激光武器關鍵技術及典型作戰模式分析

摘要：? ? ? 未來戰爭正朝著快捷化、 低成本、 無人化方向飛速發展， 新概念激光武器的研發也逐漸實現了技術上的突破， 近年來的演示驗證也屢見報道。 本文介紹了激光武器涉及的高能激光器技術、 光束控制傳輸技術及高效毀傷技術的研究現狀及發展制約因素， 探討了致眩/致盲、 亞音速巡航導彈攔截、 空空/空地導彈攔截、 彈道導彈/高超飛行器攔截、 反衛星作戰等典型作戰模式， 并對激光武器未來的發展趨勢進行了分析預測。

關鍵詞：? ? ?激光武器; 高能激光器; 光束控制; 高效毀傷; 作戰模式; 新概念武器

中圖分類號：? ? ? TJ95文獻標識碼：? ? A文章編號：? ? ?1673-5048（2020）02-0025-07

0引言

1960年， 美國科學家Maiman成功研制出世界上第一臺激光器——紅寶石激光器。 此后， 經過近60年的發展， 激光以其優異的指向性、 單色性和相干性， 在各行業得到了深入研究與廣泛應用。 特別是國防軍事領域激光武器的研發部署， 更是各軍事強國激烈角逐的焦點。 作為新概念武器之一， 激光武器與常規武器相比具有效費比高、 反應速度快、 打擊精度高、 攻擊距離遠、 發現即毀傷等能力[1-2]， 因此， 其具有重大的軍事價值與戰略意義。 美國、 俄羅斯， 以及以德國、 英國為代表的歐洲國家都投入了大量的研發專項資金， 已在地基、 空基和海基平臺開展了多項驗證性試驗， 測試了多款戰術型激光武器， 均取得了較為滿意的結果[3-4]， 但由于各關鍵技術不成熟， 至今還沒有一款真正意義上可實戰化應用的激光武器列裝。

本文從高能激光器、 光束控制傳輸技術及高效毀傷技術方面論述了激光武器的關鍵技術， 基于激光器功率的發展， 重點分析了未來激光武器的典型作戰模式， 并探討了未來激光武器的發展趨勢。

1激光武器關鍵技術

1.1高能激光器技術

1.1.1化學激光器

化學激光器是高能激光武器研究中技術最為成熟的一類激光器， 也是目前唯一可實現單口徑、 MW級平均功率輸出， 同時具有較高光束質量的激光器。? 美國機載激光武器系統（如圖1所示）選用的正是化學激光器， 并成功完成了機載反彈道導彈的演示驗證。

化學激光器的缺點也較為明顯， 主要表現為其在低腔壓下運轉產生的廢氣直接排放到大氣環境非常困難， 需要龐大的輔助排氣系統， 而且排放的氣體會對大氣環境造成污染， 這就導致了化學激光器系統體積、 重量較大， 直接限制其機載化應用的進程。

1.1.2高能固體激光器

固體激光器以塊狀晶體或陶瓷材料為增益介質，? 由于塊狀增益介質體積大、 儲能多， 固體激光器不僅可以通過單級或多級放大獲得大功率激光， 也可以通過光束合成技術實現更高功率的輸出， 是實現單口徑百千瓦級輸出武器系統的重要可選光源。

高能固體激光器的缺點是系統熱管理難、 大功率輸出時難以長時間保持高光束質量， 這也是該類激光器未來需要重點攻克的技術難題。

目前， 通過光束合成技術， 100 kW級的固體激光器已經成功實現[5]， 但由于其光束質量較差， 系統體積較大， 電光效率低于30%， 因此并沒有進行武器樣機的集成試驗。 近年來報道的車載、 艦載固體激光毀傷小型艦艇、 無人機等目標的演示驗證都是基于數十千瓦級的固體激光器開展的。

1.1.3高能光纖激光器

高能光纖激光器是以摻稀土元素光纖為增益介質的一類新型固體激光器， 其優點為電光效率高、 光束質量好、 熱管理也相對簡單、 環境適應性強等。 目前， 高功率光纖激光系統的電光轉換效率可達40%以上， 轉換效率的提升， 有效減小了對冷卻系統的要求， 進而優化了系統的結構緊湊性及體積重量， 使其適合搭載于各種戰術移動平臺。

獲得高功率光纖激光系統的技術途徑之一為非相干功率合成。 2014年美國在“龐塞”號軍艦上展出的33 kW LaWS系統（如圖2所示）， 2016年德國萊茵金屬公司展出的50 kW高能激光防空系統等， 均是基于該技術的演示系統。

為彌補功率合成光束質量下降的問題， 近年來各大研究機構開展了相干合成和光譜合成方面的研究。 針對這兩項技術， 美國分別在2016年和2017年實現了17.5 kW和60 kW的功率輸出[6]。

1.1.4堿金屬蒸氣激光器

堿金屬蒸氣激光器（DPAL）， 顧名思義， 是以堿金屬原子蒸氣為增益介質， 獲得高功率近紅外激光的一類光源系統。 堿金屬蒸氣介質主要以銣或銫為主。

航空兵器2020年第27卷第2期王海濤： 激光武器關鍵技術及典型作戰模式分析DPAL是目前公認的最具有實現兆瓦級功率輸出的激光系統， 兼顧氣體激光器高輸出功率和固體激光器優秀光束質量的雙重優點， 同時其以循環流動的金屬蒸氣為工作介質， 可實現高效散熱， 對熱管理系統要求較低。 且DPAL的泵浦源為大功率半導體激光器， 這使得其具備單口徑功率定標放大能力[7]。 DPAL還具有實現輕小型化的潛力， 為了實現機載化應用， 美國導彈防御局期望DPAL系統未來的功重比能夠突破5 kg/kW， 實現2 kg/kW。 近年來， DPAL技術取得了快速發展， 2016年美國利弗莫爾實驗室實現了大于30 kW的銣激光輸出。

DPAL激光系統也存在固有缺陷， 例如堿金屬原子化學性質活潑， 如何有效防止激光腔的腐蝕和污染具有較大難度; 高壓腔運行可能會惡化光束質量。 同時， 其輸出功率的提高嚴重依賴于半導體激光技術的發展。

1.2光束控制傳輸技術

高能激光武器實現高效毀傷作戰效果的前提是激光束能夠精確照射至目標靶面， 并在目標被照射部位維持一定的時間， 以積累足夠的能量。 因此， 保證激光傳輸的穩定性， 提高照射的精確性， 是研發激光武器必須關注的問題。

激光武器的作戰過程主要為： 由發射系統發射的高能激光通過窗口附面層高速流場、 常規大氣流場、 目標附近高速流場（高速飛行目標）， 最后輻照至目標特定位置。 根據上述作戰過程， 光束控制傳輸系統需要具備以下能力特征： 首先， 為了應對飛行目標， 發射系統需要具備持續變焦能力， 以保持照射點光斑尺寸始終最小; 其次， 高速流場、 大氣傳輸過程中對光強分布的畸變影響需要進行校正補償; 最后， 需要一套精確跟瞄系統來確保輻照光斑能夠持續穩定地輻照目標區域。

美國空軍研究實驗室（AFRL）實施的SHiELD項目（如圖3所示）的一個子課題就是光束控制和航空效應研究[8]。 該項目重點開展對發射炮塔邊界層氣流干擾以及湍流、 熱暈等大氣效應的光束控制及補償技術。 此外， 由AFRL和美國國防高級研究計劃局（DARPA）聯合洛克希德-馬丁公司進行的“航空自適應航空光學波束控制項目”[9]， 旨在研究如何采用自適應光學技術以及空氣動力學和氣流控制技術來有效補償突出飛機機身的激光發射炮塔周圍的極端湍流效應。

光束控制傳輸技術是機載激光武器的關鍵部件， 直接影響激光武器的作戰使用效果。 為了實現精確打擊， 必須要保持高精度的跟蹤瞄準， 并以優良的光強分布輻照目標， 因此， 光束控制傳輸技術就成為激光武器系統總體不可或缺的一部分。

1.3強激光大氣傳輸技術

激光在大氣傳輸過程中， 根據與各種大氣分子、 氣溶膠粒子等的相互作用類型， 可以分為線性和非線性大氣效應。 對于線性效應， 激光束受路徑上大氣環境的影響， 但是大氣環境本身并不會受到激光的影響， 這類效應主要有吸收、 散射、 湍流等效應; 而對于非線性效應， 高能激光束作用于大氣環境改變其性質， 然后又受其反作用， 導致激光束在傳輸過程中產生畸變， 常見的非線性效應有熱暈效應和等離子體效應等。

通常情況下， 為了減小大氣線性效應引起的能量衰減、 光強隨機起伏、 光束擴展等不利因素， 除了增加發射功率外， 目前最常用的方法是選取合適的激光波長， 使其位于大氣傳輸窗口范圍內， 同時采用自適應光學系統進行相位畸變補償。 當發射功率提升到一定水平時， 非線性效應就會產生， 在弱非線性條件下， 自適應光學系統的補償尚可提供有限的光束改善， 隨著非線性效應的加劇， 這種補償作用就會受到極大限制， 這主要是因為經補償后的光束反而會加劇大氣氣溶膠粒子對激光束能量的吸收， 使得非線性作用等更為嚴重。

1.3.1短脈沖激光技術

連續激光在傳輸過程中會對大氣分子進行持續加熱， 產生嚴重的大氣熱暈效應， 利用脈沖激光可有效減弱熱暈效應的影響。 數值分析表明： 短脈沖脈寬短， 與大氣作用的時間遠小于大氣吸收其能量形成熱透鏡的時間， 在熱暈效應還未形成時， 激光脈沖就已經平穩地通過了吸收介質， 可有效避免熱暈效應的產生。 但對于短脈沖， 特別是超短脈沖而言， 單脈沖能量有限， 單純增大其能量會導致峰值功率過高， 進而擊穿空氣形成等離子體效應。 對于這種問題， 目前有兩種解決途徑： 一是采用多脈沖序列， 通過選取合適的發射頻率來提高傳輸能量[10]; 二是利用等離子通道來進行激光傳輸， 這種方法目前還處于初始研究階段[11-12]。

1.3.2光束合成技術

光束合成技術是利用數個孔徑同時發射多束激光， 匯聚于目標平面上。 根據合成光束的相位關系， 光束合成可以分為相干合成和非相干合成。

相干合成要求精確控制各路光束的相位、 波長以及偏振狀態， 利用多孔徑激光陣列在遠場的相干疊加實現高功率激光傳輸。 激光相控陣技術可極大減小系統體積重量， 通過擴展相干光源的數量大幅提升輸出功率， 而且各路光束相位的控制可實現對激光大氣傳輸效應的有效補償。 作為未來強激光傳輸的重要研究方向，激光相控陣技術目前在全電高精、 高速、 大角度掃描等方面仍面臨眾多技術難題。

非相干合成與相干合成相比， 沒有各路光束的相位鎖定、 偏振匹配等要求， 其僅需各路光束能夠同時聚焦于同一目標區域即可， 從而克服單光路功率有限的短板， 實現大功率輻照。 系統簡單、 魯棒性高是該技術的優點， 其主要表現在輻照目標的功率密度受到限制， 這是由于每路光束使用的是各自的光束定向器， 指向穩定性易受大氣效應的影響， 使得目標上合成光束的尺寸時刻在變化， 且隨著傳輸距離的增加， 長時光斑平均直徑顯著增大。 在實用化方面， 美國LaWS系統、 德國戰術激光演示系統都是基于非相干合成技術。

1.4高效毀傷技術

本質上， 激光與材料相互作用的過程是電磁場與物質結構的共振及能量轉換。 通過對能量的吸收、 積累與轉化， 目標會相應地產生熱力學效應、 等離子體效應等， 據此， 激光對目標的毀傷方式可分為熱燒蝕毀傷、 激波毀傷和輻射毀傷[13]。

熱燒蝕毀傷在輻照激光能量較高時表現為對材料的熔融乃至汽化， 并由此在材料表面形成凹坑或者穿孔， 甚至會產生材料內部溫度高于表面溫度的現象， 這時， 由內而外產生的高壓作用超過材料彈性閾值時， 便會發生結構性的毀傷效果。 當輻照激光能量較低時， 雖不能對材料造成直接的毀傷， 卻可以通過加熱軟化效應來改變其屈服強度、 拉伸強度等物理特性。 對于導彈等飛行目標而言， 抗拉抗壓強度的下降， 會使其在飛行氣動應力的作用下變形或者解體。 目前而言， 熱燒蝕毀傷是激光武器系統最主要的攻擊手段。

激波毀傷的熱積累過程相對要弱很多， 是高能脈沖激光特有的毀傷方式。 由于高能脈沖具有很高的峰值功率， 當其與目標材料相互作用時， 會在其表面形成等離子層， 等離子層向外噴射對靶面形成一個反向沖擊力， 并產生稱為壓縮加載波的沖擊波向靶內傳播， 隨著激光功率的下降， 還會產生一個壓縮加載波， 兩者疊加形成激波。 經目標自由面反射后轉換為拉伸應力， 當力的大小達到材料的損傷閾值時， 就會產生斷裂破壞。

輻射毀傷的前提也是等離子體的產生， 但該毀傷方式主要利用了等離子體輻射的紫外線和X射線， 主要對目標的易損電子元器件造成電離毀傷。 對導彈來說， 最易受到輻射毀傷的是其導引頭， 而導引頭作為導彈的“眼睛”， 一旦受到致盲毀傷， 失去精確制導能力， 那么導彈只能依靠慣性飛行， 大大降低了其戰場威脅。

由以上分析可知， 激光的毀傷效應與激光功率（密度）是密切相關的。 不同數量級的功率密度， 對應的輻照毀傷效應如表1所示[14]。

2典型作戰模式分析

2.1致眩/致盲作戰

隨著軍事高科技的不斷發展， 紅外成像制導技術已經成為精確制導技術的發展主流， 其中典型代表為美國的AIM-9X紅外凝視成像空空導彈， 其采用面陣凝視成像體制， 具有靈敏度高、 空間分辨率高、 抗干擾能力強等優點， 是目前戰場干擾對抗技術需要研究的主要作戰對象。

定向紅外對抗系統可以實現對導引頭的干擾致眩和毀傷， 主要取決于聚焦到導彈紅外導引頭上的激光功率密度。

對紅外導引頭的致眩是通過注入超出紅外導引頭能承受的輻射強度的激光信號， 使導引頭的傳感器不能正常工作， 影響導引頭的控制和工作狀態。 致眩干擾需要的激光功率為瓦級。

對紅外導引頭的致盲是利用功率較高的定向激光束直接燒毀敵方導彈的紅外探測器， 但即使激光功率達不到熱破壞的程度， 光電器件也會出現類致盲效應。 出現致盲后， 器件的探測能力要經過一段時間（秒級）才能恢復到原來的水平， 期間探測器失去探測功能。

2.2激光毀傷亞音速巡航導彈

巡航導彈體積小、 重量輕， 可由多種平臺發射， 突防能力強， 美國近兩年研制的JASSM-ER和遠程反艦導彈LRASM， 智能化程度較高。 但巡航導彈的固有弊端——亞音速飛行， 為激光武器實施有效地空攔截提供了較長的時間窗口， 而且最有利于激光攻擊的部位為其最前端的制導系統。 當制導系統受到高能激光輻照時， 很容易造成光電裝置傳感器的永久性損傷， 喪失制導能力， 此后依靠慣性飛行， 喪失作戰能力。

在巡航導彈亞音速飛行狀態下， 從末段10 km處開始實施攔截， 有40～50 s的時間窗口。 此時， 數十千瓦級的激光功率， 聚焦光斑小于100 mm， 10 s內基本可以完成對10 km范圍內巡航導彈導引裝置、 發動機和殼體的燒蝕甚至燒穿破壞[15]。

目前已報道的激光武器原理樣機驗證試驗， 大部分輸出功率都在數十千瓦量級范圍內， 例如美國部署于海基平臺的LaWS系統、 機載平臺的SHiELD系統、 地基平臺的HELMD系統（如圖4所示）， 均獲得了較為理想的實驗結果。

2.3激光毀傷空空/地空導彈

對來襲的空空導彈和地空導彈進行自衛攔截作戰的激光武器， 其部署平臺主要為戰斗機， 且發展的更高目標是具備近距空戰能力以及對地面目標的打擊能力。

由于空空/地空導彈的飛行速度快、 飛行時間比較短， 機載激光武器需要在較短的時間內完成目標的捕獲與跟蹤， 并實施快速有效打擊。 激光武器毀傷空空/地空導彈的作戰樣式一般有自衛方式和它衛方式兩種。

導彈在飛行過程中， 其探測系統始終正對著目標， 彈軸大部分時間也都指向目標， 激光容易照射導彈頭部， 因此自衛作戰模式下， 導引頭是容易被毀傷的關鍵部位。 實驗驗證， 對于光電/雷達導引頭探測器的毀傷功率密度一般在105? W/cm2量級[16]。 同理， 它衛方式作戰時， 激光武器可以優選對導彈彈體進行硬殺傷， 使彈體結構強度劇減， 從而使導彈在機動過載狀態下解體， 或者引爆戰斗部的裝藥， 或者發動機內的燃料， 徹底摧毀導彈。 對于工作狀態下的導彈發動機， 有實驗驗證的毀傷閾值為103? W/cm2量級[16]。 根據美國政府機構和工業集團的研究結果， 該量級的激光武器也可開展對有人駕駛飛機的作戰。

2.4激光毀傷彈道導彈/高超飛行器

彈道導彈的飛行彈道包括助推段、 自由飛行段和再入段。 助推段的彈道導彈飛行速度慢、 紅外輻射特性明顯、 目標體積大、 遠離本土， 是攔截的最有利階段， 但該段攔截時間窗口僅有1～5 min， 因此， 以光速作戰的激光武器是攔截助推段彈道導彈的最佳選擇。 助推段的攔截可以由兆瓦級高功率戰略機載激光武器完成， 毀傷方式為熱燒蝕破壞和軟化破壞， 攻擊部位為彈頭和發動機。

迄今為止， 只有美國機載激光武器系統（ABL）完成了對彈道導彈的攔截試驗[17]， 但其武器系統本身存在的許多缺陷大大限制了助推段激光武器攔截技術的發展。 目前， 發展方向是將小型電激光器集成進高空無人機去執行助推段攔截任務[18]。 實現這種高空無人機載激光武器的關鍵是激光器， 其要求激光器的功率密度是1～2 kg/kW， 這樣產生1 MW功率的激光器僅重1～2 t， 這是無人機可以承載的重量。 而要將激光器的功率密度從目前的30～40 kg/kW降至1～2 kg/kW， 短期內是難以實現的。 從作戰距離上說， 對彈道導彈助推段的攔截應在500 km之外， 這對光束控制系統也提出了更高的要求。

由于高超聲速巡航導彈的受載飛行段與彈道導彈的助推段所面臨的作戰條件極為相似， 且其巡航高度在20～40 km， 目前常規導彈防御系統攔截存在一定困難， 因此也可采用機載激光武器對其實施攔截[19]。

2.5激光毀傷衛星

激光武器攻擊衛星主要是以高強度激光在一定時間內照射衛星殼體， 進而造成太陽能電池板摧毀、 表面熱控制材料破壞、 衛星天線損毀等熱損壞[20]。 由于衛星所處的空間沒有介質進行熱傳導和熱對流， 因此輻照熱量的擴散只能通過輻射， 而相比另外兩種方式， 輻射的散熱速率是最慢的。 這樣， 激光束的能量很容易在衛星上積累而使其溫度升高， 以至損壞其部件。

在作戰距離上， 反衛星與反彈道導彈基本一致， 或大于后者的作戰距離， 考慮到地球表面大氣的密度隨著高度的增加而減小， 從15 km以上直到太空， 只有相當于總量1/8的大氣。 因此， 如果機載激光武器系統在這一高度以上進行攻擊， 則基本可以避免近地各種大氣效應而引起的能量衰減和光束畸變等問題[21]。 因此對激光武器的輸出功率需求也在兆瓦量級， 光束質量接近衍射極限[15]。 可保守認為， 只需要在反彈道導彈的激光武器系統上稍微有所提升即可實施反衛星作戰。 而且衛星的飛行軌道通常都是固定的， 在衛星到達特定區域之前， 機載激光武器系統即可提前準備， 伺機發射激光; 載機也可與衛星同步飛行， 延長其攻擊時間。

3激光武器未來發展趨勢

3.1固體激光器成為主流研發光源

固體激光器具有輕便、 小巧、 無污染、 可連續發射、 光束質量好等優點， 且該類激光器能夠按比例放大到高功率， 可以方便地裝備各種平臺以應用于實戰，? 是最具潛力的激光武器光源方案。

目前發展的固體激光器主要有兩大類： 晶體型和光纖型固體激光器。 從目前的研發進度和試驗結果來看， 這些固體激光武器系統功率都在幾十千瓦， 且都有成功擊落目標的試驗記錄。 另外， 近幾年美國空軍加大了無人機的研發力度和采購數量， 未來很可能以無人機搭載高功率固體激光武器的方案來替代目前的機載激光武器項目。

3.2激光武器系統集成度進一步提升

固體激光武器雖然是最有前景的技術方案， 但目前輸出功率大都在100 kW以下， 離實用的最低目標功率還有差距; 另外， 即使激光器達到要求的功率， 但是搭載到飛機、 艦船等各個平臺后又會涉及到平臺的能源管理、 熱處理及與平臺的通訊、 控制系統匹配等一系列問題。 因此， 從當前激光武器相關的主要研發項目來看， 進一步提升功率、 集成度仍然是主要的技術發展方向， 如何改善能源、 熱管理、 冷卻等技術依然是激光武器系統后續發展的難點。

3.3搭載平臺/遂行任務不斷延伸

激光武器搭載平臺從地基、 海基、 戰術飛機， 已經開始向無人機平臺進行發展。 為了適應這些平臺， 小型化、 集成化、 通用化是激光器未來發展的必然趨勢。 隨著這些技術的發展突破和新型激光系統的研發， 隨之而來的是高能激光武器在戰術應用領域不斷的拓展。 搭載平臺的多樣化， 必然會拓展激光武器系統的戰場應用領域， 進而遂行多類型的打擊任務， 例如作戰模式將由近程防御任務逐步擴展至遠程攻擊， 作戰目標也將逐步由戰術目標擴展至戰略目標。

4結束語

本文在對激光武器關鍵技術分析的基礎上， 重點研究了五種典型的作戰模式， 并提出未來激光武器的技術及作戰應用的重點發展方向， 為戰術激光武器的早日型號化提供理論支撐。 下一步， 將通過定量和定性綜合研究的方法， 對不同作戰模式下， 激光武器各關鍵技術指標進行評估， 并根據目前的技術成熟度分析預測未來的發展態勢， 為關鍵技術的突破發展奠定基礎。

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Abstract： The war in the future is developing towards the? fast， lowcost and unmanned direction. The research on the new concept laser weapons has gradually achieved a breakthrough in technology along with the demonstrations frequently reported in recent years. The research status and development constraints of highenergy lasers technology， beam control transmission technology and highefficiency damage technologies involved in laser weapons are introduced. The typical battle modes， such as laser dazzling/blinding， subsonic cruise missile interception， airtoair /airtoground missile interception， ballistic missile/hypersonic vehicle interception and antisatellite battle are discussed. Finally， the future development trends of laser weapons are analyzed and predicted.

Key words：? laser weapon; highenergy laser; beam control transmission; highefficiency damage; battle mode; new concept weapon