趙建川，郭汝海，孫 濤

(1.海軍駐長春地區(qū)航空軍事代表室，吉林長春130033;2.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室，吉林長春130033)

1 引言

隨著全球化進程的日益加劇，海上領(lǐng)土和主權(quán)引起的各種爭端愈演愈烈，其核心就是爭奪豐富的海上資源，而海上作戰(zhàn)艦船就是維護領(lǐng)海主權(quán)的有利作戰(zhàn)平臺，特別是近期中日之間的“釣魚島”問題，更說明了海上作戰(zhàn)時艦船是一個國家綜合國力的體現(xiàn)。

在現(xiàn)代武器快速發(fā)展的今天，海上艦船會受到各種武器的打擊，特別是反艦艇導彈的襲擊。為了保障艦船自身的安全，軍用艦船都配備了安全警戒系統(tǒng)，其中美國領(lǐng)先發(fā)展的艦載激光武器以其獨特的優(yōu)勢，成為了護衛(wèi)艦艇安全的首選武器［1-3］。

艦載激光武器可以攻擊近程低空飛行的導彈，也可以干擾、甚至毀傷導彈、無人機等的激光制導傳感器和電視傳感器。最近，美國海軍的艦載激光武器已經(jīng)可以擊毀3 n mile以外的無人機，他們已和波音公司簽訂并完成了100 kW“自由電子激光武器系統(tǒng)”試驗型號的研制任務(wù)，預計在2020年前后可以裝備到軍艦上［4-5］。由于近年來海上爭端的不斷升級，對這種艦載的防御性武器－激光武器的研究正在成為各國軍備的研究重點［6］。

本文簡要介紹艦載激光武器的發(fā)展歷程，并對未來的發(fā)展動向進行分析。

2 艦載激光武器

2.1 艦載激光武器的發(fā)展歷程

艦載激光武器的歷史幾乎和發(fā)明激光器一樣久遠，20世紀70年代初，美國海軍就開始著手研制中波紅外高級化學激光武器(MIRACL)，在80年代進行了一系列的打靶試驗，證明了這種武器系統(tǒng)摧毀快速飛行導彈的可行性。在嘗試應用這種激光器進行海上作戰(zhàn)時發(fā)現(xiàn)，在海上環(huán)境下此激光器在3.8 μm波長會產(chǎn)生嚴重的熱暈效應，而熱暈效應與風速有關(guān)，在激光能量達到一定閾值時，即使激光能量不斷提高，熱暈效應也會導致打擊目標的激光能量反而降低，如圖1所示。

圖1 熱暈及風速對到靶激光能量的影響Fig.1 Influence of thermal blooming and wind velocity on the laser energy arriving at target

可見找到一種熱暈效應較小的激光波長很有必要。已有很多實驗表明，在1～13 μm，只有1～2.5 μm波長的激光器優(yōu)于3.8 μm的化學激光器。由此，美國海軍在90年代中期宣布放棄進一步執(zhí)行MIRACL計劃，啟動了一項高能自由電子激光武器(FEL)計劃。自由電子激光器發(fā)出1.6 μm波長的激光，處于人眼安全波長范圍內(nèi)，并且具有在不同大氣條件下性能穩(wěn)定等特點，被認為是最適合作為海上作戰(zhàn)激光武器光源的首選［7-10］。

FEL通常由高能電子加速器、擺動器和諧振腔組成。高能電子加速器可以把電子槍中的電子加速到接近光速，使電子能量達到80 MeV以上。然后電子進入擺動器，擺動器由一排極性交替變化的永磁體或電磁體組成，主要作用是使高能電子束在垂直方向上做周期性擺動。擺動的電子束會產(chǎn)生激光輻射，并在諧振腔中形成正反饋，從而產(chǎn)生指定波長的激光。圖2給出了美國研制的高功率FEL。

圖2 高功率自由電子激光器Fig.2 High power free electron laser

FEL的主要特點是海上大氣傳輸特性好、波長可調(diào)以及輸出功率高，已經(jīng)成為艦載激光武器的主要發(fā)展方向，但其發(fā)展仍受到許多高難度的物理、工程及系統(tǒng)問題的限制。與此同時，另一種基于固體激光器的高光束質(zhì)量和高效率艦載激光武器也引起人們的關(guān)注，即在多種固體激光器中最接近達到實用階段的是光纖激光器。

2009年6 月，在美國海軍水面作戰(zhàn)中心(NSWC)達爾格倫實驗室的支持下，美國海軍首次利用IPG公司的商用相干合束光纖激光器成功地追蹤、打擊并擊毀了一架無人機。據(jù)報道，美國海軍“宙斯盾”導彈驅(qū)逐艦就采用了“百人長”激光防御系統(tǒng)，其核心是固體激光器。

2.2 艦載激光武器的組成及特點

艦載激光武器主要由高能激光器及光束定向器兩大部分組成，圖3給出了基于固體激光器的艦載激光武器的組成示意圖。

圖3 基于固體激光器的艦載激光武器Fig.3 Ship borne laser weapon based on solid-state laser

整個艦載激光武器的作戰(zhàn)流程如圖4所示。首先，遠程掠海反艦導彈進入艦船預警雷達范圍，預警雷達對導彈進行捕獲和跟蹤，將方位及速度信息傳給指控系統(tǒng)，指控系統(tǒng)將目標信息處理后引導高精度跟瞄系統(tǒng)捕獲、鎖定、跟蹤目標，然后引導光束定向器準確對準目標。當導彈飛到適當距離進行激光發(fā)射，發(fā)射的高能激光在導彈易損部分停留幾秒后，摧毀導彈，并通過傳感器判斷毀傷效果，然后定位打擊下一個目標［11-13］。

圖4 艦載激光武器的作戰(zhàn)流程Fig.4 Campaign flow of ship-borne laser weapon

與其他類型的激光武器相比，艦載激光武器有其自身的優(yōu)缺點。除了一般激光武器具有的反應時間快、可連續(xù)多次發(fā)射及效費比高等特點外，相比于機載和車載激光武器，艦載激光器由于可以采用核動力及承載噸位，所以可負擔體積超大、超重和消耗電能較大的激光武器。另外，相比陸基激光武器，艦載激光武器在達到同樣的激光高能量的情況下具有機動性強的優(yōu)點。它的主要缺點是:對毀傷型應用，艦載激光武器的作用距離有限(3～5 km);易受天氣條件影響，特別是海上作戰(zhàn)，大風、大霧、大雨等極端天氣條件經(jīng)常出現(xiàn)，都會極大地限制艦載激光武器的效能。

總體來說，在現(xiàn)代高科技海戰(zhàn)中，艦載激光武器仍然是最具發(fā)展前景的武器裝備，它可以利用高能激光束攔截并摧毀大量的低空飛機、戰(zhàn)術(shù)導彈及超低空飛行的反艦巡航導彈，致眩敵方偵查傳感器等。因此，目前西方發(fā)達國家競相研制，已開展了大量的海上發(fā)射試驗。

3 發(fā)展動向分析

美國海軍研究局的發(fā)展規(guī)劃顯示，自由電子激光器和光纖激光器是未來艦載激光武器的發(fā)展重點。他們計劃在2015年具有100 kW級自由電子激光器的研制和演示能力，到2025年可以完成MW級的工程樣機;另外光纖激光器已經(jīng)可以作為短期應用裝備在艦船上，在2010年美國雷神公司已經(jīng)演示過這樣的武器系統(tǒng)。試驗中，艦載激光武器為6套商用光纖激光器，組束后(32 kW)向3.2 km外，以時速480 km/h飛行的無人機發(fā)射，結(jié)果成功地將無人機燒毀。預計到2025年可以實現(xiàn)基于100 kW以上光纖激光器的武器裝備。

除上述高能激光器的應用外，艦載激光武器也可以由低能、小體積重量的激光器組成，這是目前能夠最先裝備的武器類型。這種小型、實用、自動化、智能化高的激光器可以廣泛地裝備到各種類型的艦船上，用于干擾、致盲敵方部隊人員、偵查設(shè)備及末段制導設(shè)備內(nèi)部的光電傳感器。

世界上第一個艦載低能激光武器是英國研制的艦載激光眩目器。在1982年的英阿海戰(zhàn)中，英國就曾成功使用此種武器使阿軍飛行員被照射后放棄了攻擊計劃。英國海軍已經(jīng)生產(chǎn)了200余套該武器，已經(jīng)裝備到多艘英國海軍大中型艦艇上。

由于激光武器本身的局限性，未來發(fā)展的艦載激光武器還需要和現(xiàn)有的常規(guī)武器系統(tǒng)配合使用，組成綜合的攻擊防御系統(tǒng)，充分發(fā)揮綜合效能。

艦載激光武器的出現(xiàn)，并不能完全取代傳統(tǒng)武器，但其特別適于對低空飛行的目標進行打擊，這樣就可以和傳統(tǒng)的艦載火炮系統(tǒng)組成一個交叉的火力網(wǎng)。據(jù)理論推算，這可使防空、反導總的攔截率達到99%。

未來艦載激光武器還需向小型化、高效率方向發(fā)展，一個可行的方案就是利用高效率的固體激光器，采用自適應光學的方式來補償海上大氣對激光傳輸?shù)挠绊?，使達到目標處的光斑更小，能量集中度更高，這樣達到同樣作戰(zhàn)效果的激光器可以在體積、重量、輸出功率上都有所降低，進一步提升艦載激光武器的適用性。

發(fā)展艦載激光武器的同時，也要考慮反激光武器設(shè)備的研制，這樣“矛與盾”的結(jié)合研究，才能最終達到最大限度發(fā)揮艦載激光武器效能的目的。如當我方裝備被敵方激光擊中后，可以利用后向反射法把激光能量反射回去，或者裝備本身可以旋轉(zhuǎn)運動，以降低激光束在一點的駐留時間，或者采用發(fā)射煙霧彈來衰減激光能量?？紤]人員安全可以采取佩戴激光護目鏡等措施。針對對方的防護措施，我方激光可采用加大激光能量，多束激光不同角度發(fā)射，采用超快脈沖激光等技術(shù)來削弱這些防護措施。

4 結(jié)束語

艦載激光武器作為常規(guī)艦載武器的有益補充，已經(jīng)為各國軍方所重視。目前，最有前景的艦載激光武器多基于自由電子激光器和固體激光器。除激光器本身以外，還必須發(fā)展精密的激光光束控制技術(shù)，除改進現(xiàn)有的空對空的跟蹤算法以外，美國還在實施同軸和離軸兩種光學定向器技術(shù)方案的比較，離軸光學系統(tǒng)可以解決中心遮攔問題，使中心光強較強的高斯光束得以全部傳輸。目前，國內(nèi)中科院長春光機所已經(jīng)掌握離軸光學系統(tǒng)的整體技術(shù)，但離軸光學系統(tǒng)由于不對稱會引入光軸自動對準、其機械結(jié)構(gòu)不平衡的問題，這些關(guān)鍵問題仍在進一步探討中。與此同時，隨著多種激光器的迅速發(fā)展，適用于防空反導、保護水面艦艇安全的激光武器將會大量涌現(xiàn)，這些激光武器的研制甚至可以向小型運輸機、戰(zhàn)斗機以及地面裝甲車等機動平臺上推廣，成為一種普遍應用的軍事裝備?？梢灶A見，在未來的海上作戰(zhàn)中，高、低能艦載激光武器將承擔越來越重要的作用。

［1］ 王學軍.美國海軍艦載激光武器研發(fā)進展與趨勢［J］.激光與光電子學進展，2009，46(12):27-37.WANG X J.Developments and trends of US naval shipborne laser weapons［J］.Laser＆ Optoelectronics Progress，2009，46(12):27-37.(in Chinese)

［2］ ERTON D H.A review of the development of optical countermeasures［J］.SPIE，2004，5615:1-15.

［3］ 李焱，曹立華，王弟男.慣導平臺下艦載光電搜索跟蹤系統(tǒng)的控制［J］.光學 精密工程，2011，19(5):1126-1133.LI Y，CAO L H，WANG D N.Controlling of shipborne optoelectronic searching and tracking system based on inertial navigation platform［J］.Opt.Precision Eng.，2011，19(5):1126-1133.(in Chinese)

［4］ 任國光.高能激光武器的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.激光與光電子學進展，2008，45(9):62-69.REN G G.Current situation and development trend of high energy laser weapon［J］.Laser＆ Optoelectronics Progress，2008，45(9):62-69.(in Chinese)

［5］ 徐大偉.國外艦載激光武器的發(fā)展動向與分析［J］.艦船電子工程，2012，32(1):7-9.XU D W.Development tread and analysis of the shipborne laser weapon abroad［J］.Ship Electronic Eng.，2012，32(1):7-9.(in Chinese)

［6］ 趙彥森，李強，周淳.艦載激光武器及其發(fā)展趨勢分析［J］.艦船電子工程，2010，30(7):1-3.ZHAO Y S，LI Q，ZHOU CH.Analysis of ship borne laser weapon and its development trend［J］.Ship Electronic Eng.，2010，30(7):1-3.(in Chinese)

［7］ 汪光華.艦載高能自由電子激光武器［J］.現(xiàn)代軍事，1999(2):42-43.WANG G H.The shipborne energetic free electron laser weapon［J］.Modern Military，1999(2):42-43.(in Chinese)

［8］ 杜若，朱愛平.美國海軍發(fā)展艦載自由電子激光武器［J］.飛航導彈，2009(12):20-22.DU R，ZHU A P.U.S.Navy development of carrier-based free electron laser weapon［J］.Cruise Missile，2009(12):20-22.(in Chinese)

［9］ 周偉.美國海軍激光武器技術(shù)的研究進展［J］.激光與紅外，2009，39(5):461-463.ZHOU W.Research progress on the laser weapon technologies by U.S.Navy［J］.Laser ＆ Infrared，2009，39(5):461-463.(in Chinese)

［10］ COOK J R，ALBERTINE J R.The navy's high energy laser weapon system［J］.SPIE，1997，2988:264-271.

［11］ 李焱，陳濤，曹立華，等.艦載光電設(shè)備跟蹤掠海目標的控制［J］.光學 精密工程，2010，18(4):935-942.LI Y，CHEN T，CAO L H，et al..Control of ship-based optoelectronic equipment for tracking near-sea targets［J］.Opt.Precision Eng.，2010，18(4):935-942.(in Chinese)

［12］ 李焱，曹立華，王弟男.慣導平臺下艦載光電搜索跟蹤系統(tǒng)的控制［J］.光學 精密工程，2011，19(5):1126-1133.LI Y，CAO L H，WANG D N.Controlling of shipborne optoelectronic searcheing and tracking system based on inertial navigation platform［J］.Opt.Precision Eng.，2011，19(5):1126-1133.(in Chinese)

［13］ 李博，陳健，王偉國，等.防空反導高能激光武器［J］.中國光學，2012，5(4):352-357.LI B，CHEN J，WANG W G，et al..High power anti-missile laser weapons for aerial defence［J］.Chinese Optics，2012，5(4):352-357.(in Chinese)