艦載激光武器的發(fā)展歷程及趨勢(shì)分析

趙建川，郭汝海，孫 濤

(1.海軍駐長(zhǎng)春地區(qū)航空軍事代表室，吉林長(zhǎng)春130033;2.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所激光與物質(zhì)相互作用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長(zhǎng)春130033)

1 引言

隨著全球化進(jìn)程的日益加劇，海上領(lǐng)土和主權(quán)引起的各種爭(zhēng)端愈演愈烈，其核心就是爭(zhēng)奪豐富的海上資源，而海上作戰(zhàn)艦船就是維護(hù)領(lǐng)海主權(quán)的有利作戰(zhàn)平臺(tái)，特別是近期中日之間的“釣魚島”問題，更說明了海上作戰(zhàn)時(shí)艦船是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的體現(xiàn)。

在現(xiàn)代武器快速發(fā)展的今天，海上艦船會(huì)受到各種武器的打擊，特別是反艦艇導(dǎo)彈的襲擊。為了保障艦船自身的安全，軍用艦船都配備了安全警戒系統(tǒng)，其中美國(guó)領(lǐng)先發(fā)展的艦載激光武器以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，成為了護(hù)衛(wèi)艦艇安全的首選武器［1-3］。

艦載激光武器可以攻擊近程低空飛行的導(dǎo)彈，也可以干擾、甚至毀傷導(dǎo)彈、無人機(jī)等的激光制導(dǎo)傳感器和電視傳感器。最近，美國(guó)海軍的艦載激光武器已經(jīng)可以擊毀3 n mile以外的無人機(jī)，他們已和波音公司簽訂并完成了100 kW“自由電子激光武器系統(tǒng)”試驗(yàn)型號(hào)的研制任務(wù)，預(yù)計(jì)在2020年前后可以裝備到軍艦上［4-5］。由于近年來海上爭(zhēng)端的不斷升級(jí)，對(duì)這種艦載的防御性武器－激光武器的研究正在成為各國(guó)軍備的研究重點(diǎn)［6］。

本文簡(jiǎn)要介紹艦載激光武器的發(fā)展歷程，并對(duì)未來的發(fā)展動(dòng)向進(jìn)行分析。

2 艦載激光武器

2.1 艦載激光武器的發(fā)展歷程

艦載激光武器的歷史幾乎和發(fā)明激光器一樣久遠(yuǎn)，20世紀(jì)70年代初，美國(guó)海軍就開始著手研制中波紅外高級(jí)化學(xué)激光武器(MIRACL)，在80年代進(jìn)行了一系列的打靶試驗(yàn)，證明了這種武器系統(tǒng)摧毀快速飛行導(dǎo)彈的可行性。在嘗試應(yīng)用這種激光器進(jìn)行海上作戰(zhàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在海上環(huán)境下此激光器在3.8 μm波長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的熱暈效應(yīng)，而熱暈效應(yīng)與風(fēng)速有關(guān)，在激光能量達(dá)到一定閾值時(shí)，即使激光能量不斷提高，熱暈效應(yīng)也會(huì)導(dǎo)致打擊目標(biāo)的激光能量反而降低，如圖1所示。

圖1 熱暈及風(fēng)速對(duì)到靶激光能量的影響Fig.1 Influence of thermal blooming and wind velocity on the laser energy arriving at target

可見找到一種熱暈效應(yīng)較小的激光波長(zhǎng)很有必要。已有很多實(shí)驗(yàn)表明，在1～13 μm，只有1～2.5 μm波長(zhǎng)的激光器優(yōu)于3.8 μm的化學(xué)激光器。由此，美國(guó)海軍在90年代中期宣布放棄進(jìn)一步執(zhí)行MIRACL計(jì)劃，啟動(dòng)了一項(xiàng)高能自由電子激光武器(FEL)計(jì)劃。自由電子激光器發(fā)出1.6 μm波長(zhǎng)的激光，處于人眼安全波長(zhǎng)范圍內(nèi)，并且具有在不同大氣條件下性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，被認(rèn)為是最適合作為海上作戰(zhàn)激光武器光源的首選［7-10］。

FEL通常由高能電子加速器、擺動(dòng)器和諧振腔組成。高能電子加速器可以把電子槍中的電子加速到接近光速，使電子能量達(dá)到80 MeV以上。然后電子進(jìn)入擺動(dòng)器，擺動(dòng)器由一排極性交替變化的永磁體或電磁體組成，主要作用是使高能電子束在垂直方向上做周期性擺動(dòng)。擺動(dòng)的電子束會(huì)產(chǎn)生激光輻射，并在諧振腔中形成正反饋，從而產(chǎn)生指定波長(zhǎng)的激光。圖2給出了美國(guó)研制的高功率FEL。

圖2 高功率自由電子激光器Fig.2 High power free electron laser

FEL的主要特點(diǎn)是海上大氣傳輸特性好、波長(zhǎng)可調(diào)以及輸出功率高，已經(jīng)成為艦載激光武器的主要發(fā)展方向，但其發(fā)展仍受到許多高難度的物理、工程及系統(tǒng)問題的限制。與此同時(shí)，另一種基于固體激光器的高光束質(zhì)量和高效率艦載激光武器也引起人們的關(guān)注，即在多種固體激光器中最接近達(dá)到實(shí)用階段的是光纖激光器。

2009年6 月，在美國(guó)海軍水面作戰(zhàn)中心(NSWC)達(dá)爾格倫實(shí)驗(yàn)室的支持下，美國(guó)海軍首次利用IPG公司的商用相干合束光纖激光器成功地追蹤、打擊并擊毀了一架無人機(jī)。據(jù)報(bào)道，美國(guó)海軍“宙斯盾”導(dǎo)彈驅(qū)逐艦就采用了“百人長(zhǎng)”激光防御系統(tǒng)，其核心是固體激光器。

2.2 艦載激光武器的組成及特點(diǎn)

艦載激光武器主要由高能激光器及光束定向器兩大部分組成，圖3給出了基于固體激光器的艦載激光武器的組成示意圖。

圖3 基于固體激光器的艦載激光武器Fig.3 Ship borne laser weapon based on solid-state laser

整個(gè)艦載激光武器的作戰(zhàn)流程如圖4所示。首先，遠(yuǎn)程掠海反艦導(dǎo)彈進(jìn)入艦船預(yù)警雷達(dá)范圍，預(yù)警雷達(dá)對(duì)導(dǎo)彈進(jìn)行捕獲和跟蹤，將方位及速度信息傳給指控系統(tǒng)，指控系統(tǒng)將目標(biāo)信息處理后引導(dǎo)高精度跟瞄系統(tǒng)捕獲、鎖定、跟蹤目標(biāo)，然后引導(dǎo)光束定向器準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)。當(dāng)導(dǎo)彈飛到適當(dāng)距離進(jìn)行激光發(fā)射，發(fā)射的高能激光在導(dǎo)彈易損部分停留幾秒后，摧毀導(dǎo)彈，并通過傳感器判斷毀傷效果，然后定位打擊下一個(gè)目標(biāo)［11-13］。

圖4 艦載激光武器的作戰(zhàn)流程Fig.4 Campaign flow of ship-borne laser weapon

與其他類型的激光武器相比，艦載激光武器有其自身的優(yōu)缺點(diǎn)。除了一般激光武器具有的反應(yīng)時(shí)間快、可連續(xù)多次發(fā)射及效費(fèi)比高等特點(diǎn)外，相比于機(jī)載和車載激光武器，艦載激光器由于可以采用核動(dòng)力及承載噸位，所以可負(fù)擔(dān)體積超大、超重和消耗電能較大的激光武器。另外，相比陸基激光武器，艦載激光武器在達(dá)到同樣的激光高能量的情況下具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。它的主要缺點(diǎn)是:對(duì)毀傷型應(yīng)用，艦載激光武器的作用距離有限(3～5 km);易受天氣條件影響，特別是海上作戰(zhàn)，大風(fēng)、大霧、大雨等極端天氣條件經(jīng)常出現(xiàn)，都會(huì)極大地限制艦載激光武器的效能。

總體來說，在現(xiàn)代高科技海戰(zhàn)中，艦載激光武器仍然是最具發(fā)展前景的武器裝備，它可以利用高能激光束攔截并摧毀大量的低空飛機(jī)、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈及超低空飛行的反艦巡航導(dǎo)彈，致眩敵方偵查傳感器等。因此，目前西方發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相研制，已開展了大量的海上發(fā)射試驗(yàn)。

3 發(fā)展動(dòng)向分析

美國(guó)海軍研究局的發(fā)展規(guī)劃顯示，自由電子激光器和光纖激光器是未來艦載激光武器的發(fā)展重點(diǎn)。他們計(jì)劃在2015年具有100 kW級(jí)自由電子激光器的研制和演示能力，到2025年可以完成MW級(jí)的工程樣機(jī);另外光纖激光器已經(jīng)可以作為短期應(yīng)用裝備在艦船上，在2010年美國(guó)雷神公司已經(jīng)演示過這樣的武器系統(tǒng)。試驗(yàn)中，艦載激光武器為6套商用光纖激光器，組束后(32 kW)向3.2 km外，以時(shí)速480 km/h飛行的無人機(jī)發(fā)射，結(jié)果成功地將無人機(jī)燒毀。預(yù)計(jì)到2025年可以實(shí)現(xiàn)基于100 kW以上光纖激光器的武器裝備。

除上述高能激光器的應(yīng)用外，艦載激光武器也可以由低能、小體積重量的激光器組成，這是目前能夠最先裝備的武器類型。這種小型、實(shí)用、自動(dòng)化、智能化高的激光器可以廣泛地裝備到各種類型的艦船上，用于干擾、致盲敵方部隊(duì)人員、偵查設(shè)備及末段制導(dǎo)設(shè)備內(nèi)部的光電傳感器。

世界上第一個(gè)艦載低能激光武器是英國(guó)研制的艦載激光眩目器。在1982年的英阿海戰(zhàn)中，英國(guó)就曾成功使用此種武器使阿軍飛行員被照射后放棄了攻擊計(jì)劃。英國(guó)海軍已經(jīng)生產(chǎn)了200余套該武器，已經(jīng)裝備到多艘英國(guó)海軍大中型艦艇上。

由于激光武器本身的局限性，未來發(fā)展的艦載激光武器還需要和現(xiàn)有的常規(guī)武器系統(tǒng)配合使用，組成綜合的攻擊防御系統(tǒng)，充分發(fā)揮綜合效能。

艦載激光武器的出現(xiàn)，并不能完全取代傳統(tǒng)武器，但其特別適于對(duì)低空飛行的目標(biāo)進(jìn)行打擊，這樣就可以和傳統(tǒng)的艦載火炮系統(tǒng)組成一個(gè)交叉的火力網(wǎng)。據(jù)理論推算，這可使防空、反導(dǎo)總的攔截率達(dá)到99%。

未來艦載激光武器還需向小型化、高效率方向發(fā)展，一個(gè)可行的方案就是利用高效率的固體激光器，采用自適應(yīng)光學(xué)的方式來補(bǔ)償海上大氣對(duì)激光傳輸?shù)挠绊懀惯_(dá)到目標(biāo)處的光斑更小，能量集中度更高，這樣達(dá)到同樣作戰(zhàn)效果的激光器可以在體積、重量、輸出功率上都有所降低，進(jìn)一步提升艦載激光武器的適用性。

發(fā)展艦載激光武器的同時(shí)，也要考慮反激光武器設(shè)備的研制，這樣“矛與盾”的結(jié)合研究，才能最終達(dá)到最大限度發(fā)揮艦載激光武器效能的目的。如當(dāng)我方裝備被敵方激光擊中后，可以利用后向反射法把激光能量反射回去，或者裝備本身可以旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以降低激光束在一點(diǎn)的駐留時(shí)間，或者采用發(fā)射煙霧彈來衰減激光能量。考慮人員安全可以采取佩戴激光護(hù)目鏡等措施。針對(duì)對(duì)方的防護(hù)措施，我方激光可采用加大激光能量，多束激光不同角度發(fā)射，采用超快脈沖激光等技術(shù)來削弱這些防護(hù)措施。

4 結(jié)束語

艦載激光武器作為常規(guī)艦載武器的有益補(bǔ)充，已經(jīng)為各國(guó)軍方所重視。目前，最有前景的艦載激光武器多基于自由電子激光器和固體激光器。除激光器本身以外，還必須發(fā)展精密的激光光束控制技術(shù)，除改進(jìn)現(xiàn)有的空對(duì)空的跟蹤算法以外，美國(guó)還在實(shí)施同軸和離軸兩種光學(xué)定向器技術(shù)方案的比較，離軸光學(xué)系統(tǒng)可以解決中心遮攔問題，使中心光強(qiáng)較強(qiáng)的高斯光束得以全部傳輸。目前，國(guó)內(nèi)中科院長(zhǎng)春光機(jī)所已經(jīng)掌握離軸光學(xué)系統(tǒng)的整體技術(shù)，但離軸光學(xué)系統(tǒng)由于不對(duì)稱會(huì)引入光軸自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)、其機(jī)械結(jié)構(gòu)不平衡的問題，這些關(guān)鍵問題仍在進(jìn)一步探討中。與此同時(shí)，隨著多種激光器的迅速發(fā)展，適用于防空反導(dǎo)、保護(hù)水面艦艇安全的激光武器將會(huì)大量涌現(xiàn)，這些激光武器的研制甚至可以向小型運(yùn)輸機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)以及地面裝甲車等機(jī)動(dòng)平臺(tái)上推廣，成為一種普遍應(yīng)用的軍事裝備。可以預(yù)見，在未來的海上作戰(zhàn)中，高、低能艦載激光武器將承擔(dān)越來越重要的作用。

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