張文韜/編譯

激光武器或?qū)⒆兂涩F(xiàn)實

張文韜/編譯

在未來戰(zhàn)爭中，激光武器可在防御領(lǐng)域中占據(jù)一席之地

●由于光學(xué)纖維應(yīng)用于激光器的開發(fā)，激光武器正在從科幻構(gòu)想變成戰(zhàn)場上的現(xiàn)實裝備。

一架無人機從新墨西哥州的不毛之地上空悄然掠過，瞬間突然失去了控制，一頭栽向地面……向無人機發(fā)起攻擊的是停放在沙漠中的一輛沙粒色大卡車，其車頂上的立方體機器在不停地轉(zhuǎn)動，發(fā)射著肉眼看不見的紅外線以摧毀目標——這是航空巨頭波音公司為美國軍隊開發(fā)的高能激光移動演示器（HEL MD）。

卡車內(nèi)部，波音公司電子物理學(xué)工程師斯蒂法妮·布朗特（Stephanie Blount）正盯著電腦屏幕上的目標，用手持游戲控制器指揮激光發(fā)射。她說：“這真像似在玩電子游戲。”

事實上，第一臺真正的激光器發(fā)明于1960年。在此之前，科幻作品里就出現(xiàn)了各式各樣的射線槍，包括電子游戲中的“激光槍”，只是今后它們再也不是幻想了。而波音公司研發(fā)的HEL MD只不過是近年來美歐研制的諸多激光武器中的一種，其廉價、便攜和高功率要歸功于光學(xué)纖維的應(yīng)用。

這款融入光學(xué)纖維的HEL MD其輸出功率是千瓦級，遠低于美國戰(zhàn)略防御計劃設(shè)想中的兆瓦級，這一冷戰(zhàn)時期提出的計劃設(shè)想用激光來摧毀攜帶核彈頭的彈道導(dǎo)彈，最終沒獲成功。

如果不抱那么高期望的話，現(xiàn)代激光武器將很快投入使用。諸如HEL MD之類的測試表明，其用來應(yīng)對恐怖襲擊綽綽有余，且花費僅是常規(guī)防衛(wèi)開銷的一小部分。布朗特認為：“這類武器非常適合抗衡恐怖分子發(fā)射的小型迫擊炮或者火箭彈?！?/p>

當(dāng)然，要提高激光功率、克服在霧天和災(zāi)害天氣里使用激光武器等障礙，研發(fā)人員還要面對很多挑戰(zhàn)。不過，國防和安全專家越來越重視激光武器的應(yīng)用?！拔覀円呀?jīng)探索了近半個世紀，美國軍隊目前正處在部署定向能武器（束能武器）的關(guān)鍵時刻。”設(shè)在華盛頓的新美國安全中心（CNAS）高級技術(shù)專家保羅·沙爾（Paul Scharre）在今年4月發(fā)布的一份激光武器報告中寫道。

功率的困境

一直以來激光武器讓研發(fā)人員們著迷，尤其在上世紀80～90年代美國戰(zhàn)略防御計劃（星球大戰(zhàn)）的全盛時期。根據(jù)CNAS的報告，1989年美國在激光武器研究上投入的經(jīng)費大約相當(dāng)于2014年的24億美元，達到了頂峰。從那以后，經(jīng)費一直維持在較低水平。然而，當(dāng)時設(shè)定的目標——擊落來犯的彈道導(dǎo)彈——看來是難以企及了。

激光武器的關(guān)鍵是將能量集中到一個足夠小的點上，加熱后發(fā)射直至破壞目標。1996年，作為彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的一部分，美國空軍啟動了一項機載激光計劃，由于輸出功率達不到兆瓦級，研發(fā)人員選擇了化學(xué)氧碘激光器（COIL）進行化學(xué)反應(yīng)激發(fā)。但COIL非常龐大，需要用波音-747運載，留給激光燃料的空間也就很小了。“除了混合裝置外，當(dāng)時還需要數(shù)萬磅化學(xué)物質(zhì)。”洛克希德·馬丁公司定向能系統(tǒng)主管保羅·沙特克（Paul Shattuck）說。該公司為上述項目提供光束控制技術(shù)。

美國海軍研究實驗室定向能物理學(xué)家菲利普·斯普蘭格爾（Phillip Sprangle）認為，另一個主要問題是空氣。激光不僅會被灰塵和空氣湍流散射，還會經(jīng)歷熱暈效應(yīng)。他解釋說，當(dāng)高能光束傳播時，周圍空氣會吸收激光并導(dǎo)致其擴散，而擴散則減弱了激光的能量。

不過對于機載激光計劃來說，采用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)可以消除傳播過程中能量減弱的問題，使光束完美集中在目標上（類似天文學(xué)家觀測星空的方法）。該技術(shù)用反射鏡面自動調(diào)節(jié)激光的角度，以消除湍流的影響，結(jié)果類似校正眼睛相位差的效果。

到了2010年，自適應(yīng)光學(xué)機載激光設(shè)備已經(jīng)具備了摧毀飛行中的彈道導(dǎo)彈能力。然而，當(dāng)時因裝置規(guī)模、后勤保障等問題讓美國國防部（DOD）失去了進一步研發(fā)的熱情。2012年年初，DOD徹底取消了機載激光武器項目，高能激光研究經(jīng)費同時也被消減，從2007年的9.61億美元降至2014年的3.44億美元。

在經(jīng)費被消減的同時，DOD把研究重心轉(zhuǎn)向了更為經(jīng)濟的光纖激光器上。光纖激光器發(fā)明于1963年，自上世紀90年代以來，全球最大的光纖激光制造商IPG Photonics幾乎包辦了該領(lǐng)域的所有技術(shù)進展。就固體激光器而言，采用的是平板或水晶圓盤激發(fā)光，體積可想而知。而光纖激光器使用的光學(xué)纖維可壓縮到小型線圈中（見“纖維的能量”圖），因纖維細長其表面積大，散熱迅速。比如，DVD播放器中使用的集纖維、光能的激光二極管，其整體電光轉(zhuǎn)化率高于30%，至少是其他固體激光器效率的2倍。

非相干組合

光纖激光器開始被用于海底電纜，以增強攜帶有互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的光信號。據(jù)沙特克回憶，2010年左右，當(dāng)?shù)弥陨衅矫裨馐軓募由车貛Оl(fā)射的火箭襲擊后，激發(fā)了洛克希德·馬丁公司研發(fā)區(qū)域防御反彈（ADAM）系統(tǒng)的靈感。自2012年來，馬丁公司通過試驗證實，10千瓦光纖激光的ADAM能夠摧毀船只、無人機和1.5公里外的小口徑火箭炮等目標。

與導(dǎo)彈相比，激光武器用于防御更為劃算。HEL MD同樣采用了10千瓦光纖激光器，布朗特表示：“只用不到兩茶杯燃料就能摧毀很多目標?！辈ㄒ艄径ㄏ蚰懿块T負責(zé)人大衛(wèi)·德?lián)P（David DeYoung）說：“便宜的導(dǎo)彈每個也值10萬美元，而且是一次性的，而激光武器每發(fā)射一次成本不到10美元?！?/p>

2014年5月，在計算機引導(dǎo)定位下，HEL MD實現(xiàn)了全程自動控制，發(fā)出的激光束無聲無息，肉眼不可見，所有被摧毀的目標不是都會爆炸，戰(zhàn)爭幾乎結(jié)束在瞬間。布朗特強調(diào)，得益于先進的圖像識別和定位系統(tǒng)，光束能集中在既定的目標上。

瞄準和定位系統(tǒng)解決后，但10千瓦激光器的輸出功率仍是激光武器的下限，主要原因是，傳播過程中高能光子流將纖維加熱的速度遠遠大于纖維的散熱速度，容易對設(shè)備造成損害。

理想的方法是采用非相干合成光束技術(shù)，即多個激光器中發(fā)出的光波形成緊密同步。施普蘭格爾表示，2006年他和團隊成員發(fā)現(xiàn)，計算機模擬表明，多個光纖激光器光束非相干組合形成的單光點幾乎和相干性組合一樣有效?！巴ㄟ^空氣湍流遠距離發(fā)射，最終打擊目標的光束功率相同?！?009年，他們用鏡面把4個光纖激光器光束聚集到3公里外一個5厘米的點上。

在施普蘭格爾工作的基礎(chǔ)上，美國海軍研究實驗室開發(fā)了30千瓦的LaWS，將數(shù)臺光纖激光器進行非相干組合。自2014年9月以來，LaWS已經(jīng)被安裝在海灣地區(qū)美國兩棲補給運輸船“龐塞號”上，用以摧毀無人機和恐怖分子乘坐的小型船只。

圖為波音公司開發(fā)的HEL MD系統(tǒng)

科幻變現(xiàn)實？

2012年10月，德國導(dǎo)彈專業(yè)公司MBDA也成功地利用40千瓦聯(lián)合光纖激光束系統(tǒng)，摧毀了約2公里外的模擬飛行物。MBDA的馬庫斯·馬丁施泰特（Markus Martinstetter）認為，在擊落目標物時，高精度瞄準系統(tǒng)能最大程度減少意外傷害的機率，尤其與常規(guī)炸藥相比，“沒有彈片飛濺的風(fēng)險。”

今年3月，洛克希德·馬丁公司宣布，其研制的ATHENA光纖激光系統(tǒng)（類似機載激光自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)）可以摧毀正在運行中的卡車引擎——ALADIN組合了多種光纖激光器的輸出，形成了一個30千瓦光束。這種“多波長光束組合”方法是林肯實驗室的首創(chuàng)，類似于互聯(lián)網(wǎng)流量采集引入光纖電纜的方法。有專家指出，與相干組合相比，這種組合能形成更好的光束，更容易擊中遠程目標。

激光武器報告主要執(zhí)筆者、CNAS的杰森·埃利斯（Jason Ellis）相信，光纖激光武器的時代將要到來。他認為，以目前這樣的速度發(fā)展，激光武器功率達到幾百千瓦、射程擴展到數(shù)百公里以外，幾乎是唾手可得的。

盡管進步神速，2014年2月的一次民意測驗中，美國國家安全專家發(fā)現(xiàn)，只有五分之一的人認為定向能武器技術(shù)將在十年內(nèi)成熟。

加州勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室光子科學(xué)項目經(jīng)理邁克爾·卡特（Michael Carter）謹慎表示，要想從科幻變成現(xiàn)實，激光武器還有很長的路要走。“現(xiàn)在還沒有研究出類似《星際迷航》中的移相器，”他說，“人們以為未來戰(zhàn)爭會以光速進行，但有些基本問題還沒有解決?！彼J為，目前這一代示范系統(tǒng)的最大價值是讓人們學(xué)會如何處理各種問題?！皠e以為賦予了‘龐塞號’新的戰(zhàn)略優(yōu)勢，這只是走出的第一步，但不是質(zhì)的變化。”

包括MBDA也很謹慎，他們預(yù)計要開發(fā)出功率兆瓦級的激光武器系統(tǒng)至少還需要3～5年時間。他們認為，激光武器是未來重要的防御手段之一，盡管選擇權(quán)掌握在人類手中。但在霧天等特殊情況下，常規(guī)武器會更加有效。

沙爾稱，雖然目前光纖激光武器能力較弱，但在未來5～10年內(nèi)，它將在美國軍隊防御領(lǐng)域占據(jù)一席之地?！八鼈兛赡懿粫瘛靶乔虼髴?zhàn)”概念那樣宏大，但它們能拯救生命、保衛(wèi)安全?！?/p>

[資料來源：Nature][責(zé)任編輯：則鳴]