高功率激光武器進展與啟示

楊劍波,宗思光,陳利斐

(海軍工程大學電子工程學院,湖北 武漢 430033)

1 引 言

新世紀以來,強敵國家主要針對中俄為代表的新生勢力,謀劃“第三次抵消”裝備戰略,大力發展激光武器、微波武器、電磁炮等為代表的新概念高能武器。高能武器呈現出快速發展的趨勢,顛覆了幾百年來使用火藥發射彈丸的作用機理,已成為先進國家搶占軍事科技領域制高點的標志性技術之一。其中,高能激光武器是利用激光束直接毀傷目標或使之失效的定向能武器,具有能量集中、傳輸速度快、作用距離遠、命中精度高、轉移火力快、抗電磁干擾、能多次重復使用和效費比高等優點。

隨著高功率固態激光器技術突破和輸出功率的提高,高能激光武器系統裝備進程明顯加快,美陸?？杖婎l繁針對各自的高能激光武器項目開展演示驗證,突出體現在艦載AN/SEQ-3激光武器系統等開展了實戰環境下的演示驗證,以及陸、海、空等平臺諸多激光武器系統計劃的出臺和推進,在不久可預計的將來,實戰化武器裝備將步入戰場。本文梳理分析了近年來國外高能激光器、高能激光武器系統和集成演示論證的現狀,總結和展望了高能激光武器未來發展的前景。

2 高能激光器研究現狀

2.1 化學激光器

氟化氘(DF)和化學氧碘(COIL)是目前化學激光器的兩種典型應用代表。美國研制的DF和HF化學激光武器,其輸出功率分別達到2.2 MW和5 MW,達到了迄今為止激光武器級別中的最高水平?；瘜W激光器雖然能達到兆瓦級的高功率輸出目標,但是由于其存在體積大、產生有毒氣體和系統集成困難等一系列的問題,絕大多數飛機平臺無法滿足其負載要求,發展前景堪憂。美軍的機載激光武器(ABL)項目就采用了COIL激光器,但最終于2011年因技術難題而終止了該項目[1]。

2.2 固體激光器

美國在固體激光光源方面,先后開展了板條激光器、薄片激光器、光纖激光器等多種技術方向的探索研究,取得了突破性進展,在功率輸出上冠絕群雄；德國以光纖激光為重點,取得了較好進展；中國起步較晚,重點主要放在板條和光纖兩方面,加速追趕,進展顯著。

2.2.1 板條激光器

板條激光器采用薄板狀結構增益介質,激光激射在增益介質長度方向,沿“Z”字型光路傳輸,由此實現高功率、高能量連續脈沖激光輸出,光束質量優良。在聯合高功率固體激光器計劃(JHPSSL)支持下,美國諾格公司和達信公司分別采用“主振蕩放大+7路相干合束”和“多介質串接+單諧振腔輸出”技術方案,先后于2009年和2010年實現了100 kW激光輸出,前者光束質量約7倍衍射極限,后者光束質量較差[2-3]。國內方面,2018年中國工程物理研究院應用電子學研究所采用分段摻雜板條獲得20 kW激光輸出[4]；2019年中國科學院理化技術研究所采用常規大尺寸板條在低溫深冷條件下獲得60 kW激光輸出[5]。

2.2.2 薄片激光器

薄片激光器的增益介質為片狀結構,散熱和激光傳輸均在增益介質厚度方向,因散熱路勁段、通光孔徑達,可實現提高功率、高能量的連續或脈沖激光輸出。在RELI計劃支持下,2012年美國波音公司采用“多片串接+單諧振腔輸出”技術路線,實現了30 kW左右輸出。美通用原子公司-航空系統公司采用浸入式液冷薄片技術(分布式增益激光技術,國內稱浸入式液冷激光),2010年實現了單模塊60 kW功率輸出,2015年實現了兩模塊150 kW功率輸出,但光束質量和電光效率不高[6]。

2.2.3 光纖激光器

光纖激光器以可柔性操作的摻雜光纖作為增益介質,光束質量優良、電光效率高(約40 %),易于散熱、可靠性高、適裝性強。美國利弗莫爾實驗室的J.W.Dawson在不同條件下做了模擬計算,得到結果:單光纖摻鐿光纖激光器所能達到的極限輸出功率為36.6 kW[7],這就意味著需要通過相干/偏振/光譜/色譜/空間等多種合成方式來實現更高功率輸出。美國IPG公司基于同帶泵浦技術和分布式側面耦合技術,于2009年和2012年分別實現單纖單模9.6 kW和20 kW(目前國際上單纖最高功率,遠未達到36.6 kW上限)的光纖激光輸出[8-9]。表1為自2015年以來國內外(除美國外)全光纖結構激光振蕩器和主振蕩功率放大(MOPA)結構全光纖激光器的最新研究情況匯總表[10-11]。美雷聲公司和洛馬公司分別采用“6路單纖寬譜激光空間合束”、“近百路單纖窄譜激光光譜合束”技術方案,分別于2009年和2014年實現30 kW左右功率輸出。洛馬公司于2017年實現了60 kW級光纖光譜合成光源樣機；2019年實現了150 kW級激光輸出[12]。

表1 2015年后高功率摻鐿光纖激光器研究現狀

2.3 自由電子激光器

相比于傳統的激光器,自由電子激光(FEL)的產生無需增益介質,僅與電子束的能量和波蕩器有關,具有頻譜范圍廣(厘米至軟X射線波長范圍)、頻率可連續調諧、光束質量好等優點。FEL技術因其遠超于固態激光器的波長調諧能力,具有適應不同海上環境大氣傳播窗口的功能,成為美海軍關注的重點。在過去的十多年中,各個國家均加大了對X射線自由電子激光的投入和支持力度,使其短時間內得到迅猛發展,在物理、化學、生命科學、材料科學等領域發揮了重要的作用。表2為國際上具有代表性FEL裝置匯總表[13]。然而目前滿足武器功率要求的自由電子激光器裝置系統復雜,在體積、重量和功耗方面,對比固體激光器仍不具備優勢,且存在對后勤保障要求高等劣勢,加之美海軍造艦計劃的確定,使得美軍高能激光器技術研發重點往固體激光器傾斜。

表2 國際上代表性FEL裝置

3 國外高能激光武器系統發展現狀

3.1 美國空軍

空基激光武器方面,美空軍以機載激光反導系統(ABL)項目為基礎,先后牽引出先進戰術激光器項目(ATL)、聯合高能固體激光器項目(JHPSSL)等一系列項目研究與驗證,在激光器技術、光束控制等方面取得的進展成果推動了新型機載激光武器的研發與應用。2019年10月,美空軍首個高能激光武器系統(HELWS)被派遣到海外進行為期一年的戰場測試,進入實地評估階段。高功率、小體積、高光束質量、高光電轉換率的板條或光纖固體激光器是機載激光武器領域重點關注的主要技術,但因機載環境固有特性限制,距離實戰化應用還有一定距離。目前開展的項目包括自防御高能激光演示樣機(SHIELD)、緊湊型高能激光子系統工程評估(CHELSEA)計劃等。SHIELD項目以戰術噴氣式戰斗機為裝載平臺,采用光纖激光器吊艙式獨立結構,但對于F-22這類第5代戰機的隱身性能會造成一定影響。表3為2018年版美國空軍研究實驗室(AFRL)機載激光武器發展路線圖[14]。

表3 2018年版AFRL機載激光武器發展路線圖

3.2 美國陸軍

美陸軍發展的激光武器是一種移動式陸基防空和導彈防御系統,旨在完成反巡航導彈、無人機、火箭彈和炮彈等威脅的全方位防御任務。洛馬公司已交付美陸軍60 kW級激光器,正在演示驗證100 kW級激光器武器樣機；2019年6月,經美國防部批準第一臺地面激光器緊湊型激光武器系統(CLAWS)投入海軍陸戰隊使用,進入實戰測試；2020年1月,美陸軍修改已有合同,保證間接火力保護能力-高能激光(IFPC-HEL)計劃順利實施,著手研發250～300 kW的激光武器,發展反巡航導彈的激光防御能力。表4為美陸軍目前正在開展的高能激光項目[15]。

3.3 美國海軍

?；す馕淦鞣矫?美海軍充分利用國防部和工業界在固態激光技術的研究成果,積極推動高能固態激光武器上艦部署,取得了很大進展,完成了激光武器系統(LaWs)、海上激光演示(MLD)項目和戰術激光系統(TLS)等樣機的集成驗證試驗,為低功率致盲型激光武器(ODIN)正式列裝部隊打下了堅實基礎。依據美海軍激光武器研發路勁規劃顯示,美海軍正在開展的項目包括:固態激光技術成熟化項目(SSL-TM)、增強型高能激光項目(RHEL)、海軍光學眩目攔截器項目(ODIN)、集成光學眩暈與監視的高能激光項目(HELIOS)、攔截反艦導彈的高能激光項目(HELCAP)等,其中前四項被稱為“海軍激光系統家族”(NFLOS)。HELIOS也叫海軍水面艦艇激光武器系統(SNLWS)增量1,NFLOS和HELCAP項目成果將用于支持SNLWS增量2和增量3的研發[15]。

3.4 德 國

德國萊茵金屬公司和歐洲導彈集團(MBDA)德國公司為德國激光武器研制的核心機構,得到了德國聯邦國防軍的大力支持,充分利用商用現成光纖激光器,研制各自的高能激光器驗證機。2019年8月,兩者宣布,將以德海軍K130護衛艦為搭載平臺,共同為德海軍研制高能艦載激光武器樣機。2014年1月,德國萊茵金屬公司防務公司50 kW“空中衛士”防空高能激光武器系統成功通過了靶場測試；2016年,完成了10 kW級光纖激光武器的上艦測試[16]；2020年11月26日,宣布將對20 kW激光武器樣機進行海試；該公司目前正在研發功率為100 kW的激光武器,有望在未來3到5年內推向市場。

3.5 俄羅斯

俄羅斯繼承了前蘇聯在高能激光項目的技術和唯一遺產A-60飛機載兆瓦級CO2激光器,2020年3月報道,俄羅斯別里耶夫設計局(Beriev)推出了基于伊爾-76MD-90A大型運輸機改裝的A-60激光武器載機并已申請專利。俄羅斯在控制激光束質量和使激光束通過大氣層傳輸等方面處于世界領先水平。2018年3月,俄羅斯總統普京披露了Peresvet移動式高能激光武器系統。2019年12月,首個配備Avangard導彈和Peresvet激光武器的俄羅斯軍團執行了戰斗任務,Peresvet激光武器就是用來執行陸基機動式戰略導彈系統在陣地地域的戰斗值班任務。2019年2月,俄羅斯電子控股公司研制的Filin 5P-42的激光視覺干擾武器裝備,已成功交付到俄海軍的“戈爾什科夫”號和“卡薩托諾夫”號導彈護衛艦,每艘護衛艦都裝備了兩套系統。

4 國外高能激光武器集成演示驗證狀況

20世紀60年代,世界上第一臺激光器問世以來,美國、德國、以色列、俄羅斯等國積極開展二氧化碳、化學高能激光武器技術,并取得了積極進展。21世紀后,美、德等國將研究重點轉向固體激光及其武器化技術,在固體激光光源、系統集成驗證方面達到了世界領先水平。表5～表7分別匯總了國外目前正在實施的空基[1,14,17]、陸基[15,17-18]、海基[15-17,19-20]高能激光武器項目集成演示論證狀況。

表5 空基高能激光武器集成演示論證狀況

表6 陸基高能激光武器集成演示論證狀況

表7 海基高能激光武器集成演示論證狀況

5 外軍高能激光武器發展啟示

結合高能激光器研究現狀,從近幾年國外空基、陸基、?；吣芗す馕淦黜椖垦邪l進展來看,呈現出以下幾種趨勢。

5.1 固體激光器是各國高能激光器重點發展傾斜對象

從美國機載激光武器項目試驗論證過程中,化學激光器輸出功率早已達到了戰術兆瓦級的輸出目標,但由于其體積、污染問題、機動性及相關技術難題,逐步讓步于固態激光器。固態激光器因此得到了飛速發展,目前實現100 kW激光輸出的激光器技術路線主要是板條、浸入式液冷薄片、和光纖激光器。梳理國內外固體激光器各種技術路線,結合相關技術特點,可以得出:光纖激光技術因其高效率、高可靠性及高光束質量特點,在200 kW以下功率輸出等級內,更占優勢；但因其材料強度及對光束質量要求,可能難以滿足300 kW以上高功率激光輸出的戰術任務要求；而以板條為代表的塊狀固體激光器的兆瓦級輸出功率關鍵技術已獲得突破,是目前實現兆瓦級功率輸出的最佳選擇[6]。

5.2 艦載平臺是激光武器系統重點發展平臺

相比于空基(機載)和陸基(車載)平臺,艦載平臺具有良好的適裝性,現役的大型水面艦艇(美海軍“波特蘭”號兩棲登錄艦已搭載150 kW激光武器進行海上測試驗證)能為激光武器提供足夠的電源功率、安裝空間和制冷能力,且具有較好的自防御能力和信息保障能力,可根據任務需求靈活選擇激光器類型。較好的環境適用性是艦載平臺另一大特點,良好的通視性方便了激光武器的作戰使用,海上環境特點為抑制激光的熱暈效應起到了天然冷卻劑作用,海上相對較弱的大氣湍流更有利于激光束的傳輸。自2019年美海軍已開展電力“能量庫”計劃的相關研究,旨在解決制約艦艇發展的能量系統技術瓶頸問題,為定向能武器等高能任務系統的提供電力的同時,保護能量系統及平臺其他系統不受任務系統產生的脈沖的影響,艦艇綜合電力系統正逐步走向實戰舞臺[29]。艦載激光武器的成熟度相對較高,極有可能率先艦載實裝,促進艦艇綜合電力系統技術進步,兩者的相互結合,將極大地促進艦載能量系統的利用效率,起到“倍增器”的作用。其次,艦載激光武器可以很好地彌補艦艇防空反導體系的短板,填補高超聲速、大仰角俯沖目標攔截手段空白,為應對低價值、非對稱目標提供低成本、軟硬殺傷兼備、可持續作戰的隱蔽攻擊手段。

5.3 戰術激光武器是激光武器系統應用研究方向的轉變

隨著美國引領的世界軍事變革和裝備技術的發展,使得美國在技術領域相比于其他國家雖優勢依然顯著,但在核心技術和殺手锏武器裝備上不再一家壟斷,百花齊放。縱觀美國的發展歷史,從美蘇冷戰到蘇聯解體,美軍失去唯一軍事抗衡敵手,成就世界軍事霸主地位；從海灣戰爭到伊拉克戰爭,美軍意識到用先進的武器裝備來支撐打贏高技術條件下局部戰爭；從“空海一體戰”到第三次“抵消戰略”的提出,美國根據國際形勢、安全環境和國家軍事利益不斷調整戰略重心,把高能激光武器系統研發的重點由戰略激光武器逐步向應對靈活的戰術目標為主的戰術激光武器轉變。高能激光武器的主要戰術目標就是精確制導武器,不妨大膽設想:如果光束能量足夠大、光束質量足夠好,那么來襲數量對于高能激光武器就不是問題,反導問題有望被解決,制導武器將會失去作戰意義,對抗天平將會徹底失衡,影響戰爭走向。

5.4 跨領域深度合作是激光武器系統技術走向成熟的必經之路

從世界各國高能激光武器研究現狀來看,存在各軍工企業研究成果相對分散,優勢領域不同的現象。以美國正在發展的SHIELD項目為例,其氣動集成吊艙子系統由波音公司負責,光束控制子系統由諾格公司負責,高能激光子系統由洛馬公司負責研制,集大家之所長,美國走的是共同合作研發的模式[14]。高能激光武器系統研究本就是一個復雜且龐大的系統工程,涉及到光學、熱力學、圖像處理等多個基礎學科,同時還涉及了光束控制器、傳感器和轉塔等多個核心元器件,需要從國家層面,集結相關優勢學科的科研院所和具備研發條件基礎的軍工企業,進行跨領域深度合作來,來促進激光武器系統技術走向成熟,否則獨木難支,很難邁向世界前沿技術。

5.5 創新驅動是促進激光武器系統走向實戰化的推手

創新驅動的核心要素就是科技創新,而基礎研究是整個科學體系的源頭,是所有技術問題的“總開關”,是技術進步的先行官。習近平總書記指出:“我國面臨的很多‘卡脖子’技術問題,根子是基礎理論研究跟不上,源頭和底層的東西沒有搞清楚”。俄羅斯就十分注重基礎理論研究,其在控制激光束質量和使激光束通過大氣層傳輸等方面處于世界領先水平。同時推動科技成果轉化也是重要一環,基礎研究的重大突破,也需要轉換,才能形成生產力,以激光器發展為例,從20世紀60年代第一臺激光器誕生至今,經歷了多種形式,固態激光器的出現,彌補了化學激光器在體積、重量和環保的缺點,自由電子激光器更是因其頻率可連續調諧、光束質量好等優點在高科技領域發展的風生水起。其次,人才驅動是創新驅動的實質,只有創新人才隊伍建設,加大創新項目研究和攻關力度,燃起基礎理論研究主力軍的高校院所對高精尖技術的研究熱情和創新動力,才能穩步推進激光武器系統走向實戰化。