易亨瑜，齐 予，易欣仪，刘宝林，张 凯

（1.中物院应用电子学研究所，四川 绵阳 621900；2.复旦大学 化学系，上海 200438；3.军事科学院 国防科技创新研究院，北京 100142）

引言

高技术武器装备的研制具有技术体系复杂、投资金额大、涉及方面广、对全局影响大等特点，因此在武器装备研制过程中，对各项技术都要认真筛选，保证技术具有足够的成熟度以满足项目的需求。在这方面有大量成功和失败的案例。在20世纪90年代初，尽管当时基于化学高能激光器的系统技术十分复杂，但美国陆海空三军、导弹防御局仍相继推出了一系列高能激光武器计划，其中最引人注目的是ABL 计划，它是由美国空军提出的有史以来规模最大的激光武器系统研制项目，虽然于2010年成功演示了对80 km 处导弹的拦截，在世界上曾引起广泛的轰动，不过在进入战场部署前却“戛然而止”。美国海军在2007年启动了耗资巨大的舰载激光武器LaWS系统的研制，采用大量的商用器件，于2013年4月集成在庞塞号两栖战舰上正式服役[1]，并部署在波斯湾进行实战射击试验[2]。

为了避免在成功的演示样机和随后批准的采购项目之间陷入技术转化的“死亡之谷”，有必要对这些计划进行反思。国外激光武器的进展评述已有较多文献[3-11]，但在激光武器系统的技术成熟度评价方面文献较少。本文将应用技术成熟度指标评述美国舰载激光武器LaWS系统在各阶段研制中的技术进展，最后分析了LaWS系统的研制途径及其战场部署意义。

1 技术成熟度

技术成熟度（technology readiness level，TRL）指单项技术或技术系统在研发过程所达到的一般性可用程度[12]。技术成熟度是衡量技术对项目目标满足程度的一种度量方法，是项目风险管理的重要方面。美国是最早研究技术成熟度的国家，1969年提出了要开发技术成熟等级评估工具的设想，1974年提出了7级“技术成熟度”体系，1989年将其扩展为9级体系[13]，用于评估正处于演进过程中的技术（材料、组件、设备等）的成熟状况，以确定是否能够应用在未来的系统或子系统中。经过50年的发展，已逐渐形成一套完整的体系，并对国防装备的研制产生了重要而深远的影响。

美国国防部颁布的《国防部技术成熟度评价指南》中9级技术成熟度[14]，其定义如表1中的特征描述所示。

表1 美国防部技术成熟度等级定义Table1 DOD technology readiness level class definition

为便于分析，我们整理了各级技术成熟度对应的评判说明，具体情况见表1的成果形式。

按照科研项目中技术研发所达到的状态，1～3级TRL 对应于国内常用的基础研究阶段，以基础性的概念研究、功能证明、实验分析等为典型特征；4～5级TRL 对应于技术开发阶段，以研究性的实验室研发、组件验证、关键性能、样机验证等为典型特征；6～7级TRL 对应于系统演示阶段，以系统性的组件集成、样机演示和系统/子系统演示为典型特征；8～9级TRL 对应于定型评估阶段，以成型产品或系统的测试、运行和评估为典型特征。

自2003年开始，美国审计局将技术成熟度评价作为重要的审计工具，之后美军各军兵种目前已普遍将TRL 应用于具体采办工作中。在美国审计局每年向国会报告中，技术成熟度是评价国防项目进展情况的3个准则之一。通过技术成熟度的审查，发现那些技术成熟方面存在严重问题的项目，然后采取相应的措施。美国国防部强调只有成熟的技术才能应用于正式采办中，从控制风险上看，达到TRL7（系统样机通过实战环境演示验证）要求是转入工程研制、进入生产与部署阶段的前提。

2 舰载激光武器LaWS系统

舰载激光武器LaWS的研制进展正是在技术成熟度指导下各个子系统的技术提升。下面将阐述各个阶段的试验目标和试验成果，并利用技术成熟度指标评述各阶段的技术进展。

2.1 技术进展

2.1.1 立项背景

为解决“反介入/局域拒止”上关键能力的不足，美国海军定向能武器项目办公室计划研制LaWS 高能激光系统，改变海军应对火箭弹、炮弹、迫击炮弹及无人机等非对称性威胁时的作战方式，极大地减少了作战成本，为士兵提供新型武器来应对目前和未来的战争，为进攻和防御作战增加一套新型选项。另外，该系统还可作为非致命武器警告对方。

2.1.2 系统结构

LaWS系统主要由发射望远镜、作战光源、测距仪、目标跟踪单元和总控子系统等5个子系统组成[15]，如图1所示。6束IPG光纤激光器输出的高能激光通过光纤导入望远镜再进行光束发射，在望远镜左臂上安装了一台商用的激光照明器和雪崩光电二极管测距仪，在望远镜右臂上安装了一个宽视场的中波红外粗跟踪传感器，它们的视场轴与激光光束一致。

图1 独立平台上的LaWS系统Fig.1 LaWS beam director on its own mount

作战时，外部雷达获取目标位置信息并输入到LaWS系统的总控子系统，转化为系统的本地坐标，然后发送目标在望远镜俯仰和水平方向上的位置信号，指导望远镜对准目标，并在主动照明下根据跟踪相机采集的目标数据切换到自主跟踪模式，由测距仪得到目标距离，指导望远镜对目标进行聚焦，最后发出激光开火指令。

2.2 技术成熟度评价

技术成熟度的评价流程包括系统关键技术元素的识别和成熟度评价2个阶段。

LaWS的组成部件不仅有采用非相干合成的作战光源和采用L-3 公司定制的总控子系统，而且广泛使用了工业激光器、传感器等商业现货供应产品，构建的激光武器系统在一定程度上减少了技术研制风险和系统成本，大量采用商业化的工业产品有助于提高系统的稳定性及器件的可维护性。LaWS系统的发展历程就是发射望远镜、作战光源、测距仪、目标跟踪单元、总控子系统等5个子系统功能在各种环境中不断测试、反复完善的过程。

作战光源是激光武器的核心部件，为了使光纤激光达到战术级数十kW的杀伤力，必须采用光束合成装置。LaWS 核心概念是通过商用光纤激光器简单的非相干合成来构建作战光源，2004年由宾夕法尼亚州光电中心提出原理报告，在此阶段作战光源子系统的TRL=1，LaWS系统的TRL=1。2006年提交技术方案，并通过了海军研究实验室的详细论证，在此阶段作战光源子系统的TRL=2～3。

2007年LaWS系统研制启动，在任务分析基础上设计了一套系统样机，并根据系统技术方案采购了商用测距仪、目标跟踪传感器、天文望远镜、机动跟踪平台、IPG 公司的工业光纤激光器模块，并研制了总控子系统和作战光源。在作战光源研制中，为减少研制和采购成本，海军采用现货供应的、商用焊接激光器进行两级合成。先由7 台800 W的Nd:YAG 光纤激光器[16]组束为5.5 kW、光束质量M2为6的激光器模块；再由6 路激光器模块通过非相干合成，拼接成一束总功率为33 kW、光束质量BQ为17、波长为1.064 μm、电光效率为25%的高功率激光[17]。这种方式设计简单，无需精密的相位控制技术，增强了作战光源的可靠性；其次，这种合成方式对子束带宽没有限制，可以利用目前成熟的工业激光器模块。在此阶段LaWS系统的TRL=2～3。2008年完成系统集成，完成了实验室环境下子系统和整体样机的测试，在此阶段LaWS系统的TRL=4。

2009年6月在中国湖边上开展了5次反无人机静止目标试验，验证了模拟环境中总控子系统的交互式工作模式、作战光源的非相干组束及发射望远镜的共孔径设计方式，同时验证了LaWS 系统的商业现货想法、武器运行概念，系统TRL=5。

2010年在圣尼古拉斯岛海岸上，LaWS系统在外接雷达的导引下形成完整的样机作战系统，克服了试验环境中大风、吸收、散射、湍流等困难，成功击落了多架无人机，验证“从目标捕获到击落”整个作战概念的可行性，同时证明系统在海洋环境中作战的有效性，此时LaWS系统的TRL 接近6[18]。

2010年对发射望远镜的防盐雾改造进行试验，导致风力荷载的窗口镜共振，出现了激光视轴的抖动；另外，商用目标跟踪传感器也暴露了技术缺陷。于是在2011年和2012年海洋环境中进行动态平台上的弱光跟踪试验，在LaWS系统中添加了一个惯性测量装置、惯性导航单元、Equinox 公司研制的“高带宽瞄准-保持处理器”等装置，提高了跟踪环路带宽，减少了相应的目标视线抖动误差，同时改进了激光的准直器装配工艺，从而使全系统达到TRL=6。

之后LaWS系统安装在杜威号驱逐舰前方甲板上，并进行了一年多的海试，成功击落3架典型的无人机威胁目标，得到实战环境中样机测试结论，如图2所示，全系统达到TRL=7，坚定了美国海军加快部署激光武器计划的信心。

图2 安装在杜威号驱逐舰的LaWS 作战试验Fig.2 Fighting scenes of LaWS

在杜威号驱逐舰上测试后，对LaWS系统控制进一步集成化。原来一次作战过程至少需要3 人（目标跟踪单元、作战光源、总控子系统的操作人员）同时参与。目前已根据实战需要，重新进行控制系统架构开发，将运行人员数量减少到1 人，具备实战能力。2013年4月改进后的LaWS系统集成在庞塞号两栖战舰的舰桥上，完成了产品研制，开始正式服役，编号为AN/SEQ-3[19]，全系统达到TRL=8。LaWS系统安装在庞塞号舰桥的甲板顶部，位于舰载雷达前方，如图3所示。2014年11月安装了LaWS 样机的“庞塞”号军舰开始部署在波斯湾，加入中东巡逻的第五舰队序列中，目的是打击伊朗在波斯湾部署的小型侦察机和装甲快艇，起到保护舰队的作用。据报道已开展多轮实战射击试验[20]和士兵的日常训练，得到实战环境中产品测试结论，2015年全系统达到TRL=9。表2给出了舰载激光武器LaWS 在各个研发阶段对应的技术成熟度。

图3 “庞塞”号上的LaWS系统Fig.3 LaWS deployed on USS Ponce

表2 舰载激光武器LaWS 在研发阶段中TRL 描述Table2 Technology readiness levels of LaWS system during its development status

表2中LaWS系统的技术成熟度等级为

式中TRLi、Wi分别为子系统的技术成熟度及其权重。2018年综合LaWS 在庞塞号军舰上的测试数据和士兵的反馈意见，研制了升级版的LaWS系统，并安装在2018年环太平洋演习的旗舰“波特兰”号军舰上进行技术演示，如图4所示，以测试激光器自身的技术改进性能。

图4 安装升级版LaWS的海军两栖运输舰“波特兰（LPD 27）”号Fig.4 Navy amphibious transport warship Portland（LPD-27）with upgraded version of LaWS system

根据海军时代2019年5月6日报道，2019年海军在波特兰号战舰上测试150 kW 光谱合成光纤激光武器[21]。不仅提高了作战光源的输出功率，而且还大大提高了光束质量。如果在波特兰号战舰上安装LaWS 升级版，采用激光器的光束质量小于3倍衍射极限，那么LaWS 升级版作战距离将提高13倍。

3 结论

近年来，技术成熟度在国内逐步得到推广应用，2009年国家标准化管理委员会和国家质量监督检验检疫总局联合发布了《科学技术项目评价通则》[22]，采用技术成熟度方法规范了科技研究项目投入产出效率的评价方法和量化管理。开展技术成熟度评价可以发现项目中那些技术在成熟度方面存在严重问题，然后采取相应的发展策略。LaWS系统立项和后续发展过程对国内相关领域的发展策略具有一定的参考价值。

LaWS系统是美国海军的第一套舰载高能固体激光武器，典型作战目标是无人机、迫击炮弹、快艇、电光探测器，以及用于情报、监视和侦察（ISR）的传感器和探测器。它不仅改变了美军高昂的作战成本问题，而且还为士兵提供了一种非致命的选项，可以对目标实施分级响应，避免对目标造成“毁灭性”打击。这一点对我们也非常重要，可用于应对台湾海峡、南海的紧张局势。

与轰动一时、耗费数十亿美元的ABL 计划相比，LaWS系统在研制中具有以下几个特点：

1）降低系统研制的技术复杂度

LaWS 概念是通过商用光纤激光器简单的非相干途径来实现军用高能激光器。这种方式设计简单，无需精密的相位控制技术，增强了作战光源的可靠性；其次，这种合成方式对子束带宽没有限制，可以利用目前成熟的工业激光器模块。因此，LaWS 样机研制充分利用现有产品，从而最大限度地减少新兴技术研发相关的延迟和成本。

2）低成本开发

LaWS的组成部件，除总控子系统采用了L-3公司定制的数字控制器软件外，广泛使用了激光器、传感器、控制技术等商业现货供应产品构建激光武器系统，从一定程度上减少了技术风险、系统成本和研制时间，而且有助于提高系统的稳定性及器件的可维护性，在前期研制中仅花费了4 000万美元。

3）渐进式发展

先通过商用现货途径大致实现样机的初步功能，然后通过多次试验发现问题，逐一解决。LaWS系统的系列外场试验验证了商业现货供应产品集成的可行性，这对于考察增加哪些部件性能可以获得最大的效益，以及哪些部件修改是必要的，以实现与舰船系统更好的集成都非常有效。

4）抓住时机、促成飞跃

在2010年6月成功击落4架无人机后，LaWS系统的技术等级接近6级[18]，原计划再投资15亿美元发展到7级，并于2017 财年装备军舰。由于海湾局势的发展，也为了在各国军备竞赛中树立领先地位，LaWS系统提前实现了样机部署，并在实战中通过士兵的实际需求完成技术升级。

LaWS系统战场部署的意义在于：

（Ⅰ）可对目标进行低成本瞬时摧毁，而且具有无限的弹仓深度。

（Ⅱ）通过实战部署获取作战经验。虽然演示样机在验证军事系统的潜力和临界性能方面是必要的，但即使再多的演示试验也不能代替实战。演示试验属于受控测试，没法取代通过战场部署和军事行动使用获得的知识和经验。目前美国海军已意识到通过迅速部署相对简化的高能激光武器系统，可以实现其长期风险的下降和短期效益。

（Ⅲ）在实战中根据士兵的反馈意见进行改进。据报道，LaWS 在庞塞号军舰上的测试数据将用于指导海军研究办公室“全固态激光器技术成熟计划[23]”的进一步研究，从而研制出高效费比的、可作战的激光样机，波特兰号战舰安装的LaWS升级版就是明显的例证。另外，美国海军最近部署的光学眩目拦截器（optical dazzling interdictor，ODIN），也是LaWS 技术的后继产品[24]。

（Ⅳ）发展定向能武器使用的作战理论。激光武器已不可逆转地进入了战场，而且随着时间的推移将拥有越来越大的军事破坏性，它不仅具有瞄准、跟踪以及光速打击能力，而且大大减少弹药储存的后勤需求，并极大影响计划的制定，将从根本上改变战术和战略环境。激光武器、微波武器作为下一代新式武器，应有相应的军事应用理论与之匹配才能最大限度地发挥其作战效能，因此不仅应重视定向能武器的开发，还应将更多的注意力放在新技术使用的理论上。美军加速定向能武器的开发和战场部署，目的之一就是为了推动其军事应用理论的率先发展。