中小型無人機防御激光武器的技術途徑分析

徐明興，林冰軒，陳志剛，王文正，沈雁鳴

(中國空氣動力研究與發展中心，四川 綿陽 621000)

0 引言

高能激光武器作為一種顛覆性武器，一直受到各軍事強國的關注，其利用高能激光束的熱效應、力學破壞特性、輻射破壞特性等直接對目標產生殺傷，屬于定向能武器的一種[1]。高能激光武器的研制始于20世紀六七十年代，隨著相關技術的不斷進步，近幾年高能激光武器系統日漸完善，能力接近實戰化應用。受激光作用距離、能量密度等限制，在未來相當長一段時期內，中小型無人機將成為高能激光武器的重要作戰對象，有必要對中小型無人機對抗高能激光武器的策略和關鍵技術進行分析，有針對性地提前開展相關技術的研究，以提高中小型無人機的戰場生存力。

1 中小型無人機與高能激光武器的對抗

按部署平臺分類，高能激光武器可以分為天基、地基、機載、艦載、車載等類別；按激光發射類型分類，可以分為化學激光器、固體激光器、自由電子激光器等[2]。化學激光器利用氧碘、氟化氘等進行化學反應釋放能量來激勵工作物質，從而產生激光，其優點是輸出功率較大，可達數百千瓦以上，主要應用于打擊洲際導彈、衛星等戰略目標，是一種發展較早的激光武器。但由于存在體積質量較大、難以集成化、發射次數有限、排放有毒氣體等問題，化學激光器的研究近些年已經逐步停滯[3]。固體激光器是近幾年高能激光武器發展的重點，其使用摻入少量激活離子的玻璃、晶體或透明陶瓷作為工作介質，具有體積小、使用方便、光束質量好、電力驅動等優點[4]。隨著技術不斷進步，固體激光器的輸出功率不斷提高，以光纖激光器為例，多模光纖激光器的輸出功率已達100 kW量級，初步滿足了武器化需要。

歷經幾十年的開發，美國固體激光武器技術日趨成熟，在高能固體光源、光束控制、系統集成等方面技術已經取得一定突破。2009年，美軍機載激光武器系統(airborne laser,ABL)項目成功完成了一次模擬攔截試驗，利用一束低能激光對模擬的助推段導彈目標進行了聚焦和定向；2012年7月，美國海軍激光武器系統(laser weapon system,LaWS)在驅逐艦前甲板上成功擊落3架無人機目標[5]。2019年12月，美國海軍LPD-27波特蘭號船塢登陸艦出海測試由諾思羅普格魯曼公司研發的最新激光武器系統，其發射的激光束功率達到150 kW，可對小型船只和無人機進行打擊。世界其他各軍事強國也開展了大量高能激光武器研究，德國萊茵金屬公司2012年底，使用一種50 kW的高能激光器擊落了 2 km 以外的無人機，演示了目標探測—跟蹤—擊毀的完整作戰流程。中國久遠高新技術裝備公司研制的低空衛士系列激光攔截系統，輸出功率可達30 kW，可用于防御無人機等“低小慢”目標。總的來說，現有高能激光技術和樣機系統的能力十分接近于戰術層面應用需求，已步入實戰前“最后一公里”的階段。

根據近十年來世界各國高能激光武器的發展態勢，研判下一步高能激光武器主要有以下發展趨勢。一是重點發展以光纖激光器為代表的固體戰術激光武器，其具有體積小、集成度高、復雜環境適應能力強的特點，能夠加快激光武器的實戰化發展；二是激光武器的作戰樣式以反無人機為主，兼顧火箭彈、炮彈等[6]。受限于輸出功率、光束質量、大氣衰減等限制，目前激光武器的有效射程普遍在10 km以內，該區域正是近程防御作戰時，飛行高度在5 km以下的中小型無人機的主要活動區域。在可預見的未來，中小型無人機和高能激光武器的競爭和對抗將日趨激烈，有必要提前開展中小型無人機對抗激光武器的相關技術研究。

2 高能激光武器特性分析

2.1 高能激光武器組成及工作原理

高能激光武器主要由偵察指揮系統、精密跟蹤系統、高能激光器和光束定向器等構成[7]，其中光束定向器包括大口徑發射分系統和自適應光學分系統(校正激光大氣畸變)。偵察指揮系統利用雷達、紅外、激光等探測設備，搜索和捕獲敵方目標，獲取目標的速度、相對位置等有用信息，并綜合上一級指揮系統發送來的其他信息和作戰指令，進行目標分配和坐標轉換，輸送給精密跟蹤系統。精密跟蹤系統捕獲并鎖定目標后，引導光束使信標光束和殺傷光束瞄準目標，最終完成目標摧毀和殺傷效果判定。高能激光器是激光武器的核心，負責產生高能激光束，其功率和性能的高低直接影響到對目標的殺傷效果。激光武器的組成和工作原理示意圖如圖1所示。

圖1 高能激光武器的組成原理Fig.1 Composition principle of high powered laser weapon

2.2 高能激光武器毀傷機理

高能激光武器的毀傷直接取決于到達無人機的激光強度、照射時間、材料本身特性等因素。到達無人機的激光強度主要受激光器功率、大氣傳輸衰減、光斑半徑、光束質量等影響，到達無人機的激光功率估算公式為

P=(1-α)LP0，

(1)

式中：P為到達無人機功率；α為大氣衰減系數；L為激光器到無人機的距離；P0為激光束初始功率。

無人機上的光斑半徑估算公式為

(2)

式中:r為光斑半徑;β為光束質量因子，通常情況下β>1;λ為激光波長;D為發射望遠鏡主鏡的直徑。

到達無人機的激光單位面積能量密度為

(3)

強激光照射無人機，發生毀傷的條件為

E=QT≥Eth，

(4)

式中:T為激光照射時間;E為無人機單位面積接收總能量;Eth為機體材料發生破壞的能量閾值[8]。

高能激光對無人機的破壞形式因材料體系的不同會有很大的差異。對于金屬材料，當高能激光束作用于其表面時，材料將立刻被加熱，隨后熔融、氣化，發生毀傷破壞。對于高分子材料，在高能激光輻照區域，聚合物迅速溫升、熔化、發生分子解離，即產生熱燒蝕或熱沖擊毀傷效應，并且在輻照結束燒蝕損傷會繼續加劇。對復合材料，在高能激光作用下，其外表面發生燒蝕熱解，同時出現剝離破壞現象，進而導致復合材料力學性能顯著降低[9]。

2.3 高能激光武器特性分析

相比傳統武器，高能激光武器抗電磁干擾能力強，攻擊時無需提前量、命中精度高、發射過程無后坐力、作戰靈活、可快速轉換攻擊目標、使用電力驅動、連續戰斗能力強、作戰效費比高[10]。雖然具備很多優勢，但高能激光武器也存在一些缺點和不足。

(1) 激光傳輸容易受到云層、煙霧等遮蔽。與可見光類似，濃云、雨霧、煙幕等對激光傳輸的遮蔽效果非常明顯。以煙幕為例，當高能激光入射到煙幕中時，煙幕中的懸浮粒子會吸收和散射激光，使其產生衰減，最后能夠有效照射到目標的激光能量將大大降低。

(2) 受大氣衰減和光束質量的影響，有效作用距離受限。激光在大氣中傳輸會有衰減，隨著距離增加，照射到目標上的能量越來越小。同時，距離增加，光束光斑面積增大，單位面積能量密度降低。為了有效實現殺傷，在目標上的激光光斑能量密度必須達到一定閾值。受此約束，目前典型的戰術型固體激光武器的有效作用距離在5 km左右，不超過10 km。

(3) 需要激光持續對準目標才能實現燒蝕，毀傷過程需要一定時間。受激光輸出功率等限制，要實現對目標的毀傷，一般需要激光持續對準特定區域數秒鐘。以某典型激光器為例[11]，對于壁厚為10 mm的戰斗部，輻照時間需要3.18 s；對于壁厚為15 mm的戰斗部，輻照時間遠大于5 s。較長的毀傷時間對跟蹤瞄準系統提出了更高要求，同時增加了作戰過程的不確定性。

(4) 精密跟蹤瞄準系統易受到干擾。高能激光武器普遍采用“邊看邊打”的攻擊模式，攻擊過程對精密跟蹤瞄準系統極為依賴。跟蹤瞄準系統的核心是光電探測設備，對光電探測設備進行干擾的電子對抗技術已經相對比較完善，通過干擾精密跟蹤瞄準設備即可實現對高能激光武器的有效攻擊。

3 關鍵技術途徑分析

通過對高能激光武器特性分析與研究，面對高能激光武器帶來的威脅，中小型無人機可采用以下策略進行對抗：

(1) 關鍵部件的防激光毀傷冗余設計

為了使無人機在受到強激光攻擊后，不致于喪失飛行能力，可以對無人機的關鍵部件采用防激光冗余設計。支撐無人機基本飛行能力的關鍵部件主要有傳感器(包括慣組、導航等)、動力、機翼、舵面、飛控等。冗余設計在傳統飛機上已有應用，例如廣泛采用的余度技術，即采用多套系統執行相同任務來提高系統可靠性。近年來，新發展的分布式推進、多舵面技術為提高無人機生存能力提供了新的技術路徑。分布式推進布置多臺發動機或螺旋槳，使飛機獲得更大升阻比、更好的飛行性能。如果進一步優化設計，再同時設置多個動力源，將極大地提高無人機生存能力。多舵面技術在飛翼布局形式的飛機上已經廣泛采用，其通過設計多組舵面(多于3組)實現舵面冗余，在部分舵面發生毀傷、失效或故障時，可以通過重構的方式，實現控制。

(2) 抗強激光的結構加固

通過加固機體結構來提高對強激光照射的抵抗能力，可以實現無人機對強激光的有效對抗。進行結構加固可以采用設計夾層、噴涂抗激光涂料等方式實現。設計夾層是指在重要防護部位設置夾層結構，一種典型的夾層結構由2個防熱層夾住一個抗激光輻射層，隔熱層由酚醛樹脂、環氧樹脂等構成，抗激光輻射層由浸漬樹脂的碳纖維和粉末鎢等構成[12]。噴涂抗激光涂料也是一種研究較多的結構加固方式，按照與激光作用原理的不同，抗激光涂料可分為高反射型、抗熱燒蝕型等類型。高反射型涂料能夠將大部分入射激光反射出去，降低涂層上的能量積累，實現對無人機的保護，目前可用的高反射型涂料有等離子體噴涂金屬涂層、陶瓷涂層等不同類型。抗熱燒蝕型涂層提高了涂料本身被激光破壞的能量閾值，使涂料可以吸收更多的激光能量，C/SiC陶瓷基復合材料、片狀石墨增強鋇酚醛樹脂基復合材料等不同類型的抗熱燒蝕涂料正在開展研究。

(3) 抗激光毀傷的機動飛行策略

受照射到無人機上的激光功率限制，要實現毀傷，需要強激光對同一位置持續照射一定時間，該時間往往以秒計。無人機被強激光鎖定照射后，如果能夠進行一定的機動飛行，使激光光斑無法對同一位置形成持續照射，可以實現對高能激光有效對抗。要實現這一目的，需研究的關鍵技術主要有2個：一是對強激光照射的被動告警技術，該技術屬于電子對抗技術的范疇，在無人機被強激光照射后，通過告警裝置，迅速對激光源進行偵搜、分析、處理和告警，是開展主動對抗的基礎；二是合理的機動飛行策略，在收到告警信息后，無人機要進行合理的機動規避，機動飛行策略要根據飛行條件、任務情況、無人機性能綜合考量。

(4) 蜂群無人機

蜂群無人機借鑒了蜜蜂的群體活動生物學原理，蜂群中每個無人機，通過與周圍無人機的簡單交流，能夠保持一定的隊形，可以向蜂群中心靠攏，也可以朝著一個方向移動，同時單個無人機之間保持一定的距離。蜂群無人機的特點是，群體中單個無人機是完全分散式的，沒有中心控制，不會因為單一個體或者幾個個體出現不確定的狀況而影響全局。同時，整個無人機蜂群具有良好的群智能，即通過個體間簡單的一些行為就能夠解決較為復雜的問題，執行較為復雜的任務。蜂群無人機的這種組織特點，使原來依靠單架或幾架無人機完成的任務，分散到整個蜂群無人機共同完成。當遭遇高能激光武器攻擊時，通過蜂群無人機大范圍、多方向、多架次的進攻，一方面會導致激光武器捕獲與跟蹤忙亂，形成“飽和”攻擊效應，降低激光武器作戰效能；另一方面即使部分無人機被擊毀或擊傷，也不影響整個蜂群完成作戰任務，變相提高了無人機的作戰能力。

(5) 對激光武器探測系統進行主動干擾

高能激光武器要實現對無人機的毀傷，必須利用探測裝置和跟瞄設備，對目標進行探測和瞄準。若使用電子對抗設備，對高能激光武器的探測、瞄準系統主動進行干擾，使其“看不見、打不準”，可以有效降低其作戰能力。針對雷達類型的探測、跟瞄裝置，可加裝自衛式干擾機或拖拽式誘餌；針對紅外類型的設備，可采取加裝紅外干擾機、紅外誘餌、釋放紅外煙幕等措施；而對于激光類型的設備，可采用通過發射、轉發激光對光電設備進行欺騙的激光干擾機，或者反向發射激光進行致盲等措施。總的來說，針對探測、跟瞄設備的電子對抗技術已經發展較為成熟，只需根據高能激光武器的特點，對相關技術進行適當改進，應當可以實現對高能激光武器的有效對抗。

(6) 增強無人機隱身性能

探測并發現目標是強激光武器進行攻擊的先決條件，如果增強無人機的隱身性能，降低被探測的幾率或縮短被探測的距離，無疑能夠提高無人機對抗高能激光武器的生存能力。無人機隱身技術主要包括雷達隱身、紅外隱身、聲隱身和視覺隱身等。雷達隱身的目的是降低無人機雷達散射面積，實現方法有隱身外形設計、使用吸波材料等[13]。紅外隱身的主要目的是降低無人機的熱輻射特性，減小其被紅外成像設備發現的概率。對無人機來說，發動機及噴管是主要的紅外輻射源，可以通過優化噴管外形、隔熱與冷卻等技術實現紅外隱身。聲隱身和視覺隱身是近年來新發展的隱身技術，通過降低飛行噪聲，或變色、煙幕、偽裝等視覺手段[14]，降低無人機被探測發現的概率。

(7) 強激光毀傷條件下的故障重構控制

受到強激光的攻擊，無人機可能出現機體、機翼、舵面等損傷，損傷并不意味著無人機完全喪失飛行能力，只要在氣動上還具備飛行的條件，配合合理的控制系統，有可能使無人機繼續作戰或安全返回。故障重構控制將無人機損傷作為故障的一種，通過對損傷情況的在線診斷，實時優化飛行控制器，實現損傷情況下的安全飛行。故障重構控制一般可以分為故障檢測與隔離(FDI)、容錯控制(FTC)兩部分[15]，FDI的主要功能是在故障發生時報警，以及確定故障源，其設計方法有很多，如觀測器法、等價空間法及參數估計等。FTC的主要功能是根據故障情況，優化控制器，設計方法有魯棒控制、神經網絡、自適應控制等[16]。隨著無人機技術的發展，尤其是部件冗余設計的增多，故障重構控制技術已經愈發成熟。針對強激光毀傷這一特定條件，研究毀傷情況下，無人機的氣動、結構等特性，完善相應的故障重構策略，最終可以實現無人機受損傷后繼續飛行。

(8) 利用云層、雨霧或主動布煙進行遮蔽

由于固有的傳輸特性所致，激光極易受到云層或煙幕等遮蔽。無人機在與高能激光武器的對抗過程中，可以主動利用云層、雨霧或煙幕的遮蔽效應，將無人機藏在遮蔽物后面，實現“打不到”的目的。云層、雨霧、煙幕等根據其濃度、厚度、粒子大小等對激光傳輸的影響不同，但總的來說，反射和散射作用是影響傳輸功率的主要因素。以煙幕為例，0.63 m厚的霧油煙可將波長1.06 μm的激光能量衰減到1%[17]。目前，人工布煙和無人機航路規劃等技術已經較為成熟，將這些技術與無人機對抗高能激光武器的需求進行對接，并結合智能化技術，提高無人機的智能自主水平，實現對高能激光的主動遮蔽防護是可行的。

(9) 裝備體系綜合對抗

現代戰爭既不是單一作戰力量、作戰單元之間的對抗，也不是單一作戰要素之間的對抗，而是諸軍兵種作戰要素融為一體的裝備體系與另一體系的對抗。在裝備體系對抗中，通過對不同作戰要素的合理配置，可以取得比單一武器平臺對抗高得多的作戰效能。以對抗高能激光武器為例，對其指揮控制系統進行干擾或破壞，使其喪失預警、探測、監視、指揮、通信等能力，無法接受其他遠程探測系統發送來的信息，最終只能依靠自身探測設備進行作戰，即可有效地降低其作戰能力。

4 結束語

高能激光武器發展迅速，已經邁入實戰化使用的“最后一公里”，可能會顛覆現有防空作戰模式。中小型無人機作為高能激光武器的主要作戰對手，其與高能激光武器的對抗將日趨激烈。本文針對這一問題，提出了如下對抗策略：①關鍵部件冗余設計；②抗強激光的結構加固；③抗激光毀傷的機動飛行策略；④蜂群無人機；⑤對激光武器探測系統進行主動干擾；⑥增強無人機隱身性能；⑦強激光毀傷條件下的故障重構控制；⑧利用云層、雨霧或主動布煙進行遮蔽；⑨裝備體系綜合對抗。圍繞這些對抗策略開展研究，完善具體技術細節，實現部分技術的推廣應用，必將有效提高中小型無人機在高能激光武器威脅下的生存能力。