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美国高能激光武器最新发展现状及趋势

2020-04-02伍尚慧

军事文摘 2020年3期
关键词:激光器高能激光

伍尚慧

现代战争是涵盖多维度、多领域、全时域、高烈度的综合较量。武器装备是衡量一个国家军事实力的重要指标,对未来武器装备的研制关系到一个国家未来军事力量的发展前景。高能激光武器是一种利用高能量射束进行攻击的新概念武器。光束作战的迅速反应能力,外科手术式的精确打击能力,以及特别适于反卫星和破坏敌方信息系统的毁伤能力,使其成为适应21世纪信息化高技术战争的新一代主战兵器。它依靠原子能级跃迁产生的激光束来攻击目标,具有速度快、可控性强、连发能力好、杀伤力大、后勤保障负担轻等优点,在未来复杂电磁环境下,具有特别重要的军事应用价值。高能激光武器以其自身的众多优势在光电对抗、防空、战略防御中发挥重要作用。随着技术和研发逐渐成熟,高能激光武器将成为一种攻防兼备、高效费比、优势明显的新概念武器。

高能激光武器概念与作战机理

高能激光武器是利用高功率强激光来直接毁伤目标或使之失效的定向能武器,按照美国国防部的定义,其平均输出功率大于等于20千瓦或每个脉冲能量大于等于30千焦。主要由高能激光器、精密瞄准跟踪系统和光束控制发射系统组成。目前,军用高能激光通常指功率大于1千瓦的激光。然而,大多数正在开发与测试的战术级军用高能激光功率都在几十千瓦至100千瓦之间,而战略级军用高能激光功率则高达数千千瓦。主要作战对象包括来袭的反舰导弹、巡航导弹和作战飞机等,甚至可以攻击敌方的舰船。具有能量集中、传输距离远、打击精度高、响应速度快、抗电磁干扰能力强、效费比高等优点,其作战方式几乎可以达到“瞄准即摧毁”,被视为是“改变未来作战规则”的未来武器。高能激光毁坏目标的机理是:目标不断吸收照射在其表面上的部分激光能量,被激光照射的部分不断被加热、升温,当目标被激光照射部分的温度升高到材料熔化或气化的温度时,目标被照射部分形成凹坑或穿孔,甚至由于高温产生的高压而产生热爆炸,从而造成目标结构破坏。

美国面向实战型高能激光武器研发取得长足进展

美国在研制激光武器方面处于世界前列,推动激光武器等新概念武器的发展是美国“第三次抵消战略”的主要着力点和突破创新之一。美国长期保持向激光武器技术领域大量投入,拥有最为雄厚的技术积累,美国激光武器已经历了几十年的发展历程,从化学激光器、固体激光器、自由电子激光器的发展以及对于光束控制、强光光学及系统集成技术渐趋成熟。从平台发展来看,机载、舰载、车载激光武器均有取得了重大的突破。多种类型的激光武器已经实现部署。在美国2016财年—2019财年持续增长的经费支持下,陆军持续加快进行多型车载战术激光武器系统研制工作;海军高能激光技术开发与作战研究并行,正密集开展固体激光器的海上应用演示试验,包括摧毁无人机、移动靶船等;空军高功率激光武器系统设计工作,与低功率激光系统开发和飞行测试同步进行,项目已接口规范化,吊舱与战术飞机开始进行集成工作。

目前,美军将固体激光武器作为发展重点,各军种积极推进战术激光武器在舰艇、战车等平台上的应用。美国激光武器技术相对成熟,部分激光武器装备已接近投入实战。经过多年的发展,美国已经对天基、地基、机载等多种激光武器进行了广泛研究,且进展顺利并取得了突破性成果。

美国机载高能激光武器系统美空军积极探索适应多种任务职能的定向能武器,对战术飞机激光武器的研发集中在小型化、灵活性、作战效能提升及多平台扩展上。在新一代机载激光系统方面开展了航空自适应光束控制系统(ABC)、F-35战斗机上集成激光系统模块,全面推进高能激光器向AC-130攻击机﹑B-52轰炸机﹑KC-135空中加油机﹑AH-64阿帕奇直升机等多平台扩展。不断推进激光武器小型化,自我保护高能激光演示器(SHiELD)项目将为战术飞机研发一种小型、灵活的高能激光武器系统,以实现对抗地空导弹和空空导弹的先进自防御能力;高能液体激光区域防御系统(HELLADS)项目,旨在研制一款150千瓦的激光武器系统,尺寸和重量仅为目前相似功率激光器的1/10,可用于陆、海、空多种平台。2019年,美空军进行了多个项目研发并进行了测试;推出了紧凑型高能激光子系统评估(CHELSEA)项目,将采用CHELSEA数据设计构建2024年预定技术成熟度达到5级的激光器样机;使用SHiELD高能激光演示器成功击落多枚空射导弹。美空军计划为战斗机F-35和F-15装备激光武器,预计2021年进行首批机载激光武器测试,期望激光武器功率从10千瓦增加到100千瓦。此外,雷神公司正在研制能够拦截超音速弹道导弹的激光武器。

典型激光武器系統的组成示意图

另一方面,美军还计划将激光武器应用于无人机反导技术领域,利用无人机搭载高能激光武器进行渗透式打击,摧毁敌方弹道导弹。美国导弹防御局(MDA)正在支持固态和电激光武器的发展,其工作波长更短,可实现能量更密集的光束。目前正在开发两种激光武器:一是二极管泵浦碱金属激光武器(DPAL),二是光纤合成激光武器(FCL)。MDA开展了高空无人机搭载高能激光武器进行反导研究,2017年发布高空长航时无人机项目,能够在弹道导弹发射几秒钟内使用高能激光武器将其击落。低功率激光演示验证器(LPLD)项目是MDA近年来大力发展的、用激光器拦截处于助推段的弹道导弹项目开发计划。美空军正在分阶段推动激光武器实战化。MDA制订了定向能路线图,计划2021年集成到一架无人机导弹射手上。美国计划目标是在2018财年或2019财年演示的120千瓦级DPAL和50千瓦级光纤激光武器都能达到5千克/千瓦。2023年后,拥有U-2S有人高空侦察机载荷及航程能力的无人机将装备激光武器来执行导弹防御任务。

美国舰载高能激光武器系统美海军将高能激光武器视为挫败非对称威胁、节约动能效应器,以对抗更强大空中与水面威胁的更具效费比手段。2016年—2019年,美海军制订了高能射频武器、激光、定向能反制发展路线图,以加快发展驱逐舰部署激光武器的进程,计划在2020年左右装备Flight ⅡA型阿利·伯克级驱逐舰。此外,美国海军近十年来一直将激光技术视为最具效費比的防御手段,重点关注能促成激光武器模块性的概念和接口,其具备更高的技术成熟度、更接近实战部署。

海基高能激光武器发展经历了三个阶段。第一阶段以氟化氘化学激光器为开发重点,试验高能激光武器对各种目标的毁伤能力,获得大气传输特性数据;第二阶段以综合电力推进舰艇为装舰对象,重点研发自由电子激光器,希望获得在海洋环境下大气传输特性更好的高能激光武器;第三阶段采取了两条技术路线螺旋式发展的模式:一条是以固体激光器为基础进行激光炮武器系统集成;另一条是继续以自由电子激光器为重点进行更高功率激光武器的研制。

美国海军致力于加强态势感知和反导分层防御能力建设。目前,美海军积极开展多个激光器项目,其中包括:高能激光和集成光学防护装置(即HELIOS)、海军水面激光武器系统(SNLWS)、海军光学致眩阻截系统(ODIN)、固态激光技术成熟项目等。HELIOS系统旨在研发部署于美海军水面舰艇具备情报收集、侦察(ISR)和反无人机能力的激光武器系统,2018年,为阿利·伯克级驱逐舰采购新的海军水面激光武器系统(SNLWS)。洛克希德·马丁公司将研制并在2020年交付2台测试样机,一台样机将被用于新墨西哥州白沙导弹靶场进行地面测试,另一台将安装至阿利·伯克驱逐舰上。2019年5月美国国会发布的报告称,美国海军正在开发固态激光器、电磁轨道炮和炮射制导炮弹这3种新型舰载武器。新型舰载武器可大大提高美国海军水面舰队对抗水面舰艇、无人驾驶飞行器及(最终的)反舰巡航导弹的防御能力。

美国激光武器将向F-35、阿帕奇等平台扩展

2019年,美国海军在装备建设上成绩卓著:美国海军在激光武器舰载化方面取得“实质性进展”,HELIOS系统的电源设计已经通过审查,计划于2020年6月前后完成电池原型研发;使用MH-60S直升机载激光系统扫描并探测水下类似水雷的目标;另外,美国海军将于2019年部署高能量激光武器和激光干扰器,从而进一步支持海军激光武器系统族(NLFoS)的研发。NLFoS包括4个研发项目,涉及3种部署上舰的武器系统,分别是部署于两栖舰的150千瓦固态激光技术成熟系统(SSL-TM)、60千瓦高能激光和集成光学眩光监视系统(HELIOS)以及计划部署于驱逐舰的ODIN型激光干扰器。

美国陆基激光武器系统美陆军致力于推进更加紧凑、更具实战化的激光武器,用于防御任务的高能激光武器备受关注。自20世纪70年代以来,美陆军一直在努力开发实战应用的激光器系统。近年来,美陆军大力推进高能激光战术车辆项目研发,正不断地将功率更强大的激光器装备于更小型车辆。2016年,美国尝试将更强大的激光武器集成到比重型增程机动战术卡车(HEMTT)体积更小的车辆上。2017年完成了坚固式电激光器倡议计划中光纤激光器的研制工作,并于2018年开始将其集成到高能激光移动测试卡车上,目前,美陆军着手推进两项激光武器工作:一是将较低功率激光器装备在八轮驱动的斯瑞克装甲车;二是将较高功率激光器装备于改装后的货运卡车。当前主要在研项目包括机动实验型高能激光器(MEHEL)、高能激光器移动试验车(HELMTT)项目、高能激光战术车辆演示器(HELTVD)以及多任务高能激光器(MMHEL)等。

美国战略陆基高能激光武器,在反卫星领域具有良好的运用前景,仍处于发展完善阶段。预计在2020年左右,陆基反卫星高能激光武器将达到实战部署阶段。在反导方面,战略陆基高能激光武器发展较缓慢,技术瓶颈在中段和末端,目前主要研究方向仍然集中于助推段拦截。相较于战略陆基高能激光武器,战术陆基高能激光武器发展迅速,并且部分型号已经具备实战部署能力。

2019年,美国陆军尤其关注对激光武器未来的资金投入与部署计划,美国陆军签署了一份全面的定向能武器计划,将在未来5年内增加投资,预计在未来5~10年内定向能武器将与下一代战车和未来垂直升降机等多平台集成。美国陆军计划2020年后陆续测试50千瓦、100千瓦激光武器,在2027年之前,将高能激光武器纳入其空中和导弹近程防御武器库,同时,美国防部计划推出体积更小、更具实战化的激光武器,海军陆战队关注反无人机车载紧凑型激光武器(CLaWS,又名“利爪”)的发展,该原型机已交付美海军陆战队,该装备包括2千瓦、5千瓦和10千瓦等多个型号,可以代替传统武器完成反无人机任务,将成为海军陆战队反无人机体系的重要组成部分。2019年,最为引人关注的是MDA发布1000千瓦激光武器样机的研制需求,项目开展时间为7年。新型兆瓦级激光武器样机将用于弹道导弹防御系统(BMDS)中的激光缩比项目,要求重量不超过4吨,整个系统包括激光装置、电力以及热管理等子系统。MDA重点强调了减小系统的重量和尺寸,并希望提高系统功率、光电效率、光束质量以及激光运行时间。MDA计划获得一种具有成熟技术和轻量级工程路径的地面演示激光系统,最终搭载部署于各种作战平台。

搭载于美国圣安东尼奥级船坞运输舰的一款激光武器验证系统

美国天基激光武器系统美国在外层空间飞行方面世界领先。自1977年美空军开始资助天基激光武器研制以来,1983年,又提出星球大战,在相关计划支持下,先后开展了阿尔法激光器、直径4米的大型聚焦镜等研究。虽然美国对天基激光武器的研制已持续40多年,但投入实战始终未能实现。

当前,反外空武器化和外空军备竞赛已在各军事大国展开,美俄企图将动能武器大规模应用于太空作战和反导防御作戰。五角大楼正着眼于太空激光武器技术,将其作为在推进飞行阶段击败导弹威胁的最终解决方案,并列入2019财政年度《国防授权法》中,同时要求国防部明年制定出在助推段导弹防御能力的初步计划。美国计划于2020年正式组建太空部队,发展动能反卫星武器、定向能卫星武器、轨道攻击武器等五类天基打击武器,美国的战略威慑能力将进一步提升。美国国会希望MDA尽快研发并演示助推段ICBM拦截能力。天基激光武器技术是其选项之一。美国瞄准2023年研制并部署兆瓦级激光器。

在2020财年预算中,国防部用于下一代导弹防御系统的其他新技术拨款为3.04亿美元,美国国会批准5000万美元用于推动导弹防御激光武器的发展,将继续研发3个独立的激光定标放大项目,目标是2021年演示500千瓦激光武器,2023年演示“最佳”1兆瓦的激光能力。搭载兆瓦级激光器的DARPA高能液体激光区域防御系统(HELLADS)重量将达到5吨。由于质量太大而无法安装到F-35。适用于战斗机的兆瓦级激光器重量需介于500千克到1000千克。SpaceX公司大型猎鹰火箭(BFR)将能够在太空部署激光武器。作为美国国家导弹防御(NMD)系统的一部分,IFX是美国21世纪天基激光武器发展计划,当时计划在2013年将一台兆瓦级阿尔法氟化氢激光器发射到400~480千米高空,搭载天基激光武器的卫星将在1300千米高轨运行,激光武器的有效杀伤距离为4000~5000千米,可摧毁9~11千米高空的弹道导弹,可对东、北非和东北亚等战区提供连续的战区覆盖,以应对俄罗斯火箭部队的威胁及第三世界国家的攻击。

2019年1月,美国国防部在《导弹防御评估》中表示:发展可延续、高效、紧凑的高能激光技术才能为弹道在早期阶段中摧毁助推导弹,提供未来具有成本-效益的能力;正在开发一种低功率激光器样机,用于评估在无人机载平台上安装激光器所需的技术(如:光束传播和光束控制),该无人机载平台在导弹助推段跟踪和摧毁导弹;对天基传感器和拦截器(可探测发射、攻击导弹并确认车辆被摧毁)进行在轨实验和演示;基于太空的杀伤评估(SKA)计划,正在部署一个基于太空的红外传感器网络。五角大楼耗资1500万美元正在对兆瓦级星载激光武器进行探索,旨在研究卫星搭载激光武器摧毁敌方导弹的可行性,计划在6个月内完成项目研究。

美国高能激光武器发展态势分析

万瓦至十万瓦量级的战术激光武器成为关注重点,作战任务优先级随之进行调整。伴随武器装备关键技术的不断发展及对当前一系列技术能力局限性认识的深入,美国减少了最有可能实现兆瓦级目标的化学激光器和自由电子激光器的投入。美军将万瓦至十万瓦量级战术激光武器作为高能激光武器项目的研发重点;火箭弹、炮弹、迫击炮或小艇与无人机等软目标的战区、要地及要点防御成为更具现实意义的战场需求。

基于多平台的样机研制及各种气候环境下的演示,验证战术高能激光武器系统实战应用的技术可行性。美军通过多平台样机研制和演示验证积累了大量的理论、工程及作战经验,为未来武器装备的风险降低和技术成熟度提升奠定了良好基础。自2018年开始,美海军和陆军不断对现有高能激光武器系统的输出功率进行大幅提升,并改善光束质量、光束定向器结构、跟瞄系统、电源等部件和平台适装性等工程问题,提升了高能激光武器系统在战场环境下的作战能力。

雷神公司展示的能够拦截高超声速导弹的未来激光武器系统

受军事需求牵引,明确发展技术路径是战术激光武器的当务之急。虽然美国各军兵种结合自身作战需求,越来越重视高能激光武器的研制及应用前景,但明确激光器的技术路线仍是战术激光武器最紧迫的任务。现有样机试验计划能否转为型号研制,将取决于作战需求,技术成熟度,系统集成的复杂性和经济可承受性。

不断加大经费投入和相关技术的成熟,将加快高能激光武器实战部署进程。美国国防部高度重视高能激光武器系统在未来战场中具有“改变游戏”规则的战略意义,为其技术研发、装备研制及实验验证给予了充足、稳定的经费支持。随着相关武器装备理论研究、应用可行性均达到军事应用的基本要求,美国高能激光武器装备将加快步伐进入样机研制及试验阶段,高能激光武器装备的型号列装已为期不远了。

高能激光武器的发展趋势

由超高功率战略威慑转向较低功率战术应用。新一代激光武器在小型化、大威力化的实战运用性不断增强,由巨型化走向小型化,由战略威慑走向战术运用,将成为未来“空天一体化”战争中必不可少的重要武器。

紧凑型、轻量化和多平台化激光技术将改变未来战争形态。当前,激光技术向高功率、紧凑化、相控阵和极端应用环境方向发展,将引发武器装备杀伤机理、核心器件、探测体制的深刻变革,对武器装备产生跨时代的影响。要重点关注有潜在颠覆性影响的激光反超高速飞行器技术、新型高能纳米流体激光器技术、高能光纤激光技术等;为提高激光武器的性能和作战效能,将着力攻克高能激光器技术、光束控制技术、新型光源技术、大功率激光相控阵技术、多平台适用技术等。

固体激光器成为研发热点。固体激光器目前已经成为美海军舰载战术激光武器的主流。特别是光纤激光器,具有增益介质比表面积大(散热性优良)等诸多优势,通过光束合成等技术,未来将装备到舰船、飞机和车辆等平台上。

建立激光综合防御系统,适应联合攻防作战需要。未来战争将是海、陆、空、天一体化的联合战争,建立激光综合防御系统,同时将激光高能武器融入三军联合攻防作战体系,协调作战,才能发挥其最大效能。

责任编辑:刘靖鑫

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