”与 “金爪”。“阿尔法”激光器试验设备如图2 所示。

  1989年对“阿尔法”进行首次出光试验,验证百万瓦级柱型氟化氢化学激光器轨道飞行的技术可行性,截至1994 年8月已出光10次以上。1989 年在“大型光学演示实验”中,制造了直径的多面组合反射镜;1993 年攻克了制造直径11m反射镜的关键技术。制成直径4m、主动控制的多面组合反射镜,可按比例直接放大到实战所需的直径8m反射镜。

  尽管有关天基激光武器的研究仍在进行,但由于相关技术与成本耗费等方面问题导致部署遥遥无期,使得美军开始逐步将研究重点由在轨激光转向小型激光武器。2002年10月,美国国防部宣布撤消天基激光综合飞行实验计划办公室,将天基激光武器计划从大型的实验演示计划收缩成小规模的技术发展计划,并且不再计划后续的空间实验。

  苏联解体,美国面临的威胁变为地区性局部冲突,因此美军激光武器转为向弹道导弹拦截和战术 导弹摧毁方向发展,积极开展以机载激光器(ABL)和先进战术激光器(ATL)为代表的机载激光武器项目。机载激光武器系统结构如图3所示。

  氧碘化学激光器首先被美国用于ABL计划,该系统是美国空军主持的一项硬杀伤激光武器研制计划。目标是将高能化学氧碘激光武器安装在 大型宽体客机波音飞机上,从12000m高空拦截25km以外的处于助推段的洲际或弹道导弹。同时,美军也考虑利用氧碘化学激光器发展以大型运输机、倾转旋翼飞机和运输直升机等机载平台的ATL 计划,目标是用于击落巡航导弹和掠海飞行的导弹。但是由于演示验证效果与预期相差较大,激光在大气传输过程中,大气湍流和热晕等问题没能得到有效解决,而且部署费用极为高昂,最终ABL和ATL项目都被取消。目前氧碘化学激光器技术的研究重点是提高效率和轻型化设计,以便减轻系统重量和改进作战适用性。

  “9· 11”事件后,美国将列为国内首要威胁。为积极应对来自单兵防空武器、火箭弹、小型飞行器和自爆炸装置物等威胁,美军开始致力于以固体激光器为主,更具机动灵活性的战 术武器的研发,具有远距离干扰和一定近距离的毁伤能力。美军激光武器发展逐步由偏重战略定位转入偏重战术应用。最初投入巨资使用兆瓦级的化学激光器摧毁导弹或照射卫星目标,之后采用几十千瓦级的固体激光器摧毁无人机、火箭弹和小船等目标。美军激光武器的打击目标已由以往的战略目标转为小型的战术目标,这表明激光武器定位已发生重大变化。美军基于应对战术导弹、蜂群无人机以及太空威胁等作战应用需求,致力于发展不同功率级别的高能激光武器。

  转向实用化,重点推进功率水平100kW级激光武器的战术应用转化工作,解决小型化、实用化问题,实现近距离毁伤,远距离光电干扰能力。

  随着战略重心向亚太地区转移,为了提高远海作战能力和海外基地的防御能力,应对潜在的反舰导弹和大型作战无人机的威胁,美国大力发展舰载和无人机搭载的激光武器,进一步研发紧凑型百千瓦量级的光纤体制固体激光武器,在对光电侦察设备干扰/毁伤基础上,实现对巡航导弹、无人机和无人艇等的近距摧毁。图4为美国重新调整高能激光武器发展路线 美国重新调整高能激光武器发展路线

  美军未来将把数十千瓦量级的激光武器用于对抗火箭弹、迫击炮弹及蜂群无人机等目标,用作移动平台末端防护;将上百千瓦量级的激光武器用作重要目标的区域防御或者要地防空;将兆瓦量级的激光武器用作弹道导弹防御,如天基助推阶段拦截或中程防御等。2019年,美国国防部研究与工程副部长办公室发布激光扩展计划信息需求。目标是提高高能激光武器的激光功率和转换效率,减小其重量和体积。2022财年演示验证的高能激光武器功率水平达到 300 kW,2024财年演示验证功率达到500kW,再过几年后功率达到1MW。发展路线是首先侧重于在陆地/水面平台的尺寸/重量范围内提升高能激光功率,然后将重点转向在空中/太空平台范围内降低尺寸与重量,并提高效能。

  化学激光器将化学键中储藏的能量转化成为激光输出,激活介质的粒子数反转是通过释能化学反应过程实现。由于化学激光器的增益介质一般为气体或气流,通常也把化学激光器归类为特殊的气体激光器。目前,化学激光武器是兆瓦量级功率以上作战应用的最佳选择。其中,氟化氢/氟化氘化学激光器的输出波长为2.7μm/3.8μm,化学氧碘激光器的输出波长为1.315μm。图5为美国化学氧碘激光器增益模块。

  化学激光器优点是兆瓦级功率输出,输出光束 质量好,技术成熟度高。缺点是体积和重量较大,需进行废气处理

  未来化学激光器的发展将针对体积和重量庞大的缺点,攻克化学激光器的紧凑化技术,减小激光器的重量和体积,提高激光器的平台适装性。

  固体激光器通常可以分为棒状激光器、板条激 光器、热容激光器、液冷激光器和薄片激光器等。其中,棒状激光器具有较大的增益体积,有助于实现功率放大和大脉冲能量的产生,但光束质量较差;液冷激光器利用冷却液的强散热能力实现高功率输出,但难以克服流体对激光性能的劣化影响;

  热容激光器可以实现高功率输出,但光束质量随激光输出时间增加迅速退化,难以满足长时间的作战需求;板条激光器和薄片激光器的技术成熟度较高,是当前国际上固体激光武器的主要技术路线。板条激光器的板状结构和“Z”字光路设计,均化温度梯度,多链路板条激光器经光束合成后可实现数百千瓦级功率输出。

  高能光纤激光器以掺稀土元素的光纤材料为增益介质,通过振荡器或级联放大结构获得高功率激光输出。目前,高能光纤激光器的电光效率可达35%以上。由于转换效率高,产生的废热较少,对冷却要求较低,因此,光纤激光器的结构更加紧凑,重量体积相对较小,环境适应性更强。高能光纤激光器优点是热管理相对简单、电光效率高、单纤光束质量好、战场环境适应性强,适合装载于各种战术移动平台。缺点是由于非线性效应、模式不稳定性等效应的限制,单纤近衍射极限输出功率存在物理极限,光束合成是高功率光纤激光系统的必由之路。

  高光束质量半导体激光器特指可以通过合束方式将大量独立的半导体激光器合成一束高能激光的装置,且具有较好的光束质量。获得高光束质量半导体激光输出的最有效途径是外腔反馈光谱合束,目前输出功率已经达到千瓦量级,但光束质量仍有较大提升空间。半导体激光器优点是电光转换效率高、体积重量小。缺点是单管功率提升困难,合成路数受限,激光波长并不都处于大气的高透窗口。

  碱金属蒸气激光器利用高功率半导体泵浦具有高量子效率和大发射截面的碱金属原子蒸气实现高功率的近红外激光输出,通过循环气体流动散热实现高效热管理。目前,激光器常见的碱金属工作介质为铷(795nm)或铯(894nm)。碱金属蒸气激光器兼具了固体和气体激光器的优势,逐渐成为激光武器新的选择。碱金属蒸气激光器优点是全电模式工作,具备单口径功率定标放大能力,兼具固体和气体激光器的优势。缺点是碱金属元素化学性质极其活泼,易对腔体腐蚀,高腔压运转模式破坏光束质量。

  高能激光在大气传输的过程中,会与大气中的 气体分子相互作用,发生诸如大气吸收、大气散射、湍流和热晕等线性或非线性效应,导致激光功率损 失和光斑的漂移、抖动甚至畸变,从而降低到靶激 光功率密度和光斑的稳定性。大气吸收对激光传 输产生两方面影响,一方面会直接削弱激光能量, 另一方面会加热大气分子,导致热晕等非线性效 应。大气散射是激光与大气分子或气溶胶等粒子 相互作用,使激光在各个方向重新分布,造成能量 的衰减。湍流是由大气无规则随机运动引起,其内 部温度起伏导致大气折射率随机分布,造成激光随 机漂移、强度起伏和光斑扩散。

  目前利用自适应光学技术可有效对大气的湍流和热晕等非线性效应造成的波前畸变进行部分相位补偿和校正,改善激光光斑分布。自适应光学是实时校正光学扰动的技术,通常由波前传感器、重构器、控制器、倾斜镜和变形镜等组成(绿线 自适应光学系统组成

  信标光来自对目标的反射光,通过波前传感器获取信标光中的波前畸变信息,经由重构器和控制器转变为变形镜和倾斜镜的驱动控制信号,利用变形镜和倾斜镜实现对波前畸变的补偿校正。

  该技术方式的优点是通过补偿校正使得到达目标处的光斑较为均匀,在光斑内可以形成多个强 点,较好的提升毁伤能力,不足之处是技术实现较 为复杂,大气的传输作用会导致激光相干性变差,影响合束效果。

  通过激光逆色散原理将多只波长临近的激光进行光谱合束,利用单光栅或者双光栅可以实现接近衍射极限的激光合束输出,提升激光亮度,而且可以增加合束的路数,不影响光束质量,不足之处是对激光器的线宽要求高,光谱带宽对光束质量影响大。如图10所示。

  目前,高能激光武器的技术路线普遍采用连续激光照射模式,因此对目标毁伤的作用机制主要有光电效应、热效应和热力耦合效应等三种。

  热效应,激光能量被目标本体材料吸收导致温度快速上升,经过短时间热积累作用超过目标熔点,使目标融化或者烧蚀,如果作用目标是导弹的战斗部,则可能引爆内部炸药。

  连续激光照射模式需要对打击目标的特定区域进行一定时间的激光累积,但是对于快速移动目标来说,累积作用时间长,在目标表面快速空气流体的作用下加热速度缓慢,不易造成损伤。而连续和脉冲激光复合作用能够获得更好的毁伤效果,连续激光可以起到预加热作用,降低目标表面材料的破坏阈值,脉冲激光在连续激光的基础上叠加更高功率密度的激光,产生巨大的热力学效应,在短时间内对目标造成更深的损伤。

  HELIOS系统,采用了窄线宽光纤和光谱合成的技术体制。系统由60 千瓦量级的光纤激光器(未来可升级至150 千瓦量级)、光束控制系统、目标指示器、远程情报监视侦察系统(ISR)、反无人机侦察光学和致眩器、热管理系统、电源模块和控制系统等设备组成,将于2025 年前完成舰队的演示验证测试。图 11 为美国海军HELIOS 系统作战假想图。

  LWSD项目中,采用了板条体制,板条单链路输出激光15kW,7路相干合成实现105kW激光输出。2019年在“波特兰”号(LPD-27)上进行了海面上的验证测试,评估在不同大气环境和海况下的参数性能,后续将开发100~150kW的舰载激光武器,可对抗小型船只和小型无人机。

  美海军开展多个不同功率级别的激光武器项目,以满足舰船远干近毁的实战需求。一方面,研制低功率的“奥丁”系统,用于致眩对方武器平台的光电传感器,以应对目前紧迫的无人机威胁。图12 为美海军“奥丁”系统。另一方面,研发高功率系统,装备不同级别的水面舰船,以期直接击落对方无人机。

  “奥丁”作为一种低功率激光武器,通过向敌方光电和红外传感器发射调制“眩目”激光束,让其“失明”,有效对抗各种带有光电/红外传感器的舰艇、飞行器以及巡航导弹,将补充海军主要战舰上现有的主动和被动自卫武器组合。此外,美国海军还准备将激光眩目器和高能杀伤激光器结合起来, 这样可以起到更高效的拦截作用。多个激光眩光器和激光武器配合,分散布置在同一艘舰船上,以对抗多个目标。

  由于机载平台对激光武器的体积、重量和功率要求更高,机载激光武器目前尚处于技术体制确定、关键技术攻关研究和系统集成试验阶段。因此,美国空军实验室授予诺斯罗普·格鲁曼公司开展研究搭载在战斗机上的激光武器系统,即“自卫高能激光器演示样机”(SHiELD)项目,以期为机载激光武器的未来发展提供启示和借鉴。图 13 为SHiELD 激光吊舱原理样机。

  图13 SHiELD 激光吊舱原理样机SHiELD项目重点研发适用于机载平台挂载及耗能约束条件的紧凑型机载激光武器系统。创新激光设计、制造技术和操作方法,采用在小型化、轻量化、大功率输出和高光束质量等方面都具有优势的光纤体制激光器,在高性能战术飞机的紧张飞行条件下,最大程度的降低光束质量的下 降。此外,研发具有敏捷性、紧凑性、大口径和适应飞行环境的光束定向器,将多个灵活的光纤激光器进行功率合成,以满足自卫防御、进攻性激光武器所需的高功率要求。

  机载激光武器不局限于战斗机上的应用,所有 在作战区域或附近作战的军用飞机都可以配备激 光武器,从而免受导弹的攻击,尤其是大型、不易机 动的飞机,如 AC- 130 炮艇机、C- 130J 等运输机、KC-135 等空中加油机,E-3哨兵预警机以及小型战术飞机。将激光武器系统与不同飞机平台集成,满足不同平台对激光武器的使用需求,搭载可适配不同机型的子系统模块,演示验证中展示在空—空导弹和地—空导弹威胁下的自卫能力,最终形成具备攻防兼备多种作战能力,适合不同平台的激光武器系统。

  美陆军大力开展高能激光战术车辆项目的研发工作,将更大功率的激光器装备于轻型,高速的 机动车辆,为地面移动平台提供近距离空中支援, 起到被动和主动防御的作用[17]。以美陆军移动远征 高能激光系统(MEHEL)项目为代表,由波音公司与通用动力公司联合研发,将高功率光纤体制的激光武器装备于八轮驱动,以“斯瑞克”为底盘的机动式装甲车内,专门为美陆军在欧洲对抗俄军固定翼战机、攻击型直升机、小型无人机和迫击炮等威胁而打造。

  MEHEL的高能激光武器系统集成了光纤激光器、光束定向器、Ku波段雷达和激光辅助单元等子系统,将多路光纤激光合束,根据作战需要增减光纤激光器的数量。系统不仅能够对无人机进行摧毁,实现硬杀伤,还能利用电子战能力切断无人机与控制站之间的通信链,对无人机实现“软杀伤”。MEHEL 在美国福特·希尔陆军基地举行的机动火力综合实验中,利用 5 kW 的高能激光束持续照射10~15s,将多架10公斤级的小型无人机击毁,验证了系统的综合作战能力。图 14 为高能激光系统机动型演示样机(HEL MD)。

  无人机和远程火箭弹等在局部战争和地区冲突中被大规模应用于战场,而早期的“ 爱国者”和“ 毒刺”防空导弹拦截效果并不理想,且成本太高。新威胁促使美陆军重新审视其防空体系,致 力于采取多种举措提升其短程防空能力。陆基激 光武器能够满足美陆军应对火箭弹、火炮、迫击炮 以及无人机威胁的要求,且单发成本大大低于传 统武器,无发射次数限制,使其非常适合对抗成本动辄几百,甚至几千美元的小型无人机、简易火箭弹和炮弹等。美国研制的300kW激光战车,使用了“ 型扩展机动战术卡车”底盘,不仅能够拦截无人机,还能拦截巡航导弹,该系统将在2022年8月份展开测试。

  高能激光系统机动型演示样机(HELMD)成为美国陆军研制和演示的首个用于反火箭弹、炮弹和迫击炮弹的机动型高能激光器系统,早期研究采用了10kW级的激光武器。此后,在10kW激光武器的研究基础上,持续缩小激光器体积,逐步提升功率至100~120kW量级,逐渐升级电力系统,在增强射击威力与延长射击时间的同时,克服雾、风、雨等不利天气条件的影响,实现机动短程防空能力。

  美国导弹防御局多年来一直在积极扩大弹道导弹防御领域的优势,但在弹道导弹助推段一直缺 乏有效的拦截手段。尽管曾经考虑过使用天基激光武器实现反导防御作战的目标,但由于相关技术 与成本耗费等方面的问题导致部署遥遥无期,使得 导弹防御局开始逐步调整技术路线。起初由天基 平台转向“大飞机平台加化学激光器”,由于ABL和ATL为代表的机载激光武器项目并没有获得理想的作战效果,因而再次调整路线,目前逐渐调整为“无人机平台加固体激光器”。图15为无人机载激光武器模型图。

  目前激光器的水平决定了激光武器的水平,未来多种技术体制并行发展将成为常态,以碱金属激光器为代表的新技术体制也将不断涌现,未来实现兆瓦量级激光器仍然挑战巨大。综合美军高能激光 武器发展历程可以看出,大多数激光武器研究计划均因为不能满足作战需求而下马,主要影响作战应用的因素包括作战距离(到达目标的激光功率密度 与传输距离的平方成反比)、战场环境(大气、云、雨、雾,烟尘等)和响应时间(从接收指令到发射激光)等,因此未来美军将在这些因素中寻求最佳的解决 途径和技术方法。

  未来随着激光武器实战化进程加快,美军不会将激光武器视为单一的平台武器系统,而将会融入联合多域的作战体系中,与火力系统协同作战,互联互通,以应对不同类型的威胁。未来有可能在新一轮军事变革和科技革命的推动下,与人工智能技术相结合,催生出激光武器智能化作战模式。

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