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激光武器走向未来战场

2021-03-12王毅李瑞景

科学24小时 2021年3期
关键词:激光器高能储能

王毅 李瑞景

光作为能量存在的一种形式,不仅直接为人类提供生存所必须的温度环境,而且是地球上其他能量形式的重要来源。正因如此,人类从未放弃使用原始的光能进行战斗的努力。

早在公元前214年,古罗马舰队围困古希腊叙拉古城之时,阿基米德就利用透镜聚焦汇聚光线的原理,成功将古罗马舰队的帆船烧毁。这可能是人类在战争中运用光能作为武器的最早探索。随着科技的进步,人类愈加渴望能够自如地驾驭光能,并将这一渴望直接体现在科幻影视作品中。著名的美国影片《007之择日而亡》中威力巨大的太空激光武器,以及《星球大战》中炫目的激光剑都让全球影迷大呼过瘾。现实世界中,各大国也毫不掩饰对高能激光武器的热衷。如在美国,激光武器在前沿科技武器研发中排名第二,仅次于高超声速武器。俄罗斯总统普京更是声称“激光武器将决定俄军未来的战斗力”。

受世人如此青睐的激光武器到底有着怎样的三头六臂?是否像银幕上反映的那么酷炫呢?

庐山真面目

与大多数传统武器发射弹丸或利用爆炸冲击波进行杀伤不同,激光武器是通过发射高能激光束对目标直接进行攻击的武器。这一独特的工作原理决定了激光武器的基本构成。一般来说,激光武器主要由储能设备、产生光源的激光器和光束定向器3部分组成。

从结构上来说,传统武器中的火焰喷射器可以算是激光武器的“远亲”。储能设备就像是火焰喷射器的油料储罐。与阿基米德直接利用透镜汇聚太阳光不同,激光武器首先需要将其他形式的能量转化为光能。根据激光器原理的不同,储能设备内可储备化学燃料、电能,甚至是机械能。

激光器是激光武器的最核心部分,它的任务是将储能设备内的其他形式能量转化为高能激光束,类似于火焰喷射器的点火装置,但比点火过程复杂得多。根据不同的激光生成原理,激光器可以分为化学激光器、固体激光器和自由电子激光器等。激光器决定了激光武器的发射功率,而“功率”是衡量激光武器威力大小的标准,就像我们用“TNT当量”来衡量核武器爆炸释放的能量一样。

光束定向器由大口径发射系统和跟踪瞄准系统两部分组成。大口径发射系统的功能类似于火焰喷射器的喷管,用于将激光器产生的高能激光束发射出去,其外观像是一个巨大的单筒望远镜。而跟踪瞄准系统则是激光武器的“眼睛”,能够始终跟踪锁定目标,确保激光束在目标上停留足够长的时间。

根据所用储能设备和激光器的不同,激光武器的外形大小不一。功率达到兆瓦级的高能化学激光武器是重达数十吨的庞然大物;小型化的固体激光武器也需要搭载在有一定空间的车载或舰载设备上;而外形酷似传统枪支的单兵激光武器的功率往往不足以对人体造成致命杀伤。所以,类似于科幻作品中激光剑一样便携且杀伤力极大的单兵激光武器,目前只能停留在人们的想象中。

颠覆性优势

虽然激光武器没有影视作品中那样酷炫的外观,但这并不影响其在未来战场扮演“颠覆者”的角色。

光速攻击“天下武功唯快不破”的道理永远适用于战争。激光武器则可以将速度优势发挥到极致,甚至能够成为目前风头正劲的高超音速武器的克星。目前,各大国在高超音速武器研发方面你追我赶,都期望能够率先获得这种可以撕裂对方防御网的武器,以形成单向战略威慑。防御这类高超音速武器的难度在于快,即一般的传统武器无法在极有限的反应时间内作出有效拦截。激光武器的出现将有效改变这一局面。激光武器发射的高能激光束本质上是光,其速度达30万千米/秒,是音速的88万倍。以俄罗斯最先进的“前锋”高超音速滑翔弹头为例,其最大速度为20倍音速,够骇人的了,但相比于高能激光束可谓是龟速。因此,激光武器以光速攻击,可以达到瞄准即击中的效果,大大缩短了拦截所需的时间,可轻松对付高超声速飞行器、轨道飞行器等“高超声速、高机动、高隐身”武器,而拦截巡航导弹、炮弹、无人机等低空低速目标更是不在话下。

极高破坏性如果说光速使激光武器能够稳稳追上目标,那么极高的能量则确保了激光武器可以成功摧毁目标。高能激光束可在极短的时间内在目标照射点上集中超过核武器100万倍的能量。作为潜在的攻击目标,导弹、飞机和卫星的壳体材质的熔点一般在1500℃左右。当高能激光束照射在目標上,就好比用烧红的钢针插进猪板油一样。高能激光束可使目标照射点温度急剧上升直至发生汽化,并对照射点周围材料形成物理冲击和辐射,造成更大范围的物理损伤。以功率为2~3兆瓦的激光武器为例,只要在目标表面照射3~5秒,即可烧穿其壳体,甚至引爆其内部燃料,从而达到摧毁的目的。

无视电磁“盾牌”作为“陆海空天电网”六大战场维度之一,电磁领域早已成为交战双方的必争之地。通过电磁干扰进行防御是电磁战的重要形式之一。电磁干扰可以使来袭的无人机、飞机、导弹等迷失目标、发生电子故障甚至坠毁,从而达到保护己方高价值平台的目的,成为战场上的无形“盾牌”。然而,激光武器发射的高能激光束不会受到任何电磁干扰的影响,可“无视”并轻松穿透电磁“盾牌”,这是一般突防武器所不可能具备的物理特性。

车载激光武器

降低战争成本现代战争的成本极高,一枚导弹动不动就耗资千万美元。如果是中段反导导弹,则动辄以亿美元计算。因此,各国积极发展激光武器还出于经济上的考虑。激光武器超高的效费比不仅体现在单次发射费用低廉上,而且更因其可以连续多次发射而进一步提高效费比。近年来,美国、以色列等国经常用耗资百万美元的常规导弹拦截成本低至百元级美元的无人机和火箭弹,这种“高射炮打蚊子”的战法实属无奈。相比来说,激光武器可谓物美价廉。以功率为30千瓦的固态激光武器为例,它不仅可以有效拦截各类低空来袭目标,而且每次发射成本仅需几美元。同时,激光武器不存在因多次发射而出现的武器寿命缩短等问题。对于空军来说,搭载高能激光武器的战斗机不仅可以节省机载导弹成本,还将彻底颠覆现有的空战模式。毕竟,机载激光武器将使战机摆脱机载武器数量的限制,其发射次数仅受限于储能设备所储能量的多少。技术成熟的机载激光武器将可实施数百次发射,使战机的火力得到几何级增加。

激光武器

曲折的發展之路

具有如此潜力的激光武器的研发当然不会一帆风顺,其发展路径可谓艰难曲折。在经历了各种技术瓶颈的制约后,激光武器的研发之路已从当初的追求高能激光武器向“高”、“低”并进的发展轨道转变。

人们对激光武器在战争中的最初期望就是影视剧中那种可以无坚不摧、一招制敌的超高功率激光武器。但这样的高能激光武器在研发中却遭遇了技术路线上的挫折。虽然冷战时期的苏联就已成功研制出高能化学激光器,并于1975年10月先后对2颗飞过苏联上空的美国导弹预警卫星外探测器实施了5次致盲攻击。但由于激光器效率的低下及储能设备体积的过于庞大,这种激光武器的重量动辄数吨,几乎无法实现机动部署,战场生存能力堪忧。美国的机载激光反导(ABL)计划也曾设想将兆瓦级化学激光器安装于特殊改装的747-400F飞机上,用于摧毁敌方处于助推段的洲际导弹。该项目共进行了3次试验,其中2次成功、1次失败,最终因技术风险和难以投入实战而被奥巴马政府叫停。

与此同时,可通过强光辐照对人眼和武器的光电传感器实施干扰甚至是致盲,以达到软杀伤效果的低能激光武器逐渐受到了人们的重视和青睐。由于功率要求较低,低能激光武器的体积和重量大大降低,可部署于各类已有的武器平台,甚至可供单兵使用,其中部分已经装备部队并投入实战中。在英阿马岛战争期间,英国海军就已经在舰船上部署了可致盲敌机飞行员的激光武器。2002年,在俄罗斯车臣地区的一次解救人质的反恐战斗中,俄特种部队士兵使用低能激光武器使恐怖分子瞬间失去行动能力,顺利解救了身上绑有手榴弹的女记者。截至目前,各国公开在研的低能激光武器型号已达数十种之多。

随着技术的不断发展与完善,高能激光武器的研发也取得了突破性的进展。更为先进的高能固体激光器和电子激光武器已逐步取代众多被叫停的兆瓦级的化学激光器,成为高能激光武器的研发重点。相信在不久的将来,可用于实战部署的高能激光武器将很快问世。

值得注意的是,激光武器出现的意义不同于某一高超音速武器或者某一超级航母的服役,它很可能是人类战争史上又一次重大革命的开始,类似于人类战争从冷兵器过渡到热兵器时代。随着研发的不断投入,适用于各类战场的高能激光武器将陆续研制成功。天基、空基、海基、陆基甚至是单兵激光武器,都可能在未来大规模服役,对现有战争模式的影响将是颠覆性的。近日,美国空军已经开始有计划地通过兵棋推演等模拟手段,让各级军官适应激光武器所带来的冲击。可见,以激光等先进武器为主要装备的未来战争已经逼近,科幻作品中的场景终将走进现实。

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