(湖北航天技術(shù)研究院 總體設(shè)計所，武漢 430040)

0 引言

高能激光系統(tǒng)作為一種采用光能代替?zhèn)鹘y(tǒng)化學(xué)能和機械能實現(xiàn)對目標有效毀傷的新型軍事裝備，具有速度快、精度高、抗電磁干擾、可重復(fù)使用、單發(fā)效費比高等優(yōu)點，在光電對抗、主動照明和末端防御等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值。近年來，各國高能激光系統(tǒng)研究的主攻方向已由化學(xué)激光體制轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w激光體制，并圍繞陸、海、空、天各平臺應(yīng)用需求開展研制部署[1-4]。

伴隨著高能激光系統(tǒng)逐漸從技術(shù)攻關(guān)階段發(fā)展至實戰(zhàn)化部署階段，試驗與評價技術(shù)的重要性也日益提升。目前，國際上高能激光系統(tǒng)試驗與評價技術(shù)研究主要圍繞系統(tǒng)集成性、使用性和綜合效能驗證等方面展開。

本文首先介紹了美國高能激光系統(tǒng)發(fā)展歷程，針對當前高能激光系統(tǒng)試驗與評價需求及發(fā)展現(xiàn)狀進行了分析綜述，得出了美國高能激光系統(tǒng)試驗技術(shù)的發(fā)展趨勢，并從中給出了我國高能激光系統(tǒng)試驗與評價技術(shù)發(fā)展的啟示。

1 高能激光系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

自1960年激光問世時起，美國就一直致力于推動高能激光系統(tǒng)武器化應(yīng)用。在經(jīng)歷了幾十年發(fā)展后，美國高能激光系統(tǒng)研究處于領(lǐng)先地位，并已在海、陸、空各平臺上開展了性能驗證[5-8]，如圖1所示。

圖1 美國海陸空各平臺高能激光系統(tǒng)

艦載激光系統(tǒng)方面，美國海軍已完成了海軍激光武器系統(tǒng)(Laser Weapon System，LaWS)等系統(tǒng)的綜合集成驗證，在海上環(huán)境下實現(xiàn)了無人機、武裝小艇等目標摧毀[9-11]。2014年，美軍將30 kW功率等級的LaWS系統(tǒng)部署在“龐塞”號船塢登陸艦，充分驗證了激光系統(tǒng)在強風、高溫、潮濕等惡劣海洋環(huán)境下的作戰(zhàn)性能。2015年，美軍圍繞艦船自防御需求，啟動了激光武器系統(tǒng)驗證機(Laser Weapon System Demonstrator，LWSD)項目，在LaWS系統(tǒng)基礎(chǔ)上解決包括激光功率、光束質(zhì)量、激光導(dǎo)光結(jié)構(gòu)以及激光系統(tǒng)其他相關(guān)的物理結(jié)構(gòu)和光學(xué)設(shè)計等問題，使激光功率達到150 kW。2018年，美國海軍授予洛·馬公司一份價值1.5億美元的合同，計劃在2020年前研制兩套太陽神(HELIOS)艦載激光系統(tǒng)(60～100 kW等級)，其中一套將裝備于阿利伯克級驅(qū)逐艦、另一套交付新墨西哥州白沙靶場。2019年，針對船塢急需反制無人機的作戰(zhàn)需求，美國海軍啟動具備干擾和致盲功能的海軍光學(xué)致盲干擾(Optical Dazzling Interdictor, Navy，ODIN)項目，計劃安裝到1艘水面艦船上進行測試。

車載激光系統(tǒng)方面，美國陸軍基于車載平臺開展了多輪系統(tǒng)集成、演示驗證以及光源升級工作。2013年，(High Energy Laser Mobile Demonstrator，HEL-MD)激光系統(tǒng)用10 kW光纖激光器在測試過程中成功摧毀了數(shù)架無人機以及多達90枚迫擊炮彈。同年在白沙靶場完成了70多次迫擊炮彈和無人機的打靶試驗。2017年，美軍將洛·馬公司研制的6萬瓦級光譜合成激光器集成到重型戰(zhàn)術(shù)卡車上，并于2018年在白沙靶場進行演示驗證，成功擊毀火箭彈和迫擊炮彈。2018年，美國陸軍啟動了基于中型卡車的10萬瓦高能激光戰(zhàn)術(shù)車輛演示器(High Energy Laser Tactical Vehicle Demonstrator，HEL-TVD)計劃，預(yù)計2022年在白沙靶場進行測試。

機載激光系統(tǒng)方面，美國空軍已完成了機載激光系統(tǒng)(Airborne Laser，ABL)、先進戰(zhàn)術(shù)激光系統(tǒng)(Airborne Tactical Laser，ATL)等項目的系統(tǒng)集成與演示驗證試驗。2009年至2010年，美國空軍ABL系統(tǒng)以波音747-400F為平臺進行了3次反導(dǎo)攔截試驗，包括固體和液體燃料彈道導(dǎo)彈，有效攔截距離40千米。2017年，美國空軍研究實驗室授予了洛馬公司150 kW級的自保護激光演示系統(tǒng)(Self-Protect High Energy Laser Demonstrator，SHiELD)項目，用于提升戰(zhàn)斗機對地空和空空導(dǎo)彈的自衛(wèi)能力。2019年4月，美國空軍和洛馬公司在白沙導(dǎo)彈靶場利用SHiELD系統(tǒng)地面測試替代品的激光系統(tǒng)演示器成功擊落了多枚飛行中的空射導(dǎo)彈，并預(yù)計在2021年具備機載吊艙式激光系統(tǒng)樣機飛行測試條件。

圖2 SHiELD系統(tǒng)地面測試演示器

目前，美國戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用高能激光系統(tǒng)研究已實現(xiàn)了由技術(shù)驗證向?qū)崙?zhàn)化部署的轉(zhuǎn)變。美國海軍研究室發(fā)展規(guī)劃顯示，美海軍高能激光系統(tǒng)實戰(zhàn)化部署可分為3個階段，如表1所示。針對現(xiàn)役艦船的反無人機、反水面船只、偵查致盲和末端防御需求，在2017年前后完成60～100 kW功率等級高能激光系統(tǒng)研制與驗證；針對未來艦船的互防反艦導(dǎo)彈需求，在2022年完成300～500 kW功率等級的高能激光系統(tǒng)研究；針對綜合電力系統(tǒng)艦船平臺、航空母艦等艦船的自防反艦導(dǎo)彈、反彈道導(dǎo)彈需求，在2025年完成大于1 MW功率等級的高能激光系統(tǒng)研制與演示驗證。

表1 美海軍高能激光系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃

2 高能激光系統(tǒng)試驗與評價技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 美軍裝備試驗管理規(guī)劃與試驗評價思路

為保證高能激光裝備能夠滿足實戰(zhàn)需求，美國國防部試驗資源管理中心從軍事需求、技術(shù)水平和經(jīng)濟等角度綜合考慮，依托三項主要計劃來推動試驗與評價技術(shù)的發(fā)展，如表2所示[12]：1991年設(shè)立的試驗與評價核心投資計劃(Central Test and Evaluation Investment Program，CTEIP)，以發(fā)展或提升多平臺通用測試能力為目標，年度預(yù)算1.4億美元/年，對應(yīng)技術(shù)成熟度為6～9級；2002年設(shè)立的試驗與評價/科學(xué)與技術(shù)計劃(Test and Evaluation/Science and Technology，T&E/S&T)，以發(fā)展高能激光系統(tǒng)測試技術(shù)為目標，年度預(yù)算0.95億美元/年，對應(yīng)技術(shù)成熟度為3～6級；2007年設(shè)立的聯(lián)合任務(wù)環(huán)境試驗?zāi)芰τ媱?Joint Mission Environment Test Capability，JMETC)，以提供聯(lián)合測試基礎(chǔ)設(shè)施為目標，年度預(yù)算0.19億美元/年。

表2 美國高能激光試驗驗證計劃

經(jīng)過多年發(fā)展，美軍裝備試驗評價方式已從傳統(tǒng)的“分階段”試驗和“分類型”試驗變?yōu)榛谀芰π枨蟮囊惑w化試驗評價，不再單純考核裝備的技術(shù)指標，而是轉(zhuǎn)向考核裝備的作戰(zhàn)效能是否能夠滿足作戰(zhàn)任務(wù)的需要，在研發(fā)設(shè)計之初就考慮試驗因素，實現(xiàn)研制試驗評價到作戰(zhàn)試驗評價的無縫集成[13]。具體到高能激光系統(tǒng)試驗評價技術(shù)方面，美軍已經(jīng)形成了“核心技術(shù)攻關(guān)+系統(tǒng)驗證+平臺試用”并行推進的發(fā)展思路，在以實戰(zhàn)應(yīng)用為目標對核心技術(shù)持續(xù)攻關(guān)的同時，依托已建成的系統(tǒng)試驗平臺對高能激光系統(tǒng)能力進行充分驗證，再將通過驗證的系統(tǒng)裝載到海、陸、空平臺上，檢驗實際使用效能，從而不斷促進高能激光系統(tǒng)實用化。

2.2 美國高能激光系統(tǒng)試驗評價能力現(xiàn)狀

美國軍方及武器生產(chǎn)商的多家機構(gòu)長期致力于高能激光系統(tǒng)試驗與評價技術(shù)研究，主要研究內(nèi)容涵蓋先進高功率激光源驗證技術(shù)、超高精度光束控制與測試技術(shù)、激光系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)、激光效能測試技術(shù)和激光系統(tǒng)集成驗證技術(shù)等多個方面，并建設(shè)了一系列高能激光系統(tǒng)測試試驗平臺，能夠支持開展海、陸、空多種平臺激光裝備的集成測試與演示驗證試驗。其中，以位于新墨西哥州的白沙導(dǎo)彈靶場最為著名，如圖3所示。

圖3 白沙導(dǎo)彈靶場高能激光系統(tǒng)試驗場及其測試中心

白沙靶場內(nèi)的高能激光系統(tǒng)試驗場是美國國家級高能激光研究、開發(fā)、試驗與評價組織，是美國陸軍空間與導(dǎo)彈防御司令部定向能武器的主要試驗場，同時也是海陸空三軍高能激光方向的研究、開發(fā)、試驗與評價中心。高能激光系統(tǒng)試驗場的核心區(qū)域為測試中心，主要由激光測試及演示平臺、脈沖激光易損性測試系統(tǒng)、目標反射率測量系統(tǒng)、目標輻照度測量系統(tǒng)、真空試驗系統(tǒng)、效能試驗區(qū)和危險測試區(qū)等七部分組成，具備滿足多層次、多類型試驗需求的能力，包括高能激光性能參數(shù)測試試驗、靜動態(tài)目標易損性試驗、大氣傳輸試驗、材料效能評估試驗、軍事破壞性試驗、爆炸目標安全性試驗和模擬環(huán)境下的激光殺傷力試驗等，如表3所示。

表3 高能激光試驗場測試中心各部分功能

綜合至今公開的報道，白沙靶場已完成過包括ABL系統(tǒng)在內(nèi)的化學(xué)體制高能激光系統(tǒng)集成測試，和基于光纖激光體的艦載、車載和直升機平臺系統(tǒng)集成與試驗，具備了兆瓦功率等級、1.5 m發(fā)射口徑系統(tǒng)試驗評價能力，光譜合成、空間功率合成光纖激光系統(tǒng)測試試驗?zāi)芰?，并且能夠支持開展針對車輛、無人機、迫擊炮彈、火箭彈和彈道導(dǎo)彈等目標的全系統(tǒng)級動態(tài)打擊試驗。此外，美軍在白沙靶場正逐步建成針對光纖體制機載激光系統(tǒng)的集成測試與試驗評價能力，以確保在2021前完成SHiELD系統(tǒng)的集成與演示驗證工作。

3 高能激光系統(tǒng)試驗評價技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著美軍各類高能激光系統(tǒng)研究的不斷推進，相關(guān)試驗與評價技術(shù)也越來越成熟，并體現(xiàn)出三大發(fā)展趨勢：1)以實戰(zhàn)化為出發(fā)點，面向激光武器實際應(yīng)用需求設(shè)計試驗測試項目，考核平臺適用性；2)試驗鑒定與工程研制逐漸一體化，在設(shè)計之初就考慮測試試驗因素；3)激光系統(tǒng)測試目標逐步由技術(shù)驗證測試轉(zhuǎn)變?yōu)樵囼炶b定測試。

3.1 面向?qū)崙?zhàn)設(shè)計試驗內(nèi)容

面向?qū)崙?zhàn)應(yīng)用需求設(shè)計試驗內(nèi)容已逐步成為美軍高能激光裝備鑒定評價過程中的常態(tài)。以LaWS艦載激光系統(tǒng)為例，如圖4所示，系統(tǒng)集成完成后，美軍首先于2009年在加州中國湖海軍空戰(zhàn)中心開展了陸基試驗，驗證了LaWS在靜止平臺上的全系統(tǒng)動態(tài)打擊能力；2010年，LaWS在加州圣尼古拉斯島開展了岸基打靶試驗，首次驗證了高能激光系統(tǒng)在海風、大氣吸收、大氣散射、大氣湍流等海洋環(huán)境因素影響下對無人機、小艇等目標的毀傷效果；2011年，LaWS在波托馬克河試驗場的海洋環(huán)境中開展了動平臺弱光跟蹤試驗，驗證了系統(tǒng)在海洋移動平臺上的動態(tài)跟蹤能力；2012年，LaWS系統(tǒng)被安裝在“杜威”號(阿利伯克級)驅(qū)逐艦前方甲板上，進行了一年多的海試，充分驗證了系統(tǒng)在艦船環(huán)境下的使用性能；2013年，LaWS在龐塞號兩棲戰(zhàn)艦上正式服役，編號為AN/SEQ-3；2014年， AN/SEQ-3在中東海域(波斯灣)對艦載激光器的作戰(zhàn)性能進行了多輪實戰(zhàn)射擊試驗，完成了實際作戰(zhàn)環(huán)境下的全系統(tǒng)性能考核。在一系列的測試和認證步驟之后，LaWS成為了美國所有軍事部門部署的第一個完全批準的高能激光系統(tǒng)。

圖4 LaWS系統(tǒng)研制部署過程

3.2 試驗評價與工程研制一體化

試驗評價與工程研制一體化的核心是在進行高能激光系統(tǒng)方案設(shè)計之初，就綜合考慮測試試驗因素，將試驗評價貫穿高能激光裝備研制的全過程[14-15]。美軍將裝備試驗評價分為研制試驗評價和作戰(zhàn)試驗評價兩大類，如圖5所示：研制試驗評價通過“試驗-分析-改進-試驗”的過程全面收集產(chǎn)品數(shù)據(jù)，建立產(chǎn)品性能數(shù)據(jù)庫，改進仿真模型，并通過仿真分析方法進一步指導(dǎo)技術(shù)方案的優(yōu)化；作戰(zhàn)試驗評價從方案分析和技術(shù)攻關(guān)階段開始，基于研制模型及模型參數(shù)來進行早期作戰(zhàn)仿真評估；在系統(tǒng)研制與演示驗證階段，根據(jù)現(xiàn)有性能數(shù)據(jù)庫對裝備潛在效能進行評價，以詳細規(guī)劃和設(shè)計作戰(zhàn)試驗評價計劃；在生產(chǎn)與部署階段的全速率生產(chǎn)之前，模擬近實戰(zhàn)環(huán)境條件，通過現(xiàn)場試驗對評估武器裝備的作戰(zhàn)效能和作戰(zhàn)適用性；在使用保障階段進行的后續(xù)作戰(zhàn)試驗評價，主要是改進評價方法、糾正裝備缺陷，并對裝備作戰(zhàn)效能、作戰(zhàn)適用性及質(zhì)量穩(wěn)定性等進行全面評價。

圖5 美軍高能激光系統(tǒng)各研制階段的試驗鑒定

3.3 技術(shù)驗證測試向試驗鑒定測試的轉(zhuǎn)變

隨著高能激光系統(tǒng)研究從關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段發(fā)展為實戰(zhàn)化部署階段，試驗測試目標也開始由技術(shù)驗證測試轉(zhuǎn)變?yōu)樵囼炶b定測試。早期研究階段，美軍開展技術(shù)驗證測試的目標是獲取高能激光系統(tǒng)綜合性能指標，用來驗證技術(shù)攻關(guān)的完成情況，并為建模仿真、方案設(shè)計和系統(tǒng)研制的優(yōu)化迭代提供數(shù)據(jù)支撐，主要包括系統(tǒng)閉環(huán)性測試、出光能力測試、捕獲跟蹤瞄準能力測試和毀傷能力測試等。進入試驗鑒定測試階段后，高能激光系統(tǒng)試驗?zāi)繕瞬辉偈菃渭兊男阅苤笜藴y試，而是針對高能激光裝備在預(yù)期戰(zhàn)場環(huán)境下的全系統(tǒng)作戰(zhàn)效能和作戰(zhàn)適用性進行試驗與評價，并以此作為鑒定高能激光裝備合格與否的標準。其中，作戰(zhàn)效能評價重點考核激光裝備在預(yù)期戰(zhàn)場環(huán)境下完成預(yù)期作戰(zhàn)任務(wù)的能力，例如高能激光系統(tǒng)與目標指示雷達等外部探測設(shè)備的信息對接匹配能力，不同湍流強度、天光背景條件下對各種類型機動目標的動態(tài)跟蹤打擊能力等，作戰(zhàn)適應(yīng)性評價重點考核激光裝備在作戰(zhàn)使用過程中的可靠性成都，例如車載、艦載、機載平臺下高能激光系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性和性能穩(wěn)定性等，如圖6所示。

圖6 高能激光系統(tǒng)作戰(zhàn)效能驗證

4 發(fā)展啟示

綜合分析美軍試驗評價技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢可知，美國高能激光系統(tǒng)試驗的目的已從技術(shù)驗證測試轉(zhuǎn)變?yōu)樵囼炶b定測試，以實戰(zhàn)需求為出發(fā)點設(shè)計試驗內(nèi)容，通過將試驗鑒定貫穿整個裝備研制過程的方法，保障高能激光系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能和平臺適應(yīng)性。相對而言，近些年國內(nèi)高能激光技術(shù)發(fā)展迅速，為更好推動我國高能激光裝備應(yīng)用，搶占先機，可以充分借鑒國外先進發(fā)展經(jīng)驗，結(jié)合自身特點，重點開展3個方面的能力建設(shè)：

1)加速推進高能激光系統(tǒng)集成驗證與測試方法研究，并構(gòu)建出一套完整的試驗驗證與測試方法體系；

2)加快推進高能激光系統(tǒng)效能評價與驗證方法研究，建設(shè)激光裝備的數(shù)字化驗證能力，構(gòu)建激光系統(tǒng)效能數(shù)據(jù)庫；

3)加速推動試驗鑒定能力建設(shè)，在滿足高能激光系統(tǒng)技術(shù)攻關(guān)要求的同時，著眼于激光裝備應(yīng)用部署需要，建成能夠滿足全系統(tǒng)研制和試驗評價需求的集成、測試和效能驗證平臺，為我國高能激光系統(tǒng)的實戰(zhàn)化應(yīng)用提供有力支撐。