這才是美國機載激光武器的真實水平

本文作者張亦卓,中國航空制造技術研究院,由激光行業觀察編輯整理,僅作交流學習之用,感謝分享!

激光武器是指將高能激光束聚焦到作戰目標上,摧毀或使作戰目標失效的定向能武器,具有快速、靈活、精確和使用成本低等特點。進入 21 世紀以來,美國不斷在激光武器的演示驗證上取得突破,並將激光武器裝備計劃提上議事日程,德國、俄羅斯等國傢也紛紛投入巨資進行研究。激光光束傳輸受天氣情況影響大,靠近地面水平方向上大氣對激光的衰減最為嚴重,高度越高影響越小。因此,激光武器裝載在受這些因素制約較小的飛機或高空武器平臺上更能發揮其光速攔截優勢。

一、機載激光武器概念

機載激光武器是以飛機為平臺的激光武器系統,可應用於預警機、轟炸機、運輸機、加油機、戰鬥機、直升機等各種空中平臺,遠距離幹擾致盲來襲導彈導引頭、機載光學傳感器等光學敏感目標,近距離硬毀傷彈體、機體結構,消除來襲導彈、飛機等典型空中威脅,具備反應快速、全方位攻擊等特點,察打一體、軟硬兼備、攻守皆能,具有戰術、戰略運用潛力,和常規武器相結合將大幅提高飛機的生存和攻擊能力。

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機載激光武器系統要正常工作,首先要實現與載機平臺集成問題,綜合考慮載機平臺提供的空間、載重、供電、散熱和振動環境、電磁兼容等方面的約束,保障激光武器系統高效穩定工作並減小激光武器對載機的影響。圖 1 是美國 ABL 機載激光武器佈局,系統由波音 747 客機改裝而來。

二、技術體制

CO2激光是最早達到武器級功率水平的激光體制,但波長較長導致發射系統龐大,激光系統體積大且維護困難,更適合在激光焊接、切割、熔覆等工業領域中應用。目前可實戰應用的激光武器采用的主要技術體制包括化學激光和固體激光。其中化學激光可方便實現大功率兆瓦級輸出,進行硬毀傷或遠距離幹擾,但體積龐大且存在排放污染問題,適合地基、艦載使用;固體激光器體積緊湊、重量輕,但目前輸出功率較低,更適合對體積重量要求較為苛刻的機載、車載平臺環境使用。

化學激光器

化學激光器是目前效率最高、技術最為成熟的激光器,並且最先達到實戰需要的功率水平,因此美國ABL、ATL 都采用氧碘激光器進行集成驗證。然而,化學激光器實戰部署困難,使用中存在一些問題,包括:結構復雜龐大、重量大,戰術作戰飛機無法搭載,化學染料易燃、劇毒、有腐蝕性,使用維護繁瑣且費用昂貴。圖2是美國與以色列聯合研制的氟化氘激光武器。

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固體激光器

固體激光器具有全電能驅動的特性,具有以下特點:(1)采用光學抽運的方式,完全由電能轉化而來,因此可采用“全電化”的工作方式;(2)固體增益介質一般有較長的上能級壽命和較寬的增益譜,這使得固體激光能夠很好地用於脈沖制式。

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固體激光器的特點使其具有結構緊湊、效費比高以及可以多制式輸出等優點。由於固體增益介質內部產生的熱量隻能由表面耗散,使得增益介質在高功率泵浦時產生較大的溫度梯度,導致熱應力和熱畸變,從而導致熱損傷和光束質量退化等問題。圖 3 為美國洛· 馬公司的高功率光纖激光器用增益光纖,光纖被纏繞在散熱器上。

三、發展歷程

機載激光實驗室(ALL)計劃

美國空軍早在 20 世紀 60 年代,已經開始研究如何在飛機上安裝激光器,擊落空中飛行的目標。1973 年, 美國空軍在一架 KC- 135A 加油機上,利用百千瓦級CO2 氣動激光器作為光源,開展瞭“機載激光實驗室”(ALL)計劃。1983 年,擊落瞭一枚 AIM- 9B“響尾蛇” 導彈,成功實現瞭公裡級距離打擊空- 空導彈。圖 4 為ALL 計劃演示樣機照片,紅框內為搭載的激光轉塔。

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該計劃用瞭12年時間,演示驗證瞭高能激光攔截空中目標的技術可行性,為後續機載激光武器演示驗證項目開辟瞭道路。ALL計劃一定程度上解決瞭激光武器機載過程中的高能氣體激光輸出、高精度跟瞄等問題,但在許多關鍵技術領域尚未取得突破。

機載激光武器(ABL)計劃

20世紀80年代後期,新型兆瓦級氟化氘激光器(DF)和氧碘激光器(COIL)、捕獲、跟蹤、瞄準技術、自適應光學技術、大口徑輕質光學反射鏡制造技術不斷取得突破。

海灣戰爭結束後,美國空軍針對不斷擴散的彈道導彈威脅,提出ABL計劃,用於攔截敵方助推段彈道導彈。1996年11月空軍和波音等聯合完成ABL概念設計,用於對戰區彈道導彈進行探測、跟蹤並在其助推段將其擊毀。

ABL整個發展歷程可以分為 4大階段。第1階段用瞭6年時間,進行方案設計、技術準備和概念論證。第2階段是單元技術突破和子系統研制的快速發展階段,不斷取得技術突破,發展勢頭總體良好,但新的技術問題持續出現,導致瞭進度的大幅拖延。最初計劃2004年初開展首次導彈攔截試驗,但2004年才實現6模塊氧碘激光器首次出光和波音747-400F改裝後的適航飛行。第3階段是項目計劃多次調整和系統集成過程中不斷解決新問題的階段。2005年實現瞭6模塊氧碘激光器全功率工作;2006年完成瞭低功率發射和模擬跟瞄試驗,驗證瞭光束控制、火力控制系統和自適應光學系統;2007年完成激光照明目標的跟瞄試驗,驗證瞭跟蹤瞄準系統對空中飛行目標的捕獲和跟蹤能力,演示瞭完整作戰過程;2008年完成瞭全功率激光器飛機平臺安裝調試,實現瞭地面試驗狀態下的全系統全功率工作。第4階段是全系統預備試驗階段,2009年ABL進行瞭一系列成功的飛行試驗,完成瞭武器系統功能檢查、對飛行導彈的跟蹤瞄準、大氣傳輸補償和低功率激光發射、首次對飛行測量靶彈的打擊試驗、首次全功率激光飛行發射試驗。在4個階段完成後,進行瞭助推段導彈攔截演示,於2010年摧毀瞭80km外的助推段液體彈道導彈 。

ABL計劃由於資金和技術問題,進度數次調整、研發進度一再推遲,最終未達到預期的能力水平。但其導彈攔截試驗首次演示瞭激光在機載平臺上的作戰能力,在激光武器單元器件、分系統和系統集成方面取得瞭重大進展,攻克瞭諸多技術難題,技術水平世界領先,對於機載激光武器的實戰化應用具有重要意義。

先進戰術激光武器(ATL)計劃

在ABL計劃進度不斷拖延的同時,美國國防部在先進概念技術演示計劃中,支持波音公司開展ATL計劃。ATL計劃采用成熟的萬瓦級氧碘激光器和光束控制系統,進行戰術應用。

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該計劃的目標是:針對成熟的氧碘激光器和光束控制系統開展集成,研制新型的激光發射系統,安裝到作戰飛機平臺上,使其能夠作為一種戰術級激光武器對地面目標進行精確打擊。ATL作戰主要針對地面目標,光束定向能裝置安裝在C-130飛機的腹部,圖5展示瞭系統內部佈局。ATL於2009年成功擊毀瞭15km外的地面車輛。

ATL計劃采用成熟技術開展系統集成,先於ABL完成試驗,開展瞭機載激光武器精確打擊地面固定目標和機動目標試驗,驗證瞭戰術運用能力,標志著機載激光武器發展重心向戰術運用的轉移。

四、當前重點計劃

在美國國防部“聯合高功率固體激光器(JHPSSL)計劃支持下,2009年固體激光器首次突破瞭可滿足實戰戰術毀傷使用的100kW輸出功率,標志著激光武器技術體制變革的開始。

首臺百千瓦固體激光器是由美國諾格公司於2009年3月完成的,該系統用每鏈路輸出15kW的7個鏈路相幹合束,輸出功率達到105.5kW,光束質量優於3倍衍射極限,連續工作時間超過300s。2010年2月,美國達信公司用6個17kW激光模塊串聯,實現單鏈路100kW激光輸出,第2個實現瞭固體激光器百千瓦激光功率輸出。相比化學激光,固體激光具有體積緊湊、全電驅動等諸多優勢,隨著其功率水平、光束質量的突破,美國機載激光武器計劃的技術體制全面向固體激光轉變。

大型飛機電激光器(ELLA)計劃

由美國國防預先研究計劃局(DARPA)與空軍研究實驗室(AFRL)合作,為B- 1B戰略轟炸機加裝百千瓦激光器並進行飛行測試的演示驗證項目 。

DARPA在“高能液體激光區域防禦系統”(HELLADS)項目支持下,發展瞭 150kW激光器,包括冷卻系統在內的總重低於750kg,用於ELLA激光器驗證樣機。HELLADS項目由通用原子公司主導,已經實現瞭大功率激光輸出並具備優良的光束質量。HELLADS項目經理李奇 · 巴格內爾表示:“技術障礙是巨大的,但值得欣慰的是我們已經生產瞭一型固態激光器,並達到該尺寸激光器中無可匹敵的功率和光束質量。現在HELLADS已經做好瞭準備,將在外場試驗中對抗一些我們戰士在實戰中面臨的最棘手的戰術威脅。”

ELLA計劃已使固體激光器重量功率比達到空前的5kg/kW,並仍在持續開展技術攻關,增大輸出功率水平、減小體積重量、提升工程性能。固體激光技術的持續突破,使得激光武器具備搭載在作戰飛機平臺的能力,並催生瞭後續計劃,包括 SHIELD、LPLD。

自衛高能激光器演示樣機(SHIELD)計劃

固體激光雖然當前尚不能搭載在戰鬥機上實施空戰任務,但由於其良好的發展勢頭和巨大的應用潛力,美空軍正積極推進研發緊湊型全電驅動激光武器。以期不久的將來將其集成到作戰飛機上,通過改變空中交戰規則,繼續保持空中優勢。為此,美空軍實驗室制定瞭3階段發展計劃:一是研制一個功率幾十千瓦的自保護高能激光驗證裝置,計劃 2020 年基於 AC- 130 武裝攻擊機開展演示驗證;二是研制一個具有 100kW 的遠程防禦系統,計劃 2022 年基於 F- 15 等傳統戰鬥機開展演示驗證;三是研制一個300kW的遠距攻擊系統,集成在F- 22、F- 35等5代機及未來 6 代機等隱身平臺,用於毀傷敵方飛機和地面目標。

定向能研究(DER)項目

ABL 計劃雖然中止,但美國防部導彈防禦局 (MDA)仍堅持助推段是攔截和摧毀導彈的理想時間段,並未放棄用機載激光武器攔截助推段彈道導彈的探索研究。DER 項目隨後啟動,探索不同於 ABL 的“大型飛機+化學氧碘激光武器”技術路線,改用高空無人機平臺搭載和使用輸出功率 200kW 級的激光武器進行攔截。

這才是美國機載激光武器的真實水平

在高空使用,可有效克服激光光束傳輸受天氣情況影響的問題。在 DER 項目支持下,通用原子公司旗下的航空系統公司曾利用其“死神”無人機試驗“多光譜瞄準系統”(MTS-C),實現單架“死神”就能對助推段彈道導彈進行精確跟蹤瞄準,演示樣機如圖 6 所示。

隨著固體激光技術的高速發展,其體積重量更小、輸出功率更大、光束質量更好,已經可能搭載在無人機上進行長時間巡航。低功率激光演示器(LPLD)計劃是 DER項目的最新研究計劃,旨在解決激光器的功率和孔徑尺寸問題。該項目采用瞭先進的光束控制系統和光纖激光器,開展高空無人機用激光探測和攔截助推段彈道導彈的研究工作。預計 LPLD 項目將采用能夠在約 18km 高度飛行的高空無人機(如“全球鷹”)搭載固體激光武器,可完成高空長航時值班,實現戰略應用目的。

五、展望

回顧發展歷史,自 ABL/ATL 之後,美國機載激光武器發展呈現出由戰略應用向戰術應用轉變、由大型平臺向小型平臺轉變、由化學激光向固體激光轉變的趨勢, 機載激光武器正在從試驗演示向武器裝備轉化。

推動機載激光技術發展必須解決能源供應、體積、重量、高低溫、振動、低氣壓等諸多實際問題,才能真正滿足復雜環境需要。美國利用 30 年的時間完成瞭 3 輪機載激光武器的樣機研制和集成驗證,才形成技術體系,突破各項關鍵技術。

目前我國激光器功率水平緊追美國,但仍存在一些技術薄弱環節(1)樣機研制和工程化設計驗證要協調推進,要綜合考慮平臺的空間、載重、供電、散熱和振動環境、電磁兼容等方面的約束,保障激光器系統高效穩定工作,並減小其對平臺的影響內;(2)激光光源需要集成在有限體積和重量范圍內,關鍵器件的環境適應性研究需全面展開;(3)發展能源管理技術,對能源供應、熱管理等方面實施系統優化,解決平臺供電與散熱能力有限的問題。

相對於地基、艦載、車載平臺,機載條件最為苛刻,解決激光武器機載問題,可以向其他平臺復制,制造出規模更大的系統。因此,應加快相關系統驗證,開展高功率激光器機載環境適應性和系統飛行驗證,盡早暴露和解決機載激光實用化進程中的技術問題。

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