摘要：機(jī)載激光武器具有光速攻擊、效費(fèi)比高、無限彈艙、機(jī)動靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)，在反導(dǎo)、對地攻擊、載機(jī)自衛(wèi)等方面具有重要的應(yīng)用價值。發(fā)達(dá)國家早在上世紀(jì)七十年代就開展了相關(guān)項目研究。本文對多個先進(jìn)機(jī)載激光武器項目進(jìn)行介紹，并對未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：機(jī)載激光武器;激光器;氣動光學(xué)

1 引言

激光武器具有光速攻擊、效費(fèi)比高、無限彈艙等諸多優(yōu)點(diǎn)，得到了發(fā)達(dá)軍事大國的青睞。進(jìn)一步將激光武器系統(tǒng)集成到機(jī)載平臺后，極大擴(kuò)展了作戰(zhàn)范圍，并且可以避免地面附近稠密大氣對于激光傳輸?shù)挠绊憽?/p>

早在上世紀(jì)七十年代，發(fā)達(dá)國家就在NKC-135平臺上開始了激光武器系統(tǒng)的飛行實驗，驗證了一系列關(guān)鍵技術(shù)[1， 2]。上世紀(jì)九十年代起在波音747-400F的基礎(chǔ)上研制了用于上升段反彈道導(dǎo)彈的機(jī)載激光武器系統(tǒng)[3-5]。本世紀(jì)以來，一方面開展了對地攻擊、戰(zhàn)機(jī)自衛(wèi)以及基于無人機(jī)平臺的反彈道導(dǎo)彈機(jī)載激光武器系統(tǒng)研究[6-8]。一方面也在公務(wù)機(jī)平臺上繼續(xù)開展氣動光學(xué)等支撐技術(shù)研究[3]。本文將對上述典型機(jī)載激光武器系統(tǒng)進(jìn)行簡要介紹。

2 主要機(jī)載激光武器項目

2.1 機(jī)載激光實驗室項目

發(fā)達(dá)國家的機(jī)載激光武器研究始于上世紀(jì)70年代的機(jī)載激光實驗室（Airborne Laser Laboratory，ALL）項目。ALL的主要目標(biāo)是驗證激光武器能夠集成到飛機(jī)平臺上，并且可以在真實作戰(zhàn)場景中應(yīng)對多種威脅，具體包含本機(jī)自衛(wèi)以及為飛機(jī)和艦隊提供防空兩項任務(wù)[1]。ALL于1972年確定采用一架NKC-135試驗機(jī)進(jìn)行改裝。ALL機(jī)身內(nèi)集成了輸出功率為500kW級氣動CO2激光器（波長為10.6μm），機(jī)背上安裝了捕獲跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的炮塔。為了抑制氣動光學(xué)效應(yīng)對于激光傳輸?shù)挠绊?，ALL的炮塔及其后方整流罩做了特殊設(shè)計和改裝，并開展了大量的風(fēng)洞實驗和飛行測試。

ALL于1975年1月首次開始飛行試驗，共分為三個階段。第一階段中測試了捕獲跟蹤瞄準(zhǔn)真實目標(biāo)的能力，結(jié)果表明ALL具備了項目需要的精度。第二階段中采用一臺低功率CO2激光器代替高能激光器，并完成了其余所有設(shè)備的集成。第三階段開展了高能激光器的集成，根據(jù)其特點(diǎn)研制了新的準(zhǔn)直系統(tǒng)和激光發(fā)射炮塔，并對飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造。

ALL作為試驗系統(tǒng)成功驗證了機(jī)載激光武器的概念，達(dá)到了項目的預(yù)期目標(biāo)。該項目開展的大量氣動光學(xué)研究工作為后續(xù)項目提供了借鑒。然而該項目采用的高能激光器過于龐大，波長過長，而發(fā)射口徑較小，嚴(yán)重影響了光束長距離傳輸后的毀傷效果，此外該項目無法移植到戰(zhàn)斗機(jī)等小型平臺上，最終發(fā)達(dá)國家軍方判定該項目不具有實用性，ALL于1984年退役，在1988年5月4日飛往某發(fā)達(dá)國家空軍博物館收藏[1]。

2.2 機(jī)載激光項目

為了應(yīng)對日益嚴(yán)重的彈道導(dǎo)彈威脅，某發(fā)達(dá)國家空軍于1994年重啟了旨在擊落處在上升段彈道導(dǎo)彈的機(jī)載激光武器項目，命名為“機(jī)載激光”（ The airborne laser， ABL ）[3-5]。ABL以輸出功率約為1MW的高能化學(xué)氧碘激光器（波長1.315μm）作為光源，以一架波音747-400F貨機(jī)為平臺進(jìn)行改裝，型號變更為YAL-1A，。YAL-1A頭部原氣象雷達(dá)位置安裝了捕獲跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)口徑為1.5m的望遠(yuǎn)鏡。為了容納化學(xué)氧碘激光器，YAL-1A機(jī)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加強(qiáng)。此外YAL-1A還安裝了用于探測導(dǎo)彈尾焰的紅外搜索跟蹤系統(tǒng)（IRST）、用于目標(biāo)跟蹤的kW級Yb： YAG照明激光器（波長1.030μm）、用于大氣傳輸補(bǔ)償自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的Nd： YAG信標(biāo)激光器（波長1.064μm）、以及用于導(dǎo)彈測距的CO2激光器（波長10.6μm）[2]。YAL-1A作戰(zhàn)時，首先由IRST發(fā)現(xiàn)導(dǎo)彈目標(biāo)并由主動測距系統(tǒng)借助CO2激光器完成目標(biāo)測距后，隨后照明激光器持續(xù)照射目標(biāo)，引導(dǎo)捕獲跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的激光發(fā)射望遠(yuǎn)鏡指向目標(biāo)，同時信標(biāo)激光器照射目標(biāo)，為大氣傳輸補(bǔ)償自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)提供大氣湍流信息，由變形鏡對其引起的像差進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償，最終化學(xué)氧碘激光器發(fā)射激光束破壞目標(biāo)[2]。

通過ABL項目在高能化學(xué)激光器、光束控制、自適應(yīng)光學(xué)、激光武器系統(tǒng)、先進(jìn)光學(xué)加工等方面取得了顯著的進(jìn)展，在歷史上首次采用定向能武器擊落彈道導(dǎo)彈。然而由于化學(xué)氧碘激光器輸出功率未達(dá)預(yù)期，最終有效作戰(zhàn)距離僅有數(shù)十公里，戰(zhàn)場生存性堪憂。此外該系統(tǒng)過于復(fù)雜龐大，消耗的特殊化學(xué)燃料補(bǔ)給困難，且項目嚴(yán)重超支，最終在2011年12月被取消。YAL-1A于2012年2月14日完成最后一次飛行，并于2014年9月拆毀。

2.3 先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)激光項目

為了在城市等環(huán)境中精確攻擊15km以內(nèi)的靜止或運(yùn)動地面戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)并且避免附帶損傷，某發(fā)達(dá)國家在開展ABL項目的同時于2000年12月啟動了先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)激光（Advanced Tactical Laser， ATL）項目。該項目具有強(qiáng)烈的試驗性質(zhì)，最終被認(rèn)為“缺乏戰(zhàn)術(shù)價值”，沒有得到進(jìn)一步發(fā)展。

需要指出的是，無論是ALL、ABL還是ATL都采用高能化學(xué)激光器作為光源。雖然化學(xué)激光器具有輸出功率大、光束質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)，但是其體積大、重量高，并不適合對體積重量有嚴(yán)格要求的機(jī)載平臺。近年來隨著高能固體和光纖激光器的快速發(fā)展，一些發(fā)達(dá)國家重啟了基于AC-130J特種作戰(zhàn)飛機(jī)平臺的電驅(qū)動機(jī)載激光武器項目，如圖1所示[5]。該項目計劃在2020年完成地面集成，2021年完成飛機(jī)平臺集成，2022年完成飛行驗證。

圖1 基于AC-130J的電驅(qū)動機(jī)載激光武器系統(tǒng)分解。

2.4 自衛(wèi)高能激光演示項目

為了賦予戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)采用激光攔截來襲導(dǎo)彈的能力，某發(fā)達(dá)國家于2015年啟動了自衛(wèi)高能激光演示（Self-protect High Energy Laser Demonstrator， SHiELD）項目。與ALL、ABL、ATL等項目不同，SHiELD項目的目標(biāo)是在戰(zhàn)斗機(jī)等平臺上集成激光武器系統(tǒng)，因此要求激光武器系統(tǒng)足夠緊湊且堅固耐用，并且能夠在高強(qiáng)度空戰(zhàn)條件下工作，選用光纖激光器作為光源。該項目分為3個階段：第一階段的目標(biāo)是完成低功率飛行試驗，包含針對非合作運(yùn)動目標(biāo)的捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)、聚焦性能以及抑制氣動光學(xué)像差的能力;第二階段的目標(biāo)是完成高能激光器子系統(tǒng)的研制和驗證;第三階段的目標(biāo)是針對來襲目標(biāo)完成系統(tǒng)全功能驗證。該項目的地面演示樣機(jī)于2019年4月23日成功擊落了多枚飛行中的導(dǎo)彈[6]，計劃將在2021年在戰(zhàn)斗機(jī)平臺上開展飛行試驗。

2.5 基于無人機(jī)平臺的機(jī)載激光反導(dǎo)項目

雖然旨在上升段反導(dǎo)的ABL項目因諸多原因下馬，但仍將彈道導(dǎo)彈視為重要威脅，并認(rèn)為機(jī)載激光武器是應(yīng)對彈道導(dǎo)彈的有效手段。近年來高光束質(zhì)量電驅(qū)動激光器輸出功率不斷攀升，功率重量比不斷提高，在無人機(jī)平臺上搭載激光武器系統(tǒng)進(jìn)行反導(dǎo)成為可能。發(fā)達(dá)國家初步開展了相關(guān)項目的推進(jìn)，但是尚未見到詳細(xì)方案和技術(shù)指標(biāo)的報道。

2.6 機(jī)載氣動光學(xué)實驗室項目

激光武器載機(jī)高速飛行過程中，光學(xué)窗口附近的附面層、湍流、激波等會造成空氣密度變化，影響折射率分布，最終在激光傳輸鏈路引入像差，通常稱之為氣動光學(xué)效應(yīng)。氣動光學(xué)效應(yīng)會顯著降低激光束到靶功率密度，是限制機(jī)載激光武器作戰(zhàn)效能的重要因素。由于ALL項目采用波長10.6μm的氣動CO2激光器作為光源，而且缺乏良好的測量手段，當(dāng)時給出了“氣動光學(xué)像差的影響在40000英尺高度可忽略”的錯誤結(jié)論[1]。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，機(jī)載激光武器系統(tǒng)采用的高能化學(xué)或電驅(qū)動激光器的波長降低到1μm附近，氣動光學(xué)效應(yīng)的影響急劇增大，為此發(fā)達(dá)國家于2007年開展了機(jī)載氣動光學(xué)實驗室（Airborne Aero-Optics Laboratory， AAOL）項目。該項目以塞斯納Citation Bravo公務(wù)機(jī)作為載機(jī)，其中一架飛機(jī)上裝載了Nd： YAG激光器，另外一架飛機(jī)上安裝了通光口徑101.6mm的激光接收炮塔。開展實驗時兩架飛機(jī)保持距離50m的編隊飛行，激光載機(jī)向炮塔載機(jī)發(fā)射激光用于測量氣動光學(xué)像差。該項目取得了大量氣動光學(xué)效應(yīng)的一手資料，為相關(guān)機(jī)載激光武器項目提供了有力支撐。目前基于該平臺的氣動光學(xué)研究及驗證工作仍在繼續(xù)開展。

3 總結(jié)

近幾十年來，發(fā)達(dá)國家通過多個項目的研究，對機(jī)載激光面臨的關(guān)鍵問題有了較深入的認(rèn)識，解決了其中一些關(guān)鍵技術(shù)問題，在此基礎(chǔ)上不斷推進(jìn)機(jī)載激光武器的實用化進(jìn)程，即將進(jìn)入實際裝備運(yùn)用階段。未來機(jī)載激光技術(shù)必將在航空領(lǐng)域和戰(zhàn)場發(fā)揮重要作用。

參考文獻(xiàn)

[1] Demos T. Kyrazis "Airborne Laser Laboratory departure from Kirtland Air Force Base and a brief history of aero-optics，" Optical Engineering 52（7）， 071403 （2012）.

[2] Steven Lamberson， Harold Schall， Paul Shattuck， “The airborne laser”， Proceedings of SPIE， 6346， 63461M （2007）

[3] Eric J. Jumper， Michael A. Zenk， Stanislav Gordeyev， David Cavalieri， Matthew R. Whiteley， “Airborne Aero-Optics Laboratory”， Optical Engineering 52， 071408 （2013）

[4] “Airborne Laser Photo Album”， http：//www.airborne-laser.com/airborne_laser_photo_album/

[5] Oluyomi Yomi Faminu， “AC-130J Airborne High Energy Laser Demonstration” （會議報告）

[6] Brian Ferguson， “Air Forces SHiELD shoots down airborne missiles with laser”，? https：//www.stripes.com/news/us/air-force-s-shield-shoots-down-airborne-missiles-with-laser-1.579873

作者簡介：白吉賓（1983-2-），男，內(nèi)蒙古呼和浩特市人，蒙古族，現(xiàn)任北京飛機(jī)維修工程有限公司（Ameco）西南航線中心維修檢驗工程師，工程師。研究方向：航空維修安全與質(zhì)量。