天基激光武器系統的發展

高明輝，鄭玉權，王志宏

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033)

1 引言

天基激光武器是以太空為基礎的尖端激光武器，通過激光武器對太空內的有效載荷形成威脅和殺傷，被稱為“殺手”衛星，也稱為激光作戰衛星或天基激光武器系統。天基激光武器所在的衛星軌道高，覆蓋地面范圍大，可以把地球作為攻擊目標。因為地球靜止軌道激光衛星大約可以覆蓋42%的地球表面，如果采用近地軌道激光衛星來實現全球覆蓋，就要相應增加衛星的數量，但是由于近地軌道衛星離目標比較近，激光武器的殺傷能力很大。早在20多年前，美國就已經意識到天基激光武器對于發展強大軍事空間力量的重要性，1987年美國物理學會定向能研究小組已在《定向能武器的科學與技術》專題研究報告中研討了天基激光武器的可行性［1-3］。近20年來，美國一直在努力研發天基激光武器，內容涵蓋了總體概念、關鍵技術以及子系統的工程化集成等。俄羅斯對天基激光武器也一直很重視，其單元關鍵技術研究也具有較高水平。美國先期的研究項目是采用“集成飛行實驗”(Integrated Flight Experiment，IFX)的方法，該方法分為三個階段，第一階段為“阿爾法”(Alpha)計劃，目的是驗證百萬瓦級柱型氟化氫化學激光器軌道飛行的技術可行性;第二階段是“大型光學演示實驗”(LODE)計劃，目的是驗證利用與自適應光學系統相耦合的輸出波檢測技術控制與瞄準激光束的精確性。LODE計劃還包含一項“大型先進反射鏡計劃”(LAMP)，用來驗證制造適于在空間使用的4 m直徑多塊拼接輕質主反射鏡的可行性;第三階段是“金爪”(Talon Gold)計劃，目的是驗證捕獲、跟蹤與瞄準技術［4］。其中高風險的關鍵技術包括:大口徑發射望遠鏡、遠距離靶目標的捕獲跟蹤瞄準、激光器的光腔自動準直調節及光束波前控制、系統集成與自動控制等。針對關鍵技術提出的解決方案主要有:研發大推力發射系統;分批多次發射;在軌組裝;研發可折疊展開的超輕型薄膜發射望遠鏡;研發短波長高能激光器;減少單次燃料攜帶量;增加后續補給與在軌維護。

國內這方面的研究剛剛開始，也是從激光器的選擇和技術指標出發。對于化學激光器來說，因為它容易做到兆瓦級，且自帶能源，能量轉換效率較高，耗電較少，波長較短，光束質量好［5］。由美國科研局設計的未來太空激光武器的技術參數為:波長為2.7 μm;激光介質能連續發光200～500 s;功率為5～10 MW;傾斜角為40°;作用軌道高度為 800～1 000 km;航程為 4 000～12 000 km;一顆衛星的覆蓋面積為地球表面積的1/10;發光直徑為0.3～1 m;最大射程為3 km;一次射擊時間為10 s;平均瞄準時間為1 s;質量為35 000 kg;由20顆衛星和10個軌道鏡組成整個激光作戰衛星系統［6］。衛星研制成本可根據美國軍用的歷史統計數據進行估算:已知單價為5～15萬美元/kg。天基激光武器星座由24顆衛星組成，總質量約為840 t(24×35 000 kg)，若按平均單價10萬美元/kg計，研制成本大約為840億美元。研制實戰型衛星，需在完成演示器太空試驗的基礎上，增加10%的技術延伸費;發射成本按改進型一次性運載約5 650美元/kg計［7］。總的看來，全部研制與發射成本總計約970億美元。目前我國的氟化氘(DF，波長～3.8 μm)與氧碘(COIL，波長1.3 μm)兩種化學激光器已發展到連續波功率P≈0.3 MW規模，光束質量β＜5倍衍射極限。5～10萬瓦級的地基車載化學激光器已于2005年在我國新疆地區對斜距～600 km的低軌衛星成功地進行了致盲實驗，其中發射望遠鏡口徑D～0.6 m，目前ATP跟蹤精度與瞄準精度＜5 μrad。美國為完成太空的霸主地位，完成了“天眼”系統，包括天基紅外系統(SBIRS)、空間跟蹤與監視系統(STSS)、天基天空監視系統(SBSS)、軌道深空成像儀(ODSI)，并于2010年9月發射SBSS。

2 天基激光系統組成

圖1 天基激光武器Fig.1 Space-based laser weapon

圖2 天基激光武器系統組成Fig.2 System composition of space-based laser weapon

3 激光攻擊目標的程度分析

激光武器摧毀空間目標具有速度快、攻擊空域廣的特點，利用激光的光效應和高能熱效應，直接照射衛星可以破壞其光電探測器，從而破壞敵方的衛星裝置［10］。激光作為攻擊武器，主要看它能夠在多遠距離范圍內聚焦到一定的功率密度及能量密度。而所需的能量密度則取決于被打擊軍事衛星的失效機制及相應的激光損傷閾值。原理如圖 3 所示［4］。

圖3 天基激光系統工作原理圖Fig.3 Operation princple configuration of space-based laser system

衛星光學系統失效的能量密度閾值:Eoptic(～10－2～10－1J/cm2);衛星熱控系統失效的能量密度閾值:Ethermal(J～10 J/cm2);衛星供電系統失效的能量密度閾值:Eelect(～102J/cm2);衛星材料結構失效的能量密度閾值:Estruct(～103J/cm2)。

激光束的聚焦能力受限于:

式中，Fp為焦斑峰值光強，Fa為焦斑平均光強，P為激光輸出總功率，D為發射望遠鏡口徑，λ為激光波長，β為持續出光時間內在靶面累積平均光束質量(衍射極限倍數)，ε為激光器輸出光環內外徑之比。

4 關鍵技術的分析研究

對于任何載荷和平臺，首先應該攻關解決關鍵技術。目前的主要問題有:對于具有大口徑主鏡的發光裝置，即大型的激光裝置如何送入預定軌道，解決的主要辦法是研制能夠放到運載火箭的貨艙內可折疊式主鏡，在太空激光武器進入預定軌道后可折疊式主鏡能夠自動打開。在太空向軌道上的太空激光武器補充化學介質仍然是個關鍵問題，由于將來激光武器都是大功率的，主要使用的都是化學激光武器，所以沒有介質就不能發生化學反應，也就不能產生激光［11-12］。由此就要考慮未來設計、制造的天基激光武器要節能，主要參數包括20 m的光學系統，1 μm激光波長和衍射極限光束，由此預計未來天基激光武器的某些創新技術將需要進行優化設計，主要包括以下幾方面:

(1)高功率短波長激光器的研制;

(2)利用更先進的薄膜加工工藝制造大型輕質光學系統的設計和研制;

約73%的學生對英語文化知識有所了解且認為有助于英語學習；約21%的受訪學生對英語文化知識不了解但覺得會有助于英語學習。隨機抽樣訪談中，部分愛看美劇英語的受訪學生表示通過看劇了解的文化背景知識讓他們在使用英語溝通交流時更有信心更有勇氣。

(3)采用新技術、新工藝實現高平均功率相位共軛技術;

(4)采用各類先進的光閥技術或集成微機電裝置的新穎自適應光學系統的研制;

(5)采用新技術、新工藝實現光束成形與控制用的高精度相控陣二極管激光器的研制。

雖然有些技術目前還沒達到，但隨著技術的接續發展是可以突破的。所以做研究工作，既有目前應用的可行性，而且要有技術發展的前瞻性。目前天基激光武器的輸出功率規模主要受限于兩點:一是在一定外形尺寸限制下化學燃料的能流通量;二是在一定口徑限制和保持一定光束質量的要求下高反射率腔鏡所能承受的激光功率［13-14］。未來節能型的激光武器使用的短波長激光器大致包括化學氧碘激光器(1.315 μm)、二極管泵浦固體激光器(1.06 μm)、氟化氫泛頻激光器(1.35 μm)和相控陣二極管激光器(0.8 μm)，其中最成熟適用的是 COIL激光器［15-17］。以目前的技術為基礎進行10年后的預測，總質量～5 t的天基高性能化學激光器以1 MW的功率累積輸出100 s是有可能的(其中燃料質量～2.5 t。天基激光武器的發射望遠鏡采用可折疊展開式輕質鏡，預測10年后有可能使口徑達～10 m。目前我國已具備一定的自適應光學調整技術，但大口徑輕質鏡的材料與工藝、折疊展開機構、以及在天基軌道上展開后的面型檢測與調整判據等關鍵技術需要重點研發。

天基激光武器的ATP系統跟瞄精度預計在10年后≤0.5 μrad，對衛星目標的探測距離≥5 000 km。

4.1 化學激光器的工作原理和種類

高能化學激光器的工作原理如圖4所示。

圖4 高能化學激光器的工作原理圖Fig.4 Operation princple configuration of high energy chemistry laser

短波長高能化學激光可分為兩類:一類為全氣相化學激光(AGCL)，另一類為氣液二相化學激光(LGCL)。目前主要應用在高能激光武器中比較成熟的化學激光器有:氟化氫泛頻激光器(HFOT)、化學氧碘激光器(SB-COIL)、全氣相碘激光(AGIL)以及固體激光(SSL)等。其中，固體激光(SSL)具有波長短(1.06 μm)、全固化、無化學燃料補給等優點，但是在高功率時其電源系統和熱交換系統重量很大，天基儲能式高功率電源技術還不成熟，天基固體激光很難放大到十萬瓦級或兆瓦級。當前更被看好的兩種激光是HF泛頻激光(HFOT)和天基氧碘激光(SB-COIL)。HF泛頻激光(HFOT)因增益較低，且為多譜線輸出，采用穩定腔高功率輸出時激光束發散角較大，采用常規非穩腔時輸出功率較低，高亮度輸出需要特殊的非穩腔設計;氧碘激光(COIL)在高功率輸出時仍可具有較好的光束質量，目前技術較成熟，但包含氣液二相反應，須針對天基失重環境重新設計。英國《簡氏防務周刊》2008年曾報道:美國導彈防御局宣布，它與波音公司和諾思羅普-格魯曼公司合作，在加利福利亞州愛德華茲空軍基地完成了在改裝后的波音747-400F(YAL-1A)技術驗證機上，“氧碘化學激光器(COIL)”的首次機載反導激光武器測試［18-21］。全氣相碘激光(AGIL)兼有HF激光全氣相運行與COIL激光光束質量較好的優勢，但目前高功率放大技術還不成熟，有待進一步研發。

4.2 捕獲跟瞄(ATP)子系統工作原理

首先，通過衛星軌道預報及雷達系統探測等手段，對靶目標的方位進行初步定位。然后，用廣角(7°)CCD相機搜索目標，將大口徑望遠鏡轉向并粗跟蹤目標，以窄視場(6')成像電視(CCD)閉環鎖定目標，以壓電陶瓷驅動快速傾斜鏡實現閉環調節，以重復脈沖照明激光束照亮精跟蹤視場內靶目標，選取瞄準點并發射強激光束［5］。遠距離靶目標的捕獲跟蹤瞄準(ATP)是天基激光武器系統將激光束準確地定位于上千公里遠處米級尺寸目標的技術保證。ATP子系統需要解決的問題包括:

(1)對上千公里遠處目標的捕獲與識別(取決于目標自身亮度或其散射太陽光的亮度、與背景之間的對比度，避開日、月、地三大天體時，天基背景很黑暗)以及探測CCD的靈敏度等。

(2)天基平臺與目標相對運動過程中跟蹤瞄準光束抖動的抑制—慣性參照基準單元技術。

(3)激光武器系統光束波前像差的校正—光束凈化與自適應調整技術。

(4)大口徑發射望遠鏡通過聚焦成像原理將強激光束盡可能集中地會聚于靶面。

4.3 可展開薄膜發射望遠鏡

圖5 大口徑可折疊薄膜發射望遠鏡展開過程示意圖Fig.5 Expansion process configuration of large calibre deployable membrane launching telescope

對于天基激光武器系統來說，可展開薄膜發射望遠鏡的研制至關重要。因為激光的能量和作用距離通過該反射鏡來實現。大口徑可折疊薄膜發射望遠鏡展開過程如圖5所示。

編織石墨/環氧樹脂或者kevlar芳綸纖維薄膜主要的關鍵技術包括:大口徑非球面光學系統設計;離軸超薄反射鏡加工與檢測;超薄反射鏡制作材料的性能研究;多塊反射鏡的共相位調整與檢測;超薄反射鏡的主動光學調整與波面檢測;輕質高強度反射鏡支撐結構;離軸超薄反射鏡的精密展開機構和精密定位機構(含精密鉸鏈、鎖定機構與展開機構等);激光束變形波面與超薄主鏡的面形匹配控制;超薄反射鏡的表面改性處理與強激光鍍膜技術研究;定位、展開結構的精度測試裝置的研究，包括重復性、可靠性、位置精度等方面。針對這些關鍵技術開展相應的研究［22-25］。采用有限元分析的方法研究反射鏡支撐結構的合理性。對于反射鏡面型的保持采用主動光學技術;把分塊反射鏡的精密展開技術與鏡面共相位技術相結合來進行研究;對于大尺寸主鏡的共相位檢測與面形檢測采用精密裝調技術和計算機輔助技術確保超輕反射鏡的裝校和光學系統的波前檢測、波前分析;通過采用現代控制理論、經典控制理論和計算機控制技術的結合，確保反射鏡定位、展開結構的精度。可折疊薄膜發射望遠鏡展開后將采用自適應光學精細調整面形，示意圖如圖6所示。

圖6 可折疊薄膜發射望遠鏡展開后將采用自適應光學精細調整面形示意圖Fig.6 Precisely adjusting surface figure by adaptive optics after deployable membrane launching telescope expansion

圖7 美國空軍研究實驗室(AFRL)正在進行大口徑可折疊展開式薄膜發射望遠鏡研發Fig.7 Development of large calibre deployable membrane launching telescope in AFRL

美國空軍研究實驗室(AFRL)正在進行大口徑可折疊展開式薄膜發射望遠鏡研發，如圖7所示。

5 結束語

在未來戰爭中，反衛星武器的發展非常重要，其中激光系統具有攻擊目標速度快、抗干擾性強、毀傷效率高等特點，作為天基反衛星武器具有顯著優勢，因此天基激光武器系統將成為其發展的重大項目之一。本文對天基激光武器系統組成、關鍵技術以及單項關鍵技術內容進行了詳細介紹，特別是對高能激光器的工作原理以及系統的攻擊程度進行了細致的說明。開展此系統的研究對國防建設具有深遠的意義和重要的應用指導。

［1］ 美國天基激光反導衛星研究取得重大進展［EB/OL］.［2013-05-07］.http://home.cetin.net.cn.

［2］ 任國光.美國高能激光武器兩年來的重大進展［J］.激光與紅外，1998(1):7-11.

REN G G.Signifant progress of American high energy laser in last two years［J］.Laser＆Infrared，1998(1):7-11.(in Chinese)

［3］ 王立志，史佳熠.IFX 計劃-解讀美國激光武器新發展［EB/OL］.［2013-05-07］.http://www.cpvip.com.WANG L ZH，SHI J Y.IFX plans-Interpretation of the new development of the U.S.laser weapon.［EB/OL］.［2013-05-07］.http//www.cpvip.com.

［4］ 蘇毅，萬敏.高能激光系統［M］.北京;國防工業出版社，2004.

SU Y，WAN M.High Energy Laser System［M］.BeiJing:National Defence Industry Press，2004.(in Chinese)

［5］ 徐惠忠.高能激光武器的毀傷機理及飛行器防御途徑分析［J］.中國航天，2004(9):33-35.

XU H ZH.Damage mechanism of high-energy laser weapon and analysis of aircraft defense approach［J］.Aerosapace China，2004(9):33-35.(in Chinese)

［6］ 王永仲.現代軍用光學技術［M］.北京;科學出版社，2003.

WANG Y ZH.The Modern Military Optic Technology［M］.Beijing:Science Press，2003.(in Chinese)

［7］ 李傳臚.新概念武器［M］.北京:國防工業出版社，1999.

LI CH L.New Concept Weapon［M］.Beijing:National Defence Industry Press，2004.(in Chinese)

［8］ 周義，周麗，胡根秀，等.未來戰爭主攻手—美軍激光武器即將走向戰場［J］.飛航導彈，2005(10):32-36.

ZHOU Y，ZHOU L，HU G X，et al..Spiker of Future War-U.S.laser weapon coming to battlefiled［J］.Aerogynamic Missile J.，2005(10):32-36.(in Chinese)

［9］ 余宗敏，蔡傳能.未來戰場的攻防新銳—激光武器［J］.飛航導彈，2005(2):62-64.

YU ZH M，CAI CH N.Future battlefiled offensive cutting-edge-laser weapon［J］.Aerogynamic Missile J.，2005(2):62-64.(in Chinese)

［10］ 陸彥文，陸啟生.軍用激光技術［M］.北京:國防工業出版社，1999.

LU Y W，LU Q SH.Military Laser Technology［M］.Beijing:National Defence Industry Press，1999.(in Chinese)

［11］ 宛東生.關注美國機載激光武器(ABL)計劃［J］.激光與光電子學進展，2006(3):28-31.WAN D SH.Briefing of ABL project in the united states［J］.Laser Optoelectronics Progress，2006(3):28-31.(in Chinese)

［12］ 趙書文，周世明，尤志鋒.未來防空與防天利器一飛速發展的激光武器［J］.飛航導彈，2005(8):1-3.

ZHAO SH L，ZHOU SH M，YOU ZH F.Air defense and arospace defense in the future-the rapid development laser weapon［J］.Aerogynamic Missile J.，2005(8):1-3.(in Chinese)

［13］ 余輝，譚勝.高能激光武器的發展和應用前景［J］.紅外與激光工程，2002(3):267-271.

YU H，TAN SH.Development and application prospects of high-energy laser weapon［J］.Infrared and Laser Eng.，2002(3):267-271.(in Chinese)

［14］ 任國光，黃裕年.美國高能激光武器的發展及其面臨的挑戰(下篇)［J］.激光技術，2001(5):321-327.

REN G G，HUANG Y N.Development and challenges for american high-energy laser weapon(Part 2)［J］.Laser Techmol.，2001(5):321-327.(in Chinese)

［15］ 美國的強激光武器系統.［EB/OL］.［2013-05-07］.http://www.1isa-mil.com.

［16］ 李博，陳健，王偉國，等.防空反導高能激光武器［J］.中國光學，2012(4):352-357.

LI B，CHEN J，WANG W G，et al..High power anti-missile laser weapons for aerial defence［J］.Chinese Optics，2012(4):352-357.(in Chinese)

［17］ 周彥平，陶坤宇，曲曉彤，等.天基目標瞄準多傳感器聯合探測［J］.光學 精密工程，2008，16(6):1003-1008.

ZHOU Y P，TAO K Y，QU X T，et al..Multi-sensor joint detection in space-based pointing［J］.Opt.Precision Eng.，2008，16(6):1003-1008.(in Chinese)

［18］ 李治國，高立民，張博妮，等.空間光電跟蹤系統動量平衡設計與試驗［J］.光學 精密工程，2013，21(1):62-68.

LI ZH G，GAO L M，ZHANG B N，et al..Design and experiment of momentum balance wheels for optoelectric tracking gimbals［J］.Opt.Precision Eng.，2013，21(1):62-68.(in Chinese)

［19］ 譚顯路.高能激光武器的發展和應用前景［J］.航空兵器，2000(3):25-29.

TAN X L.Development and application prospects of high-energy laser weapon［J］.Aero Weaponry，2000(3):25-29.(in Chinese)

［20］ 鐘建業，徐梓茂.美圍激光武器綜述［J］.航空知識，2004(4):50-51.

ZHONG J Y，XU Z M.An overview of american laser weapon［J］.Aerospace Knowledge，2004(4):50-51.(in Chinese)

［21］ 任國光，黃裕年.美國高能激光武器的發展戰略(上篇)［J］.激光技術，2001(4):241-245.REN G G，HUANG Y N.Developing strategic of American high power laser weapons(part 1)［J］.Laser Technol.，2001(4):241-245.(in Chinese)

［22］ 劉天華，王云萍.高能激光武器綜述［J］.現代軍事，2001(293):42-44.

LIU T H，WANG Y P.An overview of american laser weapon［J］.Modern Military，2001(293):42-44.(in Chinese)

［23］ 陳婭冰.激光武器新技術及應用［J］.激光與光電子學進展，2003(4):18-20.

CHEN Y B.New technology and application of laser weapon［J］.Laser Optoelectronics Progress，2003(4):18-20.(in Chinese)

［24］ 美國機載激光武器研究動向.［EB/OL］.［2013-05-07］.http:∥www.1isa-mil.com.

［25］ 黃勇，侯海梅.美國的戰術高能激光武器［J］.激光技術，2002(4):273-276.

HUANG Y，HOU H M.The tactical high-energy laser weapon of america［J］.Laser Technology，2002(4):273-276.(in Chinese)