楊劍波,宗思光,陳利斐

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院,湖北 武漢 430033)

1 引 言

新世紀(jì)以來,強(qiáng)敵國家主要針對中俄為代表的新生勢力,謀劃“第三次抵消”裝備戰(zhàn)略,大力發(fā)展激光武器、微波武器、電磁炮等為代表的新概念高能武器。高能武器呈現(xiàn)出快速發(fā)展的趨勢,顛覆了幾百年來使用火藥發(fā)射彈丸的作用機(jī)理,已成為先進(jìn)國家搶占軍事科技領(lǐng)域制高點(diǎn)的標(biāo)志性技術(shù)之一。其中,高能激光武器是利用激光束直接毀傷目標(biāo)或使之失效的定向能武器,具有能量集中、傳輸速度快、作用距離遠(yuǎn)、命中精度高、轉(zhuǎn)移火力快、抗電磁干擾、能多次重復(fù)使用和效費(fèi)比高等優(yōu)點(diǎn)。

隨著高功率固態(tài)激光器技術(shù)突破和輸出功率的提高,高能激光武器系統(tǒng)裝備進(jìn)程明顯加快,美陸?？杖婎l繁針對各自的高能激光武器項(xiàng)目開展演示驗(yàn)證,突出體現(xiàn)在艦載AN/SEQ-3激光武器系統(tǒng)等開展了實(shí)戰(zhàn)環(huán)境下的演示驗(yàn)證,以及陸、海、空等平臺諸多激光武器系統(tǒng)計(jì)劃的出臺和推進(jìn),在不久可預(yù)計(jì)的將來,實(shí)戰(zhàn)化武器裝備將步入戰(zhàn)場。本文梳理分析了近年來國外高能激光器、高能激光武器系統(tǒng)和集成演示論證的現(xiàn)狀,總結(jié)和展望了高能激光武器未來發(fā)展的前景。

2 高能激光器研究現(xiàn)狀

2.1 化學(xué)激光器

氟化氘(DF)和化學(xué)氧碘(COIL)是目前化學(xué)激光器的兩種典型應(yīng)用代表。美國研制的DF和HF化學(xué)激光武器,其輸出功率分別達(dá)到2.2 MW和5 MW,達(dá)到了迄今為止激光武器級別中的最高水平?；瘜W(xué)激光器雖然能達(dá)到兆瓦級的高功率輸出目標(biāo),但是由于其存在體積大、產(chǎn)生有毒氣體和系統(tǒng)集成困難等一系列的問題,絕大多數(shù)飛機(jī)平臺無法滿足其負(fù)載要求,發(fā)展前景堪憂。美軍的機(jī)載激光武器(ABL)項(xiàng)目就采用了COIL激光器,但最終于2011年因技術(shù)難題而終止了該項(xiàng)目[1]。

2.2 固體激光器

美國在固體激光光源方面,先后開展了板條激光器、薄片激光器、光纖激光器等多種技術(shù)方向的探索研究,取得了突破性進(jìn)展,在功率輸出上冠絕群雄；德國以光纖激光為重點(diǎn),取得了較好進(jìn)展；中國起步較晚,重點(diǎn)主要放在板條和光纖兩方面,加速追趕,進(jìn)展顯著。

2.2.1 板條激光器

板條激光器采用薄板狀結(jié)構(gòu)增益介質(zhì),激光激射在增益介質(zhì)長度方向,沿“Z”字型光路傳輸,由此實(shí)現(xiàn)高功率、高能量連續(xù)脈沖激光輸出,光束質(zhì)量優(yōu)良。在聯(lián)合高功率固體激光器計(jì)劃(JHPSSL)支持下,美國諾格公司和達(dá)信公司分別采用“主振蕩放大+7路相干合束”和“多介質(zhì)串接+單諧振腔輸出”技術(shù)方案,先后于2009年和2010年實(shí)現(xiàn)了100 kW激光輸出,前者光束質(zhì)量約7倍衍射極限,后者光束質(zhì)量較差[2-3]。國內(nèi)方面,2018年中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所采用分段摻雜板條獲得20 kW激光輸出[4]；2019年中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所采用常規(guī)大尺寸板條在低溫深冷條件下獲得60 kW激光輸出[5]。

2.2.2 薄片激光器

薄片激光器的增益介質(zhì)為片狀結(jié)構(gòu),散熱和激光傳輸均在增益介質(zhì)厚度方向,因散熱路勁段、通光孔徑達(dá),可實(shí)現(xiàn)提高功率、高能量的連續(xù)或脈沖激光輸出。在RELI計(jì)劃支持下,2012年美國波音公司采用“多片串接+單諧振腔輸出”技術(shù)路線,實(shí)現(xiàn)了30 kW左右輸出。美通用原子公司-航空系統(tǒng)公司采用浸入式液冷薄片技術(shù)(分布式增益激光技術(shù),國內(nèi)稱浸入式液冷激光),2010年實(shí)現(xiàn)了單模塊60 kW功率輸出,2015年實(shí)現(xiàn)了兩模塊150 kW功率輸出,但光束質(zhì)量和電光效率不高[6]。

2.2.3 光纖激光器

光纖激光器以可柔性操作的摻雜光纖作為增益介質(zhì),光束質(zhì)量優(yōu)良、電光效率高(約40 %),易于散熱、可靠性高、適裝性強(qiáng)。美國利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室的J.W.Dawson在不同條件下做了模擬計(jì)算,得到結(jié)果:單光纖摻鐿光纖激光器所能達(dá)到的極限輸出功率為36.6 kW[7],這就意味著需要通過相干/偏振/光譜/色譜/空間等多種合成方式來實(shí)現(xiàn)更高功率輸出。美國IPG公司基于同帶泵浦技術(shù)和分布式側(cè)面耦合技術(shù),于2009年和2012年分別實(shí)現(xiàn)單纖單模9.6 kW和20 kW(目前國際上單纖最高功率,遠(yuǎn)未達(dá)到36.6 kW上限)的光纖激光輸出[8-9]。表1為自2015年以來國內(nèi)外(除美國外)全光纖結(jié)構(gòu)激光振蕩器和主振蕩功率放大(MOPA)結(jié)構(gòu)全光纖激光器的最新研究情況匯總表[10-11]。美雷聲公司和洛馬公司分別采用“6路單纖寬譜激光空間合束”、“近百路單纖窄譜激光光譜合束”技術(shù)方案,分別于2009年和2014年實(shí)現(xiàn)30 kW左右功率輸出。洛馬公司于2017年實(shí)現(xiàn)了60 kW級光纖光譜合成光源樣機(jī)；2019年實(shí)現(xiàn)了150 kW級激光輸出[12]。

表1 2015年后高功率摻鐿光纖激光器研究現(xiàn)狀

2.3 自由電子激光器

相比于傳統(tǒng)的激光器,自由電子激光(FEL)的產(chǎn)生無需增益介質(zhì),僅與電子束的能量和波蕩器有關(guān),具有頻譜范圍廣(厘米至軟X射線波長范圍)、頻率可連續(xù)調(diào)諧、光束質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。FEL技術(shù)因其遠(yuǎn)超于固態(tài)激光器的波長調(diào)諧能力,具有適應(yīng)不同海上環(huán)境大氣傳播窗口的功能,成為美海軍關(guān)注的重點(diǎn)。在過去的十多年中,各個國家均加大了對X射線自由電子激光的投入和支持力度,使其短時間內(nèi)得到迅猛發(fā)展,在物理、化學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。表2為國際上具有代表性FEL裝置匯總表[13]。然而目前滿足武器功率要求的自由電子激光器裝置系統(tǒng)復(fù)雜,在體積、重量和功耗方面,對比固體激光器仍不具備優(yōu)勢,且存在對后勤保障要求高等劣勢,加之美海軍造艦計(jì)劃的確定,使得美軍高能激光器技術(shù)研發(fā)重點(diǎn)往固體激光器傾斜。

表2 國際上代表性FEL裝置

3 國外高能激光武器系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 美國空軍

空基激光武器方面,美空軍以機(jī)載激光反導(dǎo)系統(tǒng)(ABL)項(xiàng)目為基礎(chǔ),先后牽引出先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)激光器項(xiàng)目(ATL)、聯(lián)合高能固體激光器項(xiàng)目(JHPSSL)等一系列項(xiàng)目研究與驗(yàn)證,在激光器技術(shù)、光束控制等方面取得的進(jìn)展成果推動了新型機(jī)載激光武器的研發(fā)與應(yīng)用。2019年10月,美空軍首個高能激光武器系統(tǒng)(HELWS)被派遣到海外進(jìn)行為期一年的戰(zhàn)場測試,進(jìn)入實(shí)地評估階段。高功率、小體積、高光束質(zhì)量、高光電轉(zhuǎn)換率的板條或光纖固體激光器是機(jī)載激光武器領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的主要技術(shù),但因機(jī)載環(huán)境固有特性限制,距離實(shí)戰(zhàn)化應(yīng)用還有一定距離。目前開展的項(xiàng)目包括自防御高能激光演示樣機(jī)(SHIELD)、緊湊型高能激光子系統(tǒng)工程評估(CHELSEA)計(jì)劃等。SHIELD項(xiàng)目以戰(zhàn)術(shù)噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)為裝載平臺,采用光纖激光器吊艙式獨(dú)立結(jié)構(gòu),但對于F-22這類第5代戰(zhàn)機(jī)的隱身性能會造成一定影響。表3為2018年版美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)機(jī)載激光武器發(fā)展路線圖[14]。

表3 2018年版AFRL機(jī)載激光武器發(fā)展路線圖

3.2 美國陸軍

美陸軍發(fā)展的激光武器是一種移動式陸基防空和導(dǎo)彈防御系統(tǒng),旨在完成反巡航導(dǎo)彈、無人機(jī)、火箭彈和炮彈等威脅的全方位防御任務(wù)。洛馬公司已交付美陸軍60 kW級激光器,正在演示驗(yàn)證100 kW級激光器武器樣機(jī)；2019年6月,經(jīng)美國防部批準(zhǔn)第一臺地面激光器緊湊型激光武器系統(tǒng)(CLAWS)投入海軍陸戰(zhàn)隊(duì)使用,進(jìn)入實(shí)戰(zhàn)測試；2020年1月,美陸軍修改已有合同,保證間接火力保護(hù)能力-高能激光(IFPC-HEL)計(jì)劃順利實(shí)施,著手研發(fā)250～300 kW的激光武器,發(fā)展反巡航導(dǎo)彈的激光防御能力。表4為美陸軍目前正在開展的高能激光項(xiàng)目[15]。

3.3 美國海軍

?；す馕淦鞣矫?美海軍充分利用國防部和工業(yè)界在固態(tài)激光技術(shù)的研究成果,積極推動高能固態(tài)激光武器上艦部署,取得了很大進(jìn)展,完成了激光武器系統(tǒng)(LaWs)、海上激光演示(MLD)項(xiàng)目和戰(zhàn)術(shù)激光系統(tǒng)(TLS)等樣機(jī)的集成驗(yàn)證試驗(yàn),為低功率致盲型激光武器(ODIN)正式列裝部隊(duì)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。依據(jù)美海軍激光武器研發(fā)路勁規(guī)劃顯示,美海軍正在開展的項(xiàng)目包括:固態(tài)激光技術(shù)成熟化項(xiàng)目(SSL-TM)、增強(qiáng)型高能激光項(xiàng)目(RHEL)、海軍光學(xué)眩目攔截器項(xiàng)目(ODIN)、集成光學(xué)眩暈與監(jiān)視的高能激光項(xiàng)目(HELIOS)、攔截反艦導(dǎo)彈的高能激光項(xiàng)目(HELCAP)等,其中前四項(xiàng)被稱為“海軍激光系統(tǒng)家族”(NFLOS)。HELIOS也叫海軍水面艦艇激光武器系統(tǒng)(SNLWS)增量1,NFLOS和HELCAP項(xiàng)目成果將用于支持SNLWS增量2和增量3的研發(fā)[15]。

3.4 德 國

德國萊茵金屬公司和歐洲導(dǎo)彈集團(tuán)(MBDA)德國公司為德國激光武器研制的核心機(jī)構(gòu),得到了德國聯(lián)邦國防軍的大力支持,充分利用商用現(xiàn)成光纖激光器,研制各自的高能激光器驗(yàn)證機(jī)。2019年8月,兩者宣布,將以德海軍K130護(hù)衛(wèi)艦為搭載平臺,共同為德海軍研制高能艦載激光武器樣機(jī)。2014年1月,德國萊茵金屬公司防務(wù)公司50 kW“空中衛(wèi)士”防空高能激光武器系統(tǒng)成功通過了靶場測試；2016年,完成了10 kW級光纖激光武器的上艦測試[16]；2020年11月26日,宣布將對20 kW激光武器樣機(jī)進(jìn)行海試；該公司目前正在研發(fā)功率為100 kW的激光武器,有望在未來3到5年內(nèi)推向市場。

3.5 俄羅斯

俄羅斯繼承了前蘇聯(lián)在高能激光項(xiàng)目的技術(shù)和唯一遺產(chǎn)A-60飛機(jī)載兆瓦級CO2激光器,2020年3月報道,俄羅斯別里耶夫設(shè)計(jì)局(Beriev)推出了基于伊爾-76MD-90A大型運(yùn)輸機(jī)改裝的A-60激光武器載機(jī)并已申請專利。俄羅斯在控制激光束質(zhì)量和使激光束通過大氣層傳輸?shù)确矫嫣幱谑澜珙I(lǐng)先水平。2018年3月,俄羅斯總統(tǒng)普京披露了Peresvet移動式高能激光武器系統(tǒng)。2019年12月,首個配備Avangard導(dǎo)彈和Peresvet激光武器的俄羅斯軍團(tuán)執(zhí)行了戰(zhàn)斗任務(wù),Peresvet激光武器就是用來執(zhí)行陸基機(jī)動式戰(zhàn)略導(dǎo)彈系統(tǒng)在陣地地域的戰(zhàn)斗值班任務(wù)。2019年2月,俄羅斯電子控股公司研制的Filin 5P-42的激光視覺干擾武器裝備,已成功交付到俄海軍的“戈?duì)柺部品颉碧柡汀翱ㄋ_托諾夫”號導(dǎo)彈護(hù)衛(wèi)艦,每艘護(hù)衛(wèi)艦都裝備了兩套系統(tǒng)。

4 國外高能激光武器集成演示驗(yàn)證狀況

20世紀(jì)60年代,世界上第一臺激光器問世以來,美國、德國、以色列、俄羅斯等國積極開展二氧化碳、化學(xué)高能激光武器技術(shù),并取得了積極進(jìn)展。21世紀(jì)后,美、德等國將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向固體激光及其武器化技術(shù),在固體激光光源、系統(tǒng)集成驗(yàn)證方面達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。表5～表7分別匯總了國外目前正在實(shí)施的空基[1,14,17]、陸基[15,17-18]、?；鵞15-17,19-20]高能激光武器項(xiàng)目集成演示論證狀況。

表5 空基高能激光武器集成演示論證狀況

表6 陸基高能激光武器集成演示論證狀況

表7 ?；吣芗す馕淦骷裳菔菊撟C狀況

5 外軍高能激光武器發(fā)展啟示

結(jié)合高能激光器研究現(xiàn)狀,從近幾年國外空基、陸基、?；吣芗す馕淦黜?xiàng)目研發(fā)進(jìn)展來看,呈現(xiàn)出以下幾種趨勢。

5.1 固體激光器是各國高能激光器重點(diǎn)發(fā)展傾斜對象

從美國機(jī)載激光武器項(xiàng)目試驗(yàn)論證過程中,化學(xué)激光器輸出功率早已達(dá)到了戰(zhàn)術(shù)兆瓦級的輸出目標(biāo),但由于其體積、污染問題、機(jī)動性及相關(guān)技術(shù)難題,逐步讓步于固態(tài)激光器。固態(tài)激光器因此得到了飛速發(fā)展,目前實(shí)現(xiàn)100 kW激光輸出的激光器技術(shù)路線主要是板條、浸入式液冷薄片、和光纖激光器。梳理國內(nèi)外固體激光器各種技術(shù)路線,結(jié)合相關(guān)技術(shù)特點(diǎn),可以得出:光纖激光技術(shù)因其高效率、高可靠性及高光束質(zhì)量特點(diǎn),在200 kW以下功率輸出等級內(nèi),更占優(yōu)勢；但因其材料強(qiáng)度及對光束質(zhì)量要求,可能難以滿足300 kW以上高功率激光輸出的戰(zhàn)術(shù)任務(wù)要求；而以板條為代表的塊狀固體激光器的兆瓦級輸出功率關(guān)鍵技術(shù)已獲得突破,是目前實(shí)現(xiàn)兆瓦級功率輸出的最佳選擇[6]。

5.2 艦載平臺是激光武器系統(tǒng)重點(diǎn)發(fā)展平臺

相比于空基(機(jī)載)和陸基(車載)平臺,艦載平臺具有良好的適裝性,現(xiàn)役的大型水面艦艇(美海軍“波特蘭”號兩棲登錄艦已搭載150 kW激光武器進(jìn)行海上測試驗(yàn)證)能為激光武器提供足夠的電源功率、安裝空間和制冷能力,且具有較好的自防御能力和信息保障能力,可根據(jù)任務(wù)需求靈活選擇激光器類型。較好的環(huán)境適用性是艦載平臺另一大特點(diǎn),良好的通視性方便了激光武器的作戰(zhàn)使用,海上環(huán)境特點(diǎn)為抑制激光的熱暈效應(yīng)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。自2019年美海軍已開展電力“能量庫”計(jì)劃的相關(guān)研究,旨在解決制約艦艇發(fā)展的能量系統(tǒng)技術(shù)瓶頸問題,為定向能武器等高能任務(wù)系統(tǒng)的提供電力的同時,保護(hù)能量系統(tǒng)及平臺其他系統(tǒng)不受任務(wù)系統(tǒng)產(chǎn)生的脈沖的影響,艦艇綜合電力系統(tǒng)正逐步走向?qū)崙?zhàn)舞臺[29]。艦載激光武器的成熟度相對較高,極有可能率先艦載實(shí)裝,促進(jìn)艦艇綜合電力系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)步,兩者的相互結(jié)合,將極大地促進(jìn)艦載能量系統(tǒng)的利用效率,起到“倍增器”的作用。其次,艦載激光武器可以很好地彌補(bǔ)艦艇防空反導(dǎo)體系的短板,填補(bǔ)高超聲速、大仰角俯沖目標(biāo)攔截手段空白,為應(yīng)對低價值、非對稱目標(biāo)提供低成本、軟硬殺傷兼?zhèn)?、可持續(xù)作戰(zhàn)的隱蔽攻擊手段。

5.3 戰(zhàn)術(shù)激光武器是激光武器系統(tǒng)應(yīng)用研究方向的轉(zhuǎn)變

隨著美國引領(lǐng)的世界軍事變革和裝備技術(shù)的發(fā)展,使得美國在技術(shù)領(lǐng)域相比于其他國家雖優(yōu)勢依然顯著,但在核心技術(shù)和殺手锏武器裝備上不再一家壟斷,百花齊放。縱觀美國的發(fā)展歷史,從美蘇冷戰(zhàn)到蘇聯(lián)解體,美軍失去唯一軍事抗衡敵手,成就世界軍事霸主地位；從海灣戰(zhàn)爭到伊拉克戰(zhàn)爭,美軍意識到用先進(jìn)的武器裝備來支撐打贏高技術(shù)條件下局部戰(zhàn)爭；從“空海一體戰(zhàn)”到第三次“抵消戰(zhàn)略”的提出,美國根據(jù)國際形勢、安全環(huán)境和國家軍事利益不斷調(diào)整戰(zhàn)略重心,把高能激光武器系統(tǒng)研發(fā)的重點(diǎn)由戰(zhàn)略激光武器逐步向應(yīng)對靈活的戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)為主的戰(zhàn)術(shù)激光武器轉(zhuǎn)變。高能激光武器的主要戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)就是精確制導(dǎo)武器,不妨大膽設(shè)想:如果光束能量足夠大、光束質(zhì)量足夠好,那么來襲數(shù)量對于高能激光武器就不是問題,反導(dǎo)問題有望被解決,制導(dǎo)武器將會失去作戰(zhàn)意義,對抗天平將會徹底失衡,影響戰(zhàn)爭走向。

5.4 跨領(lǐng)域深度合作是激光武器系統(tǒng)技術(shù)走向成熟的必經(jīng)之路

從世界各國高能激光武器研究現(xiàn)狀來看,存在各軍工企業(yè)研究成果相對分散,優(yōu)勢領(lǐng)域不同的現(xiàn)象。以美國正在發(fā)展的SHIELD項(xiàng)目為例,其氣動集成吊艙子系統(tǒng)由波音公司負(fù)責(zé),光束控制子系統(tǒng)由諾格公司負(fù)責(zé),高能激光子系統(tǒng)由洛馬公司負(fù)責(zé)研制,集大家之所長,美國走的是共同合作研發(fā)的模式[14]。高能激光武器系統(tǒng)研究本就是一個復(fù)雜且龐大的系統(tǒng)工程,涉及到光學(xué)、熱力學(xué)、圖像處理等多個基礎(chǔ)學(xué)科,同時還涉及了光束控制器、傳感器和轉(zhuǎn)塔等多個核心元器件,需要從國家層面,集結(jié)相關(guān)優(yōu)勢學(xué)科的科研院所和具備研發(fā)條件基礎(chǔ)的軍工企業(yè),進(jìn)行跨領(lǐng)域深度合作來,來促進(jìn)激光武器系統(tǒng)技術(shù)走向成熟,否則獨(dú)木難支,很難邁向世界前沿技術(shù)。

5.5 創(chuàng)新驅(qū)動是促進(jìn)激光武器系統(tǒng)走向?qū)崙?zhàn)化的推手

創(chuàng)新驅(qū)動的核心要素就是科技創(chuàng)新,而基礎(chǔ)研究是整個科學(xué)體系的源頭,是所有技術(shù)問題的“總開關(guān)”,是技術(shù)進(jìn)步的先行官。習(xí)近平總書記指出:“我國面臨的很多‘卡脖子’技術(shù)問題,根子是基礎(chǔ)理論研究跟不上,源頭和底層的東西沒有搞清楚”。俄羅斯就十分注重基礎(chǔ)理論研究,其在控制激光束質(zhì)量和使激光束通過大氣層傳輸?shù)确矫嫣幱谑澜珙I(lǐng)先水平。同時推動科技成果轉(zhuǎn)化也是重要一環(huán),基礎(chǔ)研究的重大突破,也需要轉(zhuǎn)換,才能形成生產(chǎn)力,以激光器發(fā)展為例,從20世紀(jì)60年代第一臺激光器誕生至今,經(jīng)歷了多種形式,固態(tài)激光器的出現(xiàn),彌補(bǔ)了化學(xué)激光器在體積、重量和環(huán)保的缺點(diǎn),自由電子激光器更是因其頻率可連續(xù)調(diào)諧、光束質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)在高科技領(lǐng)域發(fā)展的風(fēng)生水起。其次,人才驅(qū)動是創(chuàng)新驅(qū)動的實(shí)質(zhì),只有創(chuàng)新人才隊(duì)伍建設(shè),加大創(chuàng)新項(xiàng)目研究和攻關(guān)力度,燃起基礎(chǔ)理論研究主力軍的高校院所對高精尖技術(shù)的研究熱情和創(chuàng)新動力,才能穩(wěn)步推進(jìn)激光武器系統(tǒng)走向?qū)崙?zhàn)化。