美國典型高能固體戰術激光武器發展概況

葉肖甫

摘要：由于激光武器具有攻擊速度快、成本低、靜默抗干擾等優點，使得固體戰術激光武器得到了飛速發展。本文介紹了美國典型固體戰術激光武器系統的研究進展和試驗情況，并對固體戰術激光武器的發展方向進行了分析，以期對激光武器系統的研發提供一定的參考價值。

關鍵詞：固體戰術激光武器 自適應光學 光學相控陣

高能激光器通常是指單脈沖能量大于1000焦耳、持續時間內輸出激光功率不小于10000瓦特的脈沖激光器，或輸出激光平均功率達10000瓦特的連續激光器。按照激光武器的毀傷效果，激光武器分為功能性毀傷激光武器和摧毀性激光武器。對目標的部分功能進行毀傷，使其作戰效能降低的激光武器稱為功能性毀傷激光武器，即軟殺傷激光武器；對目標或其關鍵部位直接毀傷，使其喪失全部作戰效能的激光武器稱為摧毀性激光武器，即硬殺傷激光武器。按照裝載平臺，激光武器可以分為車載、艦載、機載或星載激光武器，適用于不同的作戰環境。

高能激光武器可以利用高功率激光束直接殺傷目標，具有速度快、命中精度高、抗干擾能力強等優點。高能固體激光武器依靠電激勵，可以重復使用，彈倉容量大，不用像常規炮彈那樣需要制造、運輸、儲存和維護。高能固體激光武器單次作戰費用低，是一種綠色武器系統。固體戰術激光武器可以攻擊多種目標，包括無人機、戰車、橡皮艇、火箭彈、炮彈、迫擊炮彈等。另外，激光武器不使用炮彈之類的固體物質，可以更好地被利用于在人群密集區域的防御，不會像傳統防空炮的子彈，在掉落地面時引起人群恐慌。此外，激光武器還可以對付小型地面目標，以及用于維和或防止騷亂，而不像槍炮那樣容易引起人們的注意，在短距離內達到有效的威懾，且不會有火炮的巨響聲[1]。

激光武器先期是以攻擊和防御中遠程火箭彈、導彈為主，后來隨著軍事需求的變化和激光武器技術發展的限制，現主要攻擊目標為低空飛行的無人機等低、小、慢目標。比如，目前美國海軍激光武器系統以無人機為主要目標，以巡邏艇發射的火箭彈、導彈以及小船為次要目標[2]。

根據無人機的分類[3]，目前激光武器反無人機的有效作用距離選定為10千米左右是合理的。鑒于目前激光武器發展的技術水平，以及目前對低、小、慢反無人機的迫切需要，激光武器反無人機可以適當縮短有效作用距離至2千米～3千米，適用于對付小型無人機和近短程無人機。

近年來，美國對激光與典型目標的相互作用的物理和熱動力機理進行了大量的理論和試驗研究，研制了多種高能激光武器演示系統，在外場試驗中多次成功擊落迫擊炮彈、無人機、車輛和船只等戰術目標，為高能激光武器的進一步開發奠定了基礎。

一、美國高能固體戰術激光武器發展現狀

1.艦載激光武器系統

美國雷聲公司研制的海軍艦載激光武器系統采用了非相干合成的方法，將六個5.5千瓦特的IPG商用光纖激光器合成，激光功率為33千瓦特。

艦載激光武器系統最初的作戰目標是火箭彈、炮彈、迫擊炮彈及無人機。但隨著無人機威脅的日益加大，該系統的主要作戰任務轉變為反無人機和快艇。艦載激光武器系統還可用來防御如小船、便攜式防空系統和浮動水雷等其他威脅。另外，在交戰前，也可利用其光學傳感器提高對潛在威脅目標的識別能力和監控距離，以確定目標意圖，從而為作戰決策提供重要依據。

艦載激光武器系統于2007年開始研制，2008年完成艦載激光武器系統集成，2009年在加利福尼亞州中國湖海軍空戰中心飛機分部開展了陸基試驗，成功地實現了5次反無人機試驗。

2010年5月24日，在加利福尼亞州圣尼古拉斯島的一處海岸陸地上進行的艦載激光武器系統演示試驗中，在距離3.2千米處，摧毀了2架時速482千米的無人機。這是在海洋環境下艦載激光武器系統首次對無人機的摧毀演示，如圖1所示。

本次試驗的亮點是擊落四架無人機、擊毀一條目標小船。這次試驗艦載激光武器系統克服了試驗環境中大風、吸收、散射、湍流等困難，是激光武器發展的一座非常重要的里程碑，試驗表明以光纖激光器為作戰光源的艦載激光武器關鍵技術取得了重要突破。

2012年起，艦載激光武器系統被安裝在“杜威號”驅逐艦前方甲板上，在2012年7月至9月的試驗中，它成功擊落了三架典型威脅的無人機目標。

2013年4月，艦載激光武器系統集成在“龐塞號”兩棲戰艦上，編號為AN/SEQ-3，如圖2所示[4]。

2014年8月底，安裝在位于波斯灣的美國第5艦隊的“龐塞號”上的艦載激光武器系統，試驗其在濕熱、灰層和鹽霧等海洋條件下的適應性。2014年11月，美國海軍公布的視頻顯示擊毀了一架掃描鷹無人機，引爆了一枚火箭彈，燒毀了一艘堅固的氣墊船。在惡劣天氣、高濕度和沙塵暴的條件下，艦載激光武器系統仍工作正常[5]。

2017年7月，美國海軍利用安裝在浮動前進平臺USS Ponce（AFSB I 15）的艦載激光武器系統進行演示試驗，在波斯灣成功擊落一架無人機[6]。

美國海軍下一步的計劃是將武器系統的輸出功率提升到50千瓦特～100千瓦特。

2.移動式高能激光演示系統

美國陸軍將耐用的光束控制系統集成到重型擴展型機動戰車上，在高能激光技術演示項目中進行反迫擊炮彈目標的低功率試驗。2012年，美國陸軍利用高能激光推進計劃的成果將高能激光技術演示轉變為移動式高能激光演示。移動式高能激光演示的性能將支持固體激光技術過渡到導彈與空間計劃執行局的探索項目，該局有相關反迫擊炮彈和無人機的任務。

2012年，在美國陸軍空間與導彈防御司令部后續合同支持下，波音公司將繼續開發車載定向能系統，以提高反迫擊炮彈和無人機的作戰能力。

在移動式高能激光演示系統第二階段高功率測試合同支持下，波音公司在移動式高能激光演示系統上安裝了10千瓦特商用光纖激光器，并留有后繼安裝更強激光的選擇，減小了將來安裝更強激光的風險。endprint

波音公司定向能系統副總裁兼項目主管邁克·里恩說：“波音公司移動式高能激光演示項目采用最先進的固體激光技術，確保陸軍現在和將來擁有以光速防御反火箭彈、炮彈、迫擊炮彈和無人機的能力，高功率測試代表該革命性的定向能系統邁出了非常重要的一步。”

移動式高能激光演示系統由波音公司和陸軍共同開發，該后繼合同將支持后面三年的開發和測試。在2013年采用高功率固體激光進行野外測試[7]。

2014年10月，波音公司和美國陸軍在佛羅里達恩格林空軍基地已經驗證了移動式高能激光演示系統在海洋環境條件下的能力，成功對付了一系列飛行目標，如圖3所示。

波音公司定向能系統主管戴夫·德揚說：“在佛羅里達強風夾雜雨霧的天氣條件下，用10千瓦特移動式高能激光演示系統作戰，是迄今為止最有挑戰性的。正如2013年在新墨西哥白沙靶場和2014年春天在恩格林空軍基地驗證的一樣，移動式高能激光演示系統是可靠的，在不同環境條件下能夠連續捕獲、跟蹤和摧毀一系列目標，驗證了定向能系統潛在的軍事應用價值。”

在最近的演示中，移動式高能激光演示系統采用10千瓦特高能激光器，安裝在Oshkosh軍用戰車上，該演示系統是首個移動式高能激光系統，運用于反火箭彈、炮彈、迫擊炮彈。

波音公司定向能系統主管戴夫·德揚說：“利用移動式高能激光演示系統類似的能力，波音公司正在演示定向能技術增強現有動能攻擊武器，并且顯著降低每次攻擊的成本。僅僅花費柴油機的成本，激光系統就可以不斷發射，而不用花費昂貴的彈藥和額外的人力。”

經過兩輪演示驗證，波音公司取得了所有既定的目標，成功擊落了150個飛行目標，包括60毫米迫擊炮彈和無人機。下一步移動式高能激光演示系統將安裝50千瓦特或60千瓦特激光器，演示反迫擊炮彈和無人機的能力[8]。美國陸軍打算采用洛·馬公司60千瓦特光纖激光器，通用原子公司希望采用其研制的高能液體激光區域防御系統激光器，波音公司希望采用自己研制的50千瓦特和100千瓦特激光器，并且改進熱管理和電源子系統。

3.先進試驗高能激光系統

洛·馬公司采用光譜合成方式研制的先進試驗高能激光系統。2015年3月，洛·馬公司演示了最新的先進試驗高能激光系統。在幾秒鐘內，燒穿了1.6千米外的一輛小型Ford F-150皮卡車的引擎蓋，并損壞了發動機[9]，如圖4所示。

2017年9月，先進試驗高能激光系統在白沙靶場試驗，成功擊落了5架無人機，顯示了在無聲無息中擊落敵方無人機的能力，如圖5所示[10]。

先進試驗高能激光系統內部為30千瓦特的快速激光演示倡議激光器。2013年，快速激光演示倡議實現了30千瓦特激光器出光演示。

先進試驗高能激光系統是在區域反彈藥激光武器系統的基礎上開發的。區域反彈藥激光系統成功進行了外場試驗，精確擊中了海上目標和小型空中目標[11]。

區域反彈藥裝備的是10千瓦特光纖激光器，是機動的陸基激光系統，用來保護高價值的軍用設施，包括對付前沿陣地逼近的火箭彈和無人機[12]。

2017年3月，洛克馬丁開發的光纖激光系統的激光功率達到了58千瓦特，電光效率達到43%，光束質量接近衍射極限，創造了同類激光世界紀錄，該系統計劃在享茨維爾進行60千瓦特功率的試驗[13]。

激光與傳感器系統高級研究員羅伯特·阿夫扎爾博士說：“我們已經開發了激光功率足夠強、重量足夠輕、體積足夠小、性能足夠可靠的激光系統，可以部署在任何陸海空防御戰術平臺上。”

激光武器是對傳統動能武器的一個補充，在將來，可以有效防御無人機群和大批次的火箭彈和炮彈。美國陸軍計劃于2023年部署其先進激光武器[13]。

2017年洛·馬公司從空軍研究實驗室獲得2639萬美元的合同，正在研制適合機載的激光武器，計劃2018試驗該技術[10]。

4.海上激光演示系統

海上激光演示系統采用美國聯合高功率固體激光項目支持的由諾·格公司研制的15千瓦特板條激光器模塊。

2011年，海上激光演示系統安裝在美國海軍自衛試驗艦上，驗證了防止水面艦艇和船員受到小船攻擊的能力。

2011年4月，海上激光演示系統在加利福尼亞州外海的圣尼古拉斯島附近海域試驗，在幾秒鐘內使一艘1.6千米外遙控移動的無人駕駛小船引擎著火，成功擊毀小船[14]（如圖6所示）。

2011年，這次為期3天的試驗，共發射激光35次。海上激光演示系統承受住了2.44米浪高、25節（12.8米/秒）風速及雨霧等，創造了定向能武器的多個第一。海軍激光系統第一次安裝在退役的“斯普魯恩斯”級驅逐艦上進行海上試驗，并第一次與艦上雷達導航系統連接，電激勵激光系統第一次在海上運動平臺上發射激光[15]。

2009年3月，諾·格公司用其研制的7臺15千瓦特板條固體激光器，通過相干合成，獲得了光束質量小于3的105千瓦特激光束。2015年年底，諾·格公司簽訂研制激光武器演示系統項目合同[16]。

2015年12月報道，諾·格公司將研制150千瓦特激光武器演示系統，裝在美國海軍自衛試驗艦上。研制經費從5.3千萬美元增加到9.1千萬美元，研制周期為34個月，分為三個階段：第一階段系統詳細設計，第二階段組裝和地面試驗，第三階段安裝在自衛艦上進行海上試驗[17]。

5.自我防護高能激光演示系統

美國空軍研究實驗室自我防護高能激光演示系統包括三個部分：第一，諾·格公司承研自我防護高能激光演示系統激光炮在航空中的效果研究，研制光束控制系統將激光導向目標；第二，波音公司承研激光吊艙研究與開發項目，研制安裝在戰術戰斗機上的吊艙，用于驅動和冷卻激光器；第三，洛·馬公司承研適用于下一代緊湊型環境的改進激光系統，使敵方目標失效。洛·馬公司正在集中開發緊湊高效的激光器，以滿足尺寸、重量和功耗的限制。endprint

美國空軍研究實驗室計劃在2021年前在戰斗機上進行激光系統試驗。

洛·馬公司激光武器系統高級研究員羅伯·阿夫扎爾博士表示：“我們已經證明了我們有能力使用定向能量抵御來自地面的威脅，而作為自我防護高能激光演示系統的一部分，我們期待將來的空中測試。”[18]

諾·格公司開發自我防護高能激光演示系統的STRAFE光束控制系統，安裝在空軍戰斗機的戰術吊艙中。STRAFE通過收集作戰環境下的數據，加強了解在超音速條件下的航空-光學干擾。這些工作將在加州洛村雷東多海灘和新墨西哥州科特蘭空軍基地完成，預計2021年8月31日前完成[19]。

6.高能液體激光區域防御系統

美國國防先進研究計劃局的高能液體激光區域防御系統的目的是開發150千瓦特的高能激光系統，體積重量比現有相同功率激光系統降低一個數量級。具體目標是體積3立方米，重量功率比小于5千克/千瓦特，重量大約為750千克。降低體積重量可以使戰斗機、轟炸機、加油機和無人機等戰術飛機搭載高能液體激光區域防御系統，防御或者攻擊地面威脅。與陸基系統相比，高能液體激光區域防御系統將顯著增大作戰距離。

將固體激光的高能量傳輸技術與液體激光高效的熱管理技術相結合，高能液體激光區域防御系統較之前的高能激光系統具有兩大優點：首先，結構緊湊且重量輕，可以搭載在戰斗機等戰術飛機上；其次，熱管理通過增加駐留時間極大提高了高能激光發射的功率[20]。

按照美國國防先進研究計劃局預計，高能液體激光區域防御系統的研制將分為五個階段完成：第一，對諧振腔、激光增益和系統熱特性進行技術論證和關鍵技術演示；第二，研制和試驗15千瓦特、17千瓦特集成了供電單元和熱管理單元的激光模塊；第三，完成150千瓦特激光器的詳細設計，啟動建造工作；第四，在地面試驗中演示驗證150千瓦特高能激光系統的性能；第五，把高能激光器集成到試驗飛機，在飛行試驗中，演示驗證150千瓦特高能激光系統的機載自防御性能[22]。

15千瓦特樣機試驗成功后，進行全尺寸150千瓦特高能激光武器系統制造和演示，最終150千瓦特高能激光將集成在指定飛機上，演示主要的性能參數。

2015年5月，高能液體激光區域防御系統進行了一系列外場試驗，演示了足夠的激光功率和光束質量。政府驗收的接受標志著該項目實驗室開發階段已經結束，開始了更有挑戰性的在白沙靶場進行的反火箭彈、炮彈、車輛和有代表性的地空導彈試驗。2015年7月，由美國國防先進研究計劃局和美國空軍研究實驗室共同出資，將高能液體激光區域防御系統集成到陸基激光武器系統演示項目已經開始。后繼的外場試驗目的是使系統能夠滿足軍方將來改進、試驗或轉化為實際使用。2016年1月，通用原子公司開始150千瓦特級激光實驗，并且希望美國空軍特戰司令部將來在武裝直升機上也安裝該激光武器系統。美國空軍特戰司令部司令布拉德利·海托爾德中將說：“激光技術已經成熟，可以用于AC-130空中炮艇上了。我想在AC-130空中炮艇上裝備高能液體激光區域防御系統的原因是AC-130空中炮艇發射動能武器時，所有人都知道你在那里。”

負責通用原子公司激光項目的副總裁邁克爾·佩里認為，提供機載激光的電源和冷卻激光系統是集成面臨的主要挑戰。通用原子公司希望在其研發的噴氣式“捕食C”復仇者無人機上裝備高能液體激光區域防御系統。實戰試驗將在白沙靶場進行，并對一系列空中目標開火[20]。

除了海軍的項目之外，通用原子公司還瞄準了波音公司研制的陸軍移動式高能激光演示系統項目，但是陸軍傾向于采用洛·馬公司的60千瓦特光纖激光器來改進移動式高能激光演示系統。另外，空軍研究實驗室對吊艙激光武器也很感興趣[21]。

二、美國高能固體戰術激光武器發展趨勢

從美國高能固體激光武器發展的現狀分析，高能固體激光武器出現了以下發展趨勢：

1.不同技術體制多途徑發展高能固體激光器

美國陸軍高能激光技術項目包括三個推進領域：固體激光器開發、光束控制系統開發、實驗室和外場試驗。第一個推進領域實現了聯合高功率固體激光項目，由高能激光聯合技術局和各軍種共同資助，其目標是要開發性能、體積和重量適合于未來戰術高能激光武器系統的固態激光技術，最重要的性能參數是平均輸出功率、光束質量、電光效率和運行時間[24]。這個項目成功將固體激光功率從約1千瓦特提高到100千瓦特級，其中包括諾·格公司的相干合成激光器和達信公司采用等比放大的薄鋸齒形陶瓷Nd：YAG板條激光器。

后繼的耐用電子激光倡議項目專注于開發新一代固體激光器，使其更適合外場使用的軍用陸基、機載和艦載戰術平臺[23-24]。

耐用電子激光倡議由陸軍、空軍及高能激光聯合技術辦公室共同給予經費支持，中標的合同商都有滿足耐用電子激光倡議要求的不同途徑，包括洛·馬公司的光譜合成光纖激光器、雷聲公司的平面波導MOPA激光器、諾·格公司的主動鎖相的高功率摻鐿光纖放大器陣列、通用原子公司的分布增益激光器、波音公司的薄片激光器。

美國通用原子公司利用固體激光的高能量傳輸技術與液體激光高效的熱管理技術研制高能液體激光區域防御系統150千瓦特的高能激光系統。

從以上分析可以看出，美國采用板條激光器、光纖激光器、平面波導激光器、高能液體激光器等技術體制，采用等比放大、非相干合成、相干合成、光譜合成等技術途徑開發高能固體激光系統。

2.武器系統平臺多樣化以及與戰術平臺的適應性研究

針對高能激光武器與戰術平臺的適應性研究是未來激光武器的發展趨勢，關系到激光武器系統究竟能否走出實驗室，達到實戰化應用。移動式高能激光演示系統和先進試驗高能激光系統是陸基車載激光武器，艦載激光武器系統和海上激光演示系統是艦載激光武器。2017年，美國洛·馬公司與空軍簽訂了研制適合機載的激光武器合同，意欲安裝在F-35戰斗機上。美國空軍正追求在噴氣式戰斗機和美國特種部隊的AC-130J幽靈武裝直升機上。通用原子公司希望將高能液體激光區域防御系統裝備在其研發的噴氣式“捕食C”復仇者無人機上[25]。陸基和艦載激光武器已經進行了一些理論和實踐研究，如進行了海洋和沙漠環境條件下的性能測試和打靶試驗。如何克服大氣湍流，尤其是如何克服機載平臺的邊界層湍流的影響將是未來研究的重點。2015年10月，洛·馬公司在商用飛機平臺上進行航空自適應航空-光學光束控制的試驗[26]。神劍的光學相控陣樣機采用超快優化算法，有效“凍結”了大氣湍流，完美修正了在亞毫秒內的靜態光學像差，而且光學相控陣可以有效克服機載激光系統飛機平臺周圍邊界層湍流的影響[27]。endprint

3.分階段循序漸進發展激光武器系統

由于高能激光器功率、光束質量、體積以及重量達不到預先計劃的要求，盡管開展了光譜測試等試驗評價研究，但外場毀傷評估還存在技術難題，激光武器的發展應分階段實施，逐步走向實戰化。

美國陸軍首先啟動了高功率固體激光項目，以平均功率和光束質量為主要目標，逐步提高激光功率和光束質量，后來啟動的耐用電子激光倡議項目更加適合武器平臺為主開發激光系統，先從實驗室試驗再走向外場試驗。

美國空軍研究實驗室的自我防護高能激光演示系統的目標是150千瓦特以上，目前才達到60千瓦特級別。以美國空軍吊艙激光武器需求為主要牽引，美國國防先進研究計劃局啟動了高能液體激光區域防御系統項目，同樣采取了分階段實施的辦法[22]。

美國海軍將分三個階段實現艦載激光武器部署：近期重點發展60千瓦特～150千瓦特光纖和板條固體激光器，以執行近距防御性作戰（約1.6千米）為主，主要打擊目標包括光電傳感器、小型艦船、無人機、火箭彈等；中期（2022年前）發展300千瓦特～500千瓦特固體激光武器，增強作戰距離，具備16千米級攔截水面及空中目標能力；遠期（2025年后）發展兆瓦特級自由電子激光武器，具備摧毀超聲速巡航導彈和彈道導彈能力[28]。目前，美國海軍激光武器系統以無人機為主要目標，以巡邏艇發射的火箭彈、導彈以及小船為次要目標。

三、結語

美國不同技術途徑的固體激光功率從數千瓦特發展到100千瓦特級，固體戰術激光武器系統從陸基車載，發展到海軍艦載，空軍機載固體激光武器系統也已成雛形。盡管100千瓦特級是軍方的目標和工業部門追求的里程碑，但是幾萬瓦特的固體激光武器演示系統已經驗證了其對付近程無人機和迫擊炮彈的能力，固體戰術激光武器逐步走向野外實戰化。采用不同技術途徑發展高功率激光器，分階段實施固體激光武器系統的研制很有必要。

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（作者單位：成都外國語學校）endprint