基于激光武器的反無人機系統分析

胡義明

中國直升機設計研究所

近年來，隨著無人機技術的不斷發展與完善，低慢小無人機數量呈現爆發性增長趨勢，大量低空無人機“黑飛”與濫用給公共安全帶來了安全隱患。本文對國內外反低慢小無人機系統進行闡述和分析，并針對低慢小目標特性和現有反制技術，創新性提出無人直升機機載激光武器系統，為相關領域的研究者和設計人員提供參考。

大量容易操控的無人直升機、多旋翼無人機等飛行器的應用越來越廣泛。無人機制造商不斷升級技術和工藝，帶動了無人機產業的飛速發展。與此同時，各類無人機違規甚至違法事件快速上升，給保密、安防和反恐等工作帶來了新挑戰，社會面臨一系列新的無人機管理問題。低成本多旋翼無人機在復雜空間環境中低空飛行、懸停，采集圖像、視頻或音頻回傳地面控制站，并攜帶易燃易爆危險品對特定目標實施攻擊，這是新形勢下城市要地、飛行器、邊防要塞、高價值軍事平臺、駐海外軍事基地等目標面臨的重要威脅。表1列出了近幾年無人機入侵機場，對航空運營造成嚴重影響的事件。

為了進一步規范低空無人機的運行，確保公共安全，促進無人機產業有序發展，我國先后出臺了一系列無人機運行的管理規定，明確了輕小型民用無人機的定義，規范了無人機在航路航線及終端區的運行，推行無人機實名制登記管理。

然而，如果沒有技術手段提供支持，相關部門無法及時發現“黑飛”行為，無法對違規者和違法者進行識別、制止和懲處，法規的執行力度和威懾力將會大打折扣。同時，有明確目的的罪犯和恐怖分子會無視法規約束，使用無人機開展犯罪活動。因此，機場、政府和軍事機構等重要單位和部門亟須一種能有效探測與識別無人機、反制無人機入侵的基本防御手段。

國內外反低慢小無人機系統的分類與分析

針對日趨嚴峻的無人機威脅，反無人機技術及其在各型裝備上的應用漸成發展熱點。目前，研究人員圍繞反低慢小無人機的探測與防御關鍵技術開展了大量研究和工程實踐，世界各國除了采用傳統防空武器系統執行反無人機任務外，還大力推進電子戰、網絡戰、無人機、激光武器等反無人機技術的研究。現對國內外現有的主要反低慢小無人機系統進行闡述和分析。

分類

（1）電子干擾裝備

該系統向目標無人機定向發射大功率干擾射頻信號，從而切斷無人機與地面控制站之間的通信鏈路，迫使無人機降落、癱瘓甚至墜機。該類系統如圖1所示。

圖1 電子干擾型反無人機系統。

該類系統操作簡單、成本低，但對環境要求較高，且對其他通新設備產生附加干擾等缺點，導致該系統無法滿足安全防范的預期要求。

（2）毀傷與捕獲型裝備

該系統采用激光武器、地空導彈、攻擊型無人機等多種裝備，直接攔截、毀傷或捕獲低空無人機，實現對非合作無人機目標的防御與壓制。該類系統如圖2所示。

圖2 毀傷與抓捕型反無人機系統。

基于激光武器的反無人機系統具有反應時間短、輻射強度高、無污染、成本低等特點，但激光武器的功率密度會隨作用距離的增大而衰減。

（3）探測與控制型裝備

該系統利用光電、雷達等設備獲取的多模式信息，識別和跟蹤無人機目標，并利用電磁干擾、導航誘騙等手段對無人機進行反制。該類系統如圖3所示。

圖3 探測與控制型反無人機系統。

該系統集成度高、尺寸大、重量大、造價昂貴，對巡飛彈或具有智能控制功能的無人機無法實施有效壓制。

分析

反無人機系統在要地防護、特種作戰和信息對抗等軍事領域具有重要的應用價值，是十分敏感的前沿研究領域，國外對其關鍵技術進行了嚴密封鎖。對于探測、干擾、毀傷或導航誘騙等反無人機作戰能力，多數現有反無人機系統僅具備其中一種能力，導致反無人機系統的環境適應性、目標打擊距離與可打擊目標種類等方面存在較大的作戰局限性。

相比之下，激光武器系統可以解決時下其他無人機反制系統存在的如下問題。

一是動能武器成本較高，在城市環境中反無人機作戰容易傷及無辜人員或給公眾帶來心理恐慌。

二是電子干擾、導航誘騙等手段具有附帶損傷，對具有通信鏈路保護功能的無人機進行反制，效果差，更無法應對今后越來越多、采用人工智能圖像識別技術自主飛行的智能無人機。

由此可見，基于激光武器的反無人機系統有望成為未來反制低慢小目標的重要手段。

國內外機載激光武器發展現狀

無人機的大量使用給防空系統帶來了嚴重挑戰。在納卡沖突中，阿塞拜疆軍方利用巡飛彈摧毀了亞美尼亞軍方部署的S-300遠程地空導彈系統。面對無人機的攻擊，先進昂貴的地空導彈出現了“大炮打蚊子”的窘境。不久的未來，無人機蜂群將沖鋒上陣，憑借龐大的數量、機動性高和低成本等優勢直接壓垮防空系統。無人機蜂群的作戰趨勢必然催生出新的防空需求，即己方應迅速、精準地消滅敵方低成本無人機蜂群，而激光武器系統具有滿足此需求的潛力。

2008年，波音公司開始為美軍開發定向能武器系統（Directed Energy Systems），采用固體激光器作為定向能武器系統的激光源，并且將定向能武器系統的打擊目標定位于追蹤并摧毀RAMD目標，即火箭彈（Rockets）、火炮炮彈（Artilleries）、 迫擊炮炮彈（Mortars）和無人機（Drones）。RAMD目標的共同特點是體積小、數量多。美軍將激光武器的打擊目標定位于RAMD，表明了美軍對激光武器的認識達到了新的高度，發掘出激光武器較傳統武器具有真正的優勢，即光束殺傷速度快、精度高、成本低以及可多次發射。激光武器能以光束形式瞬間將能量傳到小型RAMD目標上，而這些小目標通常不具有厚重的裝甲，用相對較低功率的激光束就可將小目標毀傷，如果只毀壞小目標機載光電系統，所須的激光功率密度將更低。一套“通古斯卡”防空系統裝備有8枚防空導彈，而激光武器只須要搭載平臺就能不斷射擊。用導彈擊落一架無人機須要10萬美元，用激光武器擊落一架無人機只須5美元的燃油費（供搭載平臺正常運行的費用），后者是一種低成本無人機反制手段。

美軍主要機載激光武器項目如表1所示。表格內容顯示，美國正在大力發展機載激光武器，主要涉及高能激光器的光源系統、光束控制和發射系統以及供電控溫集成系統三項內容。其中，高能激光器的小型化、輕量化光源系統技術最為關鍵。

表1 美軍主要機載激光武器項目概況。

洛馬公司近年的激光武器系統發展路線如圖4所示。該公司高能激光武器系統采用了光譜組束光纖激光器，從2015年30kW的“雅典娜”（ATHENA）光纖激光武器，到2017年58kW的車載“激光反無人機系統”（HELTVD），再到2020年計劃完成的150kW艦載“高能激光與集成光學眩目監視系統”（HELIOS），激光器的功率不斷增大，但是該系統對平臺載重量的需求也越來越高，激光器的搭載平臺從戰術卡車到導彈驅逐艦逐級增大。2017年，洛馬公司在美國導彈防御局和美國空軍研究實驗室的資助下，啟動了低功率激光驗證器（LPLD）和機載高能激光分系統（LANCE）的研制工作，按計劃于2020—2021年完成。

圖4 洛馬公司激光武器系統發展路線。

美國軍方對機載高能激光武器系統的小型化需求，反映了其對高能激光武器系統理解的變化，從追求更高功率向追求更加實用轉變，重點針對狹小空間的搭載平臺，聚焦于激光出光效率提升，減小體積、重量和能耗，獲得高可靠性高能激光武器系統。

而國內有關機載激光武器系統的報道相對較少。以“沉默獵手”車載激光武器系統為例（見圖5），其典型工作方式是，整套系統固定，遠程發射激光束。激光的毀傷性能取決于作用于靶面的激光功率密度，而激光的特點是，作用于靶面的激光功率密度隨著作用距離的增大而衰減。同時，當作用距離＞1km時，大氣湍流和熱暈會嚴重降低激光束的質量，造成靶面激光光斑發散和散斑；而當作用距離＜1km時，大氣的影響變得很小。

圖5 “沉默獵手”激光武器系統。

激光遠程傳輸將嚴重減小激光照射在靶面的功率密度。因此，機載激光武器系統迅速抵近目標，并在有效作用距離內實施空中打擊，將是未來低慢小目標反制技術的發展趨勢。

無人直升機機載激光武器系統

隨著反無人機系統技術的不斷成熟，各分系統將逐漸小型化，并最終融合成察打一體反無人機系統。此類系統集成度更高，融合了多種探測與反制技術，將有效提高反無人機作戰的實時性和精確打擊能力，是未來反無人機系統技術發展的重要方向。基于這一發展趨勢，本文針對低慢小目標特性和現有反制技術現狀，提出一種無人直升機機載激光武器系統，即無人直升機平臺搭載輕小型激光器及光電吊艙，在探測系統的輔助下，執行低慢小目標打擊任務。

無人直升機機載激光武器系統可以配置于各級指揮機構和武器平臺，其作戰管理系統主要由任務系統、指揮系統以及探測系統三部分組成，如圖6所示。無人直升機機載激光武器系統工作時，雷達光電多模式探測車實時監測防御區域的動態，當可疑無人機出現時，探測車向指揮中心反饋，指揮中心通過移動式地面指揮控制車發送指令，無人直升機收到地面指揮控制車的作戰任務后，判斷目標是否在反制范圍內，如在反制范圍內，則向光電跟瞄吊艙發送瞄準指令，如超出反制范圍，則選擇追擊并抵近目標。當光電吊艙瞄準目標后，激光器發射激光束，將目標擊毀。

圖6 無人直升機機載激光武器系統構成示意圖。

無人直升機機載激光武器系統具有以下優勢。

第一，無干擾。激光反制手段對通信設備無干擾，不會影響公民的日常通信需求。

第二，成本低。動能武器使用成本較高，應對低慢小無人機猶如“大炮打蚊子”，而且在城市環境中使用容易傷及無辜民眾，給人們帶來心理恐慌，而激光反制手段不存在這種問題。

第三，機動性高。無人直升機可垂直起降、空中懸停、巡航速度容易控制，可迅速主動出擊并抵近目標，在輕小型激光器有效作用距離內實施空中打擊。

第四，視野廣。在城市環境中作戰，無人直升機在空中無視線遮擋，應用場景更廣泛。

第五，有效性高。采用激光直接毀傷無人機的機制，攔截率更高，而且高能激光“抵近毀傷”的新無人機反制模式大幅提高了激光武器系統的毀傷效果，并且一定程度上具備對霧、霾等惡劣天氣的適應性。

無人直升機機載激光武器系統將充分發揮高能激光的效能，具有發射成本低、發射速度快、有效性高、隱蔽性強、易于集成光電系統等優勢，未來有望廣泛運用于陸海空多種平臺。

為構建具備有效探測和打擊低慢小目標能力的新反制手段，相關單位尚須深入研究和掌握無人直升機機載高能激光武器輕小化、跟蹤瞄準發射、雷達與光電多模式探測與全系統集成、目標跟蹤以及平臺跟隨目標機動飛行等關鍵技術。

美國陸軍開展“黑鷹”無人直升機與空射無人機協同作戰試驗

美國陸軍正在利用美國國防預研局“機組人員駕駛艙自動化系統”，對“黑鷹”直升機進行無人化改裝。

在“項目融合”技術驗證試驗中，美國陸軍測試了“黑鷹”自主補給能力。測試場景是，美國士兵被困，補給航線受到敵方防空武器的壓制，執行物資補給任務的美國陸軍飛行員面臨危險。這時，攜帶2架阿里亞-I公司（Area-I）ALTIUS 600空射無人機的“黑鷹”無人直升機執行自主補給任務。在“黑鷹”飛行過程中，ALTIUS600無人機固定在“黑鷹”無人直升機機身甲板上的發射裝置內，并對地面目標進行偵察與監視。