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

當(dāng)前海上作戰(zhàn)環(huán)境日益復(fù)雜,作戰(zhàn)模式、理念隨著武器迭代而推陳出新,高超音速武器、反艦導(dǎo)彈、制導(dǎo)炸彈、小型快艇、小型無人機(jī)及蜂群、“低慢小”目標(biāo)等新型目標(biāo)的出現(xiàn),使得傳統(tǒng)武器很難滿足防空反導(dǎo)、近區(qū)防衛(wèi)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(yīng)運而生。世界各軍事強(qiáng)國均在花大氣力投入研究,搶占該領(lǐng)域制高點,掌握軍事主動權(quán)。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(fā)工作,成效顯著,加速了激光武器向?qū)崙?zhàn)化應(yīng)用推進(jìn)[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(biāo)上,使目標(biāo)被摧毀或受到干擾而失效的作戰(zhàn)武器。相較陸基、空基激光武器系統(tǒng)而言,因作戰(zhàn)環(huán)境的不同,?；す馕淦髯鲬?zhàn)應(yīng)用亦有其特點。主要體現(xiàn)在執(zhí)行任務(wù)多樣性,艦載平臺適裝性和作戰(zhàn)環(huán)境適用性等方面?，F(xiàn)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(zhàn)使用,海上環(huán)境特點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,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(jìn)展情況進(jìn)行總結(jié)梳理啟示,提出對艦載激光武器的軍事需求和使命任務(wù),分析攔截各類目標(biāo)的技術(shù)指標(biāo),或是進(jìn)行體系貢獻(xiàn)率的計算,對攔截各類目標(biāo)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(jī)蜂群目標(biāo)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(biāo),所以艦載激光武器的毀傷距離研究主要針對單個無人機(jī)目標(biāo),此數(shù)據(jù)同樣適用于無人機(jī)蜂群目標(biāo)(即以點概面),該數(shù)據(jù)能在未來海戰(zhàn)中為艦艇指揮員對戰(zhàn)場環(huán)境研判、武器選擇等方面提供輔助決策的作用。

2 無人機(jī)目標(biāo)激光易損性分析

激光武器對無人機(jī)的毀傷方式分為兩類,一類是硬毀傷,通過毀傷無人機(jī)關(guān)鍵部件達(dá)到喪失作戰(zhàn)能力的目的。例如激光輻照機(jī)翼、機(jī)身等部位,使得結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度下降,影響飛行能力；照射油箱、發(fā)動機(jī)或機(jī)載導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部等易燃易爆部位,產(chǎn)生大爆炸,毀傷機(jī)體。另一類是軟毀傷,即對光電偵察載荷、天線或機(jī)身內(nèi)部電子元器件等部件進(jìn)行激光輻照,使得光學(xué)器件致眩、致盲及任務(wù)載荷失效,致使無人機(jī)喪失偵察、導(dǎo)航等任務(wù)效能。

無人機(jī)機(jī)身、機(jī)翼等部位為了保證力學(xué)載荷、減重效益和成型工藝,大量采用由結(jié)構(gòu)蒙皮材料組成復(fù)合結(jié)構(gòu)材料,主要有玻璃纖維/環(huán)氧樹脂+纖維紙/環(huán)氧樹脂蜂窩芯+玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合蒙皮,以及碳纖維/環(huán)氧樹脂+纖維紙/環(huán)氧樹脂蜂窩芯+碳纖維/環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)復(fù)合蒙皮,兩者被激光照射,達(dá)到毀傷閾值時,會發(fā)生不同程度的燒蝕穿孔,產(chǎn)生兩種后果,其一是對機(jī)身內(nèi)部電子元器件進(jìn)行輻照毀傷,其二是影響機(jī)身結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度及氣動性能,使無人機(jī)喪失作戰(zhàn)能力或達(dá)到毀傷目的。表1為無人機(jī)組成材料激光毀傷閾值[2]。

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

3 典型無人機(jī)蜂群目標(biāo)選取

近年來,隨著美空軍接連發(fā)布《空軍未來作戰(zhàn)概念》(2015年)、《2016-2036年小型無人飛行器系統(tǒng)飛行規(guī)劃》(2016年)和《2030年科技戰(zhàn)略》(2019年)[3],及無人機(jī)蜂群在實戰(zhàn)中的運用(俄羅斯駐敘利亞防空部隊遭遇13架無人機(jī)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(jī)襲擊事件)[4],使得蜂群作戰(zhàn)的概念及作戰(zhàn)效果得到了驗證和推廣,各國均加大了無人機(jī)蜂群領(lǐng)域的研究力度。

美國在無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)領(lǐng)域獨樹一幟,尤其是以美國戰(zhàn)略能力辦公室(SOC)、美國海軍研究局(ONR)和美國國防預(yù)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(chǔ)的作戰(zhàn)系統(tǒng)序列[5]。表2為美軍典型無人機(jī)蜂群平臺及基本性能參數(shù)表[6]。

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

以上三種型號無人機(jī)蜂群,主要承擔(dān)戰(zhàn)場數(shù)據(jù)收集、集群攻擊等任務(wù),“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(shù)還未成熟[7]。“郊狼”無人機(jī)能夠攜帶0.9 kg戰(zhàn)斗部進(jìn)行察打一體自殺式作戰(zhàn)。“灰山鶉”無人機(jī)屬于微型無人機(jī)范疇,主要執(zhí)行近距精準(zhǔn)偵察任務(wù)。基于以上分析,根據(jù)激光武器作戰(zhàn)使命,選取“郊狼”無人機(jī)作為典型目標(biāo),選取其相關(guān)參數(shù)進(jìn)行后續(xù)建模仿真。

選取“郊狼”無人機(jī)主要是為了獲取其飛行速度及高度等相關(guān)參數(shù),尤其是對于不同飛行速度的無人機(jī)目標(biāo),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(jī)蜂群的毀傷距離,如研究對蜂群目標(biāo)的毀傷能力,還需考慮艦載激光武器系統(tǒng)的各個方面,包括轉(zhuǎn)火時間、響應(yīng)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(biāo)上的激光功率密度、能量密度(照射時間)和目標(biāo)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(shù)；D是發(fā)射望遠(yuǎn)鏡直徑；P是激光發(fā)射功率；η是大氣透過率；λ是激光波長；β是發(fā)射光束質(zhì)量；L是目標(biāo)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(huán)境、激光武器本身自帶的誤差、大氣傳輸?shù)认嚓P(guān)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性及影響。因此需要構(gòu)建一套相對較為全面的艦載激光武器反無人機(jī)毀傷模型。

依據(jù)激光武器系統(tǒng)涉及激光器系統(tǒng)、光束傳輸系統(tǒng)、大氣光學(xué)系統(tǒng)、目標(biāo)捕獲跟蹤系統(tǒng)(ATP)、目標(biāo)強(qiáng)激光毀傷系統(tǒng)等關(guān)鍵部分,仿真主要從氣象環(huán)境參數(shù)、激光武器系統(tǒng)平臺及目標(biāo)特性參數(shù)、目標(biāo)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(jìn)行[8]。圖1為艦載激光武器毀傷無人機(jī)仿真運行圖。

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

第一步對氣象環(huán)境參數(shù)、激光武器系統(tǒng)平臺及目標(biāo)特性參數(shù)(包括目標(biāo)部位的毀傷閾值)進(jìn)行設(shè)定；其次對目標(biāo)進(jìn)行空間坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換,方便計算各型角度和空間距離[9]；第三步根據(jù)大氣傳輸模型、上靶光斑面積模型和上靶能量密度模型,結(jié)合無人機(jī)的飛行姿態(tài)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(jìn)行比對,計算出激光毀傷距離及毀傷概率。相關(guān)模塊具體內(nèi)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(yīng)等非線性效應(yīng)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(biāo)的距離；K是常數(shù),取決于大氣氣溶膠類型,在海洋環(huán)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(biāo)實時高度。

4.2 上靶光斑面積模型

激光經(jīng)過大氣傳輸,會在遠(yuǎn)場形成光斑,遠(yuǎn)場光斑半徑r1為:

(6)

式中,β為激光經(jīng)過大氣湍流后的光束質(zhì)量；D為激光發(fā)射口徑；λ為激光波長；R為激光武器與目標(biāo)的距離。

激光照射目標(biāo)分為兩種情況,一是迎頭打擊,即激光束與目標(biāo)夾角小于30°；另一種是側(cè)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(biāo)高低角、目標(biāo)方位角和目標(biāo)俯沖角有關(guān)。

由于激光武器瞄準(zhǔn)誤差及射擊誤差導(dǎo)致遠(yuǎn)場光斑中心與目標(biāo)靶點中心不重合,產(chǎn)生距離dt,靶標(biāo)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(biāo)靶點中心距離；r2為靶標(biāo)等效半徑；S為光斑重疊面積；r1為遠(yuǎn)場光斑半徑。

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

4.3 上靶能量密度模型

經(jīng)過傳輸后激光上靶功率密度Ir(t)為:

(9)

式中,P0為激光發(fā)射功率；T為輻照時間；A為遠(yuǎn)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(biāo)等效半徑。

4.4 毀傷概率模型

根據(jù)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(huán)境的大氣氣溶膠類型,鄉(xiāng)村環(huán)境K取值2.828,城市環(huán)境K取值3.132,海洋環(huán)境K取值4.453,沙漠環(huán)境K取值2.496。大氣能見度V在海洋環(huán)境中更有實際意義,在陸地環(huán)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(zhàn)使用,海上環(huán)境特點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。該模型仿真輸出條件差異主要體現(xiàn)在仿真環(huán)境的不同。

5 仿真結(jié)果分析

假定某艦載激光武器的性能參數(shù)為:波長為1.06 μm,發(fā)射光束質(zhì)量為3,發(fā)射望遠(yuǎn)鏡直徑0.3 m,平均發(fā)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(jī)為目標(biāo)無人機(jī),速度為110 km/h,初始飛行高度為2 km和3 km兩檔,靶標(biāo)等效半徑0.01 m；設(shè)定能見度為5 km,15 km和25 km三檔?？紤]系統(tǒng)的跟瞄誤差與射擊誤差,進(jìn)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(jī)目標(biāo)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(jī)目標(biāo)概率毀傷距離圖。表3為艦載激光武器對“郊狼”無人機(jī)目標(biāo)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(fā)現(xiàn)表3中部分?jǐn)?shù)據(jù),尤其是100 kW功率對應(yīng)部分,有些毀傷距離已經(jīng)超過了5 km。這些數(shù)據(jù)的出現(xiàn)是為了表3數(shù)據(jù)的完整性,適當(dāng)調(diào)整了這部分?jǐn)?shù)據(jù)的無人機(jī)初始距離,以致能出現(xiàn)概率毀傷距離。表3中毀傷距離數(shù)據(jù)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(dāng)調(diào)整了初始距離。

表3 艦載激光武器對“郊狼”無人機(jī)目標(biāo)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(jī)易損性分析中,簡要介紹了激光毀傷機(jī)理,激光主要還是通過能量累積達(dá)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(biāo)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(biāo)點能量密度相加,但是隨著目標(biāo)的飛行,距離越近,遠(yuǎn)場功率越強(qiáng),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(zhǔn)誤差及射擊誤差等客觀因素存在,導(dǎo)致靶上光斑重合面積會隨機(jī)抖動,無法對瞄準(zhǔn)點進(jìn)行持續(xù)且準(zhǔn)確的輻照,使得上靶能量發(fā)散明顯,無法在規(guī)定時間內(nèi)達(dá)到毀傷閾值,即無法對目標(biāo)材料造成毀傷,就出現(xiàn)了概率毀傷這種情況,但由于激光的精準(zhǔn)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(tài)下,激光可以對目標(biāo)進(jìn)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(biāo)。單從毀傷單目標(biāo)而言,可從毀傷概率0～1的距離開始照射,但對于無人機(jī)蜂群目標(biāo)而言,優(yōu)先選擇距離在毀傷概率為1的距離以內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)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(biāo)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(fā)射功率的提升而變遠(yuǎn)；從圖3可得出,在發(fā)射功率、初始高度及目標(biāo)毀傷閾值一定的情況下,有效毀傷距離隨著環(huán)境能見度的提升而變遠(yuǎn),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(dǎo)致遠(yuǎn)場功率密度不一,隨著激光束與目標(biāo)夾角的不同,即不同打擊狀態(tài)下激光投影面積不同,出現(xiàn)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(cè)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(cè)向打擊,高度2 km和3 km的數(shù)據(jù)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(jié) 語

美空軍助理部長威爾·羅珀在美《空軍》雜志提到“蜂群作戰(zhàn)就是未來戰(zhàn)場的樣式”[11]。在未來海戰(zhàn)場,無人機(jī)蜂群作戰(zhàn)樣式在戰(zhàn)場態(tài)勢感知、有無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)方面將發(fā)揮重大作用。本文具體計算了艦載激光武器對“郊狼”無人機(jī)目標(biāo)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(shù)據(jù)。下一步,將圍繞優(yōu)化七個模塊的模型,添加艦艇在水面活動狀態(tài)等因素,完善艦載激光武器對典型無人機(jī)蜂群目標(biāo)的射表研究。