車學(xué)科，聶萬勝，何炬恒

（裝備指揮技術(shù)學(xué)院，北京 101416）

彈道導(dǎo)彈技術(shù)在世界范圍的持續(xù)擴(kuò)散，使彈道導(dǎo)彈成為最受關(guān)注的空中威脅之一，各國(guó)不斷加強(qiáng)彈道導(dǎo)彈防御技術(shù)研究，但是目前的反導(dǎo)系統(tǒng)僅能對(duì)付比較原始的洲際彈道導(dǎo)彈[1]，使用高能激光武器防御彈道導(dǎo)彈日益受到重視[2[。機(jī)載激光武器位于稠密大氣層內(nèi)，大氣環(huán)境會(huì)對(duì)激光武器的作戰(zhàn)和使用效果產(chǎn)生直接影響，而平流層飛艇飛行于海拔20km以上的臨近空間，大氣稀薄，不存在云、雨等自然現(xiàn)象，非常適合激光傳播，有可能成為一種重要的空間攻防對(duì)抗平臺(tái)[3]，美國(guó)就希望其高空飛艇（HAA）裝備激光武器[4-5]，并將其用于彈道導(dǎo)彈防御。其優(yōu)勢(shì)在于能夠利用飛艇隱身和高度優(yōu)勢(shì)長(zhǎng)時(shí)間部署于導(dǎo)彈發(fā)射點(diǎn)附近，可對(duì)彈道導(dǎo)彈發(fā)射進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)擴(kuò)大了彈道導(dǎo)彈攔截窗口，有利于建立防御彈道導(dǎo)彈的多層攔截體系。本文將研究平流層飛艇激光武器的可行性及其在自由段彈道導(dǎo)彈防御中的應(yīng)用。

1 平流層飛艇高能激光武器

1.1 艇載激光武器

平流層飛艇搭載激光武器需要解決重量、體積和能源等三個(gè)關(guān)鍵問題。2009年，美國(guó)諾斯羅普·格魯曼公司聯(lián)合高功率固體激光器（JHPSSL）以 100kW的功率連續(xù)發(fā)射6h。該激光器由7個(gè)模塊組成（單模塊發(fā)射功率為15kW），總質(zhì)量為1.2T（每個(gè)模塊質(zhì)量181kg），單模塊體積為0.33×0.76×0.23m3，均在平流層飛艇的承受范圍之內(nèi)（HAA載重1.8T）。

JHPSSL激光器光-電轉(zhuǎn)換效率約為20%，則系統(tǒng)總功率約為525kW。如果能量轉(zhuǎn)化效率進(jìn)一步提高，那么系統(tǒng)總功率可進(jìn)一步降低，比如日本 Ken-ichi Veda研究小組的固體激光器光-光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了53%[6]。美國(guó)HAA飛艇表面覆蓋有8200m2的太陽(yáng)能電池薄膜，其太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)化效率為8%[7]，這里以此為對(duì)象進(jìn)行研究。當(dāng)飛艇定點(diǎn)于東經(jīng) 120°、北緯 25°高空時(shí)，其一年中上午7點(diǎn)、12點(diǎn)接收到的太陽(yáng)功率隨飛艇軸線朝向角的變化曲線分別如圖1、圖2所示，計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[7]吻合較好，施紅等人也有類似計(jì)算結(jié)果[8]。可以看到，大部分時(shí)間內(nèi)飛艇吸收的太陽(yáng)能功率可滿足高能激光武器的能源需求。另外，美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)計(jì)劃研究局主持的“高能液體激光防空系統(tǒng)”(HELLADS)，設(shè)計(jì)目標(biāo)為 150kW，激光器重量要求小于750kg（重量功率比小于5kg/kW），體積則在2m3以下。

綜上所述，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，高能激光武器將可直接應(yīng)用于平流層飛艇。

圖1 一年上午7點(diǎn)吸收太陽(yáng)能變化

圖2 一年上午12點(diǎn)吸收太陽(yáng)能變化

1.2 平流層飛艇中繼反射激光

平流層飛艇應(yīng)用高能激光武器的另一個(gè)可行性更高的方案是在飛艇上安裝中繼反射鏡，通過反射地基高能激光進(jìn)行作戰(zhàn)，HAA即可能采取這種作戰(zhàn)方式[9]。它能夠利用相對(duì)成熟的地基高能激光技術(shù)，與單純地基高能激光武器系統(tǒng)相比具有兩個(gè)優(yōu)勢(shì):

一是作戰(zhàn)半徑增大。高能激光攻擊空間目標(biāo)時(shí)必須穿越大氣層，而大氣層中大量的氣體分子、雨霧、塵埃、大氣湍流等現(xiàn)象都會(huì)嚴(yán)重降低激光的透射率和光束質(zhì)量，從而導(dǎo)致激光作戰(zhàn)半徑的降低。

圖3表示的是地面（0km）和臨近空間（20km）的激光透射率（波長(zhǎng)1.06μm），可以看到從地面以不同仰角向空間射擊時(shí)激光透射率都要比臨近空間小得多，尤其是在地面平行射擊時(shí)，激光傳播21km后就衰減掉99%的能量，這里在計(jì)算大氣層衰減時(shí)僅考慮了分子散射，如果再考慮其它影響那么從地面攻擊空間目標(biāo)的透射率將進(jìn)一步降低，所以在臨近空間發(fā)射激光具有更大優(yōu)勢(shì)。

從圖3中還可以看到，從地面向上以90o射擊時(shí)也存在很大衰減。這是使用平流層飛艇反射地面激光所必須承受的損失。如果激光總是進(jìn)行90o射擊，則使用反射鏡技術(shù)更復(fù)雜而且不存在優(yōu)勢(shì)，但是實(shí)際中攻擊空間目標(biāo)時(shí)，激光武器不可能總是恰好位于目標(biāo)星下點(diǎn)，也就不可能總是垂直射擊，否則就需要部署大量地基激光武器系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)上難以承受，因此先將地面激光以90o傳播到臨近空間反射鏡上，經(jīng)反射鏡反射后攻擊空間目標(biāo)，總透射率會(huì)更高一些，作戰(zhàn)半徑相應(yīng)增大。

圖3 地面與臨近空間激光在不同仰角下的透射率

二是作戰(zhàn)更靈活。激光直線傳播的特點(diǎn)使地基高能激光武器無法實(shí)現(xiàn)超視距作戰(zhàn)，尤其是攻擊低空目標(biāo)時(shí)的有效作戰(zhàn)半徑非常小，平流層激光中繼飛艇通過連續(xù)多次反射地基激光，激光束以折線方式在臨近空間接力傳播，直至最終擊中目標(biāo)為止（圖4為平流層激光中繼飛艇攔截彈道導(dǎo)彈彈頭示意圖）。這種作戰(zhàn)方式可增大地基高能激光武器的控制范圍，提高效費(fèi)比，能夠解決攻擊遠(yuǎn)洋區(qū)域上空天基平臺(tái)所需的基地問題以及艦載激光武器海面水汽強(qiáng)吸收問題。

激光在傳播過程中不斷擴(kuò)散，平流層激光中繼飛艇每次反射時(shí)都可以對(duì)接受到的激光重新聚集，從而使最終到達(dá)目標(biāo)表面的激光束具有足夠高的能量密度，當(dāng)然聚焦程度需要根據(jù)激光器和目標(biāo)的相對(duì)位置以及反射次數(shù)確定。同時(shí)，每次反射后的傳播距離不是太長(zhǎng)，一定程度上降低了對(duì)光束控制系統(tǒng)的要求?？梢钥吹?，與一次直接射擊的情況相比，平流層飛艇中繼反射激光具有明顯優(yōu)勢(shì)。

圖4 平流層激光中繼飛艇反彈道導(dǎo)彈示意圖

2 作戰(zhàn)效能分析

攔截彈道導(dǎo)彈有3個(gè)階段:地面段、助推段和被動(dòng)段（自由段、再入段）。本文討論自由段攔截，并且以艇載激光武器和最后一部中繼反射飛艇為研究對(duì)象，其中當(dāng)激光發(fā)射功率低于100kW時(shí)為艇載激光武器，高于100kW時(shí)為中繼反射飛艇。彈道導(dǎo)彈爬升到稠密大氣層以上后會(huì)拋掉整流罩，因此自由段彈道導(dǎo)彈的彈頭完全裸露于外。彈頭一般由防熱層、殼體、裝填物、保險(xiǎn)和解保裝置以及引爆系統(tǒng)等組成[9]。為了引爆彈頭，高能激光首先需要燒蝕掉外部防熱層和殼體，然后在裝藥上照射足夠時(shí)間以引爆目標(biāo)。

2.1 激光功率傳輸模型

激光照射到目標(biāo)上有兩個(gè)主要參數(shù):一個(gè)是功率密度q，一個(gè)是光斑直徑d。目標(biāo)材料不同，對(duì)激光功率的吸收效果不同，比如當(dāng)用CO2激光（波長(zhǎng)10.6μm）照射K9玻璃，其破壞閾值為2～3MW/m2，而用COIL激光照射，其破壞閾值則僅約為 0.1MW/m2。本文在計(jì)算中以激光傳輸?shù)墓β拭芏萹為分析對(duì)象，不考慮目標(biāo)對(duì)激光的吸收效果以及傳熱效應(yīng):

其中，q為目標(biāo)上的功率密度，λ=1.06μm為激光波長(zhǎng)，β=1.2為激光束衍射極限，D=1.5m為發(fā)射望遠(yuǎn)鏡主鏡直徑，R為到目標(biāo)的距離，P為輸出激光光束功率，τλ為大氣透射率[10]:

2.2 飛艇部署位置

當(dāng)使用平流層激光飛艇攔截彈道導(dǎo)彈時(shí)，為保證自身安全，飛艇必須距離攔截對(duì)象一定距離，但又不能太遠(yuǎn)，否則將導(dǎo)致激光傳輸功率太低而無法發(fā)揮作用，最好部署在彈道導(dǎo)彈星下點(diǎn)上以盡可能縮短傳輸距離。

圖5 160s發(fā)射時(shí)不同初始距離下激光傳輸?shù)哪芰棵芏?/p>

圖6 300s發(fā)射時(shí)不同初始距離下激光傳輸?shù)哪芰棵芏?/p>

彈道導(dǎo)彈助推段大約為 160～300s，攻擊自由段彈道導(dǎo)彈至少需要從160s以后開始計(jì)算。從160s和300s開始發(fā)射激光時(shí)，不同初始距離下激光傳輸?shù)臒崃棵芏热鐖D5和圖6所示（激光發(fā)射功率為50kW）。可以看到，160s開始發(fā)射時(shí)的最佳初始距離約為800km，300s開始發(fā)射時(shí)的最佳初始距離約為1000km，不過最高熱量密度已遠(yuǎn)低于導(dǎo)彈標(biāo)準(zhǔn)破壞閾值，需要提高激光發(fā)射功率。由此可以認(rèn)為，一般情況下，攔截自由段彈道導(dǎo)彈時(shí)，平流層飛艇高能激光武器距離導(dǎo)彈發(fā)射點(diǎn)的初始距離為800～1000km。

2.3 防熱層燒蝕

燒蝕式防熱技術(shù)是廣泛應(yīng)用于中遠(yuǎn)程彈頭防熱的有效方法。高馬赫數(shù)再入時(shí)，彈頭激波后的溫度迅速升高到 10000K以上，彈頭表面的熱流率為q = α（Te- Tw） ，其中 α≈2.1J/(m2·s·K)，當(dāng)彈頭表面溫度TW=4000K時(shí)，熱流率約為12.6kW/m2，根據(jù)彈道導(dǎo)彈再入時(shí)間（見表1）可以推測(cè)彈頭表面防熱層抵抗該熱流率的時(shí)間為14s左右。

表1 不同射程彈道導(dǎo)彈的再入速度和時(shí)間

圖7給出了初始距離分別為800km和1000km時(shí)，導(dǎo)彈不同飛行時(shí)刻激光武器傳輸?shù)墓β拭芏??？梢钥吹?，?dāng)初始距離為 1000km、發(fā)射功率為 50kW 時(shí)，160～180s之間的功率密度為64.9～65.5kW/m2，假設(shè)由于材料的吸收特性使得實(shí)際傳輸?shù)椒罒釋拥臒崃髅芏葍H為80%即51.9～52.4kW/m2，這已經(jīng)遠(yuǎn)大于導(dǎo)彈的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)發(fā)射功率進(jìn)一步提高、初始距離合理減小后，激光傳輸?shù)墓β拭芏葧?huì)更高，考慮到一般彈道導(dǎo)彈的再入時(shí)間僅為十多秒（見表1），因此有理由相信短時(shí)間內(nèi)激光完全可以將彈頭表面防熱層燒透，該時(shí)間與彈頭的具體構(gòu)造有關(guān)，當(dāng)表面防熱層受到損壞后彈頭再入時(shí)將會(huì)由于受到強(qiáng)烈氣動(dòng)加熱而被燒毀。

圖7 防熱層接受的激光功率密度

2.4 隔熱層和蒙皮燒蝕

僅燒毀彈頭表面防熱層，彈頭仍有可能在攻擊目標(biāo)點(diǎn)附近爆炸并造成傷害，因此有必要通過傳熱方式將自由段彈頭引爆。

彈頭密封艙內(nèi)壁通常分布有不同類型的隔熱層，聚氨酯泡沫是最常用的隔熱材料，噴涂厚度一般為30～50mm，這里選擇為50mm。殼體蒙皮通常為加厚鋁合金材料，也可以采用鈦合金或者玻璃鋼，這里選擇鋁合金，厚度設(shè)定為4.0mm。

如果激光傳輸?shù)臒崃績(jī)H能燒壞隔熱層而無法燒蝕掉蒙皮，則傳輸?shù)綇楊^裝藥的熱量有可能無法引爆彈頭，因此為了能夠?qū)⒆銐蛎芏鹊臒崃總鬏數(shù)綇楊^裝藥上，需要將隔熱層與蒙皮均燒毀。由于蒙皮必須保持一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，當(dāng)其溫度升高到一定程度而軟化后，就會(huì)由于彈頭的高速運(yùn)動(dòng)以及加速度作用而遭到破壞。為研究方便，這里假設(shè)溫度升高到 315℃即可，同時(shí)假設(shè)160～180s之間激光用于燒蝕防熱層。

圖8 彈道導(dǎo)彈蒙皮燒蝕過程

圖9 隔熱層燒蝕過程

當(dāng)初始距離為1000km時(shí)（射擊距離為647km），不同激光器發(fā)射功率下鋁合金蒙皮和隔熱層的燒蝕過程如圖8和圖9所示，燒穿鋁合金蒙皮需要大約6.4～68s，燒蝕隔熱層需要大約10.5～211.1s，在上述作戰(zhàn)條件下共需要大約16.9～279.1s的時(shí)間才能將彈頭外的防護(hù)結(jié)構(gòu)燒蝕掉?？梢钥吹剑す獍l(fā)射功率對(duì)作戰(zhàn)效果產(chǎn)生了明顯影響，對(duì)于艇載激光武器來說，其發(fā)射功率較小（可能低于100kW），引爆自由段彈道導(dǎo)彈彈頭需要約200s，期間激光武器強(qiáng)烈的散熱（發(fā)射功率的4倍，約400kW）輻射出大量紅外信號(hào)，可導(dǎo)致飛艇暴露從而遭到攻擊，生存能力降低，考慮到其燒蝕彈道導(dǎo)彈彈頭防熱層所需時(shí)間約10s量級(jí)，因此艇載激光武器可通過燒蝕彈道導(dǎo)彈彈頭防熱層，使其在再入段氣動(dòng)熱作用下自行燒毀，這樣的話其部署位置就不限于發(fā)射點(diǎn)附近，目標(biāo)保護(hù)區(qū)域附近也可部署，從而還具有防空能力；對(duì)于平流層中繼激光飛艇來說，它可以利用大功率地基激光武器，即使多次反射以及在臨近空間的長(zhǎng)距離傳播會(huì)造成一定影響，但是其最后一次反射時(shí)的功率完全可以達(dá)到兆瓦以上，能夠在短時(shí)間內(nèi)（500kW時(shí)為10s量級(jí)）摧毀目標(biāo)，有可能成為平流層飛艇激光武器的發(fā)展方向。2008年美國(guó)空軍科學(xué)技術(shù)顧問委員會(huì)同意繼續(xù)進(jìn)行“空中激光炮艇”研究計(jì)劃，“空中中繼激光反射鏡系統(tǒng)”（ABMS）已完成空中懸停實(shí)驗(yàn)[10]。

3 結(jié)論

高能激光武器有兩種可能的方法應(yīng)用于平流層飛艇防御彈道導(dǎo)彈，其中艇載激光武器發(fā)射功率相對(duì)較小，以燒蝕彈頭防熱層使其在再入段氣動(dòng)熱作用下自行燒毀為潛在應(yīng)用模式，其優(yōu)勢(shì)在于機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，能夠在遠(yuǎn)洋地區(qū)跟隨海軍艦隊(duì)，為其提供防空效果；中繼反射激光方式需要配合地基高能激光武器使用，發(fā)射功率高，可有效殺傷自由段彈道導(dǎo)彈，擴(kuò)大彈道導(dǎo)彈攔截窗口，其缺點(diǎn)在于需要較多數(shù)量的平流層飛艇，作戰(zhàn)過程復(fù)雜，中間環(huán)節(jié)飛艇受損后可導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)作戰(zhàn)能力迅速下降，此時(shí)就需要艇載激光武器為其提供防空能力。

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