艦載激光武器對典型無人機蜂群目標毀傷距離研究

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

當前海上作戰環境日益復雜,作戰模式、理念隨著武器迭代而推陳出新,高超音速武器、反艦導彈、制導炸彈、小型快艇、小型無人機及蜂群、“低慢小”目標等新型目標的出現,使得傳統武器很難滿足防空反導、近區防衛及信息攻防等職能使命需求,艦載高能激光武器、微波武器和電磁炮等新概念武器應運而生。世界各軍事強國均在花大氣力投入研究,搶占該領域制高點,掌握軍事主動權。尤其是近年來,美國洛馬公司、諾格公司、雷錫恩公司等軍工巨頭,均積極參與到海軍艦載激光武器的研發工作,成效顯著,加速了激光武器向實戰化應用推進[1]。

激光武器是一種以高能量密度激光束作用于來襲威脅目標上,使目標被摧毀或受到干擾而失效的作戰武器。相較陸基、空基激光武器系統而言,因作戰環境的不同,海基激光武器作戰應用亦有其特點。主要體現在執行任務多樣性,艦載平臺適裝性和作戰環境適用性等方面?，F役的大型水面艦艇能為激光武器提供足夠的電源功率、安裝空間和制冷能力,海上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,這些客觀因素推動了激光武器艦載化。

目前艦載激光武器的理論研究主要集中在對外軍的艦載激光武器試驗和進展情況進行總結梳理啟示,提出對艦載激光武器的軍事需求和使命任務,分析攔截各類目標的技術指標,或是進行體系貢獻率的計算,對攔截各類目標的毀傷距離計算方面研究相對較少。本文研究的是艦載激光武器對典型無人機蜂群目標的毀傷距離,而激光武器屬于“點”殺傷武器,一次出光只能照射毀傷一個目標,所以艦載激光武器的毀傷距離研究主要針對單個無人機目標,此數據同樣適用于無人機蜂群目標(即以點概面),該數據能在未來海戰中為艦艇指揮員對戰場環境研判、武器選擇等方面提供輔助決策的作用。

2 無人機目標激光易損性分析

激光武器對無人機的毀傷方式分為兩類,一類是硬毀傷,通過毀傷無人機關鍵部件達到喪失作戰能力的目的。例如激光輻照機翼、機身等部位,使得結構材料強度下降,影響飛行能力；照射油箱、發動機或機載導彈戰斗部等易燃易爆部位,產生大爆炸,毀傷機體。另一類是軟毀傷,即對光電偵察載荷、天線或機身內部電子元器件等部件進行激光輻照,使得光學器件致眩、致盲及任務載荷失效,致使無人機喪失偵察、導航等任務效能。

無人機機身、機翼等部位為了保證力學載荷、減重效益和成型工藝,大量采用由結構蒙皮材料組成復合結構材料,主要有玻璃纖維/環氧樹脂+纖維紙/環氧樹脂蜂窩芯+玻璃纖維/環氧樹脂復合蒙皮,以及碳纖維/環氧樹脂+纖維紙/環氧樹脂蜂窩芯+碳纖維/環氧樹脂結構復合蒙皮,兩者被激光照射,達到毀傷閾值時,會發生不同程度的燒蝕穿孔,產生兩種后果,其一是對機身內部電子元器件進行輻照毀傷,其二是影響機身結構材料強度及氣動性能,使無人機喪失作戰能力或達到毀傷目的。表1為無人機組成材料激光毀傷閾值[2]。

表1 無人機材料激光毀傷閾值Tab.1 Laser destruction threshold of UAV materials

3 典型無人機蜂群目標選取

近年來,隨著美空軍接連發布《空軍未來作戰概念》(2015年)、《2016-2036年小型無人飛行器系統飛行規劃》(2016年)和《2030年科技戰略》(2019年)[3],及無人機蜂群在實戰中的運用(俄羅斯駐敘利亞防空部隊遭遇13架無人機集群襲擊事件,沙特東北部阿布蓋格煉油廠和胡賴斯油田遭受18架無人機襲擊事件)[4],使得蜂群作戰的概念及作戰效果得到了驗證和推廣,各國均加大了無人機蜂群領域的研究力度。

美國在無人機蜂群作戰領域獨樹一幟,尤其是以美國戰略能力辦公室(SOC)、美國海軍研究局(ONR)和美國國防預先研究計劃局(DARPA)牽頭研究,形成了以十克級(“CICADA”項目)、百克級(“Perdix”項目)、公斤級(“LOCUST”項目)、十公斤級、百公斤級(“Gremlins”項目)等平臺為基礎的作戰系統序列[5]。表2為美軍典型無人機蜂群平臺及基本性能參數表[6]。

表2 美軍典型無人機蜂群平臺及基本性能參數表Tab.2 Bee colony platform and basic performance parameters of typical U.S.UAV

以上三種型號無人機蜂群,主要承擔戰場數據收集、集群攻擊等任務,“小精靈”項目于2020年10月的第三次飛行測試中驗證了自主編隊飛行能力,但9次空中對接試驗均以失敗告終,空中回收技術還未成熟[7]。“郊狼”無人機能夠攜帶0.9 kg戰斗部進行察打一體自殺式作戰。“灰山鶉”無人機屬于微型無人機范疇,主要執行近距精準偵察任務?；谝陨戏治?根據激光武器作戰使命,選取“郊狼”無人機作為典型目標,選取其相關參數進行后續建模仿真。

選取“郊狼”無人機主要是為了獲取其飛行速度及高度等相關參數,尤其是對于不同飛行速度的無人機目標,艦載激光武器的毀傷距離不同。本文研究的是對“郊狼”無人機蜂群的毀傷距離,如研究對蜂群目標的毀傷能力,還需考慮艦載激光武器系統的各個方面,包括轉火時間、響應時間等其他因素。

4 仿真模型建立

激光武器毀傷距離主要由照射到目標上的激光功率密度、能量密度(照射時間)和目標的破壞閾值所決定。目前普遍使用公式(1)來簡化推算激光毀傷。

(1)

式中,Ir(t)為激光上靶功率密度；a是常數；D是發射望遠鏡直徑；P是激光發射功率；η是大氣透過率；λ是激光波長；β是發射光束質量；L是目標距離。

從公式(1)中可以看出考慮因素過于理想化,忽略了氣象環境、激光武器本身自帶的誤差、大氣傳輸等相關指標的關聯性及影響。因此需要構建一套相對較為全面的艦載激光武器反無人機毀傷模型。

依據激光武器系統涉及激光器系統、光束傳輸系統、大氣光學系統、目標捕獲跟蹤系統(ATP)、目標強激光毀傷系統等關鍵部分,仿真主要從氣象環境參數、激光武器系統平臺及目標特性參數、目標等效模擬、大氣傳輸模型、上靶光斑面積模擬、上靶能量密度模擬和毀傷概率模擬七模塊進行[8]。圖1為艦載激光武器毀傷無人機仿真運行圖。

圖1 艦載激光武器毀傷無人機仿真運行圖Fig.1 Simulation diagram of shipborne laser weapon damaging UAV

第一步對氣象環境參數、激光武器系統平臺及目標特性參數(包括目標部位的毀傷閾值)進行設定；其次對目標進行空間坐標的轉換,方便計算各型角度和空間距離[9]；第三步根據大氣傳輸模型、上靶光斑面積模型和上靶能量密度模型,結合無人機的飛行姿態及角度,采用蒙特卡洛仿真模擬跟瞄誤差與射擊誤差,得到激光上靶功率/能量密度,最后與毀傷閾值進行比對,計算出激光毀傷距離及毀傷概率。相關模塊具體內容介紹如下。

4.1 大氣傳輸模型

大氣傳輸模型主要考慮大氣衰減和大氣湍流兩個方面。

在不考慮大氣熱暈效應等非線性效應的條件下,在水平傳輸情形下,大氣透過率T為:

(2)

斜率傳輸情形下,大氣透過率T為:

(3)

其中:

(4)

式中,V為大氣能見度；R為激光武器與目標的距離；K是常數,取決于大氣氣溶膠類型,在海洋環境下取K=4.543；λ為激光波長；θ為天頂角；q為修正因子。

(5)

式中,h為目標實時高度。

4.2 上靶光斑面積模型

激光經過大氣傳輸,會在遠場形成光斑,遠場光斑半徑r1為:

(6)

式中,β為激光經過大氣湍流后的光束質量；D為激光發射口徑；λ為激光波長；R為激光武器與目標的距離。

激光照射目標分為兩種情況,一是迎頭打擊,即激光束與目標夾角小于30°；另一種是側向打擊,即夾角大于30°。兩者的光束投影面積不同,與激光武器的高低角、方位角、目標高低角、目標方位角和目標俯沖角有關。

由于激光武器瞄準誤差及射擊誤差導致遠場光斑中心與目標靶點中心不重合,產生距離dt,靶標等效半徑為r2,則光斑重疊面積S為:

(7)

其中:

(8)

式中,dt為光斑中心與目標靶點中心距離；r2為靶標等效半徑；S為光斑重疊面積；r1為遠場光斑半徑。

計算過程中,考慮激光武器系統的跟瞄誤差和射擊誤差,兩者均服從正態分布的均值為0,均方差為σ的隨機數,利用蒙特卡洛仿真,隨機生成新的光斑中心[6]。

4.3 上靶能量密度模型

經過傳輸后激光上靶功率密度Ir(t)為:

(9)

式中,P0為激光發射功率；T為輻照時間；A為遠場光斑面積。

上靶能量密度E為:

(10)

式中,S為光斑重疊面積；r2為靶標等效半徑。

4.4 毀傷概率模型

根據激光武器毀傷模型判斷是否有效毀傷:

E0(kJ/cm2)=Pr0(W/cm2)×T(s)

(11)

(12)

式中,Pr為激光上靶功率密度；Pr0為材料功率密度閾值；E0為材料毀傷能量密度閾值；E為激光上靶能量密度；T為輻照時間。

公式(2)～(4)中,K的賦值取決于激光武器所處工作環境的大氣氣溶膠類型,鄉村環境K取值2.828,城市環境K取值3.132,海洋環境K取值4.453,沙漠環境K取值2.496。大氣能見度V在海洋環境中更有實際意義,在陸地環境中,會有建筑、高山等遮蔽物阻擋,影響激光的傳輸；在海面上,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。該模型仿真輸出條件差異主要體現在仿真環境的不同。

5 仿真結果分析

假定某艦載激光武器的性能參數為:波長為1.06 μm,發射光束質量為3,發射望遠鏡直徑0.3 m,平均發射功率為30 kW,50 kW和100 kW三檔,跟蹤誤差及射擊誤差均為10 μrad；選取“郊狼”無人機為目標無人機,速度為110 km/h,初始飛行高度為2 km和3 km兩檔,靶標等效半徑0.01 m；設定能見度為5 km,15 km和25 km三檔?？紤]系統的跟瞄誤差與射擊誤差,進行100次蒙特卡洛仿真,計算概率毀傷距離。圖2為能見度為15 km,初始高度2 km,毀傷閾值200×5 kJ/cm2情況下,不同功率對無人機目標概率毀傷距離圖。圖3為激光功率50 kW,初始高度2 km,毀傷閾值200×5 kJ/cm2情況下,不同能見度對無人機目標概率毀傷距離圖。表3為艦載激光武器對“郊狼”無人機目標概率毀傷距離匯總表。

圖2 不同功率下概率毀傷距離圖Fig.2 Probability destruction distance diagram under differert power

圖3 不同能見距下概率毀傷距離圖Fig.3 Probability destruction distance diagram under differert visibility distance

可以發現表3中部分數據,尤其是100 kW功率對應部分,有些毀傷距離已經超過了5 km。這些數據的出現是為了表3數據的完整性,適當調整了這部分數據的無人機初始距離,以致能出現概率毀傷距離。表3中毀傷距離數據若是小于5 km的,其初始距離均為5 km；若大于等于5 km的,則理解為適當調整了初始距離。

表3 艦載激光武器對“郊狼”無人機目標概率毀傷距離匯總表Tab.3 Summary of probability destruction distance of shipborne laser weapon to Coyote UAV target

在無人機易損性分析中,簡要介紹了激光毀傷機理,激光主要還是通過能量累積達到材料的毀傷閾值能量,造成材料毀傷。在仿真過程中,以玻璃纖維材料毀傷閾值能量為200×5 kJ/cm2為例,把目標0.01 s運動作為一個點,按每一個起算點后每5 s為一個界定,需要500個目標點能量密度相加,但是隨著目標的飛行,距離越近,遠場功率越強,實際上并不需要500個點(即5 s)就能滿足毀傷閾值,這個起算點也滿足毀傷條件。

激光指向性特別好,理論上講毀傷概率要么是1,要么就是0,但是由于瞄準誤差及射擊誤差等客觀因素存在,導致靶上光斑重合面積會隨機抖動,無法對瞄準點進行持續且準確的輻照,使得上靶能量發散明顯,無法在規定時間內達到毀傷閾值,即無法對目標材料造成毀傷,就出現了概率毀傷這種情況,但由于激光的精準性,概率毀傷距離范圍偏差不大。

毀傷概率為0,意味著這個距離不能造成激光毀傷；毀傷概率為0～1,此狀態下,激光可以對目標進行毀傷,但不能保證效果；毀傷概率為1,意味著這個距離,能100 %毀傷目標。單從毀傷單目標而言,可從毀傷概率0～1的距離開始照射,但對于無人機蜂群目標而言,優先選擇距離在毀傷概率為1的距離以內的目標進行照射,這樣能保證毀傷有效性。

從圖2可得出,在能見度、初始高度及目標毀傷閾值一定的情況下,有效毀傷距離(概率為1)隨著激光發射功率的提升而變遠；從圖3可得出,在發射功率、初始高度及目標毀傷閾值一定的情況下,有效毀傷距離隨著環境能見度的提升而變遠,因為修正因子q隨著能見度分段取值,使得能見度從5 km到15 km,15 km到25 km,這兩者的毀傷距離增長比值,前者較大。

對于毀傷閾值為100×NkJ/cm2系列的材料,在相同能見度情況下,由于功率大小不同,導致遠場功率密度不一,隨著激光束與目標夾角的不同,即不同打擊狀態下激光投影面積不同,出現以下3種情況。

以薄鋁板材料能見度15 km為例,一是功率為30 kW 情況下,夾角大于30°,為側向打擊,高度2 km的毀傷距離大于高度3 km的毀傷距離；二是功率為50 kW情況下,夾角略大于30°,也為側向打擊,高度2 km和3 km的數據接近；三是功率為100 kW情況下,夾角小于30°,為迎頭打擊,高度2 km的毀傷距離小于高度3 km的毀傷距離。

6 結 語

美空軍助理部長威爾·羅珀在美《空軍》雜志提到“蜂群作戰就是未來戰場的樣式”[11]。在未來海戰場,無人機蜂群作戰樣式在戰場態勢感知、有無人機協同作戰方面將發揮重大作用。本文具體計算了艦載激光武器對“郊狼”無人機目標的射表,得出了艦載激光武器在不同能見度、功率、高度、毀傷閾值情況下的毀傷數據。下一步,將圍繞優化七個模塊的模型,添加艦艇在水面活動狀態等因素,完善艦載激光武器對典型無人機蜂群目標的射表研究。