李 博，陳 健，2* ，王偉國，劉廷霞，姜潤強，王紅萱，崔 爽，2

(1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春130033;2.中國科學院 研究生院，北京100039)

1 引 言

按照美國國防部的定義，平均輸出功率≥20 kW或每個脈沖的能量≥30 kJ 的激光武器稱為高能激光武器。高能激光武器要比低能激光武器復雜得多。它需要有一個高平均輸出功率的激光器，并要求其激光束在大氣中遠距離傳輸時有好的目標指向性; 高能激光束應能持續(xù)地聚焦到很小的目標上，實施精確打擊;由于其攻擊目標多在高速運動，它必須有自動識別和跟蹤能力。另外，作為導彈防御體系，它還需要有遠距離激光毀傷效果評估機制。總之，高能激光武器系統(tǒng)的使命可概括為以下幾方面:

(1) 識別目標，選擇適當?shù)墓酎c，對目標進行跟蹤;

(2) 將光束對準目標上的選定點，并使光斑聚焦到盡可能小;

(3) 補償大氣影響，盡量減小光斑抖動和能量彌散;

(4) 評估毀傷效果。

在技術上，實現(xiàn)其中任何一項都有很大的難度。為了實現(xiàn)相關目標，目前主要開展了兩方面的工作:光束控制和火控研究。光束控制任務包括引導光束并將其聚焦在目標上，通常還需要對大氣引起的光束畸變進行矯正; 火控決定武器系統(tǒng)的指向并控制發(fā)射，任務包括對目標的識別和跟蹤，觸發(fā)發(fā)射機制，并對毀傷效果進行評估［1-5］。

本文重點介紹了目前常用防空反導激光武器的組成，關鍵技術及發(fā)展趨勢。

2 防空反導激光武器系統(tǒng)

2.1 地基防空反導激光武器系統(tǒng)

高能激光武器主要應用于防空反導體系。長期以來，全球防務部門的軍事計劃人員、科學家，以及工業(yè)研究所的工程師們都在致力于設計高性能的激光武器，以對付先進戰(zhàn)斗機、武裝直升機、巡航導彈及海面滑行艇等的威脅。

理論上講，要求高能激光武器必須能在敵方飛行器向我方目標發(fā)起攻擊之前就將其摧毀。尤其是現(xiàn)代技術飛機可以掠地飛向目標區(qū)并低空投彈，有時還會使用防區(qū)外武器，如導彈可以從遠在激光武器防御范圍之外的飛機上發(fā)射，這些情況都要求在彈藥執(zhí)行任務之前將其摧毀［6-9］。

實際上，這并非是一件容易的事情。由于大氣污染及惡劣的氣候會對激光在大氣中的傳輸帶來極大的影響，因而要求激光武器具有很好的性能?，F(xiàn)代敵方戰(zhàn)斗機、直升機裝備告警系統(tǒng)，導彈的飛行速度越來越快，智能化程度越來越高，適應能力越來越強，因此，目標探測難度已越來越大，要在這些飛行器的武器系統(tǒng)發(fā)揮作用之前將其全部擊摧毀是非常困難的。

盡管當今的防空體系已經是一個綜合的智能化系統(tǒng)，執(zhí)行攔截、戰(zhàn)斗任務的飛機、高射機槍及導彈等都由訓練有素的指揮部控制，但所有防空設備的綜合效果在多數(shù)情況下只能對付目前的威脅，不能對付未來的威脅。一些軍事參謀人員和科學家認為，高能激光武器是解決上述問題的唯一有效方法。據(jù)分析，用于防空的未來高能激光武器必須滿足以下基本要求:

(1) 具有對目標快速探測和跟蹤的能力。探測一個目標的時間＜1.5 s，瞄準一組目標中的第一個目標所需的時間＜0.5 s，以后每瞄準同組內另一個目標的附加時間＜0.1 s。

(2) 在非常短的時間內可發(fā)射10 次或更多次激光脈沖。

(3) 跟蹤和火控系統(tǒng)必須有非常高的成功概率。

至于導彈，由于體積小，速度快，而且數(shù)量往往也更多，因而比飛機或直升機更難對付。只有當導彈上裝有對激光敏感的傳感器時，才可能在它到達目標之前將其摧毀［7-11］。

2.2 機載激光制導防空反導激光武器系統(tǒng)

像其他武器一樣，機載制導武器的發(fā)展趨勢取決于當前與未來戰(zhàn)爭中的作戰(zhàn)任務需求，作戰(zhàn)環(huán)境變化，以及科學技術的進步程度。海灣戰(zhàn)爭之后的戰(zhàn)爭，都是以現(xiàn)代戰(zhàn)爭管理系統(tǒng)“C3I”( 指揮自動化技術系統(tǒng)) 或“C4IRS”( 電子監(jiān)聽和電子偵察系統(tǒng)) 為核心，主要應用精確制導武器進行的“陸?？仗祀姟蔽寰S一體的常規(guī)戰(zhàn)爭。進攻方盡可能通過非接觸方式，在各軍用衛(wèi)星保障下，發(fā)動陸、海、空、天、電多軍種，采用戰(zhàn)略空隙和奪取制空權相結合、作戰(zhàn)飛機與巡航導彈進攻相結合等作戰(zhàn)形式，使用多種精確制導武器系統(tǒng)，首先展開全方位、全高度、全時域、高強度的聯(lián)合大空襲，奪取并保持信息制空權，為戰(zhàn)斗機進入戰(zhàn)區(qū)執(zhí)行任務掃除威脅，進而全面摧毀敵方的政治、經濟、軍事等目標，打擊敵方的防御反擊力量和經濟潛力。防守方為避免喪失信息制空權，必然進行防守反攻，用一切可以使用的手段攻擊對方設立在陸?？仗斓睦走_通信系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)、軍用飛機起降平臺和導彈發(fā)射平臺。無論是進攻方還是防守方，在執(zhí)行上述任務時，空軍首當其沖，常常擔負著從空中打擊敵軍的雷達站、指揮中心、通信中心和空中電子戰(zhàn)飛機、預警指揮飛機甚至低軌衛(wèi)星等“C4IRS”關節(jié)點，奪取并保持制信息權和制空權。一旦奪取了制空權，就可以集中精力用空地制導武器摧毀敵方的各種地面和海上目標，取得戰(zhàn)爭主動權。因此，現(xiàn)代戰(zhàn)爭要求機載武器和載機必須向數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化方向協(xié)調發(fā)展，以確保己方空軍的現(xiàn)代化戰(zhàn)爭應對能力，既能和己方“C4IRS”聯(lián)網(wǎng)，且有效保護己方“C4IRS”免于癱瘓，又可攻擊敵方“C4IRS”，進而徹底打垮敵人。為完成這些作戰(zhàn)任務，就必須裝備功能更多、性能更好的機載制導武器。

隨著機載制導武器攻擊目標種類的增多和難度的增大，對引戰(zhàn)系統(tǒng)提出了越來越高的要求。為提高單發(fā)殺傷概率，除提高引爆戰(zhàn)斗部的精確性外，還要提高戰(zhàn)斗部的威力。采用定向戰(zhàn)斗部、聚能戰(zhàn)斗部、侵徹戰(zhàn)斗部和非傳統(tǒng)的次聲戰(zhàn)斗部、微波戰(zhàn)斗部、電磁脈沖戰(zhàn)斗部、空爆戰(zhàn)斗部和智能戰(zhàn)斗部等進行硬殺傷或軟殺傷，從而極大地提高殺傷威力。

3 天基激光反導武器系統(tǒng)

早在20 世紀70 年代中期，將高能激光束用于反彈道導彈的思想就已強烈地沖擊著美國軍界。該計劃最初起源于一個來自幾家航空與航天公司的工程師組成的4 人研究小組，計劃的目的是用功率為5 mW 的激光器和直徑為4 m 的光學反射鏡，防御前蘇聯(lián)的所有重型導彈，大約300 枚洲際彈道導彈，幾乎包括全部潛艇發(fā)射彈道導彈、遠程炸彈及巡航導彈運載系統(tǒng)。條件是前蘇聯(lián)在15 min之內從世界上任何敵方發(fā)射所有這些戰(zhàn)略系統(tǒng)。如果他們發(fā)射所花費的時間更長，則防御體系的效果會更好。相反，如果對方能在更短的時間內完成發(fā)射，則防御體系的效果會有某種程度下降。如果能建造更大功率的激光器和直徑更大的反射鏡，防御效果也會更好［12-15］。

天基激光反導武器系統(tǒng)由18 個戰(zhàn)斗站組成，彼此相距近5 000 km，可覆蓋整個地球。每個戰(zhàn)斗站包括目標探測系統(tǒng)、大型激光器、大型光學反射鏡、指示-跟蹤裝置及指令和控制設備。這些戰(zhàn)斗站堅固得足以經受附近的核爆炸，只有功率更大的激光器從更遠的距離發(fā)射才有可能對它們造成破壞。

最初計劃的戰(zhàn)斗站軌道高度為1 300 km。據(jù)估算，如果軌道上升到5 000 km，則每個戰(zhàn)斗站可以覆蓋地球表面的10% 左右，面積約為5 ×107km2。所用的氟化氫高功率激光器長6 ～8 m，重約17 000 kg，攜帶的燃料足夠完成1 000次發(fā)射。

美國國防部分析家們所得到的結論與此相差甚微，例如，他們假定摧毀一個助推器需要花10 ～20 s，那么要攔截1 000 枚蘇聯(lián)導彈，大約需要25 個戰(zhàn)斗站。據(jù)估計，當時的蘇聯(lián)擁有1 400個地基洲際導彈發(fā)射架、950 個裝在潛艇上的發(fā)射架及156 架遠程轟炸機。

激光武器防御彈道導彈的計劃也招致軍事分析家們的尖銳批評，原因是:

(1) 天基激光武器要求激光束的亮度比地基激光系統(tǒng)的高100 萬倍，能否達到值得懷疑;

(2) 將大型激光戰(zhàn)斗站及所需要的大量燃料送上數(shù)千km 高的軌道十分困難;

(3) 激光武器攻擊的對象可能附有小衛(wèi)星，接近軌道站時，小衛(wèi)星所帶的炸彈發(fā)生爆炸，有可能損壞激光器;

(4) 將激光束聚焦到數(shù)千米遠的小目標點上也很困難，對波長較長的化學激光器尤為如此，還需要龐大而復雜的光學系統(tǒng)。

激光武器三組件的第三部分是大型光學試驗系統(tǒng)，主要用于檢驗制導大口徑反射鏡的能力，包括復雜的相互作用控制系統(tǒng)和為獲得高質量光束的束能控制系統(tǒng)，并要求能在模擬工作環(huán)境下達到理想的精度。值得指出的是，系統(tǒng)采用了自適應光學技術控制輸出激光束的特性。

4 空基激光反導武器系統(tǒng)

機載激光武器是美國空軍支持的目前美國最主要的一項硬殺傷激光武器研制計劃，目標是研制安裝在大型寬體波音747-400F 飛機上的高能化學氧碘激光武器( 如圖1 所示) 。

圖1 機載激光武器攔截彈道導彈示意圖Fig.1 Sketch map of laser weapons carried by planes to head off the missile

此外，機載激光武器還可用于防御低空飛行的巡航導彈，壓制敵方防空火力;擊毀敵方從空中或地面發(fā)射的各種導彈，以保護己方空中預警機和進行自衛(wèi); 實施成像偵察，進行戰(zhàn)斗毀傷評估;為其他武器系統(tǒng)指示目標并進行指揮與控制。

將激光器安裝在飛機上可以避開地基激光武器系統(tǒng)存在的受惡劣氣候影響的問題。通常地球表面大氣的密度隨著高度的增加而減小，大氣總量的3/4 處于地面到10 km 高的范圍內，而從15 km以上直到太空，只有相當于總量1/8 的大氣。因此，如果運載激光系統(tǒng)的飛機在這一高度以上飛行，則基本上可以避免因惡劣氣候所引起的光束傳播問題。

與安裝在山頂?shù)募す馄飨啾?，機載激光系統(tǒng)具有很好的機動性。由于衛(wèi)星的軌道通常是已知的，攜載激光武器的飛機可以在衛(wèi)星到達某一區(qū)域之前先飛抵適當位置，等衛(wèi)星來到時對其加以攻擊。若飛機沿著衛(wèi)星軌道飛行，還可延長激光照射衛(wèi)星的時間。

將大型激光系統(tǒng)安裝在飛機上并非易事，但要比送入太空軌道容易得多。事實上，1981 年，美國空軍就已成功地將一臺功率為40 kW 的氣動二氧化碳激光器裝在波音NC-135 上飛上天空，被稱為機載激光實驗室系統(tǒng)( 如圖2 所示) ，用于檢測空軍激光器的性能。

圖2 機載激光系統(tǒng)結構圖Fig.2 Structure map of laser system carried by the plane

機載激光系統(tǒng)由以下幾部分構成:

(1) 高能氧碘化學激光器

由美國TRW 公司負責研制，采用組件式結構，由 14 個激光組件組成，發(fā)射波長為1.315 μm，功率為2 ～3 mW 的高能激光束。每個組件的質量為1 360 kg，輸出功率為100 kW 級。

(2) 紅外搜索/跟蹤系統(tǒng)

由洛馬公司負責研制，采用9 個紅外焦平面陣列搜索/跟蹤傳感器，探測360°視場內導彈羽煙的紅外輻射，利用一部電子轟擊式CCD 攝像系統(tǒng)跟蹤目標，可在微光條件下以20 kHz 的幀頻工作。

(3) 光束發(fā)射/控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)確保將高能激光束精確射向導彈并停留一定時間。它包括跟蹤/照射激光器，可變形反射鏡，大帶寬控制回路，主動測距系統(tǒng)和戰(zhàn)斗管理、指控、通信、計算與情報系統(tǒng)等。

(4) 激光發(fā)射轉塔

激光發(fā)射轉塔( 如圖3、圖4 所示) 安裝在機頭部位，重6 350 kg，內裝直徑1.5 m 可控望遠鏡等元件，是高能激光的發(fā)射窗口。

圖3 激光發(fā)射轉塔的孔徑Fig.3 Aperture of laser beam tower

5 結束語

高能激光武器利用高能激光束對目標進行毀傷。由于它具有能量集中、傳輸距離遠、打擊精度高、效費比高等優(yōu)點，其作戰(zhàn)方式也被稱為“發(fā)現(xiàn)即殺傷”。高能激光武器不但可以防御火箭炮、巡航導彈和直升機/無人機，還可防御反艦導彈、彈道導彈，甚至摧毀各種軍用衛(wèi)星。根據(jù)所載平臺，可分為地基、車載、艦載、機載以及天基高能激光武器。隨著高能激光武器向緊湊化、模塊化和普及化方向發(fā)展，未來戰(zhàn)爭的軍事思維和作戰(zhàn)模式將發(fā)生深刻變革。

圖4 激光發(fā)射轉塔近視圖Fig.4 Close sight of laser beam tower

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