美海軍激光武器致傷特點及其防護對策

楊陽，丁猛，黃建松

隨著高新技術在國防科技中的發展與應用，世界軍事強國都在加緊研究新型武器裝備。 武器智能化、戰場數字化、戰爭信息化已成為21 世紀軍事發展的必然趨勢。 可以預見，未來海戰一定是在多維、立體、全方位態勢下展開的一場高新技術戰爭［1］。

激光武器（laser weapon）是一種以產生和發射一束集中的電磁能或原子／亞原子粒子為殺傷因素的定向能武器（directed energy weapon， DEW），又被稱作死光武器。 它能沿一定的方向發射和傳輸，可有效打擊遠距離目標，令受激光束照射的人員或裝備失去作戰能力［2］。 激光武器系統主要由激光器、光束定向器（ATP）以及決策系統等組成。

1 美海軍激光武器發展現狀及趨勢

1.1 發展現狀

美國是最早開始研制激光武器的國家之一，其在該領域的研究已歷經數十載。 有研究表明，美海軍激光武器已具備測距、精確制導、目標捕獲與跟蹤等功能，并得到了初步應用。 激光武器有望成為最早列裝于美海軍的高新技術武器之一［3］。 美海軍激光武器的發展主要經歷了以下2 個階段。

1.1.1 萌芽起步階段（20 世紀70 年代至2000 年左右） 美海軍于1971 年成立的海軍高能激光計劃管理辦公室［4］，是最早從事激光武器研發的機構，由此拉開了激光武器研制的序幕。 此后美海軍開發出了CO2氣動激光技術高能激光武器系統，并開展了系列試驗。 20 世紀70 年代中期，美海軍將發展重點轉移到了傳輸效率更高的連續波氟化氘（DF）化學激光武器的研制上。 1977 年，美海軍為了維護海上霸權，制定了以研制艦載激光武器為目標的“海石”（SeaLite）計劃［5?6］，并于1980 年對研制成功的中紅外先進化學激光器（MIRACL）進行了首發試驗。 隨著該計劃的深入，1983 年，美海軍建立了高能激光武器系統試驗裝置，作為艦載高能激光武器的試驗平臺［7］。 至此，美海軍對激光武器的探索已初具成效。 1989 年，隨著冷戰結束，戰場環境發生變化，美海軍將作戰重點從遠海大洋轉移到沿海地區，對于激光武器的需求隨之發生了改變。 隨后高能自由電子激光器（free?electron laser， FEL）以其熱暈效應小的優勢逐漸進入人們的視野。 因此，美海軍于1995年放棄了“海石”計劃，并啟動了高能自由電子激光器計劃［8］。 其中，直線形激光器逐漸成為了美海軍的研究重點［9］。 2001 年，美海軍在設計Sea Archer輕型航母時，將自由電子激光武器納入其防御系統，這是自由電子激光武器與現代艦船結合的首次嘗試。 該項試驗的成功標志著艦載激光武器已初步具備了實戰能力［10］。

1.1.2 快速發展階段（2000 年前后至今） LaWS（laser weapon system）的概念最初是在2004 年由賓夕法尼亞大學提出的。 2006 年，美海軍發現了一種新型光束合成技術，即利用非相干合成的方法來產生所需的光束［11?12］。 從此，關于LaWS 的研制就正式拉開了帷幕。

2009－2010 年，LaWS 先后在沙漠和水上開展了作戰能力試驗，并成功擊落、摧毀了無人機和充氣艇（RHIB）。 這充分證明了該武器已具備瞄準、跟蹤、探測、干擾和摧毀目標的能力［13］。 2012 年，美海軍又將LaWS 搭載于DDG?105 號驅逐艦上進行艦載測試，并在測試中成功擊落了3 架無人機。 這標志著美海軍進一步豐富了艦載激光武器庫，實力得到了提升。 2014 年，美海軍將功率為30 kW 的LaWS部署在“龐塞”號船塢登陸艦上進行進一步測試。試驗結果證明，其作戰能力不會受高溫、強風、潮濕等惡劣環境的影響。 2015 年，美海軍啟動了Laser Weapon System Demonstrator 項目。 該項目以LaWS為原型，旨在解決LaWS 存在的一系列問題，以期大幅度提高武器系統功率［14］。

Mk38?TLS 是美海軍研制的一種光纖固體激光器戰術激光系統。 該系統由Mk38?MOD2 型（25 mm口徑）機關炮、10 kW 單模光纖激光器、移動主動瞄準源綜合試驗裝置（MATRIX）和光束定向器（BD）等組成，具有精確搜索、跟蹤、探測目標以及打擊小型船只的能力，屬于艦載近程戰術武器系統的一種。2008 年1 月以伊朗小船事件為契機，美海軍開始著手研制MK328?TLS，并于2011 年成功研制出樣機。2012 年，美海軍在佛羅里達州埃格林空軍基地對Mk38?TLS 進行了測試，取得了預期的效果［15］。

HELIOS 高能激光炮是美海軍研制的一種多用途的艦載激光武器系統，除了具有作戰功能外，還能利用自身強大的光學系統，感知艦艇周遭情況，并對環境進行偵察，收集有效的信息傳遞給“宙斯盾”作戰系統進行分析處理［16］。 2018 年，美海軍著手研制2 套功率在60 ～100 kW 的HELIOS 艦載激光系統。其中1 套將裝配于西海岸的“阿利·伯克”級Flight IIA 型驅逐艦上，主要用于打擊小型艦艇和無人機。HELIOS 高能激光炮是近幾年美海軍艦載激光武器發展計劃的重要環節，美海軍預計在2022 年前后，在不對艦艇進行大規模改裝的前提下，將該武器系統部署在艦艇上［17?18］。

1.2 發展趨勢及局限性

總體上看，美國激光武器已實現了初步的實戰化部署［18］。 根據美海軍指揮中心研究報告顯示，為了能更好地適應復雜的戰場環境，未來激光武器系統將開展更多的實戰化訓練，提高武器性能。 同時激光武器還會不斷向小型化、實用化方向發展［19］。固體激光器在這方面具備先天的優勢，如輕便小巧、可持續發射、光束質量高等優點，可靈活搭載于多平臺，用于實戰。 這不僅提高了激光武器的機動性，同時提升了該武器的威懾力。 因此，固體激光器將成為美國未來激光武器研究的重點項目。

雖然固體激光器前景一片大好，但是目前正在研發的晶體型和光纖型固體激光器，其輸出功率大多在100 kW 以下，距離實戰要求還有很大差距。 除此之外，如何改善能源、冷卻等技術仍是激光武器后續發展的難點［20］。

2 激光武器的損傷特點

激光武器比傳統武器具有更大的殺傷力，不僅對武器裝備、通信系統有更大的破壞作用，而且對作戰人員也會造成嚴重的損傷。 主要體現在以下幾個方面。

2.1 激光對眼部的損傷

眼睛作為人體的一部分，是最容易受到激光損傷的器官。 人眼近似為一球體，直徑約25 mm，是一個非常復雜和精密的光學系統。 人的眼球前部分稍微彎曲而突出，并由堅韌而透明的角膜覆蓋。 當光束進入眼睛時，首先會通過角膜，而角膜是對光束起會聚作用的主要部分。 當激光束入射到角膜上，經角膜和晶狀體聚焦，在視網膜上的輻照功率密度或能量密度將增加1 ×105倍以上。

波長為400 ～1 400 nm 的激光能順利通過屈光介質到達視網膜，其中波長為500 ～900 nm 的激光投射率最高。 光線通過瞳孔經屈光介質聚焦后，光強可達到入射光束的5 ×105倍，在視網膜上聚焦成一個直徑為5 ～50 pm 的實像［21］。 由于瞳孔面積是實像的10 萬倍，對可見光和近紅外線而言，其像點處的能量密度將是角膜處的10 萬倍左右。 也就是說，當照射在角膜上的弱激光束經眼球聚焦到視網膜時，可能成為強激光束，對眼底造成不可逆的損傷。 因此，視網膜是眼球內部最易受損的組織。

2.1.1 激光波長與眼部損傷部位的關系 眼組織對不同波長的激光有不同的透射、散射、反射和吸收作用。 因此，不同波長的激光可造成眼部不同部位的損傷。

當波長為180 ～315 nm 的中、遠紫外激光照射眼部時，其能量幾乎被角膜全部吸收；波長為315 ～400nm 的近紫外激光的輻射能量可部分透過角膜，到達晶狀體后被全部吸收。 故紫外激光主要對角膜造成損傷，引起紫外線性眼炎。

當波長為400 ～700 nm 的可見激光照射眼部時，其80%的能量可通過屈光介質到達眼底，最終被眼底吸收。 因此，可見激光主要對眼底視網膜和脈絡膜造成損傷。 一般來講，可見激光不會造成屈光介質的損傷，但如果能量巨大，也會引起角膜的表層和深層損傷。 另外，如果可見激光對虹膜造成了損傷，則可能引起其鄰近的晶狀體損傷。

當波長為700 ～1 400 nm 的近紅外激光照射眼部時，其大約一半的能量會被屈光介質吸收，另一半則會透過屈光介質聚焦于眼底。 因此，近紅外激光會同時對屈光介質和眼底視網膜造成損傷。

當波長為1 400 ～1 ×106nm 的中遠紅外激光照射眼部時，其能量由于無法被聚光介質透過，幾乎被角膜吸收，其中99%的能量集中在角膜前部100 μm的上皮和基質層中。 因此，中遠紅外激光主要對角膜造成損傷［22］。

2.1.2 瞳孔大小與眼部損傷程度的關系 瞳孔大小與眼部受損程度有一定的關系，瞳孔越大則進入眼內的激光量越大，眼部的損傷程度就會越大。 通常在黑暗環境中，人的瞳孔直徑為7 ～8 mm；而在自然光照環境中，瞳孔直徑為2 ～3 mm；尤其在強光環境中，瞳孔直徑會縮小到1.5 mm。 由此可見，瞳孔的最大透光面積與最小面積之間相差了20 倍以上。因此，當受到同一強度激光照射時，人的眼部在黑暗環境中遭受的損傷要比在光照環境中大得多。

2.2 激光對皮膚的損傷

當皮膚吸收激光能量后，會導致光斑區的局部溫度升高，嚴重時可發生燒傷。 當用持續時間為5 001 μs、光斑直徑為1 ～1.5 mm、光束能量為0.84 J 的紅寶石激光束對人體皮膚進行照射時，皮膚表層會出現外觀上的變化；當光束能量為5 J 時，光斑區的皮膚會發生明顯的色素沉著，已初步造成灼傷；當光束能量達到數十至上百焦時，皮膚將會受到嚴重的損傷［22］。 雖然激光對皮膚的損傷要比對眼部的損傷輕得多，但仍應高度重視。

2.2.1 激光劑量與皮膚損傷程度的關系 研究表明，激光照射能量密度越大，則皮膚損傷越大，二者呈正相關。 當激光能量超過安全閾值時，受照射的皮膚將隨能量密度的增大依次出現紅斑、水泡、凝固、炭化、燃燒及汽化等。 紅外激光對皮膚的灼傷效應尤其明顯，這是由于皮膚對紅外激光的吸收率很高，透過率很低，使皮膚表皮的局部溫度快速升高而嚴重損傷。

2.2.2 膚色與皮膚損傷程度的關系 研究發現，人體膚色越深，意味著皮膚細胞中含有的黑色素顆粒越多。 這些黑色素顆粒在吸收激光能量后，可將不同波長的激光能量轉變為熱能形成局部熱源，并向周圍細胞擴散熱量，使細胞中的蛋白質凝固變性，從而引起細胞及組織的破壞和死亡。 因此，膚色越淺的人，受到的損傷越輕。

3 激光武器的損傷防護及對策措施

針對未來戰爭中激光武器的威脅，各國紛紛加緊對激光武器的防護研究。 鑒于目前激光武器主要對眼部造成的損傷較大。 因此，對于眼部的防護越來越重要，常用的物理防護技術和措施有以下幾種。

3.1 濾光技術

發生戰爭時，應保證在不影響作戰人員完成各項軍事任務的前提下，防止激光武器對作戰人員造成的損傷。 也就是說，在減少激光束的能量以保護眼睛不受傷害的同時，還不能影響正常作業。 因此，需要使用濾光片技術，即在人眼前放置衰減濾光片以阻擋激光束。 日常生活中，人們通過戴太陽鏡的方式來保護眼睛免遭強光照射便是利用這一原理。

迄今為止，應用于軍事領域的濾光片大多是吸收型的濾光片，其作用是吸收一個或多個特定波長的大部分光。 常用的吸收型濾光片主要是利用光學材料中的染料將光吸收。 這些染料具有相當高的光密度，且很容易同塑料基底結合，具有便捷、價廉和質量輕的特點［23］。 目前世界軍事強國都已開始研制激光防護鏡，國內有關激光防護鏡的研制可以追溯到20 世紀70 年代。 截至目前，國內有些激光防護鏡產品的指標已達到國際先進水平。 其中，比較成熟的產品有：插入式、組合式激光防護鏡，高強度激光防護鏡，全息激光防護鏡等。

3.2 其他物理防護措施

主要包括煙霧吸收和反射激光等。 煙霧有著吸收和散射激光的作用，利用煙霧這一特性可以減少激光束對人眼的危害，同時還可以起到隱藏己方目標的作用，可謂一舉兩得。 除此之外，還可利用反射激光裝置將激光反射回去，以阻止激光對己方人員的傷害。 目前美軍、俄軍都在研究如何將激光告警器與煙霧器材裝配到艦艇中，用于對抗激光武器；同時各國還在研究如何利用反激光武器來摧毀敵方激光源。 這些措施都將成為未來制約激光武器的有效手段［24］。

4 思考與啟示

隨著激光武器等高新技術武器逐步應用于海戰場，未來戰場上的傷情可能將不再以最常見的火器傷和炸彈傷為主。 激光武器將會對海軍作戰人員造成更多的眼部損傷，嚴重的會永久失明。 激光武器不僅給作戰人員生理上造成了創傷，同時對其心理也有著巨大的威懾和傷害，甚至可能導致其患有戰斗應激反應和精神疾病。 針對上述特點，未來海軍衛勤保障所面臨的挑戰主要有：（1）新傷情的出現對戰場醫療資源的挑戰。 如何完善新傷情救治技術，配備相應的設備和醫務人員將是一大考驗。（2）新傷情的出現對傷員后送的挑戰。 由于激光武器可在短時間內使許多作戰人員出現程度不一的損傷，面對大量傷員的出現，當戰現場無法第一時間給予有效救治時，則需要轉送到后方救治。 這對衛勤部門快速的檢傷分類能力、完善的傷員后送體系及高效的組織與快速的反應能力提出了挑戰。

面臨未來的挑戰，我海軍應重點進行以下幾方面研究［24］。 （1）重視防護器材的研制和防護標準的制定。 研制相應的衛生防護器材，例如激光防護鏡等，并制定相應的衛生防護標準。 （2）大力發展新型戰傷救治技術。 應在現有的戰傷防治措施和技術水平上，結合激光武器等新型武器裝備的致傷特點，研究新型海戰傷救治技術和設備。 （3）注重人員的心理防護。 面對激光武器對作戰人員施加的強大心理壓力，我軍應在平時加強人員的心理防護訓練，注重精神障礙治療研究。 與此同時，應教導作戰人員了解新型武器的致傷機理和特點，使其學會如何避免新型武器造成的損傷。 這樣當作戰人員在戰場上面對激光武器威脅時才能減輕心理壓力，有效應對。

總之，激光武器未來將大規模裝配到海軍部隊并應用于海戰。 由美海軍激光武器的發展歷程可知，美海軍已經成功研制了多種激光武器，甚至有些已經投入使用。 面對未來復雜的戰場環境，加強激光武器的防護研究已成為保障我軍戰斗力的有力舉措［25］。