先進機載激光武器項目簡述

摘要：機載激光武器具有光速攻擊、效費比高、無限彈艙、機動靈活等諸多優點，在反導、對地攻擊、載機自衛等方面具有重要的應用價值。發達國家早在上世紀七十年代就開展了相關項目研究。本文對多個先進機載激光武器項目進行介紹，并對未來發展進行了展望。

關鍵詞：機載激光武器;激光器;氣動光學

1 引言

激光武器具有光速攻擊、效費比高、無限彈艙等諸多優點，得到了發達軍事大國的青睞。進一步將激光武器系統集成到機載平臺后，極大擴展了作戰范圍，并且可以避免地面附近稠密大氣對于激光傳輸的影響。

早在上世紀七十年代，發達國家就在NKC-135平臺上開始了激光武器系統的飛行實驗，驗證了一系列關鍵技術[1， 2]。上世紀九十年代起在波音747-400F的基礎上研制了用于上升段反彈道導彈的機載激光武器系統[3-5]。本世紀以來，一方面開展了對地攻擊、戰機自衛以及基于無人機平臺的反彈道導彈機載激光武器系統研究[6-8]。一方面也在公務機平臺上繼續開展氣動光學等支撐技術研究[3]。本文將對上述典型機載激光武器系統進行簡要介紹。

2 主要機載激光武器項目

2.1 機載激光實驗室項目

發達國家的機載激光武器研究始于上世紀70年代的機載激光實驗室（Airborne Laser Laboratory，ALL）項目。ALL的主要目標是驗證激光武器能夠集成到飛機平臺上，并且可以在真實作戰場景中應對多種威脅，具體包含本機自衛以及為飛機和艦隊提供防空兩項任務[1]。ALL于1972年確定采用一架NKC-135試驗機進行改裝。ALL機身內集成了輸出功率為500kW級氣動CO2激光器（波長為10.6μm），機背上安裝了捕獲跟蹤瞄準系統的炮塔。為了抑制氣動光學效應對于激光傳輸的影響，ALL的炮塔及其后方整流罩做了特殊設計和改裝，并開展了大量的風洞實驗和飛行測試。

ALL于1975年1月首次開始飛行試驗，共分為三個階段。第一階段中測試了捕獲跟蹤瞄準真實目標的能力，結果表明ALL具備了項目需要的精度。第二階段中采用一臺低功率CO2激光器代替高能激光器，并完成了其余所有設備的集成。第三階段開展了高能激光器的集成，根據其特點研制了新的準直系統和激光發射炮塔，并對飛機結構進行了改造。

ALL作為試驗系統成功驗證了機載激光武器的概念，達到了項目的預期目標。該項目開展的大量氣動光學研究工作為后續項目提供了借鑒。然而該項目采用的高能激光器過于龐大，波長過長，而發射口徑較小，嚴重影響了光束長距離傳輸后的毀傷效果，此外該項目無法移植到戰斗機等小型平臺上，最終發達國家軍方判定該項目不具有實用性，ALL于1984年退役，在1988年5月4日飛往某發達國家空軍博物館收藏[1]。

2.2 機載激光項目

為了應對日益嚴重的彈道導彈威脅，某發達國家空軍于1994年重啟了旨在擊落處在上升段彈道導彈的機載激光武器項目，命名為“機載激光”（ The airborne laser， ABL ）[3-5]。ABL以輸出功率約為1MW的高能化學氧碘激光器（波長1.315μm）作為光源，以一架波音747-400F貨機為平臺進行改裝，型號變更為YAL-1A，。YAL-1A頭部原氣象雷達位置安裝了捕獲跟蹤瞄準系統口徑為1.5m的望遠鏡。為了容納化學氧碘激光器，YAL-1A機體結構進行了加強。此外YAL-1A還安裝了用于探測導彈尾焰的紅外搜索跟蹤系統（IRST）、用于目標跟蹤的kW級Yb： YAG照明激光器（波長1.030μm）、用于大氣傳輸補償自適應光學系統的Nd： YAG信標激光器（波長1.064μm）、以及用于導彈測距的CO2激光器（波長10.6μm）[2]。YAL-1A作戰時，首先由IRST發現導彈目標并由主動測距系統借助CO2激光器完成目標測距后，隨后照明激光器持續照射目標，引導捕獲跟蹤瞄準系統的激光發射望遠鏡指向目標，同時信標激光器照射目標，為大氣傳輸補償自適應光學系統提供大氣湍流信息，由變形鏡對其引起的像差進行預補償，最終化學氧碘激光器發射激光束破壞目標[2]。

通過ABL項目在高能化學激光器、光束控制、自適應光學、激光武器系統、先進光學加工等方面取得了顯著的進展，在歷史上首次采用定向能武器擊落彈道導彈。然而由于化學氧碘激光器輸出功率未達預期，最終有效作戰距離僅有數十公里，戰場生存性堪憂。此外該系統過于復雜龐大，消耗的特殊化學燃料補給困難，且項目嚴重超支，最終在2011年12月被取消。YAL-1A于2012年2月14日完成最后一次飛行，并于2014年9月拆毀。

2.3 先進戰術激光項目

為了在城市等環境中精確攻擊15km以內的靜止或運動地面戰術目標并且避免附帶損傷，某發達國家在開展ABL項目的同時于2000年12月啟動了先進戰術激光（Advanced Tactical Laser， ATL）項目。該項目具有強烈的試驗性質，最終被認為“缺乏戰術價值”，沒有得到進一步發展。

需要指出的是，無論是ALL、ABL還是ATL都采用高能化學激光器作為光源。雖然化學激光器具有輸出功率大、光束質量高的優點，但是其體積大、重量高，并不適合對體積重量有嚴格要求的機載平臺。近年來隨著高能固體和光纖激光器的快速發展，一些發達國家重啟了基于AC-130J特種作戰飛機平臺的電驅動機載激光武器項目，如圖1所示[5]。該項目計劃在2020年完成地面集成，2021年完成飛機平臺集成，2022年完成飛行驗證。

圖1 基于AC-130J的電驅動機載激光武器系統分解。

2.4 自衛高能激光演示項目

為了賦予戰術飛機采用激光攔截來襲導彈的能力，某發達國家于2015年啟動了自衛高能激光演示（Self-protect High Energy Laser Demonstrator， SHiELD）項目。與ALL、ABL、ATL等項目不同，SHiELD項目的目標是在戰斗機等平臺上集成激光武器系統，因此要求激光武器系統足夠緊湊且堅固耐用，并且能夠在高強度空戰條件下工作，選用光纖激光器作為光源。該項目分為3個階段：第一階段的目標是完成低功率飛行試驗，包含針對非合作運動目標的捕獲、跟蹤、瞄準、聚焦性能以及抑制氣動光學像差的能力;第二階段的目標是完成高能激光器子系統的研制和驗證;第三階段的目標是針對來襲目標完成系統全功能驗證。該項目的地面演示樣機于2019年4月23日成功擊落了多枚飛行中的導彈[6]，計劃將在2021年在戰斗機平臺上開展飛行試驗。

2.5 基于無人機平臺的機載激光反導項目

雖然旨在上升段反導的ABL項目因諸多原因下馬，但仍將彈道導彈視為重要威脅，并認為機載激光武器是應對彈道導彈的有效手段。近年來高光束質量電驅動激光器輸出功率不斷攀升，功率重量比不斷提高，在無人機平臺上搭載激光武器系統進行反導成為可能。發達國家初步開展了相關項目的推進，但是尚未見到詳細方案和技術指標的報道。

2.6 機載氣動光學實驗室項目

激光武器載機高速飛行過程中，光學窗口附近的附面層、湍流、激波等會造成空氣密度變化，影響折射率分布，最終在激光傳輸鏈路引入像差，通常稱之為氣動光學效應。氣動光學效應會顯著降低激光束到靶功率密度，是限制機載激光武器作戰效能的重要因素。由于ALL項目采用波長10.6μm的氣動CO2激光器作為光源，而且缺乏良好的測量手段，當時給出了“氣動光學像差的影響在40000英尺高度可忽略”的錯誤結論[1]。

進入21世紀以來，機載激光武器系統采用的高能化學或電驅動激光器的波長降低到1μm附近，氣動光學效應的影響急劇增大，為此發達國家于2007年開展了機載氣動光學實驗室（Airborne Aero-Optics Laboratory， AAOL）項目。該項目以塞斯納Citation Bravo公務機作為載機，其中一架飛機上裝載了Nd： YAG激光器，另外一架飛機上安裝了通光口徑101.6mm的激光接收炮塔。開展實驗時兩架飛機保持距離50m的編隊飛行，激光載機向炮塔載機發射激光用于測量氣動光學像差。該項目取得了大量氣動光學效應的一手資料，為相關機載激光武器項目提供了有力支撐。目前基于該平臺的氣動光學研究及驗證工作仍在繼續開展。

3 總結

近幾十年來，發達國家通過多個項目的研究，對機載激光面臨的關鍵問題有了較深入的認識，解決了其中一些關鍵技術問題，在此基礎上不斷推進機載激光武器的實用化進程，即將進入實際裝備運用階段。未來機載激光技術必將在航空領域和戰場發揮重要作用。

參考文獻

[1] Demos T. Kyrazis "Airborne Laser Laboratory departure from Kirtland Air Force Base and a brief history of aero-optics，" Optical Engineering 52（7）， 071403 （2012）.

[2] Steven Lamberson， Harold Schall， Paul Shattuck， “The airborne laser”， Proceedings of SPIE， 6346， 63461M （2007）

[3] Eric J. Jumper， Michael A. Zenk， Stanislav Gordeyev， David Cavalieri， Matthew R. Whiteley， “Airborne Aero-Optics Laboratory”， Optical Engineering 52， 071408 （2013）

[4] “Airborne Laser Photo Album”， http：//www.airborne-laser.com/airborne_laser_photo_album/

[5] Oluyomi Yomi Faminu， “AC-130J Airborne High Energy Laser Demonstration” （會議報告）

[6] Brian Ferguson， “Air Forces SHiELD shoots down airborne missiles with laser”，? https：//www.stripes.com/news/us/air-force-s-shield-shoots-down-airborne-missiles-with-laser-1.579873

作者簡介：白吉賓（1983-2-），男，內蒙古呼和浩特市人，蒙古族，現任北京飛機維修工程有限公司（Ameco）西南航線中心維修檢驗工程師，工程師。研究方向：航空維修安全與質量。