劉鳳儀,王德石

(海軍工程大學(xué),湖北 武漢 430033)

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艦載激光武器反導(dǎo)技術(shù)

劉鳳儀,王德石

(海軍工程大學(xué),湖北 武漢 430033)

研究艦載激光武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)模式,分析它對完善現(xiàn)有海軍防御系統(tǒng)的意義。分析大氣因素對激光武器作戰(zhàn)能力的影響,并研究激光武器在不同跟瞄精度和不同輸出功率條件下針對目標(biāo)不同部位的毀傷能力。通過分析激光的功率密度與傳播距離的關(guān)系,提出了該武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)流程,探討了未來艦載激光武器的發(fā)展趨向。

激光武器;作戰(zhàn)模式;激光反導(dǎo);功率密度

反艦導(dǎo)彈是用于攻擊水面艦船的武器,它既可以由潛艇從水下發(fā)射也可由水面艦船或飛機(jī)發(fā)射[1],它飛行速度快，飛行高度低,還具備一定反反制能力。目前,艦艇主要裝配的是航空導(dǎo)彈和防空艦炮等常規(guī)防空武器[2],它們往往存在成本高、作戰(zhàn)效費(fèi)比低、故障率高和受彈藥數(shù)量限制等缺點(diǎn),在反導(dǎo)方面存在很多不足。而激光武器作為一種通過大功率輻射能量摧毀目標(biāo)的新概念定向能武器[3],具有瞄準(zhǔn)即命中、發(fā)射即相遇等特點(diǎn)和轉(zhuǎn)火速度快、持續(xù)射擊能力強(qiáng)、攻擊精度高等優(yōu)勢,它將是一種有效提高艦船生存能力的武器。激光武器作為傳統(tǒng)艦載防御武器的補(bǔ)充，可協(xié)同作戰(zhàn),能為艦船提供多層次、高可靠的保障,將極大提升艦艇的防御能力。

本文研究了大氣因素和跟瞄精度對艦載激光武器毀傷能力的影響,通過計(jì)算功率密度與傳播距離的關(guān)系并結(jié)合導(dǎo)彈不同部位的毀傷閾值,驗(yàn)證了其作戰(zhàn)能力,并研究了該武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)流程。

1 國外激光武器研究現(xiàn)狀

早在20世紀(jì)60年代,美、俄等國就開展了高能激光武器的研究,并取得了顯著進(jìn)展[4-5]。美國早在1973年就開始利用激光武器進(jìn)行打靶試驗(yàn), 并于1978年成功擊落了4枚以高亞音速低空飛行的“陶”式反坦克導(dǎo)彈, 引起世界轟動。1997年10月,美國又因激光反衛(wèi)星試驗(yàn)取得出人意料的成功而再度成為世界關(guān)注的焦點(diǎn)。

進(jìn)入21世紀(jì)以來,美國海軍在近海對岸作戰(zhàn)任務(wù)的驅(qū)使下,考慮到激光在海洋環(huán)境下的大氣傳輸特性以及激光武器系統(tǒng)的裝艦問題，將研究重心由化學(xué)激光器轉(zhuǎn)向固體激光器和自由電子激光器：固體激光器裝艦適應(yīng)性較好，系統(tǒng)集成方便,近幾年已經(jīng)進(jìn)行了試驗(yàn)工作,下一步即將裝備部隊(duì),主要研究有:海軍激光武器系統(tǒng)(Laser Weapon System,LaWS)計(jì)劃、海面激光演示樣機(jī)(Maritime Laser Demonstration,MLD)計(jì)劃和戰(zhàn)術(shù)激光系統(tǒng)(Tactical Laser System, TLS);另一條是以自由電子激光器(Free Electric Laser, FEL)為重點(diǎn)進(jìn)行更高功率激光武器的研制,發(fā)揮自由電子激光器波長可調(diào)、大氣傳輸性能更好、技術(shù)更為先進(jìn)的特點(diǎn)。

2 艦載激光武器的構(gòu)成及作戰(zhàn)目標(biāo)分析

2.1 艦載激光武器的主要構(gòu)成

艦載激光炮武器系統(tǒng)主要由目標(biāo)搜索設(shè)備、強(qiáng)激光器、跟瞄系統(tǒng)[6](含光束定向器)和火控設(shè)備組成。

2.2 艦載激光武器的毀傷機(jī)理

研制艦載激光武器的首要問題就是對激光武器的作戰(zhàn)對象及其毀傷機(jī)理的研究。

激光武器的毀傷效能與其輸出功率和作戰(zhàn)環(huán)境有關(guān),由于激光對不同材料作用效果不同,所以其效能與該武器系統(tǒng)所攻擊的位置(燃料艙和頭罩等)也有關(guān)系。本文分析激光武器對反艦導(dǎo)彈上的不同部位的毀傷效能,為選用一定頻率的激光及采用合適的武器控制方式提供了理論依據(jù)。

2.2.1 反艦導(dǎo)彈材料組成

反艦導(dǎo)彈一般有制導(dǎo)系統(tǒng)、戰(zhàn)斗部、動力裝置和彈體等四部分組成。

反艦導(dǎo)彈的頭部是整流罩。目前,一類是雷達(dá)射頻整流罩,其材料是透波性能好的玻璃鋼泡沫夾心結(jié)構(gòu);另一類是光學(xué)整流罩,其材料有K9玻璃(電視制導(dǎo))和CaF2(紅外制導(dǎo))。導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部材料為鋼質(zhì),其他部分為鋁質(zhì),厚度為2mm～10mm。

2.2.2 反艦導(dǎo)彈飛行規(guī)律和制導(dǎo)模式

反艦導(dǎo)彈的飛行彈道主要分為初始段、自控段和自導(dǎo)段。自導(dǎo)段采用主、被動制導(dǎo)或復(fù)合制導(dǎo)模式,主要有掠海超低空、蛇形機(jī)動或躍升俯沖等幾種攻擊方式。在不同作戰(zhàn)條件下,反艦導(dǎo)彈攻擊有不同的末端攻擊方式，當(dāng)面對我艦艏水平方向，反艦導(dǎo)彈主要從正面、正側(cè)面、斜面三種角度攻擊，而面對我艦艏高低方向有水平和高低俯沖兩種方式。

由以上分析可知,反艦導(dǎo)彈的頭部制導(dǎo)系統(tǒng)較易毀傷，是首選的攻擊部位,而自控段飛行彈道比較平穩(wěn),高度較高,激光武器最好在自控段未結(jié)束前就能發(fā)現(xiàn)導(dǎo)彈并進(jìn)行攻擊,可有效提高攻擊效率,這需要增大激光武器功率且跟蹤器發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并保持跟蹤的距離盡可能在10km～12km(當(dāng)前典型值)以上。

3 艦載激光武器系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)分析

3.1 激光武器系統(tǒng)初始參數(shù)

激光發(fā)射功率為P,暫不考慮激光武器系統(tǒng)發(fā)射鏡的透過率,激光束發(fā)散角為[7]

θ=βλD-1

式中:β(本文取3)為光束質(zhì)量,D(文中涉及到該參數(shù)全設(shè)置為0.7m)為發(fā)射鏡直徑。

在距離R的目標(biāo)上光斑直徑為

d=θR。

3.2 激光在大氣中的傳播特性分析

激光在大氣中傳輸時(shí)主要受兩類大氣影響:第一類為線性光學(xué)效應(yīng),包括大氣折射、大氣分子和大氣氣溶膠的吸收與散射、大氣湍流等,大氣吸收造成激光傳輸強(qiáng)度損失,大氣散射會讓激光光束擴(kuò)張使得其投射到目標(biāo)上的單位面積內(nèi)的光能降低;第二類為非線性光學(xué)效應(yīng),主要是受激拉曼散射、熱暈和大氣擊穿等,這類影響因素與激光強(qiáng)度密切相關(guān)。

3.2.1 大氣吸收和散射效應(yīng)

根據(jù)步格爾吸收定律,波長為λ的激光束在大氣中的透過率為:

式中，I(λ)為R距離上的光強(qiáng);I0(λ)為初始光強(qiáng);κ(λ)為衰減系數(shù):κ(λ)=αm+αA+βm+βA,其中,αm為大氣分子吸收系數(shù)、αA為氣溶膠吸收系數(shù)、βm為瑞利散射系數(shù)、βA為氣溶膠散射系數(shù)。根據(jù)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)分析，大氣對不同波長激光的吸收效率不一樣，某些波長的激光大氣吸收率很高，而可見光、1μm附近、3～5μm、8～12μm紅外激光吸收率很低，在傳輸過程中衰減少，這種現(xiàn)象即為"大氣窗口"(詳見表1)。由表1分析可知，波長小的激光吸收系數(shù)相對較小，雖然其散射系數(shù)較大，但考慮到散射的影響比吸收影響小一個(gè)數(shù)量級以上，所以該武器系統(tǒng)選擇波長小的激光更為有利。在本文中，擬采用YAG固體激光器來進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)分析。

表1 不同波長激光的各項(xiàng)大氣傳輸系數(shù)

3.2.2 大氣湍流效應(yīng)

大氣湍流是由大氣中局部溫度、壓強(qiáng)等參數(shù)的隨機(jī)變化引起的折射率隨空間位置和時(shí)間的隨機(jī)變化。大氣湍流效應(yīng)會造成激光光束擴(kuò)展、光束漂移、光斑閃爍等惡劣影響,使強(qiáng)激光大氣傳輸?shù)墓鈴?qiáng)大為降低,且光斑抖動使系統(tǒng)難以精確瞄準(zhǔn)目標(biāo)。對有限空間光束而言,大氣折射結(jié)構(gòu)函數(shù)[12]為

式中,r1、r2分別為湍流的內(nèi)外尺度;Cn2為湍流強(qiáng)度,其值隨高度增加而增加。

3.2.3 大氣熱暈效應(yīng)

激光在大氣中傳播時(shí)，它的部分能量被大氣吸收，導(dǎo)致一部分空氣密度降低、折射率下降，這部分空氣會形成一個(gè)非線性的負(fù)透鏡，從而使激光光束產(chǎn)生非線性擴(kuò)展、畸變和彎曲。熱暈的效應(yīng)大小主要與激光發(fā)射功率、大氣吸收系數(shù)、激光作用距離、發(fā)射孔半徑以及橫向風(fēng)速有關(guān)。不同波長激光受熱暈影響程度不一，本文主要分析1.06μm的激光[8]，暫不考慮熱暈效應(yīng)對其傳輸?shù)挠绊憽?/p>

3.3 激光武器跟蹤精度分析

艦載激光武器采用光電跟蹤系統(tǒng)對目標(biāo)位置進(jìn)行高精度跟蹤[9]。

通常兩軸光電跟蹤系統(tǒng)由方位跟蹤系統(tǒng)和俯仰跟蹤系統(tǒng)組成,它們的結(jié)構(gòu)和控制方式相似。本文所采用的艦載激光武器跟瞄系統(tǒng)組成如圖1所示。

為了確保對空中目標(biāo)進(jìn)行高精度地測量和跟蹤,激光武器一般采用由粗跟蹤和精跟蹤兩部分構(gòu)成的復(fù)合軸系統(tǒng)。粗跟蹤系統(tǒng)主要由一個(gè)兩軸高精度轉(zhuǎn)臺來實(shí)現(xiàn)視軸的方位和俯仰運(yùn)動,在水平方位采用U型架結(jié)構(gòu),俯仰方向采用O型架結(jié)構(gòu),該兩軸控制系統(tǒng)為三閉環(huán)系統(tǒng),即由電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)構(gòu)成,其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由內(nèi)到外分別是電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)回路。雖然粗跟蹤轉(zhuǎn)臺在方位控制和俯仰控制之間相互獨(dú)立,但兩控制方式原理相似,因而僅以方位控制系統(tǒng)為對象研究跟瞄系統(tǒng)中粗跟蹤轉(zhuǎn)臺的控制,其控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。精跟蹤系統(tǒng)是采用復(fù)合軸控制結(jié)構(gòu)的艦載激光武器跟瞄系統(tǒng),它是激光武器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度跟蹤的關(guān)鍵組成部分。精跟蹤系統(tǒng)利用望遠(yuǎn)鏡主孔徑接收目標(biāo)光,具有窄視場,通過利用目標(biāo)偏差量控制快速反射鏡執(zhí)行精跟蹤閉環(huán)控制,使得精跟蹤視軸與目標(biāo)光軸一致。依據(jù)參考文獻(xiàn)[10-11],本文中激光武器系統(tǒng)跟瞄精度設(shè)定為σ≤10μrad。

圖1 艦載激光武器跟瞄系統(tǒng)的組成

圖2 控制系統(tǒng)原理圖

4 艦載激光武器攔截反艦導(dǎo)彈技術(shù)分析

4.1 作戰(zhàn)場景分析

目前反艦導(dǎo)彈制導(dǎo)方式主要是雷達(dá)和光電制導(dǎo)方式,導(dǎo)彈頭部的整流罩相應(yīng)地分為雷達(dá)射頻整流罩和光學(xué)整流罩。雷達(dá)射頻整流罩的材料為透波性好的玻璃鋼泡沫夾芯結(jié)構(gòu);光學(xué)整流罩則根據(jù)制導(dǎo)選用波段不同而采用不同的材料,其中電視制導(dǎo)大多采用K9玻璃,紅外制導(dǎo)大多采用CaF2。彈體的側(cè)面一般是2～10mm厚鋁板。結(jié)合國外文獻(xiàn)將導(dǎo)彈的殺傷方式及破壞閾值歸納如表2所示。

由表2可以看出,激光武器破壞導(dǎo)彈整流罩或?qū)б^所需功率較低,而攻擊導(dǎo)彈前部金屬殼體通過產(chǎn)生壓力和沖量來對導(dǎo)彈造成破壞所需功率較高,同時(shí)還要考慮導(dǎo)彈前部殼體包含的戰(zhàn)斗部所受到的影響,因此利用激光武器毀傷目標(biāo)時(shí),需要綜合分析針對不同部位的毀傷效能才可以確定最合適的打擊部位及作戰(zhàn)方式。

表2 對導(dǎo)彈的作戰(zhàn)方式及破壞閾值

4.2 激光武器毀傷效果分析

現(xiàn)假定系統(tǒng)毀傷反艦導(dǎo)彈傳感器功率密度門限為0.01kW/cm2,能量密度門限為10J/cm2;毀傷頭罩的功率密度門限為300W/cm2,能量密度門限為900J/cm2;破壞其燃料艙段的功率密度門限為1kW/cm2,能量密度門限為3000J/cm2;破壞其戰(zhàn)斗部功率密度門限為10kW/cm2,能量密度門限為50kJ/cm2。以上述門限作為計(jì)算條件,可以得到不同功率條件下[12-14]的有效作用距離，如圖3所示。

圖3 針對不同目標(biāo),初始功率與距離關(guān)系

同樣地,設(shè)定初始功率為100W,改變跟瞄精度,得到激光在目標(biāo)上的功率密度與距離的關(guān)系如圖4所示。

圖4 功率密度與傳播距離關(guān)系

通過計(jì)算并結(jié)合以上圖例分析可得到如下結(jié)論:

1) 在2km～4km的近程作戰(zhàn)中,毀傷目標(biāo)所需的初始激光功率并不高,對導(dǎo)彈的各個(gè)部件都可以造成破壞,可采取攻擊其燃料箱或者戰(zhàn)斗部,直接引爆導(dǎo)彈;

2) 隨著距離的增加,可以看出大氣對激光的傳導(dǎo)影響越來越大,而提高激光武器的初始功率密度,對目標(biāo)上的功率密度提高并不大。在5km～10km距離上,可以攻擊導(dǎo)彈的整流罩或者傳感器,改變其原有的透波性能,造成雷達(dá)導(dǎo)引頭波束的畸變,從而影響導(dǎo)引頭的目標(biāo)跟蹤基準(zhǔn);

3) 同時(shí)也可以看出在10km距離以上,激光武器對傳感器的破壞也還是足夠滿足所需,在實(shí)際作戰(zhàn)環(huán)境中,可以將其與傳統(tǒng)武器相結(jié)合,完善現(xiàn)有防御系統(tǒng);

4) 除了大氣因素以外,系統(tǒng)跟瞄精度對激光武器的作戰(zhàn)性能也有較大影響,針對該跟瞄系統(tǒng),還需做進(jìn)一步研究。

4.3 作戰(zhàn)流程分析

參考傳統(tǒng)艦載武器系統(tǒng),結(jié)合激光武器的各項(xiàng)特性,通過研究,對激光武器系統(tǒng)給出如圖5所示的作戰(zhàn)流程。

圖5 激光武器系統(tǒng)作戰(zhàn)流程

如圖5所示,艦艇遠(yuǎn)程情報(bào)跟蹤分系統(tǒng)搜索發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后,建立目標(biāo)航跡,進(jìn)行敵我識別和目標(biāo)類型識別。情報(bào)分系統(tǒng)根據(jù)建立的目標(biāo)航跡和類型識別結(jié)果,啟動威脅判斷戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用軟件,對目標(biāo)進(jìn)行威脅判斷。激光武器系統(tǒng)的跟蹤雷達(dá),接收情報(bào)跟蹤分系統(tǒng)發(fā)送來的目標(biāo)指示信息,對指定的目標(biāo)進(jìn)行捕獲、跟蹤,求解目標(biāo)運(yùn)動參數(shù),預(yù)測目標(biāo)位置,輸出數(shù)據(jù)并引導(dǎo)高能激光武器的精瞄跟蹤分系統(tǒng)對目標(biāo)進(jìn)行精跟蹤。粗跟蹤由伺服系統(tǒng)驅(qū)動,其跟蹤精度要毫弧度數(shù)量級。到達(dá)激光照射距離時(shí),激光武器的光束控制與發(fā)射系統(tǒng)保持對目標(biāo)點(diǎn)瞄準(zhǔn),選擇激光發(fā)射方式,并啟動激光器,對作戰(zhàn)目標(biāo)進(jìn)行攻擊。

在實(shí)際作戰(zhàn)環(huán)境中,要使艦載激光武器達(dá)到預(yù)計(jì)毀傷效果,還需考慮艦艇自身的搖擺，它將是影響激光武器作用精度的重要參數(shù),所以要使激光武器真正形成一定的戰(zhàn)斗能力,滿足所需的戰(zhàn)斗效益,必須建立艦艇擾動模型并完善其射擊控制系統(tǒng)。同時(shí)，本文對實(shí)際作戰(zhàn)環(huán)境考慮不足,大氣對于激光的傳播影響還需深入研究。

5 結(jié)束語

衡量武器作戰(zhàn)效能,無外乎反應(yīng)時(shí)間、精度、射程和威力。在快速性和準(zhǔn)確性方面,激光武器等定向能武器可以做到“瞄準(zhǔn)即命中、發(fā)射即相遇”,可基本忽略彈道飛行時(shí)間,武器的反應(yīng)速度大幅提高,它在防空反導(dǎo)方面的強(qiáng)大潛力絕對不容忽視?？梢灶A(yù)測,在未來戰(zhàn)場上,激光武器將對海軍的作戰(zhàn)模式產(chǎn)生重大的影響,而海軍裝備的發(fā)展也將發(fā)生變革。

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Technology Analysis of Shipborne High-Energy LaserWeapon System against Anti-ship Missiles

LIU Feng-yi, WANG De-shi

(Naval Engineering University, Wuhan 430033, China)

Based on the campaign mode of laser weapon system, the meaning of this system for improving the naval defense system is analyzed. Combined with atmospheric factors, the damage analysis on different parts of the anti-ship missile is identified under the condition of different tracking & pointing accuracy and power. Through the analysis of the relationship between laser power density and propagation distance,the operation of this system is put forward and the trend of the shipborne laser weapon system is expected.

laser weapon; campaign mode;laser anti-missile;power density

2016-12-10

2017-02-20

劉鳳儀(1993-),男,湖北荊州人,碩士,研究方向?yàn)楸靼l(fā)射與動力推進(jìn)技術(shù)。 王德石(1963-),男,教授,博士生導(dǎo)師。

1673-3819(2017)02-0113-05

TJ95；E917

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.02.021