【聚焦】机载激光武器系统——颠覆未来作战模式的空中利剑

目录

一、机载激光武器系统概述

(一)概念与起源

(二)作战优势与特点

(三)问题与攻关

 

二、机载激光武器系统发展情况

(一)美国机载激光武器发展规划

(二)国外机载激光武器项目简介

 

三、机载激光武器系统关键技术体系

(一)高功率小型化固态激光器技术

(二)光束控制发射技术

(三)强激光自适应光学技术

(四)动目标高精度捕获跟瞄技术

(五)机载激光武器系统装机一体化技术

 

四、加速机载激光武器系统走向实战应用的措施与建议

(一)转变思维模式是机载激光武器系统持续发展的基础

(二)跨领域深度合作是机载激光武器系统走向成熟的必由之路

(三)创新驱动是推进机载激光武器系统走向实战化的关键

 

一、机载激光武器系统概述

 

(一)概念与起源

 

机载激光武器系统是一种搭载于航空平台的新型定向能武器系统,它通过投射高能激光至目标易损部位并驻留一定时间,产生烧蚀效应、激波效应和辐射效应,从而实现对目标的毁伤,可用于实施拦截助推段弹道导弹、反卫星、防御巡航导弹/空空导弹/地空导弹以及对地面目标实施精确打击等作战任务,目前已成为国际军事装备发展热点。机载激光武器系统具有响应快速、攻击灵活、毁伤精确、抗电磁干扰、效费比高、无弹药挂载量限制等优点,在未来战争中,机载激光武器系统将成为空对空、空对地以及空对天攻击和导弹防御的作战利器,不仅会给未来战争作战模式带来重大变化,也将对未来战争的战略、战术运用产生一系列革命性影响。

 

机载激光武器系统起源于1976年美国空基激光实验室项目(ALL)。ALL使用NKC-135作为载机,使用CO2激光器,波长为10.6μm。1979年,ALL的激光器输出功率已经达到了456kW并可维持8s,经过处理后从武器系统输出功率达到380kW,可在1km外的目标上实现100W/cm2的能量密度。ALL项目进行了11年,在各次试验中共击落5枚AIM-9B响尾蛇空空导弹和1架BQM-34A火峰靶机。ALL在试验中解决了激光武器实用化工程中的高能激光输出、高精度跟踪等问题,但大气湍流与大气的热不均匀问题没能得到解决,到目前为止仍然是棘手问题。后来的ABL项目中,载机飞行高度调整为平流层,也未完全解决此项问题。同时期,前苏联的A-60激光反导/反卫星实验平台,也使用CO2激光器,波长10.6μm。第一架A-60样机以伊尔-76MD为原型机加以改造,并于1981年升空试飞。

 

美国机载激光武器(ABL)是第一个面向作战使用的机载激光武器项目,是美国导弹防御局弹道导弹防御系统的重要组成部分,该项目开始于1994年,主要用来寻找、跟踪和击毁处于助推段的弹道导弹,是一种能独立进行目标探测并实施多目标攻击的机载激光武器系统,主要用于拦截敌方助推段弹道导弹,使携带核、生、化弹头的碎片落在敌方区域,迫使攻击者放弃自己的行动,起到有效的遏制作用。

 

ABL项目研发长达16年,耗资超过50亿美元后终被终止。但通过实施ABL项目,美国在激光器技术、能源制备和光束控制等领域均取得了很大进展,以此为基础牵引出了美国先进战术激光器项目(ATL)、DARPA持久项目(Project Endurance)等一批项目研究与验证,为新型机载激光武器的发展和应用奠定了坚实基础。

 

(二)作战优势与特点

 

机载激光武器系统具备颠覆未来作战模式及战略、战术运用的潜力,相对于传统机载动能武器系统具备代差优势,在作战能力的突出优点主要包括:

 

1.主动导弹防御。未来空战中,战机有可能面对数枚多模制导空空导弹的攻击,传统被动防御手段存在失效的可能,机载激光武器系统可以弥补被动防御的不足,对来袭导弹实施攻击,将其击毁或令其失效,使作战飞机具备主动防御的能力,在未来空战中占据主动权。

 

2.毁伤光速到靶。传统动能武器毁伤主要依赖弹药破片的动能进行目标毁伤,攻击到达目标存在时间延时,攻击到达目标的过程存在诸多不确定性,需要对目标的运动进行判断估计,不能保证100%的攻击命中率。而机载激光武器主要通过向敌方目标易损部件定向投射高能激光达到定向毁伤的目的,毁伤光速到靶。

 

3.灵活攻击。传统动能武器发射后难以改变瞄准的目标,转向不灵活。机载激光武器通过对进入攻击范围的目标实施2~3秒的定向攻击,即可完成打击,拦截多目标时可迅速变换攻击对象,灵活地对付多个目标。还可以采用集群攻击,集中火力在2~3秒内同时对同一目标发起集火攻击,使毁伤效果增加。

 

4.可控精准毁伤。传统动能武器的毁伤效果不可精确控制,在地区摩擦中往往难以精准控制毁伤效果,机载激光武器的毁伤效果可控,可以攻击敌方作战飞机的探测器、天线、雷达、声呐,击落敌方侵权无人机,对敌方侦查力量实施精准打击,在不造成敌方人员伤亡的前提下,发挥震慑敌方心理、毁伤敌方侦查设备的作战效果。

 

5.持续作战能力。传统动能武器投入战场的弹药数量、重量往往受到运载平台的搭载能力限制,特别是对于机载平台,弹药的数量将限制可攻击目标的个数,不能够连续作战。机载激光武器无弹药挂载量限制,可通过空中加油的方式为机载战术激光武器提供弹药补给,相对于传统动能武器具有弹药无限的潜力,因而可以具备较强的持续作战能力。

 

6.抗电磁干扰。未来空中战场将面对严酷的电子战环境,敌方电子战战机发出的电磁干扰可能使我方战机的雷达失效,传统动能武器往往依赖雷达制导,因此存在无法发动攻击的可能。机载战术激光武器系统主要依靠光电探测分系统捕获、跟踪、瞄准目标,敌方无法利用电磁干扰手段降低机载激光武器的毁伤效能。

 

7.高效费比作战。机载激光武器直接将毁伤能量投射于目标易损部位,仅间接消耗作战飞机平台的油料,每次攻击所消耗的代价远低于传统动能武器,每次攻击可以控制在数十美金以内。这种极高的效费比在战争中可以极大地减轻国家经济负担,同时给敌方造成极大的财政消耗。

 

鉴于机载激光武器系统突出的作战能力,美、俄等军事强国均投入了大量的科研力量与经费对其展开研究,其中美国在其五代机计划中明确提出加入战术激光武器系统,还在发展平台通用性好的吊舱式激光武器系统。随着机载战术激光武器系统各项关键技术逐渐成熟,具备快速响应、精确打击、攻防兼备作战能力,代差优势明显的机载激光武器系统也将装备于未来各型作战飞机平台。

 

(三)问题与攻关

 

目前,现有机载激光武器系统距离正式装备军队仍有一定距离,在作战使用、平台一体化、关键技术等方面仍存在较大的问题,以下方向有待开展研究攻关:

 

1.作战使用问题

 

目前机载激光武器系统性能与作战需求差距大,无法实现有效部署。以ABL为例,在朝鲜半岛的最佳部署距离为375km,但系统有效攻击距离为80km,此时部署将使ABL深入朝鲜战略纵深95km,无法在保证自身安全的条件下完成作战任务。而对于机载战术激光武器系统,其有效攻击距离一般较短(10km以内),从捕获、跟踪、瞄准、攻击再到毁伤的时间链长度要求必须长于来袭目标的到达时间,结合作战使用开展系统时间链分析就尤为必要。

 


ABL部署示意图

 

2. 机载激光武器系统与平台一体化问题

 

机载激光武器系统要正常工作,首先要实现与载机平台一体化集成问题。需要综合考虑载机平台所能提供的空间、载重、供电、散热等约束,保障激光武器高效稳定工作并减小激光武器对载机影响,需要对机载激光武器系统的体积、重量、能源供应、热管理等方面实施系统优化。尽管美国在ABL项目、ATL项目实施过程中实现了机载激光武器系统装机一体化技术,积累了一体化工程经验,但其采用的是COIL化学激光器,而今后机载激光武器系统必将采用电驱动固体激光器,这方面仍有待开展相关研究。

 

3.关键技术瓶颈问题

 

强激光自适应光学技术是远距离激光武器的核心技术。ABL毁伤激光的波前受到光学元件的热畸变,大气湍流与热晕效应,窗口附面层像差远距离大气路径湍流效应的影响,波前产生畸变,造成到靶功率密度急剧下降,造成攻击距离难以达到设计目标的1/3的结果。因此目前技术水平下,强激光自适应光学技术瓶颈仍有待新的突破。高精度动目标捕获跟瞄方面,ABL系统在白杨靶场的试验中曾出现无法锁定目标,毁伤激光无法发射攻击的情况。机载激光武器系统对动目标的跟踪瞄准精度优于3μrad,这是保证到靶光斑功率密度水平的最基本的指标要求。此外,机载激光武器系统性能还受到系统可靠性、能量转化效率、质量体积等因素限制,因此未来还需要在共光路/共模技术(CPCM)、功率-体积/重量比、固体激光器电光转化效率方面开展技术攻关。

 

二、机载激光武器系统发展情况

 

(一)美国机载激光武器发展规划

 

1.美国空军研究实验室三阶段研发计划

 

美空军更关注在战斗机上装备激光武器,但与运输机和轰炸机相比,安装在战斗机上的激光器组件需要更紧凑。目前,空军研究实验室(AFRL)已制定一份3阶段研发计划:

 

(1) 研制功率达几十千瓦的“自保护高能激光演示器”(SHIELD)防御系统,计划2020年进行演示验证;

 

(2) 研制具有100千瓦功率的远程防御系统,计划2022年进行演示验证;

 

(3) 研制具有300千瓦功率的攻击系统,能够远程毁伤敌方飞机和地面目标。

 

该实验室主任托马斯·马赛罗奥少将特别指出,这3个系统都将安装于现役飞机的武器吊舱或飞机其他外挂点,不会像航炮或雷达那样完全集成到飞机机体中。这意味着采用雷达隐身技术的F-35或F-22飞机将无法在不损失隐身性能的情况下挂装激光器。美空军还在讨论未来几十年内将300千瓦激光器集成到战斗机中的可行性。

 

2.隐身战斗机机载战术激光武器计划

 

2014年8月,美国空军研究实验室(AFRL)提出隐身战斗机机载战术激光武器计划,通过用保形相控阵武器系统代替光束控制转塔,减少高速战术飞机的阻力并保持其低可探测性,配装于隐身战机。

 

AFRL正寻找可开展光束控制系统的集成验证企业,该光束控制系统基于采用相对成熟技术的光纤激光器阵列。同时,空军研究实验室还想获取用于全保形机载战术激光武器的成熟技术。在该项目的光纤激光器和光束控制计划中,AFRL计划研究光纤激光器功率调整、为增大功率而进行的多光束合成,以及用低能耗电子光束控制代替高能耗万向炮塔。

 

根据发布的公告,美国空军研究实验室计划研究“高功率光纤激光器如何通过网络离散阵列望远镜进行分布,以产生超紧凑的激光系统”。DARPA表示,光纤激光器拥有超过35%的电能效率以及接近完美的光束品质,有望实现光束与光学相控阵相连接,从而产生持续100秒、功率为数千瓦的合成激光束,其亮度为传统高功率激光器的10倍。

 

(二)国外机载激光武器项目简介

 

各军事科技强国均在大力发展激光武器技术,美国处于领先地位。美军在其五代机计划中明确提出加入战术激光武器系统,并在发展平台通用性好的吊舱式激光武器系统。俄罗斯也在2009 年恢复机载激光武器研究,而以英国、德国等为首的欧盟国家也有发展激光武器的计划,日本和韩国借助本国实力和与美国的军事战略伙伴关系,积极发展相关技术并参与激光武器系统的研究,印度国防部则针对反卫星等需求提出了发展激光武器的计划。

 

1.美国机载激光武器项目(ABL)

 

机载激光武器项目(ABL)是美国弹道导弹防御体系(BMDS)的重要组成部分,主要用来寻找、跟踪和击毁处于助推段的弹道导弹。首架装备ABL系统的YAL-1A飞机原计划在2008年服役,但由于发展速度滞后以及高昂的费用,计划一再推迟。美国导弹防御局(MDA)对ABL原型机开展了弹道导弹拦截实验,实验中可摧毁最远距离约80km的助推段弹道导弹,对167km助推段弹道导弹的拦截实验最终失败,因此ABL并未取得设计之初预期的攻击距离与毁伤效果。

 

MDA弹道导弹防御体系

 

ABL系统打靶示图

 

ABL系统由波音公司、诺格公司及洛马公司联合研制,波音公司为该项目的主承包商,主要负责提供飞机、作战管理设备以及全套系统的集成和测试,诺格公司提供兆瓦级的氧碘激光器(COIL)和用于测量飞机和目标间大气条件的低功率信标照明激光器,洛马公司提供光束控制/火控系统。

 

ABL由重型载机平台、广域态势感知系统、毁伤激光器、光束控制/火控系统和作战管理与指挥、控制、通信系统(BMC4I)等组成,具体如下:

 

(1) 重型载机平台:改进的波音747-400F飞机(YAL-1A型飞机),它是安装机载战术激光武器系统的作战平台;

 

(2) 广域态势感知系统:由安装在飞机头部、尾部和机身两侧的6个红外探测器(IRST)组成,用于全方位搜索弹道导弹助推段火箭发动机所喷出的明亮尾焰;

(3) 毁伤激光器:兆瓦级连续氧碘化学激光器(COIL,1.315μm),用于产生拦截目标的高能激光,由6个互联模块组成,每个模块重3吨(6500 pounds);

 

(4) 光束控制/火控系统:由安装在飞机头部的激光炮塔、二氧化碳主动激光测距系统(ARS,10.6μm)、主动照明激光器(TILL,kW级Yb:YAG高重频激光器,1.03μm)、信标照明激光器(BILL,kW级,Nd:YAG激光器,1.064μm)和自适应光学系统等组成,担负目标测距,粗、精瞄准,大气补偿,以及调整和发射高能激光等功能;

 

(5) 作战管理与指挥、控制、通信系统(BMC4I):担负作战任务规划和指挥、控制、通信等功能,提供有源和无源侦察、威胁排序、杀伤评估、联合战区互用、自防御组合等传感器。其中无源侦察传感器是改进的F-14红外搜索跟踪系统,有源系统是一个改进的LANTIRN光电目标瞄准吊舱。

 

 ABL系统组成

 

ABL激光炮塔

 

在具体作战中,ABL工作流程主要分为以下三个步骤:

 

(1) 探测目标:ABL利用广域监视系统全方位探测、搜索处于助推段的弹道导弹;当弹道导弹飞出云层顶端后,广域监视系统就可以探测到导弹尾焰的热信号;作战管理系统将根据广域监视系统获得的目标信息,判定所探测到的目标是否是助推飞行中的导弹的尾焰。

 

(2) 跟踪目标:一旦确定目标为助推飞行中的弹道导弹,作战管理系统将立即指挥机身顶部的主动测距系统和飞机头部激光炮塔内的望远镜转向广域监视系统所确定的目标方向。主动测距激光系统首先锁定目标,并提供详细的目标信息(包括目标距离、发射点和落点信息);随后,主动照明激光器进行照明,系统对目标实施精跟踪,并确定目标的瞄准点;信标照射激光器将测量机载激光与目标导弹之间的大气扰动,根据计算机的计算,调整和改变变形镜面形,补偿激光束在目标大气路径上的大气扰动。

 

(3) 杀伤目标:待精确跟踪目标并完成大气扰动补偿后,高能化学激光器向导弹目标发射高能激光,让激光束聚焦在导弹助推火箭的瞄准点上,并保持一定驻留时间,加热导弹助推火箭的金属蒙皮,使被高能激光照射部分的蒙皮结构强度降低,在助推火箭内部压力的作用下火箭破裂和爆炸,从而实现拦截并摧毁导弹的目的。

 

2. 美国先进战术激光器项目(ATL)

 

先进战术激光武器系统项目(ATL)是美国空军2000年启动的一个机载激光系统演示验证项目。ATL系统采用百千瓦级功率的COIL激光器,系统安装在改装的C-130运输机上,主要用于攻击地面目标。ATL系统可以精确控制毁伤效果,既可用作致命性武器,击毁地空反舰导弹或巡航导弹,也能作为精确非致命性武器迅速使敌方武器系统失效。武器操作人员可以通过选择特定的瞄准点和激光光斑驻留时间,来选择对目标破坏的程度和性质,即选择摧毁、破坏或使目标失能。

 

ATL系统

 

ATL对地面车辆攻击

 

美国通过ABL及ATL项目完成了机载激光武器系统的关键技术验证以及工程经验积累,为其今后根据其作战理念与作战需求变化迅速研制新型机载激光武器系统奠定了技术基础。

 

3. 亚瑟王神剑项目(Excalibur)

 

“亚瑟王神剑”项目旨在发展相干光学相控阵技术,开发一种只有高能化学激光系统重量十分之一、更紧凑且可扩展的激光武器。该项目发展的激光相控阵天线与低功率激光器结合,可产生高能激光束。此外,该计划聚焦于激光束偏转技术,从而使激光发射窗口与飞机蒙皮共形。

 

2014年3月, DARPA宣布“亚瑟王神剑” 项目(Excafibur)取得进展,该机构己成功验证了由三组光纤激光器(每组为7个光纤激光器)组成的21束光学相控阵(每组面积10平方厘米,每束均由光纤激光放大器驱动),这种低功率阵列激光器能够精准地击中7km远的目标, DARPA计划验证的功率将达到100千瓦。

 

“亚瑟王神剑”项目

 

4. DARPA持久项目(Project Endurance)

 

2013年, DARPA授予了诺斯罗普•格鲁门公司和洛克希德•马丁公司各一份成本加固定费用合同,用于开展DARPA持久项目(Project Endurance)。持久项目是 “亚瑟王神剑” 激光武器项目(Excalibur)的延续,该项目旨在发展飞机配装的吊舱式激光武器来防御光电/红外(EO/IR)制导地空导弹,从而保护军用飞机安全。

 

持久项目

 

DARPA持久项目要发展有人机和无人机可挂载的吊舱式激光武器系统。它的目标之一就是设计一个小型的、低维护性的激光器,该激光器足以击毁敌方导弹。项目还要设计一个轻量化敏捷光束方向控制器,控制激光精确跟踪移动目标。该激光吊舱可进行目标识别、打击,同时具备情报、监视、侦察(ISR)和目标指示的附加功能。最终,该项目将设计和测试小型机载防御激光武器,进行激光毁伤效果测试,并根据敌方地对空导弹弱点确定激光功率的水平。持久项目关注的技术包括:小型化部件技术、高精度目标跟踪识别技术、轻量化敏捷波束控制技术、激光与目标的相互作用研究。

 

5. DARPA航空自适应/航空光束控制项目(ABC)

 

2014年,根据美国国防部国防高级研究计划局(DARPA)和美国空军研究实验室(AFRL)授予的合同,洛克希德·马丁公司开展了“航空自适应/航空光学波束控制”(Aero-adaptive Aero-optic Beam Control,ABC)转塔项目研究,并与圣母大学(University of Notre Dame)和AFRL协作完成了转塔样机的初步飞行测试。

 

ABC转塔

 

ABC转塔可为机载高能激光武器提供全向覆盖,特别是扩展机载激光武器跟踪和摧毁后向视场内目标的能力。同时,流量控制和自适应光学补偿技术消除了因在飞机机身上安装转塔而引起的湍流影响。在AFRL和圣母大学的协作下,装有ABC转塔的试验飞机进行了8架次飞行。2014年12月,洛克希德·马丁公司机载激光武器专家对安装在ABC转塔上的高能激光尾炮的原型样机进行了适航试验,所有转塔部件均符合美国空军和联邦航空局的适航要求。

 

6. 联合高能固体激光器项目(JHPSSL)

 

ABL和ATL都采用了发射功率高、体积庞大的COIL化学激光器,体积重量限制了其在战斗机、直升机、无人机等小型机载平台的应用。为了促进机载小型激光武器的发展,美国国防部于2002年底开始了联合高能固体激光器项目(Joint High Power Solid-state Laser,JHPSSL),旨在提高固体激光器的发射功率,使其达到千瓦级,最终代替体积重量庞大的高能化学激光器,在满足激光器毁伤需求的同时降低机载激光武器的体积和重量,实现其在小型载机平台上的应用。

 

JHPSSL是高能激光器联合技术办公室实施的军用激光器项目,由空军研究实验室(AFRL)负责管理,为保证各军种联合实施该项目管理,将其分为项目竞争、技术验证和提高性能三个阶段。

 

2006年,诺格公司和达信公司在JHPSSL激光器性能验证阶段,击败竞争对手雷声公司、波音公司及劳伦斯利•弗莫尔实验室组成的联合竞争集团,同美国陆军空间和导弹防御司令部(USASMDC)签订了第3发展阶段合同。诺格公司和达信公司开展第3阶段研究工作的主要目标是使高能固体激光器的功率达到100千瓦量级,同时减小体积和重量,开发出可用作机载小型战术激光武器的高能固体激光器。

 

2009年2月,诺格公司为JHPSSL项目第3阶段研制的高能固体激光器的输出功率达到105kW。该高能固体激光器由7个串级激光器组成,每个串级激光器都产生约15 kW的功率,最终产生105.5kW的单束光(结构见图12左侧所示,实物如图13所示)。它采用主振荡器和放大器(MOPA)的拓扑结构,将主振荡器产生的激光分束后用多个放大器进行放大,每个激光放大器由4个半导体激光阵列泵浦的Nd:YAG板条串级而成,各放大器输出光束进行相干合成后输出。这种结构一方面可以避免单个激光器高功率输出给激光介质带来损伤,另一方面可以定标放大以获得更高的输出能量。该高能激光器连续工作5分钟,电光效率达到了19.3%,在不到0.6s内达到最大功率,光束质量优于3。

 

同年,达信公司进行联合高能固体激光器项目(JHPSSL)第3阶段的100kW“薄锯齿”陶瓷固体激光器的演示。演示在实验室环境下进行,连续发射几分钟的激光。陶瓷材料不仅有优良的物理和光学特性,而且抗断裂、抗损伤,易于制造成大尺寸、光学各向同性、更适合于高功率输出的激光器。达信公司的陶瓷体系结构如图12右侧所示,也采用了MOPA结构,但它是用单个主振荡器泵浦串联的功率放大器,这样对陶瓷介质的抗热损伤和热断裂性要求高,但是避免了高功率光束合成的问题。

 

JHPSSL激光器原理图

 

 JHPSSL实物图

 

7. 高空无人机激光武器项目

 

在美国国防部取消机载激光武器(ABL)项目近三年后,美国国防部导弹防御局(MDA)在其2016财年预算中,通过定向能研究(DER)项目安排了高空无人机激光武器项目。该项目旨在寻求新的途径,将高效紧凑的激光武器集成到高空长航时无人机上,最终用于拦截处于助推段的弹道导弹。由于高空长航时无人机飞行高度很高,因此可以最大程度上避免大气环境和云层对激光武器使用的不利影响。

 

高空无人机激光武器项目

 

8. SHIELD项目

 

空军研究实验室(AFRL)还在实施自卫高能激光演示器项目(SHIELD),该机载激光武器系统可安装在与标准的600加仑副油箱体积相当的吊舱内,为F-16/15战斗机抵御地空导弹攻击。此外,SHIELD项目的验证工作将包括攻击地面“软”目标(如传感器、通信设备以及其他精密的高价值系统)。

 

SHIELD项目

 

三、机载激光武器系统关键技术体系

机载激光武器系统关键技术主要包括高功率小型化固态激光器技术、光束控制发射技术、强激光自适应光学技术、动目标高精度捕获跟瞄技术、机载激光武器系统装机一体化技术等,具体如下:

 

(一)高功率小型化固态激光器技术

高功率激光器是机载激光武器系统的核心部件,为系统提供产生毁伤能力的高能激光束输出,其技术水平很大程度上决定了机载激光武器系统的作战效能。化学激光器虽然能产生兆瓦级的高功率输出,但是存在体积大、重量高、释放有毒尾气、一次加注燃料发射次数有限、系统集成困难等问题。虽然ATL已获得试验上的巨大成功,但是正是由于上述缺点,其前景并不看好。飞机平台要求激光器的体积和重量尽可能小,化学激光器无法满足多数飞机平台的负载限制。未来具备高功率、高光束质量、高电光转化效率、高功重比﹑高可靠性、功率可调性范围大、环境适应能力强的固态激光器技术将会成为新的发展热点。

目前,具有优异光束质量的高功率光纤激光器成为未来机载激光武器激光器的重要选择,它由泵浦源、增益介质和光学谐振腔构成,如下图所示。

 

高功率光纤激光器

 

(二)光束控制发射技术

机载激光武器的光束控制发射系统主要实现毁伤激光的扩束压窄和激光束腰动态调节功能,它在很大程度上影响了机载激光武器系统的毁伤效果。光束控制发射技术有以下几个技术难点:第一,光学元件材料的不均匀性、加工精度等因素带来的误差,由重力、紧固压力等因素带来的装配误差,以及放大器中泵浦不均匀性和激光介质被辐照后的热效应等均会导致光束质量下降。第二,机载激光武器系统与目标之间处于高速相对运动状态,相对距离不断变化,这就要求光束控制发射分系统应具有激光束腰调节功能,以保证毁伤激光的束腰始终位于目标表面,实现最佳光斑聚焦,这对于束腰调节机构的设计要求极高。第三,光束控制发射系统还必须具备较强的光学膜系抗损伤能力、极高的反射率、极低的温度膨胀系数。美国等西方国家也正在开展反射镜材料及新型加工工艺的研究,美国拟采用石墨纤维复合材料作基底的反射镜,镜面镀硅并抛光,其热膨胀系数将接近于零。

 

ABL光束控制发射系统

(三)强激光自适应光学技术

到靶光斑的功率密度主要受到激光输出功率、激光光束质量、大气衰减、大气湍流、大气非线性效应、光学系统像差、窗口附面层像差等因素的影响。当高能激光束通过大气传输时,会因大气湍流产生波前畸变,引起到靶光斑扩展与漂移,从而造成到靶功率密度下降。当激光功率足够大时,还会产生大气击穿和热晕等非线性效应,使到达目标的光束质量变差,从而影响毁伤效果。光学元件材料不均匀性、加工精度等因素带来的误差,由重力、紧固压力等因素带来的装配误差,以及放大器中泵浦不均匀性和激光介质被辐照后的热效应等均会导致光束质量下降。在载机飞行过程中,气动效应引起的激光发射窗口附面层像差,也会造成激光波前的畸变,从而造成光束质量下降。强激光自适应光学技术可以有效补偿这些因素造成的激光波前畸变,从而保证较高的到靶功率密度。

 

自适应光学补偿前后远场光斑对比图

(四)动目标高精度捕获跟瞄技术

机载激光武器系统需要将激光束会聚至目标易损部位,实现对目标的有效毁伤,这要求对目标的跟踪精度达到微弧度甚至亚微弧度量级,因此需要采用高性能的光电跟踪传感器、复合轴跟踪环架、复合控制与共轴跟踪等技术综合保证系统的精度指标。尽管如此,在机载振动环境下要达到亚微弧的跟瞄精度,并在一定时间内使光束稳定地保持在目标固定位置上仍存在较大的难度。

根据机载激光武器系统对动态目标持续照射毁伤的作战使用要求,可采用粗、精组合的双探测器复合轴跟踪控制构型,以同时满足对运动目标的高动态范围捕获与高精度跟踪瞄准要求。

 

复合轴稳定跟踪系统原理图

 

(五)机载激光武器系统装机一体化技术

机载激光武器系统装机一体化技术综合考虑载机平台的空间、载重、能源供应、散热等约束,从而保证机载激光武器系统高效稳定工作。通过对机载激光武器系统的体积、重量、能源供应、热管理等方面的优化,使机载激光武器系统与载机平台实现一体化融合。

体积重量方面,可采用固体激光器轻量化、小型化设计,同时通过提高固态激光器的电光转化效率,可以减小激光武器工作过程中产热,进而大幅减小散热系统体积重量;能源供应方面,高功率激光器工作时需要系统在短时间内提供极高的功率(数百千瓦以上),同时要求不影响载机其他部分的工作。可采用储能装置间接供能的电源构型,激光武器不工作时,利用飞机平台为储能装置充电;在激光武器输出高功率毁伤激光时,由储能装置经电源转换为激光武器供电;热管理方面,激光武器系统工作时产生大量的热能,如不能及时将产生的多余热量排出系统将可能造成光学系统热畸变,光束质量下降,当超过激光器的工作温度范围,激光器将不能工作或损毁。可采用热导率高的新型液态金属作为散热系统的冷媒,并进行激光晶体微结构致冷设计,从而有效管控高能激光器工作过程中产生的热能。

四、加速机载激光武器技术走向实战应用的措施与建议

(一)转变思维模式是机载激光武器技术持续发展的基础

纵观世界军事发展历史,每一次战争胜利的背后都取决于以战略为导向的克敌制胜。从美苏冷战时期到苏联解体,从海湾战争到伊拉克战争,从 "空海一体战"、到第三次"抵消战略"和反拒止作战,美国的战略重心根据国际形势和安全环境的变化不断调整。作为能够"改变未来战局"的颠覆性技术优势,美国的机载激光武器系统研发重点也随着不同的战略、军事需求和技术发展不断调整,从冷战时期的旨在应对苏联卫星和洲际导弹的机载战略激光武器逐步向应对灵活的战术目标为主的机载战术激光武器转变。当前我国正处于军事体系化建设的关键时期,对于机载激光武器技术这项影响未来战场成败的关键元素,建议学习和借鉴美国、俄罗斯等军事强国的发展模式,立足当前我国科技水平,稳步开展相关课题研究,走适合我国国情的发展道路。

(二)跨领域深度合作是机载激光武器技术走向成熟的必由之路

机载激光武器系统的研究是一个庞大的系统工程,涉及了光学、控制、计算机、图像处理等多个基础学科,同时还涉及了传感器、激光器等多个核心元器件,多项,需要多领域、跨学科的合作来提供研发支撑。美国ABL、ATL等项目以及当前正在发展的SHIELD等项目也都是以洛马、波音、诺格等公司合作研发的模式。从当前国内机载激光武器的研究状况看,存在各家研制单位研究相对分散独立的局面,机载激光武器系统作为极为复杂的系统工程,需要具备不同技术优势的单位强强联合,建议从国家层面集结激光武器研发相关的优势学科和具备相关研制基础的科研院所,加强深化合作,加大资金投入,充分发挥各自优势,促进机载激光武器系统走向成熟。

(三)创新驱动是推进机载激光武器走向实战化的关键

创新是科技发展的主引擎,也是我军装备现代化发展的重要途径,因此加强创新驱动是引领机载激光武器系统发展壮大、并走向工程化应用的抓手,创新驱动的核心是加强技术创新。以激光器的创新发展为例,化学激光武器作为美国早期重点研究的方案,其激光输出功率大,可达兆瓦量级。然而由于体积庞大、燃料更换缓慢、战场环境适应性差,其实用性受到极大的限制。通过开展技术创新,美国发展了固体激光器,它具有轻便、小巧、无污染、可连续发光、光束质量好等特点,可方便地装备各种平台以应用于实战,受到美国军方的高度关注,是当前最具潜力的激光武器方案。机载激光武器系统搭载到各型作战飞机平台上时,涉及到平台的能源管理、热管理、系统与平台的通讯等机载激光武器与平台一体化集成问题,自适应光束控制、高精度稳定跟踪等等这些关键技术均需要通过创新方式、方法予以解决。因此,必须加强创新人才队伍建设,加大创新项目研究和攻关力度,解决各项关键技术,稳步推进机载激光武器系统走向实战化。

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