防空反導(dǎo)高能激光武器

李 博，陳 健，2* ，王偉國，劉廷霞，姜潤強(qiáng)，王紅萱，崔 爽，2

(1.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春130033;2.中國科學(xué)院 研究生院，北京100039)

1 引 言

按照美國國防部的定義，平均輸出功率≥20 kW或每個(gè)脈沖的能量≥30 kJ 的激光武器稱為高能激光武器。高能激光武器要比低能激光武器復(fù)雜得多。它需要有一個(gè)高平均輸出功率的激光器，并要求其激光束在大氣中遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)有好的目標(biāo)指向性; 高能激光束應(yīng)能持續(xù)地聚焦到很小的目標(biāo)上，實(shí)施精確打擊;由于其攻擊目標(biāo)多在高速運(yùn)動(dòng)，它必須有自動(dòng)識(shí)別和跟蹤能力。另外，作為導(dǎo)彈防御體系，它還需要有遠(yuǎn)距離激光毀傷效果評估機(jī)制。總之，高能激光武器系統(tǒng)的使命可概括為以下幾方面:

(1) 識(shí)別目標(biāo)，選擇適當(dāng)?shù)墓酎c(diǎn)，對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤;

(2) 將光束對準(zhǔn)目標(biāo)上的選定點(diǎn)，并使光斑聚焦到盡可能小;

(3) 補(bǔ)償大氣影響，盡量減小光斑抖動(dòng)和能量彌散;

(4) 評估毀傷效果。

在技術(shù)上，實(shí)現(xiàn)其中任何一項(xiàng)都有很大的難度。為了實(shí)現(xiàn)相關(guān)目標(biāo)，目前主要開展了兩方面的工作:光束控制和火控研究。光束控制任務(wù)包括引導(dǎo)光束并將其聚焦在目標(biāo)上，通常還需要對大氣引起的光束畸變進(jìn)行矯正; 火控決定武器系統(tǒng)的指向并控制發(fā)射，任務(wù)包括對目標(biāo)的識(shí)別和跟蹤，觸發(fā)發(fā)射機(jī)制，并對毀傷效果進(jìn)行評估［1-5］。

本文重點(diǎn)介紹了目前常用防空反導(dǎo)激光武器的組成，關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢。

2 防空反導(dǎo)激光武器系統(tǒng)

2.1 地基防空反導(dǎo)激光武器系統(tǒng)

高能激光武器主要應(yīng)用于防空反導(dǎo)體系。長期以來，全球防務(wù)部門的軍事計(jì)劃人員、科學(xué)家，以及工業(yè)研究所的工程師們都在致力于設(shè)計(jì)高性能的激光武器，以對付先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)、武裝直升機(jī)、巡航導(dǎo)彈及海面滑行艇等的威脅。

理論上講，要求高能激光武器必須能在敵方飛行器向我方目標(biāo)發(fā)起攻擊之前就將其摧毀。尤其是現(xiàn)代技術(shù)飛機(jī)可以掠地飛向目標(biāo)區(qū)并低空投彈，有時(shí)還會(huì)使用防區(qū)外武器，如導(dǎo)彈可以從遠(yuǎn)在激光武器防御范圍之外的飛機(jī)上發(fā)射，這些情況都要求在彈藥執(zhí)行任務(wù)之前將其摧毀［6-9］。

實(shí)際上，這并非是一件容易的事情。由于大氣污染及惡劣的氣候會(huì)對激光在大氣中的傳輸帶來極大的影響，因而要求激光武器具有很好的性能。現(xiàn)代敵方戰(zhàn)斗機(jī)、直升機(jī)裝備告警系統(tǒng)，導(dǎo)彈的飛行速度越來越快，智能化程度越來越高，適應(yīng)能力越來越強(qiáng)，因此，目標(biāo)探測難度已越來越大，要在這些飛行器的武器系統(tǒng)發(fā)揮作用之前將其全部擊摧毀是非常困難的。

盡管當(dāng)今的防空體系已經(jīng)是一個(gè)綜合的智能化系統(tǒng)，執(zhí)行攔截、戰(zhàn)斗任務(wù)的飛機(jī)、高射機(jī)槍及導(dǎo)彈等都由訓(xùn)練有素的指揮部控制，但所有防空設(shè)備的綜合效果在多數(shù)情況下只能對付目前的威脅，不能對付未來的威脅。一些軍事參謀人員和科學(xué)家認(rèn)為，高能激光武器是解決上述問題的唯一有效方法。據(jù)分析，用于防空的未來高能激光武器必須滿足以下基本要求:

(1) 具有對目標(biāo)快速探測和跟蹤的能力。探測一個(gè)目標(biāo)的時(shí)間＜1.5 s，瞄準(zhǔn)一組目標(biāo)中的第一個(gè)目標(biāo)所需的時(shí)間＜0.5 s，以后每瞄準(zhǔn)同組內(nèi)另一個(gè)目標(biāo)的附加時(shí)間＜0.1 s。

(2) 在非常短的時(shí)間內(nèi)可發(fā)射10 次或更多次激光脈沖。

(3) 跟蹤和火控系統(tǒng)必須有非常高的成功概率。

至于導(dǎo)彈，由于體積小，速度快，而且數(shù)量往往也更多，因而比飛機(jī)或直升機(jī)更難對付。只有當(dāng)導(dǎo)彈上裝有對激光敏感的傳感器時(shí)，才可能在它到達(dá)目標(biāo)之前將其摧毀［7-11］。

2.2 機(jī)載激光制導(dǎo)防空反導(dǎo)激光武器系統(tǒng)

像其他武器一樣，機(jī)載制導(dǎo)武器的發(fā)展趨勢取決于當(dāng)前與未來戰(zhàn)爭中的作戰(zhàn)任務(wù)需求，作戰(zhàn)環(huán)境變化，以及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步程度。海灣戰(zhàn)爭之后的戰(zhàn)爭，都是以現(xiàn)代戰(zhàn)爭管理系統(tǒng)“C3I”( 指揮自動(dòng)化技術(shù)系統(tǒng)) 或“C4IRS”( 電子監(jiān)聽和電子偵察系統(tǒng)) 為核心，主要應(yīng)用精確制導(dǎo)武器進(jìn)行的“陸海空天電”五維一體的常規(guī)戰(zhàn)爭。進(jìn)攻方盡可能通過非接觸方式，在各軍用衛(wèi)星保障下，發(fā)動(dòng)陸、海、空、天、電多軍種，采用戰(zhàn)略空隙和奪取制空權(quán)相結(jié)合、作戰(zhàn)飛機(jī)與巡航導(dǎo)彈進(jìn)攻相結(jié)合等作戰(zhàn)形式，使用多種精確制導(dǎo)武器系統(tǒng)，首先展開全方位、全高度、全時(shí)域、高強(qiáng)度的聯(lián)合大空襲，奪取并保持信息制空權(quán)，為戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)入戰(zhàn)區(qū)執(zhí)行任務(wù)掃除威脅，進(jìn)而全面摧毀敵方的政治、經(jīng)濟(jì)、軍事等目標(biāo)，打擊敵方的防御反擊力量和經(jīng)濟(jì)潛力。防守方為避免喪失信息制空權(quán)，必然進(jìn)行防守反攻，用一切可以使用的手段攻擊對方設(shè)立在陸海空天的雷達(dá)通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、軍用飛機(jī)起降平臺(tái)和導(dǎo)彈發(fā)射平臺(tái)。無論是進(jìn)攻方還是防守方，在執(zhí)行上述任務(wù)時(shí)，空軍首當(dāng)其沖，常常擔(dān)負(fù)著從空中打擊敵軍的雷達(dá)站、指揮中心、通信中心和空中電子戰(zhàn)飛機(jī)、預(yù)警指揮飛機(jī)甚至低軌衛(wèi)星等“C4IRS”關(guān)節(jié)點(diǎn)，奪取并保持制信息權(quán)和制空權(quán)。一旦奪取了制空權(quán)，就可以集中精力用空地制導(dǎo)武器摧毀敵方的各種地面和海上目標(biāo)，取得戰(zhàn)爭主動(dòng)權(quán)。因此，現(xiàn)代戰(zhàn)爭要求機(jī)載武器和載機(jī)必須向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向協(xié)調(diào)發(fā)展，以確保己方空軍的現(xiàn)代化戰(zhàn)爭應(yīng)對能力，既能和己方“C4IRS”聯(lián)網(wǎng)，且有效保護(hù)己方“C4IRS”免于癱瘓，又可攻擊敵方“C4IRS”，進(jìn)而徹底打垮敵人。為完成這些作戰(zhàn)任務(wù)，就必須裝備功能更多、性能更好的機(jī)載制導(dǎo)武器。

隨著機(jī)載制導(dǎo)武器攻擊目標(biāo)種類的增多和難度的增大，對引戰(zhàn)系統(tǒng)提出了越來越高的要求。為提高單發(fā)殺傷概率，除提高引爆戰(zhàn)斗部的精確性外，還要提高戰(zhàn)斗部的威力。采用定向戰(zhàn)斗部、聚能戰(zhàn)斗部、侵徹戰(zhàn)斗部和非傳統(tǒng)的次聲戰(zhàn)斗部、微波戰(zhàn)斗部、電磁脈沖戰(zhàn)斗部、空爆戰(zhàn)斗部和智能戰(zhàn)斗部等進(jìn)行硬殺傷或軟殺傷，從而極大地提高殺傷威力。

3 天基激光反導(dǎo)武器系統(tǒng)

早在20 世紀(jì)70 年代中期，將高能激光束用于反彈道導(dǎo)彈的思想就已強(qiáng)烈地沖擊著美國軍界。該計(jì)劃最初起源于一個(gè)來自幾家航空與航天公司的工程師組成的4 人研究小組，計(jì)劃的目的是用功率為5 mW 的激光器和直徑為4 m 的光學(xué)反射鏡，防御前蘇聯(lián)的所有重型導(dǎo)彈，大約300 枚洲際彈道導(dǎo)彈，幾乎包括全部潛艇發(fā)射彈道導(dǎo)彈、遠(yuǎn)程炸彈及巡航導(dǎo)彈運(yùn)載系統(tǒng)。條件是前蘇聯(lián)在15 min之內(nèi)從世界上任何敵方發(fā)射所有這些戰(zhàn)略系統(tǒng)。如果他們發(fā)射所花費(fèi)的時(shí)間更長，則防御體系的效果會(huì)更好。相反，如果對方能在更短的時(shí)間內(nèi)完成發(fā)射，則防御體系的效果會(huì)有某種程度下降。如果能建造更大功率的激光器和直徑更大的反射鏡，防御效果也會(huì)更好［12-15］。

天基激光反導(dǎo)武器系統(tǒng)由18 個(gè)戰(zhàn)斗站組成，彼此相距近5 000 km，可覆蓋整個(gè)地球。每個(gè)戰(zhàn)斗站包括目標(biāo)探測系統(tǒng)、大型激光器、大型光學(xué)反射鏡、指示-跟蹤裝置及指令和控制設(shè)備。這些戰(zhàn)斗站堅(jiān)固得足以經(jīng)受附近的核爆炸，只有功率更大的激光器從更遠(yuǎn)的距離發(fā)射才有可能對它們造成破壞。

最初計(jì)劃的戰(zhàn)斗站軌道高度為1 300 km。據(jù)估算，如果軌道上升到5 000 km，則每個(gè)戰(zhàn)斗站可以覆蓋地球表面的10% 左右，面積約為5 ×107km2。所用的氟化氫高功率激光器長6 ～8 m，重約17 000 kg，攜帶的燃料足夠完成1 000次發(fā)射。

美國國防部分析家們所得到的結(jié)論與此相差甚微，例如，他們假定摧毀一個(gè)助推器需要花10 ～20 s，那么要攔截1 000 枚蘇聯(lián)導(dǎo)彈，大約需要25 個(gè)戰(zhàn)斗站。據(jù)估計(jì)，當(dāng)時(shí)的蘇聯(lián)擁有1 400個(gè)地基洲際導(dǎo)彈發(fā)射架、950 個(gè)裝在潛艇上的發(fā)射架及156 架遠(yuǎn)程轟炸機(jī)。

激光武器防御彈道導(dǎo)彈的計(jì)劃也招致軍事分析家們的尖銳批評，原因是:

(1) 天基激光武器要求激光束的亮度比地基激光系統(tǒng)的高100 萬倍，能否達(dá)到值得懷疑;

(2) 將大型激光戰(zhàn)斗站及所需要的大量燃料送上數(shù)千km 高的軌道十分困難;

(3) 激光武器攻擊的對象可能附有小衛(wèi)星，接近軌道站時(shí)，小衛(wèi)星所帶的炸彈發(fā)生爆炸，有可能損壞激光器;

(4) 將激光束聚焦到數(shù)千米遠(yuǎn)的小目標(biāo)點(diǎn)上也很困難，對波長較長的化學(xué)激光器尤為如此，還需要龐大而復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)。

激光武器三組件的第三部分是大型光學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，主要用于檢驗(yàn)制導(dǎo)大口徑反射鏡的能力，包括復(fù)雜的相互作用控制系統(tǒng)和為獲得高質(zhì)量光束的束能控制系統(tǒng)，并要求能在模擬工作環(huán)境下達(dá)到理想的精度。值得指出的是，系統(tǒng)采用了自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)控制輸出激光束的特性。

4 空基激光反導(dǎo)武器系統(tǒng)

機(jī)載激光武器是美國空軍支持的目前美國最主要的一項(xiàng)硬殺傷激光武器研制計(jì)劃，目標(biāo)是研制安裝在大型寬體波音747-400F 飛機(jī)上的高能化學(xué)氧碘激光武器( 如圖1 所示) 。

圖1 機(jī)載激光武器攔截彈道導(dǎo)彈示意圖Fig.1 Sketch map of laser weapons carried by planes to head off the missile

此外，機(jī)載激光武器還可用于防御低空飛行的巡航導(dǎo)彈，壓制敵方防空火力;擊毀敵方從空中或地面發(fā)射的各種導(dǎo)彈，以保護(hù)己方空中預(yù)警機(jī)和進(jìn)行自衛(wèi); 實(shí)施成像偵察，進(jìn)行戰(zhàn)斗毀傷評估;為其他武器系統(tǒng)指示目標(biāo)并進(jìn)行指揮與控制。

將激光器安裝在飛機(jī)上可以避開地基激光武器系統(tǒng)存在的受惡劣氣候影響的問題。通常地球表面大氣的密度隨著高度的增加而減小，大氣總量的3/4 處于地面到10 km 高的范圍內(nèi)，而從15 km以上直到太空，只有相當(dāng)于總量1/8 的大氣。因此，如果運(yùn)載激光系統(tǒng)的飛機(jī)在這一高度以上飛行，則基本上可以避免因惡劣氣候所引起的光束傳播問題。

與安裝在山頂?shù)募す馄飨啾龋瑱C(jī)載激光系統(tǒng)具有很好的機(jī)動(dòng)性。由于衛(wèi)星的軌道通常是已知的，攜載激光武器的飛機(jī)可以在衛(wèi)星到達(dá)某一區(qū)域之前先飛抵適當(dāng)位置，等衛(wèi)星來到時(shí)對其加以攻擊。若飛機(jī)沿著衛(wèi)星軌道飛行，還可延長激光照射衛(wèi)星的時(shí)間。

將大型激光系統(tǒng)安裝在飛機(jī)上并非易事，但要比送入太空軌道容易得多。事實(shí)上，1981 年，美國空軍就已成功地將一臺(tái)功率為40 kW 的氣動(dòng)二氧化碳激光器裝在波音NC-135 上飛上天空，被稱為機(jī)載激光實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)( 如圖2 所示) ，用于檢測空軍激光器的性能。

圖2 機(jī)載激光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure map of laser system carried by the plane

機(jī)載激光系統(tǒng)由以下幾部分構(gòu)成:

(1) 高能氧碘化學(xué)激光器

由美國TRW 公司負(fù)責(zé)研制，采用組件式結(jié)構(gòu)，由 14 個(gè)激光組件組成，發(fā)射波長為1.315 μm，功率為2 ～3 mW 的高能激光束。每個(gè)組件的質(zhì)量為1 360 kg，輸出功率為100 kW 級(jí)。

(2) 紅外搜索/跟蹤系統(tǒng)

由洛馬公司負(fù)責(zé)研制，采用9 個(gè)紅外焦平面陣列搜索/跟蹤傳感器，探測360°視場內(nèi)導(dǎo)彈羽煙的紅外輻射，利用一部電子轟擊式CCD 攝像系統(tǒng)跟蹤目標(biāo)，可在微光條件下以20 kHz 的幀頻工作。

(3) 光束發(fā)射/控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)確保將高能激光束精確射向?qū)棽⑼Ａ粢欢〞r(shí)間。它包括跟蹤/照射激光器，可變形反射鏡，大帶寬控制回路，主動(dòng)測距系統(tǒng)和戰(zhàn)斗管理、指控、通信、計(jì)算與情報(bào)系統(tǒng)等。

(4) 激光發(fā)射轉(zhuǎn)塔

激光發(fā)射轉(zhuǎn)塔( 如圖3、圖4 所示) 安裝在機(jī)頭部位，重6 350 kg，內(nèi)裝直徑1.5 m 可控望遠(yuǎn)鏡等元件，是高能激光的發(fā)射窗口。

圖3 激光發(fā)射轉(zhuǎn)塔的孔徑Fig.3 Aperture of laser beam tower

5 結(jié)束語

高能激光武器利用高能激光束對目標(biāo)進(jìn)行毀傷。由于它具有能量集中、傳輸距離遠(yuǎn)、打擊精度高、效費(fèi)比高等優(yōu)點(diǎn)，其作戰(zhàn)方式也被稱為“發(fā)現(xiàn)即殺傷”。高能激光武器不但可以防御火箭炮、巡航導(dǎo)彈和直升機(jī)/無人機(jī)，還可防御反艦導(dǎo)彈、彈道導(dǎo)彈，甚至摧毀各種軍用衛(wèi)星。根據(jù)所載平臺(tái)，可分為地基、車載、艦載、機(jī)載以及天基高能激光武器。隨著高能激光武器向緊湊化、模塊化和普及化方向發(fā)展，未來戰(zhàn)爭的軍事思維和作戰(zhàn)模式將發(fā)生深刻變革。

圖4 激光發(fā)射轉(zhuǎn)塔近視圖Fig.4 Close sight of laser beam tower

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