美海軍艦載激光武器的發展現狀*

廖龍文 馮錦玲 張夏彬

(63650部隊科技信息中心 烏魯木齊 841700)

美海軍艦載激光武器的發展現狀*

廖龍文 馮錦玲 張夏彬

(63650部隊科技信息中心 烏魯木齊 841700)

論文簡要介紹了艦載激光武器的特點及其性能,重點探討了美海軍和國防部正在研究的三類主要的激光器：光纖固體激光器、板條固體激光器和自由電子激光器,并分析了發展艦載激光武器遇到的挑戰,描述了美海軍未來發展的總體構想,最后預測了艦載激光武器的發展前景。

艦載激光武器; 光纖固體激光器; 板條固體激光器; 自由電子激光器

Class Number E83

1 引言

現代海戰中,反艦導彈已成為最主要的攻擊武器,對水面艦艇的生存構成了巨大威脅。目前,導彈與反導導彈正在不斷地相互推進發展,但總的趨勢是新型反艦導彈越來越先進,具有掠海飛行、末端機動、難于探測等特點,對艦艇生存構成了嚴重的威脅,而現有的各種艦載反導系統又不能完全滿足海戰要求,因而,尋求新的防空手段迫在眉睫,艦載激光武器應運而生[1～2]。

美國國防部致力于發展軍用高能激光武器已達數十載,能夠打擊1.6km以外某些水面和空中目標的激光器有望在未來幾年內裝載在海軍水面艦船上。在隨后的幾年里美軍將裝載功率更大的艦載激光武器,從而使海軍水面艦船具備對抗16km之外多種水面和空中目標的能力。這些功率更大的激光器還可能為海軍水面艦船提供對抗某些彈道導彈的末端防御能力,包括對抗中國的新型反艦彈道導彈(ASBM)。

2 艦載激光器概述

2.1 艦載激光器的潛在優點和局限性

作為潛在的艦載武器,激光武器在對抗一些水面、空中和彈道導彈目標時具有某些潛在優點,如單發邊際成本低、大容量彈倉、可實現多次快速打擊、反擊空中機動目標的能力、精確打擊能力和降低對港區附帶損傷的風險和其它用途,這些優點使其備受海軍的關注[3]。當然它也存在一定的局限性,如視線有限;大氣的吸收、散射和湍流,沒有全天候解決方案;熱暈效應;飽和攻擊;對飛機和衛星造成附帶損傷的風險等。

2.2 艦載激光潛在的打擊目標

艦載激光潛在的打擊目標包括：光電傳感器,包括反艦導彈的光電傳感器;小型艦隊和其他船只;火箭、炮彈和迫擊炮彈(有時候統稱為RAM);無人機(UAV);飛機;反艦巡航導彈;彈道導彈,包括反艦彈道導彈。

當海軍水面艦船離海岸很近時,必須防范來自小型艦船、火箭、炮彈和迫擊炮的襲擊。伊朗已經擁有了數只小型艦船,其用意是對抗美國海軍艦船入駐波斯灣。火箭、炮彈和迫擊炮彈武器在政府和非政府組織間廣泛擴散。無人機(包括相對簡單和便宜的模型)可以遠距離搜集和傳輸海軍艦船的數據,也可以俯沖而直接攻擊海軍艦船。反艦巡航導彈在國家間廣泛擴散,也有報道稱在2006年非政府真主黨組織用它攻擊了以色列的艦船。中國已經研制出了反艦彈道導彈。那些無法毀傷彈道導彈的激光武器,也能通過精確跟蹤和成像增強彈道導彈的防御能力。

2.3 激光器對抗目標的功率水平要求

激光的目標損傷能力很大程度上取決于光束的功率和質量。光束功率以千瓦(kW)或兆瓦(MW)為單位,光束質量(BQ)用于衡量光束聚焦狀況。

激光反各類目標所需功率大小,美國多部門各持己見。表1顯示了海軍兩類觀點、國防科學委員會(DSB)的觀點和兩個公司的觀點。表中可以看出,各部門對光束質量和其他因素的假設不同,造成了各部門的不同觀點[4]。

表1 激光反特定目標所需功率

表1總結了政府和工業界對激光器對抗特定目標所需功率的一些看法,盡管觀點存在分歧,但是從表中可以得出以下結論：

1) 功率約10kW的激光器能夠對抗一些短程無人機,特別是“軟”式無人機(因其設計特點很容易被激光損傷)。

2) 10kW～100kW的激光器對抗無人機能力更強,還能對抗一些小型艦船。

3) 100kW的激光器對抗無人機和小型艦船的能力更勝一籌,還能對抗一些火箭、炮彈、迫擊炮。

4) 幾百千瓦級的激光器對抗上述目標能力更強,甚至可以對抗有人駕駛飛機和一些導彈。

5) 兆瓦級的激光器能對抗上述一切目標,包括超音速的反艦巡航導彈和彈道導彈(射程達到18.5km)。

除了上述幾點外,一則海軍簡報還稱超過300kW的激光器不僅可以保護自身艦船,還可以保護區域內的其它艦船。

2.4 海軍和國防部正在研發的激光器

海軍和國防部正發展三類主要的激光器：光纖固體激光器、板條固體激光器和自由電子激光器(FEL)。這三類激光器都是用電力驅動,發展概況如下。

1) 光纖固體激光器

光纖固體激光器被汽車、卡車制造業廣泛應用于切割和焊接金屬,因此,被認為是一項強大的技術。

(1)激光武器系統(LaWS)(參見圖1)

激光武器系統是海軍光纖固體激光器樣機的一種,光束功率為33kW。海軍已設想用激光武器系統摧毀或可逆干擾光電傳感器,反無人機、光電控制的導彈和雷達跟蹤。同時還設想把激光武器系統安裝在艦船上面或直接裝備到現有的近防武器系統內,為支持后一個方案,海軍投資研究激光武器系統和近防武器系統的集成問題。

圖1 激光武器系統樣機

2013年4月9日,美海軍利用激光武器系統在波斯灣區域進行試驗,成功擊落一架無人機(參見圖2)。艦載激光武器系統可以自動跟蹤、瞄準和打擊空中目標,如飛機。海軍希望進一步提升其能力,以打擊某些導彈目標。艦載激光武器使用光纖激光,通過光束合成技術將功率提升到100kW級(2014年目標)。其最大的優勢是低成本,每發成本小于1美元,這正是在目前資金緊張的情況下取得進展的最主要原因。此次試驗選在波斯灣進行的目的,也正是在于向哈馬斯、伊朗等敵對勢力展示美國強大的軍事科技能力。

圖2 被擊中的無人機燃起大火后墜毀

歷時多年的發展,美海軍宣稱將于2014年在“龐塞號”運輸艦上部署高能固體激光武器,此舉是緊隨于光纖激光武器在最近的試驗中成功擊落無人機的。

在激光武器真正意義上實現軍事用途之前,海軍仍需要改善高功率激光相結合、系統的效率和光束在大氣中的遠距離傳播等方面的技術。隨著技術飛速發展,激光武器的殺傷范圍很廣泛：從非致死致殘和威懾直至目標的破壞。毫無疑問,它將很大程度改變現代海上戰爭模式。

(2)戰術激光系統(TLS)(參見圖3)

另外一種光纖固體激光器是戰術激光系統,激光束功率為10kW,設計該系統的目的是將此激光器安裝在諸多海軍水面艦艇甲板上的Mk-3825毫米機槍上。戰術激光系統將提升Mk-38機槍打擊目標的能力,如對付小型船只;也可以協助精確跟蹤目標。2008年1月伊朗小船事件促使海軍開始研制戰術激光系統。2011年3月,BAE與海軍簽訂了價值280萬美元的合同：在15個月內研發出戰術激光系統樣機。波音公司正與BAE合作此項目。2010財年國會為海軍PE0603795N陸地攻擊技術的研究與開發項目增撥了299.1萬美元,要求海軍提高Mk-38系統的作戰性能,其中部分資金也用來發展戰術激光系統。

圖3 戰術激光系統整合在Mk38機槍上的示意圖

2012年3月26日新聞報道,波音公司定向能系統的副總裁Michael Rinn說：“該項目得到海軍少量的經費支持,并以兩家公司內部投資為補充,過去幾年里項目已經取得一些進展”。去年夏天在佛羅里達州的埃格林空軍基地對戰術激光系統主要部件進行了現場測試,測試表明該系統晝夜都能識別友軍和敵軍的活動。報道還指出,該激光器的全系統測試定于2012年夏進行。

2) 板條固體激光器

國防部繼續研發用于軍事用途的板條固體激光器,其中包括海面激光武器演示樣機(MLD)(參見圖4),這是美國防部聯合高功率固體激光器(JHPSSL)項目的演示項目。2009年3月,諾斯羅普·格魯曼公司演示驗證了由7個板條固體激光器(每個功率為15kW)組合而成的激光器,其發出的激光束功率約為105kW。

2010年7月,美海軍在海軍地面武器中心(NSWC)的港灣測試了海面激光武器演示樣機在海洋環境中跟蹤小船的能力;2010年8月下旬至9月初,在波多馬克河水面的指定范圍內測試了海面激光武器演示樣機打擊固定目標的能力,如具有代表性的小船;2010年11月,在海面上測試系統打擊小船的能力,但由于需要替換系統部件,實驗中途停止;2011年4月恢復了對系統的測試;2011年6月系統成功擊中小型船舶。

將板條固體激光器功率放大到300kW不存在任何技術難題,支持發展板條固體激光器(如海面激光武器演示樣機)的人認為,激光束功率最終可增至600kW。但通常認為板條固體激光器很難發展至兆瓦級功率。

3) 自由電子激光器(參見圖5)

與板條固體激光器激光器(美國多個軍種都在研發)不同,在國防部系統內僅海軍在研發自由電子激光器,部分原因是自由電子激光器體積龐大而無法安裝在陸軍或海軍陸戰隊地面車輛、空軍戰術飛機上,另一方面則是因為自由電子激光器可以根據大氣傳輸的“甜點”改變自身波長,從而使自由電子激光器特別適合在海洋環境中作戰。自由電子激光器的基本結構為其實現1兆瓦甚至更大功率水平提供了明確的可能性。

海軍已經研發出了14.7kW的自由電子激光器,但沒有進行過實驗室外的試驗,也沒有攻擊過移動目標。海軍研究辦公室(ONR)計劃于2010～2015財年發展新型海軍樣機(INP)：100kW的自由電子激光器,目的是降低研發兆瓦級自由電子激光器的風險。然而,2011年3月26日一篇新聞報道指出：“海軍不斷推遲100kW自由電子激光器的研發,原因在于他們認為固體激光器是將定向能武器裝備于艦隊的最快方法,從而將重點放在固體激光器的研發上。”

2.5 存在的技術挑戰

在軍事激光器的研究中,海軍和國防部解決了許多與艦載激光器研發有關的技術難題,但仍存在許多挑戰[5～6]。發展潛在艦載激光器尚需攻克的技術挑戰可分為以下四大類：

1) 在放大光束功率時,如何保持或提高光束質量和解決熱管理問題(去除增益介質發出的余熱);

2) 如何把樣機和演示機轉換成適合批量生產、安裝于艦船并在艦船上操作維護的、能使用多年的激光器產品;

3) 如何設計激光武器系統的其他部分,包括目標探測與跟蹤系統,以及光束瞄準系統;

4) 如何使激光器與艦船的動力、冷卻和作戰系統結合為整體(集傳感器、計算機、顯示器和武器于一體化的艦船)。

上述技術挑戰都不能忽視。持懷疑態度的人可能會認為國防部過去對激光器的研發表現出了過于樂觀的態度,國防部低估了一些技術難題,忽視了制造激光武器的困難。他們還指出,盡管研發工作已經進行了幾十年,但至今國防部還未能部署可用于實戰的高能激光武器系統。

自由電子激光器遇到的主要挑戰是：如何將功率擴展至兆瓦級。海軍研究局認為將自由電子激光器的功率從14kW放大到100kW,會使其下一步更容易放大到兆瓦級功率水平。對于固體激光器,其存在的主要技術挑戰是熱管理問題。激光武器系統支持者認為,許多與該系統投入戰場有關的難題都已解決。

2.6 海軍水面艦隊發展艦載激光武器的總體構想

海軍水面艦隊發展艦載高能激光器的總體構想分為三個階段,見表2[7]。盡管總體構想提到了特定功率水平的激光器和在海軍艦船裝載激光器的可能時間框架,但它不是產品型艦載激光器的采購計劃,也不是發展艦載激光器的路線圖(路線圖要比總體構想具體得多)。

3 結語

針對當前、未來來自水面和空中的威脅,包括反艦巡航導彈和小型艦隊,美海軍正尋求發展多種定向能武器,為海上平臺提供點防御能力。目前,艦載激光武器已經成功擊落無人機,并完成了摧毀小型艦船的演示驗證試驗。隨著技術的進一步提升,美海軍堅信,在未來艦載激光武器可以攔截來襲的彈道導彈[8～10]。

在目前的預算情況下,美海軍須制定一項更加明確的、經濟上可以承受的戰略,以明確其將研發何種激光器并將其裝載于艦船或其它平臺。鑒于這些考慮,美海軍可能會終止自由電子激光器的研發,繼續尋求發展光纖和板條固體激光器等短期內可應用于武器系統的激光器。

多方面證明,海軍將成為三軍中第一個部署定向能激光武器的軍種,不僅僅是海軍長期推進定向能技術的發展,另外因為艦船容易解決載重、熱管理和電力等問題。但是,艦載激光武器在用于實戰之前,必須解決新型艦船的設計、放大功率時如何保持或提高光束質量和各系統集成等問題。

表2 海軍水面艦隊發展艦載激光器的總體構想(2011年5月草案)

[1] 徐大偉.國外艦載激光武器的發展動向與分析[J].艦船電子工程,2012(1):7-9.

[2] 沈醫文,陳建華,常國任,等.戰術激光武器在水面艦艇反導中的應用研究[J].艦船電子工程,2007(3):51-54.

[3] Joung R. Cook, et al. The Navy’s High Energy Laser Weapon System. SPLE,1997,2988:264-271.

[4] Ronald O’Rourke. Navy Shipboard Lasers for Surface, Air, and Missile Defense: Background and Issues for Congress[C]//Congressional Research Service, August 2012.

[5] Ivan Ng. A free electron laser weapon for sea archer[D]. Naval Postgraduate School, December 2001.

[6] Gregory G. Allgaier. The shipboard employment of a free electron laser weapon system[D]. Naval Postgraduate School December,2003.

[7] Ronald O’Rourke. Navy Shipboard Lasers for Surface, Air, and Missile Defense: Background and Issues for Congress[C]//Congressional Research Service, March 2013, December 2003.

[8] Joung R. Cook, John R. Albertine. The navy’s high energy laser weapon system[C]//Proc. SPIE,1997,2988:264-271.

[9] 沈醫文,陳建華,常國任,等.戰術激光武器在水面艦艇反導中的應用研究[J].艦船電子工程,2007,3:51-54.

[10] 馮寒亮,韓鋒,張平.美國海軍艦載高能激光武器[J].激光與光電子學進展,2006,7:41-45.

Development Status of U.S Navy Shipboard Laser Weapon

LIAO Longwen FENG Jinling ZHANG Xiabin

(Science & Technology Information Center, No. 63650 Troops of PLA, Urumqi 841700)

The characteristics and performance of shipboard laser weapons are discussed, with focus on three types of lasers being developed by the U.S. Navy and Department of Defense: fiber solid-state lasers, slab solid-state lasers and free electron lasers. The challenges encountered during the development of shipboard laser weapons are analyzed, the overall concept of the future development of the U.S. Navy is described, and the prospects of shipboard laser weapons are predicted.

shipboard laser weapon, fiber solid-state laser, slab solid-state laser, free electron laser

2014年6月8日,

2014年7月15日

廖龍文,男,助理工程師,研究方向:情報研究。馮錦玲,女,副研究館員,研究方向:激光。張夏彬,男,館員,研究方向:情報研究。

E83

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.003