無人機機載激光武器的毀傷機理與任務需求分析

田惠義，黃哲軒

陸軍工程大學

激光武器和無人機系統具有獨特的優點。在未來戰爭中，激光武器和無人機系統結合應用是發展趨勢之一。基于此，本文介紹無人機機載激光武器系統的優點、毀傷機理，分析無人機機載激光武器可遂行的任務。

激光武器作戰隱蔽，效費比高，具有很大的作戰潛力，受到許多國家的重視。美國、以色列、俄羅斯、德國等國家積極研究激光武器技術，取得了顯著的成果，尤其是大功率半導體激光器已進入實用化階段，推動了全電動激光器的發展，較低發射成本的激光武器擁有了“無限彈艙”。今年7月，洛克希德-馬丁公司向美國空軍研究實驗室交付一套緊湊型激光武器系統，標志著該公司激光武器的實戰化運用越來越近，將在反防空導彈、反空空導彈任務中發揮作用。

無人機機載激光武器系統的優點

相比于有人機機載激光武器系統，無人機機載激光武器系統具有獨特的優勢，一是具有無人化作戰的特點，可支持長航時作戰，人員零傷亡；二是全電動高能激光器可提供“無限彈艙”，不必擔心載彈量的問題，激光發射成本低（單次激光發射成本僅幾美元），作戰效能突出。

無人機機載激光武器的核心器件是高能激光器，這種激光器的功率至少超過20kW，才能形成戰斗力。同時，無人機受任務載荷重量的限制，對激光功率密度有著苛刻的要求。隨著全固態激光器的發展，激光器功率將取得突破，近幾年激光器有望達到裝機條件，實現軍事應用。

高能激光武器的毀傷機理

高能激光武器的毀傷機理是，激光器發射的高能激光束照射到目標，導致目標部位的材料發生溫升、膨脹、熔化、汽化、電離等效應，目標從而失效。在不同功率密度的激光束作用下，材料發生的物理變化詳見表1。

表1 在不同功率密度的激光束作用下，材料發生的物理變化

在實戰中，激光武器須要將高能激光束聚焦在靶目標上，且靶功率密度大于功率密度閾值。當輻射量累積到一定程度后，激光武器才能毀傷目標。一位學者總結的激光武器作戰效能E與主要參數間的關系為：

其中，a(λ)為靶目標吸收率；τ(λ)為大氣透射率；P為激光器功率；D為系統發射口徑；?t為有效作用時間；λ為激光波長；β為全系統廣義光束質量因子；L為激光作用距離；θa為激光武器系統到靶發散角。

由此可見，激光武器對目標造成毀傷須要滿足兩個條件，一是激光功率密度大于目標毀傷功率密度閾值；二是目標吸收的能量大于目標毀傷能量閾值。

激光束通過大氣傳輸一定距離后到達目標表面，形成激光光斑，激光光斑的半徑為R：

其中，Rdiff、Rturb、Ratp、RTB分別為真空衍射、大氣湍流、光軸抖動和大氣熱暈導致的光斑擴展。因為無人機機載激光武器系統在稀薄大氣中工作，且激光器功率不高，因此熱暈效應暫不考慮。此時，激光光斑的半徑R1為：

其中，D為系統發射口徑，λ為激光波長，r0為大氣相干長度，σ為跟瞄精度。 則照射到目標的激光束的功率密度I與激光器功率P的對應關系為：

大氣透射率τ(λ)為：

其中，βext(λ)為消光系數，其與能見度V的關系為：

其中，能見度V的單位是km；激光波長λ的單位是μm。系數q可由經驗公式得到：

大氣相干長度r0為：

其中，k為波數；α為天頂角；Cn2(h)為大氣折射率在高度h上的結構常數。

如果已知目標毀傷功率密度閾值，以上公式可算出激光器功率和作用距離之間的關系。激光的毀傷形式主要分為損壞結構的硬毀傷和與光電傳感器產生耦合的軟毀傷。對于不同的作戰任務和目標，激光武器的毀傷機理也不同，因此目標毀傷所需的激光功率密度也大為不同。根據激光武器的毀傷機理，無人機機載激光武器系統可遂行的任務主要分為反導彈、反無人機、干擾或致盲傳感器。

反導彈的毀傷機理

針對“飛毛腿”等導彈的鋼制殼體，激光束通過熱燒蝕效應，致使鋼制殼體融化，達到毀傷目的。

一些學者對具有鋼制殼體的“飛毛腿”導彈進行毀傷閾值仿真，估算出激光毀傷能量密度Em=3.28kJ/cm2，由此可得Im=3280W/cm2（tm=1s）或Im=1093W/cm2（tm=3s）。其中，Im是當激光作用于導彈時的功率密度，tm是激光照射時間。

假設無人機機載高能激光器的光束質量因子β為3；激光波長λ為1 ；發射口徑 為1m；跟瞄精度 為2urad；無人機飛行高度為4km；天頂角α為60°；大氣折射率結構常數為2×10-15m-2/3；能見度V為40km。若機載激光武器對具有鋼制殼體的大型導彈進行毀傷，毀傷功率密度為1000W/cm2(照射時間為3s)，則激光器功率與作用距離的對應關系詳見圖1。

圖1顯示，當激光器功率為50kW時，作用距離僅為1.7km；當功率增大為300kW時，作用距離也只有2.9km。考慮到激光器功率進一步提升比較困難，使用者可延長照射時間，改善激光束質量，增大發射口徑和使用長距離聚焦等方法來提升機載激光武器的毀傷效果。

圖1 當毀傷功率密度為1000W/cm2時，激光器功率與作用距離的關系。

反無人機的毀傷機理

無人機機體使用大量碳纖維復合材料、塑料等非金屬材料。激光通過熱燒蝕效應，對目標進行破壞，毀傷功率密度閾值范圍為100 ～200W/cm2（照射時間2s）。上述高能激光束對無人機目標進行照射，則激光器功率與作用距離的對應關系詳見圖2。

由圖2可得，功率為50kW的激光器可對3.4km內的無人機造成結構性損壞；若功率增加到300kW，作用距離增加為5.7km。

圖2 當毀傷功率密度為100W/cm2時，激光器功率與作用距離的關系。

干擾或致盲傳感器的機理

針對紅外制導空空導彈或無人機機載光電傳感器，高能激光可對光電傳感器造成飽和干擾或致盲，達到影響傳感器作戰的目的，此時毀傷功率密度為1W/cm2(照射時間1s)。上述激光束對目標進行照射，則激光器功率和作用距離的對應關系見圖3。

由圖3可知，功率為50kW的激光器可對12.5km內、帶有光電傳感器的目標進行干擾或致盲；若功率增加到300kW，則作用距離增加為20km。激光器的作戰距離已達到近程防空的標準，實現了良好的攔截效果，適合軍事應用。

圖3 當毀傷功率密度為1W/cm2時，激光器功率與作用距離的關系。

以上仿真計算只分析了激光器功率與作用距離的關系。在實戰中，發射口徑、天氣、激光束質量和跟瞄誤差等因素也是影響激光武器作戰效能的關鍵因素。

任務需求和指標分析

根據不同的作用目標和作用距離，無人機機載激光武器系統可遂行以下作戰任務。

機動近程防空

攜帶機載激光武器系統的無人機在部隊近程防空區低空巡邏，作戰半徑10km，采取干擾或致盲光電傳感器的方式，攔截射程范圍內的紅外制導導彈和無人機，可作為部隊近程防空體系中的補充手段。當前無人機使用復合材料制成，在低空飛行，飛行速度慢，雷達系統難以及時探測到無人機。無人機機載激光武器系統可以發射激光束，對抵近目標進行快速干擾或攔截，攔截流程如下。

1.根據外部雷達提供的目標坐標信息，無人機機載激光武器系統發射信標光，發現、識別目標，粗跟蹤視場跟瞄目標。

2.機載激光武器系統的精跟蹤系統修正跟瞄誤差，鎖定目標。

3.激光測距系統實時測距，調整聚焦系統，激光武器發射高能激光束，激光束對目標進行干擾或攔截。

4.外部雷達和跟瞄系統評估目標毀傷效果。

執行機動近程防空任務的無人機一般是戰術無人機，例如RQ-5A“獵手”及改進型MQ-5、RQ-7“影子”等無人機，這些無人機已裝備陸軍部隊。以MQ-5B“獵人”為例，其任務載荷重量為90kg，續航時間18h，巡航速度165km/h，若該型無人機搭載激光武器系統，根據現階段激光器功率密度（50kg/kW）,若激光武器的作戰距離提升至10km，則激光器功率應為20kW，此時激光器重量為1000kg。

地面或水面目標精確毀傷

中空長航時無人機具有續航時間長等特點，搭載高能激光武器系統可對中遠程裝甲部隊或水面目標進行精確毀傷。地面目標或水面目標移動速度相對較慢，激光武器系統跟蹤難度不大，因此可適當增加照射時間，提升毀傷效果。

當執行地面或水面目標精確毀傷任務時，無人機飛行高度為3km，其作戰流程如下。

1.偵察衛星或無人機發現敵方地面或水面部隊后，通過數據鏈將目標的位置坐標傳給無人機機載激光武器系統。

2.裝載激光武器系統的無人機利用機載紅外/光電吊艙和雷達，識別、跟蹤和鎖定目標。

3.機載激光武器系統收到打擊指令后，發射高能激光束對目標進行毀傷。

4.無人機編隊利用光電傳感器或雷達對毀傷效果進行評估。

MQ-1“捕 食 者”任 務 載 荷 重 量200kg，續航時間約24h（攜帶任務載荷時，續航時間為16h)，最大飛行速度220km/h，巡航速度130km/h。如果該型無人機搭載激光武器系統，根據仿真結果，當作戰距離為3km時，激光器功率應為340kW，此時激光器重量為16955kg（功率密度為50kg/kW）。

機動中近程防空

作為反導系統的補充手段，中空長航時無人機機載激光武器系統在航母作戰中近程防區執行反導任務，作戰半徑10 ～50km。中空長航時無人機能滿足長航時防空巡邏需求，減少了起降次數，提高了航母的空間利用率；激光武器具有“無限彈艙”的特性，解決了驅護艦載彈量有限的問題，可以有效應對敵方飽和式打擊，緩解航母中近程防空體系的壓力。激光武器的反導流程如下。

1.搭載激光武器的無人機編隊在航母作戰中近程防區內巡邏，作戰半徑10 ～50km。

2.當外部雷達或傳感器獲取敵方導彈的位置信息后，無人機快速機動到距離導彈預抵達位置10km處，對敵方導彈進行跟蹤、鎖定、瞄準。

3.激光測距系統實時測距，調整聚焦系統，機載激光武器發射高能激光束，激光束對目標進行毀傷。

4.無人機編隊利用光電傳感器或雷達對毀傷效果進行評估。

機載激光武器的作戰距離要達到10km，激光器功率應為512kW，對應的激光器重量約為25000kg。現有艦載無人機如美國海軍RQ-8“火力偵察兵”和X-47艦載無人作戰飛機的任務載荷重量皆不符合要求，任務載荷重量或激光束質量須要進一步提升，機載激光武器才能在遂行中近程防區反導任務。

表2是無人機機載激光武器系統任務需求和部分指標。根據激光器現有的功率密度（50kg/kW），現役無人機受任務載荷重量的限制，無法承載滿足作戰需求的激光器。若激光器功率密度降到5kg/kW，則MQ-5無人機可集成功率為20kW的激光器，干擾或致盲10km內的光電傳感器目標，對2.6km內的無人機進行硬毀傷；X-47B無人作戰飛機集成340kW激光器，可毀傷3km內、具有鋼制殼體的目標，毀傷5.7km內的無人機；若遂行機動中近程防空任務，激光器重量應達到2500kg，而現役無人機任務載荷重量暫不符合要求，激光器性能有待改進或無人機任務載荷重量須要增大。

表2 無人機機載激光武器系統的任務需求和部分指標

展望

根據現有激光器技術，無人機機載激光武器系統的軍事化應用任重而道遠，激光器的功率密度須要降低到原來的十分之一。此外，無人機機載激光武器系統還須要解決光束控制、目標探測瞄準跟蹤（APT）、能源與熱管理等諸多問題。盡管困難重重，但無人機機載激光武器技術符合美軍戰斗機的發展方向，具備獨特的戰略地位。隨著激光器技術的進一步發展，尤其是液體冷卻激光器、光纖合成激光器和堿金屬蒸氣激光器的工程應用，無人機機載激光武器系統有望在實戰中發揮重要作用。