激光武器在陸軍全域作戰中的運用

李朝龍,李明輝,陳玉華

(1.軍事科學院戰爭研究院,北京 100086；2.陸軍研究院,北京 100010)

1 引 言

未來一體化聯合作戰,陸軍將主要通過全域機動的方式遂行多樣化任務,并在多維空間同步展開作戰行動,精確作戰行動將成為戰爭制勝的重要砝碼。激光武器作為使用高能激光對不同距離目標進行精確射擊或用于防御的武器,具有快速、靈活、精確和抗電磁干擾、可持續攻擊多個目標、靜默隱蔽等優異性能,在光電對抗、防空和戰略防御中可發揮獨特作用,能夠摧毀和攔截導彈、炮彈、飛機、無人機等各種戰術目標,可改變傳統作戰方式。激光武器裝配于車載平臺,能夠形成高機動性的防空武器系統,實現大幅降低防空成本,改變攻防效費比不經濟的現狀。激光武器加載于直升機平臺作為輔助防御手段,可以實現硬殺傷或軟硬結合的梯次配合方式,提高主動防御效能。

2 當前陸軍面臨的問題與挑戰

2.1 地面部隊受傳統空中威脅日益突出

(1)精確制導武器直接威脅地面作戰力量

以美俄等軍事強國為代表的精確制導武器迅猛發展,在敘利亞戰場打擊地面固定和移動目標中大顯身手,我陸軍面臨威脅的精確制導武器種類和威脅程度都大幅提高,主要有巡航導彈、空地導彈、精確制導炸彈等,如美國已經成熟運用的AGM-158系列“聯合空地防區外導彈”、BGM-109系列“戰斧”巡航導彈、AGM-65系列“幼畜”空地導彈、“聯合直接攻擊炸彈”精確制導炸彈等(見圖1)。這類彈藥采用先進推進技術、精確制導技術和高效殺傷彈頭技術,結合衛星定位、紅外成像、合成孔徑雷達、激光雷達和毫米波尋的等制導技術,已經實現在敵方防區外自主發射并對其高價值的縱深地面目標進行半智能攻擊。

圖1 美國AGM-158空地導彈與JDAM精確制導炸彈Fig.1 AGM-158 air to ground missile and JDAM precision-guided bomb

空地導彈、精確制導炸彈通常利用隱身平臺進行突防后,在高空進行投放,實現對地面高價值目標進行精確打擊。在近幾場局部戰爭的空襲作戰中,美軍針對敘利亞、阿富汗等作戰對象和目標一般投放多枚導彈,對敏感要地一次投放多達幾十枚,傳統防空導彈武器系統防空作戰能力受到嚴峻挑戰和自身生存威脅。

(2)低小慢與RAM目標防衛問題凸突出

未來我陸軍在執行海外任務時會直接面臨各種敵對勢力的非對稱軍事威脅。一方面隨著無人機技術的發展與成熟,我軍必將面臨更加復雜的低空環境,沙特的油氣設施被無人機攻擊就是很好例證。隨著3D打印技術應用于無人機制造,從打印一架無人機部件到組裝成機實現造價低廉、制造快速,大量無人機作戰既能以數量優勢阻塞敵方探測、火力通道,又能形成大規模飽和攻擊[1],同時還能實現成本優勢換取敵方防空消耗,成為極大挑戰現有防空作戰概念的新型作戰樣式,對防空裝備的攔截能力與反應時間提出更高要求,而且這類目標裝備量巨大、造價低廉,對防空作戰效費比與持續性帶來巨大挑戰(見圖2)。

2.2 空中力量面臨生存威脅

(1)傳統陸航力量優勢正在受到極大制約

陸軍航空兵的直升機作為一種超低空火力平臺,在以往戰爭中受到突出重視,是當前陸軍實現“全域機動、立體攻防”的重要手段和方式,但是隨著火箭彈等攻擊彈藥的擴散和泛濫,即便美軍最先進的武裝直升機在阿富汗執行反恐任務,也常常要暴露在敵方防空火力之下,作戰能力和范圍受到很大制約,其成本高,損耗大,一旦被擊毀造成的軍心士氣降低無法預估,隨著未來空中戰場生存環境的進一步惡化,已經嚴重削弱有人直升機平臺在傳統作戰模式中的戰場生存能力。

圖2 激光武器攔截低小慢目標示意Fig.2 Laser weapons intercepts LLS targets

目前無人機正在廣泛替代有人直升機執行各種空中打擊任務,隨著無人機的飽和攻擊形式和蜂群作戰形式出現,傳統防空手段在面對新型無人機的挑戰中,越來越難以達成防御目的,通過有人直升機搭載激光武器系統,配合地面防空裝備形成梯次防御布局,實現對抗掠空無人機的方法路徑正在成為效費比最優選擇。

圖3 地空聯合激光防衛體系示意Fig.3 Ground-to-air joint laser defense system

目前世界各國除積極發展新一代對空導彈,實現有效打擊高性能空戰目標外,都在投入研究新型激光防御武器,適應持續增強的復雜戰場環境,作戰效能極大增強(見圖3)。在基于先進探測與預警系統、高性能機動攔射激光以及大容量指揮控制通信系統,未來的激光武器防空系統能在多種高度和距離上攔截低小慢目標、飛機和戰術導彈,具有可重復發射,長時間發射、抗反輻射導彈及反隱身能力。

圖4 外軍新型野戰防空裝備示意Fig.4 Foreign army′s new field defense equipment

(2)傳統防空對抗手段無法有效應對新型威脅

無人機蜂群等新型作戰模式的出現,使得傳統防空對抗手段難以有效應對新型威脅。無人機蜂群由大量無人機(UAV) 組成,以單機的作戰能力為基礎,以無人機之間的通信能力為支撐,以智能化為核心,基于開放式體系架構綜合集成構建,具有抗毀性、單機低成本、功能分布化等優勢和智能特征(見圖4)。通常以數量優勢突破防空火力網,對目標形成打擊。以數量優勢形成分布偵察,給未來防空作戰帶來巨大威脅。構成蜂群的中小型無人機體型相對較小、造價低廉、數量眾多且具有一定機動能力,使傳統防空攻擊手段難以命中,而導彈等攻擊手段作戰效費比很低,作戰成本無法承受(見圖5)。

圖5 傳統防空手段無法有效應對新型空中威脅Fig.5 Convertional air defense cannot effectively respond to new air threats

激光防空裝備與傳統防空武器相比有顯著優點,能以光速攻擊目標,火力轉移快,射擊精度高,能有效對抗突然出現的目標,能夠實現超低空、全方位攔截,作戰效費比高[2]。

3 激光武器在陸戰場中的主要運用

3.1 車載激光防空武器裝備

(1)美軍發展現狀

在激光武器方面,車載戰術激光武器作為新型防御手段,逐步體現出其獨特優勢,可對傳統防空體系進行有益補充[3]。美軍已率先完成多次系統及演示試驗,其中美陸軍完成10 kW級光纖激光武器車載集成(HEL-TD項目),驗證系統在有霧、刮風、下雨等多種不同條件下的毀傷能力。該激光系統采用通用動力公司研制的LD泵浦板條形Nd∶YAG激光器,作戰中先利用“貓眼”效應探測/識別目標,然后發射激光束干擾和毀傷目標的光學系統和光電傳感器,如瞄準鏡、潛望鏡和夜視儀等[4]。美國海軍啟動LaWS(laser weapon system)項目,該項目用于演示大功率光纖激光器非相干合成技術用于艦載戰術激光武器的可行性。此后Raytheon公司與美國陸軍海上系統司令部(NAVSEA)聯合開展了激光武器系統擊毀無人機的試驗。激光器由6臺IPG公司生產的工業級光纖激光器非相干合束組成,安裝在“密集陣”火炮的底座上,“密集陣”光電搜索跟蹤系統提供目標諸元,引導激光武器向BQM-147無人機發射激光,無人機以482 km/h速度飛行,試驗中共擊落4架無人機(見圖6)。雷聲公司還在研究將該系統安裝在拖車上,構成一種陸基激光防空系統,可應對來襲的精確制導導彈導引頭、無人機、迫擊炮彈和火箭彈。

圖6 車載高能激光武器Fig.6 Mounted high energy laser weapons

美國空軍網站2019年5月2日報道,雷聲公司已經向美國空軍(USAF)演示移動式高能激光(HEL)系統擊落無人機的能力,高能激光技術可以為軍隊解決日益增長的空中無人駕駛系統(UAS)的威脅。在演示中,高能激光系統安裝在“北極星”MRZR全地形戰車上,與雷聲公司的多光譜目標定位系統一起工作,可探測、識別、跟蹤無人機并與之交戰,高能激光系統擊落45架無人駕駛飛行器和無人駕駛飛機。

(2)裝備構想

車載防空激光武器是以軍用越野底盤車為平臺,配裝高能激光系統,利用高能激光束直接摧毀目標或使目標喪失作戰能力的定向能武器,遂行陸軍地面部隊中近程伴隨防御作戰任務,有效攔截來襲敵無人機、空地導彈、制導炸彈、巡航導彈等目標威脅,提升我防空能力。

激光武器系統采用光纖激光體制,通過光束合成技術實現高功率激光輸出；采用粗精結合的復合軸跟蹤策略,利用大口徑望遠鏡進行目標探測,結合精跟蹤快反鏡,實現對目標的捕獲、跟蹤和瞄準,將光束精確實時鎖定在目標打擊部位,并利用大口徑望遠鏡發射并在遠場精確會聚到目標靶面[5],實現對目標的有效毀傷；采用高密度儲能電池和集成化供配電系統進行供配電管理,采用“制冷+相變蓄冷”方式對激光武器工作中產生的廢熱進行排散,保障激光武器全天時持續工作。

(3)運用設想

激光武器主要用于近程末端防御,彌補現有防空反導武器裝備超低空探測與攔截、抗飽和攻擊作戰能力的不足。主要以實現對來襲亞音速武器的防御為主,可以實施迎頭攻擊,還可以完成橫向攻擊、追尾攻擊等常規火炮、導彈難以實現的攻擊方式,還能有效防御低空入侵的飛機、掠地飛行的巡航導彈、突然躍升的直升機等常規火炮、導彈難以對付的目標,伴隨地面機動部隊作戰,具有采用電激勵,在一個射擊周期中可以射擊幾千次;不需要彈藥補給,可減小后勤保障負擔等突出優點。激光武器的典型作戰流程可分為:目標捕獲階段、目標分配/交接階段、粗跟蹤階段、精跟蹤階段、打擊與評估階段。作戰時依托搜索跟蹤雷達提供目指信息,通過高精度捕獲跟蹤瞄準系統實現對來襲目標的探測識別和精確跟蹤瞄準,通過光束控制與發射系統將高能固體激光器系統產生的激光束進行擴束發射,并在目標易損部位進行聚焦實現對目標的熱積累損傷,利用供電與熱管理系統保障固態強激光武器的持續出光作戰[6]；根據不同作戰應用需求,運用設想至少采用400 kW 中紅外DF化學激光器,實現20 km對光電傳感器軟殺傷、10 km對光學系統破壞、4 km摧毀雷達整流罩(見圖7)。

圖7 激光武器典型作戰流程Fig.7 Laser weapons typical operation procedure

3.2 直升機載激光武器裝備

(1)國外發展現狀

美國海軍的直升機載高能激光武器系統,以及陸續開展的HEFL項目(High Energy Fiber Laser)計劃采用“海鷹”直升機(MH-60S)為載機平臺,激光源采用光纖激光技術體制,輸出功率通過光束合成技術達到25 kW(見圖8)。該研究項目可為今后激光武器配裝武裝直升機等平臺進行先期驗證,對美國直升機載激光武器最終走向實用化具有巨大的推動作用。

圖8 美軍直升機載激光武器試驗照片Fig.8 USA helicopters carry laser weapons

2017年6月,美國陸軍航空兵在一架AH-64“阿帕奇”攻擊直升機的短翼下加掛了高能激光武器,并在空中成功追蹤和擊中了1.4 km外的一個目標靶標。雷聲公司稱:“這是第一次從一架旋轉翼飛機上集成全套激光系統,在各種飛行狀態、飛行高度和飛行速度中擊中目標?！?這次試驗在美國新墨西哥州白沙導彈靶場進行,測試實現了所有的主要和次要目標,顯示出高能激光武器在攻擊直升機上使用的可行性。目前,激光發射前主要依靠“阿帕奇”直升機上的光電紅外傳感器,而雷聲公司還為此專門研制新型的“多光譜瞄準系統”,為直升機提供目標信息、態勢感知和激光波束控制,并能夠對激光進行跟蹤和對毀傷效果進行跟蹤評估(見圖9)。

圖9 美軍實戰化直升機載激光武器想象圖Fig.9 An image of US helicopter carring a laser weapon

(2)裝備構想

直升機載激光武器可在作戰任務全過程中為載機提供主動防御作戰,并適應典型對地攻擊、戰場支援等戰術應用,干擾來襲的空空導彈、地空導彈等目標,保障載機的戰場生存能力,削弱敵方的攻擊能力。在空中優勢作戰場景下,可對地攻擊、光電壓制、半主動引導及打擊地面坦克、車輛和人員。

主要包括小型化高效率激光器分系統、光束質量控制與發射分系統、高精度穩定跟蹤瞄準分系統、高效電能源管理分系統、高效熱管理分系統等部分。基于光纖激光體制,采用“反射望遠+庫德”結構實現激光發射,基于復合軸控制策略結合可見光、紅外成像探測實現對目標的捕獲、跟蹤、瞄準。同時,采取蓄電方式實現系統供電,采取儲能方式實現系統熱管理。整個武器系統采取半內埋或者吊艙形式裝載在直升機平臺。

(3)運用設想

針對敵方防空武器以及其它地面戰術目標,直升機載激光武器可以參與多種類型的攻防戰術,分別承擔光電探測/火控、光電壓制、激光制導和直升機自防御四種作戰任務。

圖10 晶體板條激光器工作原理Fig.10 Crystal slab laser working principles

光電探測/火控/制導是指對于在激光武器跟蹤瞄準能力范圍內的目標,可全程執行該任務,首先由機載雷達或上級指控系統提供目標初始指引信息,引導激光武器ATP系統捕獲目標,建立穩定跟蹤后,ATP系統將目標圖像數據發送給機載指控系統進行目標識別,同時將目標運動要素發給綜合火控系統進行火控解算,形成射擊指令,引導機載航炮進行精確射擊。ATP系統同時可對彈著點進行反饋,協助火控系統進行彈道修正,形成精確閉環射擊。

機載激光武器可利用高精度跟蹤瞄準能力,對地面、水面以及空中機動目標的穩定跟蹤,實現制導應用,為直升機載導彈或友軍導彈提供高精度瞄準線指令制導能力。

光電壓制是指當目標進入激光軟殺傷作用范圍時,激光武器在光電探測模式的同時開始發射激光,對敵方地面防空系統的光電跟蹤與光電制導設備實施光電壓制,甚至可以對其探測器件造成永久性毀傷,使其喪失情報感知與光電探測/制導能力。對目標進行光電壓制后,配合電子干擾等手段可全面削弱敵方防空系統的探測、制導能力。

激光制導是指直升機載激光武器的主光源激光同時可以對裝甲類目標或堅固工事進行照射,為機載半主動激光制導導彈提供照射激光源與穩定瞄準,為導彈提供目標指示,實現激光制導作戰應用。

直升機自防御是指針對敵方來襲的光電制導類防空導彈,激光武器在指控系統的決策下完成跟蹤、瞄準,并持續發射高能激光束,并通過光束控制與跟瞄分系統照射至目標靶面,完成對目標的干擾、致眩、致盲甚至硬破壞,使來襲導彈脫靶,提高直升機防御能力。

4 主要技術

4.1 激光武器總體設計技術

激光武器系統總體設計是將作戰需求轉化為裝備的源頭,從激光武器研制全局的頂層設計和謀劃出發,開展激光武器系統概念研究、技術性能指標體系構建、系統一體化設計、系統分解與綜合、系統工程化設計等工作,解決激光武器系統模型構建和方案優選問題,落腳點在于作戰應用的技術實現。

4.2 高功率體積比/質量比激光源技術

激光源是激光武器的核心,決定著激光武器的作戰能力。對于車載、機載激光武器來說,在有限的空間、載重和能源約束條件下,極大提升輸出功率水平是提升激光武器作戰能力、實現激光武器化應用的關鍵。因此,需針對平臺對空間、載重、能源方面的使用約束,開展高光束質量高效率激光技術攻關研究,提升激光源的功率體積比/質量比[7]。

4.3 全光鏈路光束控制與跟蹤瞄準技術

全光鏈路光束控制與跟蹤瞄準技術是激光武器系統解決“看得見、瞄得穩、打得準”問題的關鍵技術,實現對目標的捕獲及高精度跟蹤瞄準,并將高能激光光束進行準直、擴束及調焦,穩定可靠發射到目標瞄準點。主要包括復雜背景下遠距離目標探測技術、高幀頻/低延時高性能圖像處理技術、視軸穩定與跟蹤控制技術、高能激光光束控制技術等。

4.4 熱控環路設計技術

熱控環路設計技術是將激光突防系統產生的廢熱進行有效收集、存儲,進行獨立保障,避免熱量經過輻射、對流、傳導后導系統體溫度升高,被敵方紅外探測器捕捉。激光武器熱控環路設計首先要考慮系統內部發熱密度,其次是分系統的工作狀態、復雜性、空間、功耗大小、環境條件,最終實現全系統的高效散熱和低紅外特征。

5 發展規劃與建議

5.1 激光武器展望

激光武器可作為現有近程末端防御體系的有效補充手段,對無人機、制導炸彈等低慢小目標,亞聲速制導或非制導彈藥,超聲速制導彈藥等實施摧毀攔截,適合遂行近區安防、伴隨防御等作戰任務。分析國外主要激光對抗裝備的發展歷程,有益找到適合自己的發展路徑,在充分考慮我國激光武器各分系統關鍵技術發展水平基礎上,當前應本著穩步前進的發展思路,將激光對抗裝備由過去的非致命失能和震懾進一步提升為摧毀目標,以板條和光纖激光器等為代表的電激勵固態激光器是重點突破方向,能夠對目標殼體及結構實現破壞、摧毀。戰術高能激光對抗裝備所需的聯合高功率固態激光器(JHPSSL)、光纖激光革命(RIFL)、魯棒全電激光器(RELI)等,初步展現出實現硬摧毀應用前景。

5.2 近期發展目標

近期目標應致力于將戰術激光武器作為提供近程C-RAM(反迫擊炮彈、火箭彈、常規炮彈)、C-UAV(反無人機)和防空反導裝備推向戰場,并積極開展各類以防空反導為需求的戰術激光武器演示驗證試驗,推進戰術激光武器作為近程防御裝備的作戰能力和技術水平,以數10萬瓦級的應用裝備為目標,加速推進戰術級激光實用化進程。