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未来战场的“主攻手”——激光武器(一)
更新时间:2022-05-23

1 组成、技术及特点

人们把光作为武器的想法,可上溯到远古时代。西方在中世纪就有古希腊科学家阿基米德用聚焦的日光点燃敌人战船的传说。1960年首台激光器在美国问世,为人们点燃了希望之光,自此人们便开始了对激光武器锲而不舍的永恒追求。激光武器特别是高能武器发展到今天,已取得巨大的进步。

1.1 基本组成及关键技术

高能激光武器主要由高能激光器和光束定向器两大硬件组成,其中光束定向器又由大口径发射系统和精密跟踪瞄准系统两部分构成。高能激光武器的研究涉及关键技术有高能激光器、大口径发射系统、精密跟踪瞄准系统、激光大气传输及其补偿、激光破坏机理等。一是高能激光器。高能激光器是激光武器的核心部件。研制具有足够大功率、光束质量好、大气传输性能佳、破坏靶材能力强、适于作战使用的高能激光器,是实现高能激光武器的关键,也是各国长期探索研究的目标。目前具有应用发展前景的高能激光武器系统主要有:氟化氘/氟化氢化学激光器、氧碘化学激光器、二氧化碳气动激光器、自由电子激光器、二极管固体激光器、激光二极管阵列等。其中最有可能发展成为高能激光武器并投入部署的将是化学激光器。二是光束定向器。光束定向器是激光武器的两大硬件之一,是与激光器匹配的重要部件。发射系统相当于雷达的天线,用于把激光束发射到远场,并汇聚到目标上,形成功率密度尽可能高的光斑,以便在尽可能短的时间内破坏目标。跟踪瞄准系统用于使发射望远镜始终跟踪瞄准飞行中的目标,并使光斑锁定在目标的某一固定部位,从而有效地摧毁或破坏之。为此,必须采用主镜直径足够大的大口径发射望远镜,并可根据目标的不同距离对次镜进行平移,以起到调焦的作用。三是大气传输及其补偿。激光在大气中传输时,会受到大气分子和气溶胶的吸收与散射,其强度将衰减。由于大气湍流的影响,将导致目标上的光斑扩大。当激光功率足够大时,还会产生非线性的热晕现象。这些效应将会使目标上的激光功率密度下降,影响激光对目标的破坏效果。为补偿激光大气传输时受到的湍流等影响,可采用自适应光学技术,在发射系统中加入变形镜,变形镜受到从目标处信标发出的反向传输信号的适时控制,对发出的激光束预先引入相反的波前畸变,能够部分补偿大气传输造成的影响。四是激光破坏机理。激光辐照目标表面之后,可能产生一系列的热学、力学等物理和化学过程,使目标的某些部件受到暂时或永久性损伤。飞行目标遭到激光的损伤后,可能从空中坠落,也可能因丧失精确制导能力而使飞行器脱靶。

1.2 基本特点

激光对目标的破坏作用大致分为软破坏与硬破坏两种:软破坏是用激光破坏导弹和制导炸弹等精确制导武器的导引头等易损部件,或摧毁卫星上的光学元件与光电传感器。硬破坏是用激光破坏敌空中目标的金属等构件,或摧毁卫星上的太阳能电池板等硬部件。由于它是利用激光束直接毁伤目标或使之失效,与火炮、导弹等相比,具有许多优异的技术特性:反应迅速,光束以每秒30万公里传输,打击目标时无需计算射击提前量,瞬发即中:可在电子战环境中工作,激光传输不受外界电磁波的干扰,目标难以利用电磁干扰手段避开激光武器的射击;转移火力快,激光束发射时无后座力,可连续射击,能在很短时间内转移射击方向,是拦截多目标的理想武器;作战使用效费比高,化学激光武器仅消耗燃料,每发费用为数千美元,远低于防空导弹的单发费用(爱国者为30~50万美元/枚,尾刺为2万美元/枚)。

2 分类及作战性能

激光武器从作战性能上主要分为低能激光武器和高能激光武器两大类。一是低能激光武器。低能激光武器即激光干扰与致盲武器,是重要的光电对抗装备。它仅需采用中、小功率器件,技术较简单,现已开始装备部队。这种武器能干扰、致盲甚至破坏导引头、跟踪器、目标指示器、测距仪、观瞄设备等,并可损伤人眼,在战场上起到扰乱、封锁、阻遏或压制作用。目前各国均在积极发展此类激光器,用于保护高价值飞机。二是高能激光武器。目前正在研制与发展的高能激光武器有:战略防御激光武器、战区防御激光武器和战术防空激光武器。一是战略防御激光武器。天基战略防御激光武器的作战目标为助推段的战略导弹、军用卫星平台和高级传感器等。它可用于遏制由携带核、生、化弹头的弹道导弹所造成的可能不断增长的威胁。地基反卫星激光武器用于反低地球轨道卫星,能干扰、致盲和摧毁低地球轨道上的敌方军用卫星。二是战区防御机载激光武器。它主要用于从远距离(远达600公里)对战区弹道导弹进行助推段拦截,从而使携带核、生、化弹头的弹头碎片落在敌方区域,迫使攻击者放弃自己的行动,起到有效的遏制作用。三是战术防空激光武器。它可通过毁伤壳体、制导系统、燃料箱、天线、整流罩等拦截大量入侵的精确制导武器。将激光武器综合到现有的弹炮系统中,可弥补弹炮系统的不足,发挥其独特的作用。这种弹、炮、激光三结合的综合防空体系,可用于保卫指挥中心、重要舰船、机场,重要目标、重要区域等小型面目标和点目标。目前发展的主要是车载和舰载激光武器。

值得注意的是,战略防御天基激光武器和战区防御机载激光武器均具有助推段弹道导弹拦截能力。实施助推段拦截具有如下优势:弹道导弹发动机正在工作,喷出的火焰易于探测;此时导弹飞行速度相对较慢,弹头没有分离,也没有施放诱饵,易于跟踪、瞄准与拦截:助推段一般位于敌方境内,拦截后弹体碎片,特别是携带的核、生、化弹头的弹头碎片将落在敌方区域,不会对防御方造成附加损伤;助推段拦截可谓是"巧破坏",破坏阈值低,一般认为是 1000~3000焦耳/平方厘米,比攻击导弹战斗部的破坏阈值至少低1个数量级以下。

3 典型代表

激光武器的研制已历时30多年,美、俄、英、德、法、以色列等国在激光武器研制方面均已取得长足发展。其中尤以美国的发展最为突出和全面,目前已经具备各类激光武器的全面发展与部署能力,并可望于近期至未来15年中陆续部署使用天基、机载和地基等各类激光武器。

3.1 战略防御天基阿尔法化学激光武器

天基激光武器是把激光器与跟踪瞄准系统集成到一个卫星平台上而构成的一种部署在空间的定向能武器,主要用于在全球范围内摧毁刚刚飞出地球稠密大气层的助推段弹道导弹。20多年来,美国一直十分重视这种武器的发展,目前已将其作为国家导弹防御系统的重要组成部分。该计划目前由美国弹道导弹防御局主管,美国空军参与该计划的管理并将最终接管该计划。目前美国已经掌握了建造天基激光演示器的技术,预计在2005~2008年试验发射首台星载演示器样机。

3.1.1 天基化学激光武器的关键技术与发展水平

天基化学激光武器涉及5项关键技术,即激光装置,光束控制,光学系统,捕获、跟踪、瞄准与火控系统以及高功率综合试验。发展天基化学激光武器的关键技术包括:阿尔法氟化氢化学激光器;大型先进反射镜计划的反射镜;大型光学演示实验计划的光束控制系统。美国的天基阿尔法化学激光器各分系统的关键技术已分别于80年代末和90年初得到演示验证。1997年圆满完成了高功率激光器与大型反射镜的地基综合试验。作为天基激光器平台核心的阿尔法氟化氢化学激光器,由TRW公司于1980年开始研制,波长为2.7微米,采用圆柱增益发生器技术,1989年进行首次出光试验,到1994年8月,已出光10次以上,并在百万瓦级功率水平获得高质量输出光束,演示了近武器级的连续波动作。通过改进激光器的结构设计,用增加模块化腔环的办法,可将输出功率提高到武器要求水平,使激光器的重量比原来的减少两个数量级。最近研究表明,通过改进激光器的喷管设计,还可进一步减轻重量。

3.1.2 天基激光器的作战设想

预计承载作战使用型天基激光武器的卫星将运行在1300公里高空,激光武器的有效射程达4000~5000公里,可摧毁9~11公里高空的弹道导弹。单颗卫星可覆盖10%的地球表面。研究表明:第一步,在空间部署一个由12个平台或更少平台构成的小星座,就有可能提供连续的战区覆盖,可覆盖诸如中东、北非和东北亚这些引人注目的战区,对付第三世界国家的攻击(但尚不足以对付俄罗斯的火箭部队造成的威胁,它能摧毁一次偶然发射中的一些俄罗斯导弹,但不能摧毁其潜射导弹),也可以为美国本土提供导弹防御能力,从而实现强有力的战区防御和国家导弹防御;第二步,在空间部署一个由18个平台构成的星座,可对感兴趣的战区提供全面的覆盖;最后,在空间部署一个由24个平台构成的星座,将能实现连续的全球覆盖。

3.2 战区防御机载氧碘化学激光武器

机载激光器(ABL)计划是美国空军目前正在大力推进的战区弹道导弹助推段拦截方案,是其联合多层战区导弹防御研究的一部分。该计划是目前美国投资最大、进展最快的主要定向能武器计划,已进入发展的第二阶段,即方案论证与风险降低阶段,将于2002年末用机载激光器样机YAL-1A进行一枚助推段战区弹道导弹拦截的演示验证试验。

3.2.1 机载激光器的组成与作战原理

机载激光器是一种能独立地进行目标探测并实施"外科手术式"攻击的自主性武器系统。载机在12公里高空、距前线90公里的已方一侧巡航,激光武器的预定射程为300~580公里。为增大机载激光器的有效射程,有意让载机穿越敌方领空,或采用载有高速拦截弹的无人机作为载机,深入敌后作战。它的组成有:飞机平台(波音747-400F飞机);传感器系统(被动红外传感器);高能激光器装置(氧碘化学激光器);瞄准与跟踪系统(光束控制)。其作战原理是,该系统利用飞机上360度视场的被动红外传感器探测目标,用波长 1.06微米的多光束激光照明器照射目标,用高分辨率成像器进行成像,通过主望远镜进行观察以获得良好的跟踪数据,随后引导信标激光和杀伤光束。信标光束比杀伤光束稍早一些发出,以便对杀伤光束所要经过的大气路径进行测量。杀伤光束在信标激光到达目标并返回后发出。在信标激光和自适应反射镜继续对畸变进行补偿,激光照明器和被动红外传感器继续对目标进行跟踪的同时,向助推段弹道导弹燃料箱的瞄准点发射数秒波长1.3微米的氧碘化学激光杀伤光束,以摧毁目标。

3.2.2 机载激光器初步作战方案

研究表明:由7架装备激光武器的飞机组成的机群,能对单个战区级冲突地区提供最佳的弹道导弹防御。若想满足目前五角大楼的基本要求,即同时为两个战区级冲突地区提供弹道导弹防御,将需要部署14架这种飞机,而且这些飞机能在空中加油。初步作战方案是,由7架飞机组成的作战机群中至少应使5架飞机部署在一个军事危急区域。这5架飞机可形成两条反导轨道(形成24小时的作战能力需要7架飞机),携带足以进行200次发射所需燃料,载机至少能在空中待命飞行6小时且无需加油,每次任务飞行时间为12~18小时,部署由5架飞机构成的机群时,需要一架C-17运输机和至少2架空中加油机的支援。每次射击的持续时间为 3~5秒钟,化学燃料费为1000美元。数百万瓦的激光通过2米直径的发射望远镜发射出去,足以攻击远至 600公里的目标,并能炸裂目前五角大楼所列的威胁名单上29种导弹中任何一种的压力燃料箱。机载激光武器系统将设计成能对付从单个发射场或多个分散发射场间歇式进行的每次5~10枚导弹的齐射。

3.2.3 机载激光武器系统技术进展与目前发展重点

目前,该系统已用氧碘化学激光器进行了小规模试验,还用中红外先进化学激光器进行了较大型的杀伤试验,极其详尽地了解了金属对于不同波长的能量的不同吸收能力,已完成了一系列地基外场实验,模拟了机载激光器在战区导弹防御作战情况下预计将遇到的强烈湍流条件和传输环境,重复并成功地演示验证了自适应光学补偿和闭环跟踪能力。1996年6月成功地进行了两次主动跟踪助推段飞行的弹道导弹的试验,证实了主动跟踪的可行性。1998年1月成功地完成了历时一个月的系列风洞试验,验证了机载激光器关键部件2.64米鼻锥转塔和激光排气系统的设计性能。1998年6月,在TRW公司的卡皮斯特诺试验场,对TRW公司设计的将用于 YAL-lA样机上的几十万瓦级飞行重量的单个激光模块进行了成功的首次地面出光试验。该试验是波音公司领导的机载激光器研制小组所进行的系列风险降低工作的最后一项工作。它的成功标志着波音公司小组已经全部实现了1996年11月进人机载激光器第二阶段,即方案论证与风险降低阶段时对空军的承诺,并拉开了旨在降低机载激光器计划的技术风险的激光性能系列试验的序幕,以便最终优化激光器的运作条件,获得所需的性能。目前氧碘化学激光器装置技术的研究重点是提高效率和轻型设计,以便减轻系统重量和改进作战适用性。研究尽可能利用塑料代替金属,同时研究燃料的再循环工作问题。

3.3 战术高能激光器

美国陆军和以色列国防部正在开展的战术高能激光器先期概念技术演示器计划,是在鹦鹉螺战术高能激光演示器计划的基础上进行的,于1998年完成演示器研制,并进行系统能力试验与演示验证。整个系统将是一个可运输的武器系统,由6个拖车大小的具有模块化部署能力的标准封装部件组成,尚不具备机动能力。'FRW公司称,他们正在开展一些研究,以便缩小武器系统的体积,将其安装到一辆拖车上,最终于2003年左右将其安装到一辆坦克车(布雷德利战车或5吨重卡车)上,从而使机动性更好、更有效。其燃料仓中携带足够的化学燃料,在充填燃料前能进行50次射击。战术高能激光器主要用于小区域防御,对付从其它防御层漏网的点目标。设想组建一些由4辆或6辆装备战术高能激光器的战车组成的火力单元,这些火力单元能摧毁由多管火箭发射系统在几秒钟内齐射到一个小区域里的数枚非制导火箭弹。它们能保护靠近战斗前线的军事基地或城镇;也可单独用于对付那些用原始的发射装置进行的单枚火箭弹,以保护城镇或军事基地,起到反恐怖的作用。并考虑与其它的陆军防空武器配合使用,如战区高空区域防御系统、爱国者和中程扩展防空系统等。还有可能将其小型化,以便安装到机载平台和舰船上。

波音公司正在利用其大型机载氧碘化学激光武器技术,发展V-22倾转旋翼飞机载和直升机载战术反导氧碘化学激光武器,用于击落巡航导弹和掠海飞行导弹。波音公司于 1997年初开始探索该设想并在18个月内演示验证了该武器系统,一年后已交付一个初始作战系统。该武器系统拟采用功率为20万瓦的氧碘化学激光器,能在目标探测后的6秒内将其摧毁,2秒后接着对付另一个目标。预计在不久的将来,该系统经过改善后能进行100次连续射击,系统的作战距离可达10公里。

4 应用及发展前景

在现代战争中,卫星的作用越来越大。为了争夺制空权,美俄双方在积极发展卫星技术的同时,都利用激光技术在发展反卫星武器,即利用激光武器摧毁敌方各种侦察卫星、预警卫星或使其失效。目前,它们均已具备不同程度的激光反卫星能力。在 1975年,前苏联就曾用陆基激光武器,顷刻之间使两颗飞临西伯利亚上空监视它的导弹发射情况的美国卫星变成了瞎子。作为前苏联的主要继承国俄罗斯对反卫星激光武器更是十分重视。据外刊披露,最近这几年,其进行了18次反卫星激光武器试验,成功l次,并准备研制射程4万公里的反卫星激光武器,用于袭击敌方在同步轨道运行的早期预警卫星。对于当今世界惟一的超级大国——美国,也已具备了激光反卫星能力。海湾战争爆发前数月,它曾用激光武器MIRACL/SLBD的反卫星能力来威胁法国,以迫使其停止向伊拉克出售法国斯波特卫星在海湾地区上空拍摄的卫星图像,并最终取得成功。而且,美国还用激光武器来拦截导弹。如在1996年的白沙导弹靶场试验中,美国成功地用高能激光武器 (Nautilus)击毁了两枚俄制BM-21“喀秋莎”火箭弹。此外,也有些国家曾利用激光武器的致盲效应来使飞行员的眼睛致盲致眩,致使其丧失战斗力。如在1982年的英阿马岛战争中,英国在航空母舰和各种类型的护卫舰上就安装了激光致盲武器,用来致盲致眩来袭的阿根廷飞机的驾驶员,使阿根廷的多架飞机失控坠毁或误入英军火力网。

特别要指出的是,1996年,美国国防部关键技术领域计划定向能武器报告中称,美国国防部在战略和战术导弹防御、巡航导弹防御、反卫星。高分辨率图像、防空、舰船防御、地面作战和近距离支援以及飞机自卫等方面需要有改进或新的能力。目前发展和正在逐步投入部署的各种激光武器系统将能够满足上述能力需求,并有可能给未来的武器系统带来模式上的深刻变化,极大地改进当前的武器能力,从而实现:以光速向目标传递激光能量;具有从干扰到摧毁不同程度的多种杀伤形式;实施外科手术式杀伤,附带损伤和自残可能性最小;从单个平台上进行多次低成本发射;全方位交战,不受目标运动与重力的限制;利用高分辨率光学传感器实现成像、监视与远距离探测的协同作用。

可以预见,激光武器的广泛应用将会使未来战争发生深刻的变化,彻底改变目前的战场环境和作战方式,对参战双方造成极大的心理威慑,并有可能最终引发新一轮更加激烈的全球性军备竞赛。

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