伊煒偉,屈長虹,任國光

(中國久遠(yuǎn)高新技術(shù)裝備公司,北京 100094)

1 引 言

美國空軍長期以來就希望把激光武器裝上飛機(jī),執(zhí)行目前由老式的火炮和導(dǎo)彈完成的各種任務(wù),大大提高空軍的作戰(zhàn)效率、精度和速度,以使美國戰(zhàn)機(jī)比敵方戰(zhàn)機(jī)具有極大的優(yōu)勢。激光與常規(guī)武器的組合將導(dǎo)致在20～25年內(nèi)作戰(zhàn)空間的徹底轉(zhuǎn)變。對空軍來說激光武器的重要性表現(xiàn)在:

· 致命性—激光武器能提供以光速對付各種威脅和與多目標(biāo)交戰(zhàn)的能力。

· 持續(xù)性—采用電激光器,只要有電力供應(yīng)就具有幾乎無限的彈倉。而電力可由飛機(jī)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生并僅需燃油,這就使戰(zhàn)機(jī)能長期在空中巡弋。

· 高機(jī)動(dòng)性—戰(zhàn)術(shù)機(jī)載激光武器比車載系統(tǒng)更加機(jī)動(dòng),所以我們認(rèn)為未來的高機(jī)動(dòng)型戰(zhàn)術(shù)激光武器很可能是一種空射型激光武器。

· 低空防御能力—有利于防御地面作戰(zhàn)難以對付的一些目標(biāo),如貼地和掠海巡航導(dǎo)彈。

· 隱蔽性—激光既無聲又無光,不易被敵方發(fā)現(xiàn)。

· 作戰(zhàn)效費(fèi)比高—每發(fā)激光的成本非常低,有能力顛倒不公平的成本方程。

在21世紀(jì)初,空軍曾大力研發(fā)和演示了先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)激光武器(ATL),它是將一臺密封型化學(xué)氧碘激光器裝上AC-130武裝直升機(jī)。盡管它解決了不向外排有害廢氣的問題,同時(shí)重量與體積有所減小。但采用沸石(硅酸鋁鉀鹽)吸附廢氣仍然存在重量和體積過大的問題,從而限制了彈倉和輸出功率的提高。并且技術(shù)復(fù)雜和仍需大量的危險(xiǎn)化學(xué)品作燃料。

在20世紀(jì)90年代末,美國各軍種都先后放棄了化學(xué)激光器,激光武器的光源轉(zhuǎn)向了電驅(qū)動(dòng)的固體激光器。最近固體激光器(SSL)技術(shù)在性能和成熟度兩方面都取得了重大進(jìn)展,現(xiàn)已能在適合可部署平臺的緊湊系統(tǒng)中提供武器級的功率。美、德、以等國已開發(fā)和試驗(yàn)了多種數(shù)萬瓦功率的激光武器樣機(jī)[1],特別是美國海軍已在波斯灣巡弋的龐塞號軍艦上部署了第一臺作戰(zhàn)的戰(zhàn)術(shù)激光武器[2]。今天激光武器終于證明具有足夠的成熟度能集成進(jìn)空中平臺,有可能在下10年執(zhí)行防御和進(jìn)攻性任務(wù)。這些進(jìn)展促使空軍更加關(guān)注機(jī)載激光項(xiàng)目。

美國空軍特種作戰(zhàn)司令部(AFSOC)司令Brad Heithold中將說:“保護(hù)我們的戰(zhàn)機(jī)越來越困難,五年內(nèi)如果我無所作為,那么我能部署它們的區(qū)域?qū)⒗^續(xù)縮減”[3]。目前美國空軍正在采取雙管齊下的方針,一方面AFSOC計(jì)劃在2020年在武裝直升機(jī)AC-130J上用激光武器取代20或30 mm機(jī)關(guān)炮,并進(jìn)行演示試驗(yàn),它將以最小的附帶破壞摧毀地面和空中目標(biāo)。另一方面空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)正在實(shí)施自衛(wèi)高能激光演示器(SHIELD)計(jì)劃,研發(fā)小型戰(zhàn)術(shù)激光器裝備戰(zhàn)斗機(jī),用以防御地-空、空-空導(dǎo)彈和機(jī)載目標(biāo)。

空軍的戰(zhàn)術(shù)機(jī)載激光(TABL)武器計(jì)劃都還未選定所用的高能激光器。雖然美國各軍種的聯(lián)合高功率固體激光器計(jì)劃已研發(fā)成功并試驗(yàn)了100 kW的晶體板條和陶瓷板條Nd∶YAG激光器,而且它們的技術(shù)也比較成熟。但它們的光束質(zhì)量、體積和重量、熱管理等問題仍很突出,要想把這種尺寸、重量和功耗的激光器裝上飛機(jī)非常困難。從精選增益介質(zhì)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)發(fā)展趨勢來看,TABL光源的候選者可能是一些最近發(fā)展的先進(jìn)SSL:高能液體激光器(實(shí)際上是一種液冷SSL)、光纖合成激光器和平面波導(dǎo)激光器。

2 先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)激光武器的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

ATL系統(tǒng)是美國國防部發(fā)展的TABL武器,2001年被國防部定為兩項(xiàng)先期概念演示項(xiàng)目之一。其目的是將密封型化學(xué)氧碘激光器集成進(jìn)武裝直升機(jī),執(zhí)行致命和非致命作戰(zhàn)任務(wù)。ATL的最終目標(biāo)是用300 kW的激光器裝備武裝直升機(jī)AC-130和傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)V-22。在先期概念技術(shù)演示中將采用一臺25 kW的激光器,演示從5～15 km的距離攻擊地面目標(biāo)[4]。其平臺是改裝的NC-130H大力神試驗(yàn)臺。2010年8月進(jìn)行的試驗(yàn)擊壞了一輛靜止的閑置車輛,2010年9月ATL在試驗(yàn)中成功地跟蹤并與一架遙控的飛行目標(biāo)交戰(zhàn)。

從研發(fā)與試驗(yàn)ATL獲得的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn):

· 激光器必須小型化—ATL的固有缺陷是由于采用沸石吸收激光器排出的廢氣,也存在重量和體積過大的問題,這限制了彈倉和輸出功率的提高。激光器模塊重12000磅。

· 射程太短—對作戰(zhàn)目標(biāo)而言,ATL還缺乏足夠的功率和射程。

· 彈倉十分有限—飛機(jī)發(fā)射5～6次激光后必須返回基地重新加載,不論從火力的觀點(diǎn)還是從技術(shù)的觀點(diǎn)來看,這是不能接受的。

· 光束穩(wěn)定性—在研發(fā)與試驗(yàn)中證明束控和空氣動(dòng)力學(xué)抖動(dòng)是機(jī)載激光計(jì)劃的絆腳石,空氣動(dòng)力學(xué)抖動(dòng)將引起炮塔振動(dòng),這是ATL計(jì)劃的限制因素。

3 空軍加速發(fā)展戰(zhàn)術(shù)機(jī)載激光武器

3.1 概述

吸取ATL的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),空軍認(rèn)為采用電激光器可能是一個(gè)解決辦法。SSL比化學(xué)激光器小得多,功率密度約小30倍[5]；而且具有幾乎無限的彈倉,只要有電力供應(yīng),它就能快速地與多個(gè)目標(biāo)交戰(zhàn)；特別是它減輕了與潛在的危險(xiǎn)化學(xué)品和在飛機(jī)上安裝化學(xué)激光器帶來的與大量垂直懸掛有關(guān)的一些可靠性問題。

目前空軍正計(jì)劃在2020年將SSL集成進(jìn)AC-130,并進(jìn)行外場演示試驗(yàn),較長期的目標(biāo)是研發(fā)小型激光器裝備戰(zhàn)斗機(jī)用于自衛(wèi)?？哲娨矊⒗^續(xù)追逐把高能激光器集成進(jìn)像轟炸機(jī)這樣的大型飛機(jī)內(nèi)用于自衛(wèi),它也可以部署在空中加油機(jī)上用于自衛(wèi),以及在易受攻擊的加油飛行期間保護(hù)系鏈飛機(jī)。與其他軍種的類似計(jì)劃相比,空軍TABL計(jì)劃的戰(zhàn)術(shù)和技術(shù)障礙所面臨的挑戰(zhàn)要嚴(yán)峻得多。在技術(shù)上地基、艦載甚至是車載比起機(jī)載特別是戰(zhàn)斗機(jī)要容易得多,畢竟它們對激光器的大小和重量的要求要寬松得多。能夠裝入飛機(jī)的戰(zhàn)術(shù)激光系統(tǒng)的功率密度應(yīng)在5 kg/kW以下,而體積不大于3 m3。從戰(zhàn)術(shù)上講,陸軍、海軍陸戰(zhàn)隊(duì)和海軍的激光武器主要用于防御,而空軍的激光武器更多一些攻擊性。

空軍認(rèn)為30 kW的激光器能在幾千米的距離拒止、破壞或摧毀無人機(jī)、火箭彈、大炮炮彈、迫擊炮彈,100 kW激光器能用于飛機(jī)自衛(wèi),300 kW激光器則能在較遠(yuǎn)距離摧毀敵方飛機(jī)和地面目標(biāo)。綜合幾個(gè)政府機(jī)構(gòu)和工業(yè)集團(tuán)對反各類目標(biāo)所需激光功率的研究[6],幾十千瓦能用于反無人機(jī)和某些小艇；100 kW能用于反火箭彈等彈丸,以及有更大能力反無人機(jī)和快速小艇；300 kW能反有人駕駛飛機(jī)和某些導(dǎo)彈,以及在遠(yuǎn)距離擊落各種彈丸和無人機(jī)。美國和德國的大量實(shí)彈射擊證明30～50 kW的激光器能擊落2～3 km處的上述各種彈丸和無人機(jī)。與戰(zhàn)區(qū)、戰(zhàn)略機(jī)載激光武器不同,TABL是在云層下面作戰(zhàn),用于導(dǎo)彈防御的最佳作戰(zhàn)高度是10000 ft,它也可以降至2500 ft作戰(zhàn),低于2500 ft由于大氣稠密,激光的有限射程很短。而攻擊地面目標(biāo)則屬低空作戰(zhàn),必須考慮大氣的影響。

TABL面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)是小型化、功率和射擊精度。激光器必須大幅度減小尺寸和重量才能裝入戰(zhàn)術(shù)飛機(jī),而且它必須足夠小才能不影響戰(zhàn)機(jī)的速度和敏捷。問題不僅僅是小型化,射擊精度也是至關(guān)重要的,特別是高速飛行的戰(zhàn)機(jī),其射擊精度將面臨振動(dòng)、氣動(dòng)力學(xué)和極端湍流干擾等許多技術(shù)挑戰(zhàn)。為了克服這些障礙,空軍正在借助于其他軍種類似的計(jì)劃,如海軍的30 kW激光武器系統(tǒng)和陸軍的高能激光機(jī)動(dòng)演示器。同時(shí)空軍也在開展束控與航空效應(yīng)的研究和發(fā)展計(jì)劃,解決激光戰(zhàn)斗機(jī)特有的束控問題,AFRL定向能局首席工程師樂觀地認(rèn)為這些挑戰(zhàn)能在5年內(nèi)克服。

3.2 激光武裝直升機(jī)

武裝直升機(jī)由于有較大的體積和重量限額,所以飛得較慢,同時(shí)它的目標(biāo)集也似乎處在較近的距離。AFSCO認(rèn)為需要采用新的辦法提高飛得又慢又低的武裝直升機(jī)的生存能力。關(guān)鍵是引入高能激光武器,通過擊毀敵方的地對空、空對空導(dǎo)彈和機(jī)載目標(biāo),AC-130不僅能保護(hù)自己,而且還能保護(hù)整個(gè)特種作戰(zhàn)混編攻擊機(jī)群,并能精確攻擊地面目標(biāo)。AFSCO已制定了一個(gè)計(jì)劃,將激光武器集成進(jìn)AC-130,使之具有進(jìn)攻與防御的能力,并確定在2020年在外場進(jìn)行演示試驗(yàn)[7]。

AFSOC計(jì)劃在AC-130上采用180～200 kW的激光器執(zhí)行進(jìn)攻與防御任務(wù)。執(zhí)行進(jìn)攻任務(wù)是比較容易的,因?yàn)樗簧婕暗皆陲w機(jī)的一側(cè)安裝一臺光束定向器,用激光就像用一門炮那樣擊落目標(biāo)。若用于防御就還需在飛機(jī)周圍安裝多個(gè)傳感器,用于探測目標(biāo)。自衛(wèi)反導(dǎo)任務(wù)能很容易轉(zhuǎn)變成執(zhí)行精確打擊任務(wù),因?yàn)檫@兩種任務(wù)對系統(tǒng)的要求是相當(dāng)一致的,不同之處在于所用的傳感器和指揮控制性能。反導(dǎo)任務(wù)是用紅外傳感器在背景中尋找目標(biāo),它是快速反應(yīng)的高度自動(dòng)化過程。而超精確打擊任務(wù)是在雜亂的地面反射中用可見光相機(jī)偵查現(xiàn)場,確定目標(biāo)的位置,這是一個(gè)以操作者的作用為主的慢過程。

裝備激光器的AC-130作戰(zhàn)目標(biāo)甚多,作為進(jìn)攻目標(biāo)包括使機(jī)動(dòng)車輛、船舶和地面飛機(jī)失能,使敵方的關(guān)鍵系統(tǒng)失效,如指揮車、發(fā)電系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。作為防御目標(biāo)包括地-空導(dǎo)彈、空-空導(dǎo)彈和機(jī)載系統(tǒng)。用作反地-空和空-空導(dǎo)彈的自衛(wèi)武器,它已超越了目前在武裝直升機(jī)能實(shí)現(xiàn)的大型飛機(jī)紅外對抗系統(tǒng),因?yàn)樗鼘龤Ф皇侵旅せ蚋蓴_來襲導(dǎo)彈上的傳感器,有著高束質(zhì)且輸出功率大于150 kW的激光武器可以擊落包括雷達(dá)或光束導(dǎo)引的導(dǎo)彈。事實(shí)上激光對付大多數(shù)先進(jìn)導(dǎo)彈特別有效,為了提高命中精度,大多數(shù)精確制導(dǎo)武器都采用了光學(xué)或光-電傳感器,它們使用的材料對激光特別敏感,破壞閾值僅為10～100 W/cm2,是易損部件。TABL也能破壞導(dǎo)彈的雷達(dá)和光學(xué)頭罩,造成導(dǎo)彈空氣動(dòng)力學(xué)失衡而墜落或使制導(dǎo)系統(tǒng)無法獲得目標(biāo)的形狀、大小和距離等信息而脫靶。頭罩的破壞閾值為102～103W/cm2。

天氣冷下來的時(shí)候，周小羽還在讀書。但現(xiàn)在的他已經(jīng)將一天的里很多時(shí)間放在了彈棉花上。這句話的意思是說，周小羽讀書不行，彈棉花倒真的學(xué)會了。現(xiàn)在的他就經(jīng)常呆在那間罩滿棉花絮絮的屋子里。

目前完成AFSOC任務(wù)所需的性能還未詳細(xì)說明,初期的激光器輸出功率應(yīng)在100～150 kW。AFSOC司令希望激光器重量不超過5000磅,這基本上是武裝直升機(jī)現(xiàn)有一門炮的重量。AFSOC對AC-130能提供激光器所需的空間、重量和功率十分自信?？哲娍茖W(xué)顧問委員會最近的研究表明,利用目前最先進(jìn)的技術(shù),采用板條激光器提供合適的大小,重量和功率有可能完成演示[8]。旋轉(zhuǎn)炮塔在飛機(jī)上的布局也將關(guān)系到激光的殺傷力,炮塔可安裝在飛機(jī)的一側(cè)對付空-空導(dǎo)彈,這是30 mm激光炮在武裝直升機(jī)中的位置,也可以安裝在機(jī)腹對付地-空導(dǎo)彈。AFSOC似乎更樂意撤除30 mm炮,將炮塔裝在機(jī)弦側(cè)面[9]。

3.3 激光戰(zhàn)斗機(jī)

空軍自己的研究計(jì)劃重點(diǎn)是戰(zhàn)斗機(jī),它們組成了美國空軍戰(zhàn)機(jī)的90%,激光戰(zhàn)斗機(jī)可為空軍在效率、精度以及交戰(zhàn)速度方面提供顯著優(yōu)勢。AFRL正在實(shí)施SHIELD計(jì)劃,它設(shè)計(jì)用于中距離防御,但計(jì)劃將來也具有進(jìn)攻能力。SHIELD將研發(fā)一臺更加緊湊的中等功率激光武器系統(tǒng),并將其集成進(jìn)與戰(zhàn)斗機(jī)兼容的吊艙內(nèi),用于保護(hù)戰(zhàn)斗機(jī)免遭導(dǎo)彈的攻擊。研發(fā)工作已于2015年開始,計(jì)劃在2021年演示驗(yàn)證激光武器在相關(guān)飛行環(huán)境中用于反地-空和空-空導(dǎo)彈的有效性。演示實(shí)驗(yàn)也考慮了與地面目標(biāo)交戰(zhàn),可能包括傳感器、通信設(shè)備和其他易損的高價(jià)值系統(tǒng)。SHIELD計(jì)劃將同時(shí)獨(dú)立開展三方面的研究工作:提升下一代緊湊環(huán)境的激光器(LANCE),激光吊艙研究與發(fā)展(LPRD)及束控和航空效應(yīng)研究與發(fā)展(BARD) 。

LANCE的目標(biāo)是通過研發(fā),設(shè)計(jì)、制造、交付一種可靠和堅(jiān)固耐用的大功率激光器,同時(shí)具有優(yōu)良的光束質(zhì)量和緊湊的設(shè)計(jì),并將其集成進(jìn)氣動(dòng)結(jié)構(gòu)中。它將為第五代、第六代戰(zhàn)機(jī)尋求小型激光器,由于AC-130J滿載為82 t,而F-15滿載僅40 t,因此戰(zhàn)斗機(jī)對激光器的要求更加苛刻。要求重量低于1500磅,體積能裝入標(biāo)準(zhǔn)的600加侖外油箱,激光功率為幾萬或10萬瓦。通用原子公司的高能液體激光器可能是主要的候選者,它的第三代產(chǎn)品已獲得突破并通過了政府的驗(yàn)收試驗(yàn),功率密度達(dá)到5 kg/kW,而且正在為空軍研發(fā)第四代產(chǎn)品。

激光器并不集成進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī),而是采用吊艙式激光武器概念,它將由各種戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)和無人機(jī)攜帶執(zhí)行反導(dǎo)和對地攻擊任務(wù)。吊艙是獨(dú)立的系統(tǒng),它包括激光器和束控系統(tǒng),以及功率系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng),并保護(hù)激光器免遭嚴(yán)酷的外部環(huán)境的影響。LPRL將開發(fā)吊艙、熱管理系統(tǒng)、鋰電池和冷卻系統(tǒng),吊艙的空氣動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)將使它能處理高達(dá)超音速的高速氣流。LPRL是SHIELD計(jì)劃最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)之一,將激光器集成進(jìn)吊艙受尺寸、重量、功率和拖曳的限制[10]。吊艙將替換F-15的600加侖外油箱,當(dāng)燃油吊艙換成激光吊艙,將加重整個(gè)飛機(jī)。這必將影響到戰(zhàn)機(jī)的性能。儲存和散熱也增加了集成的風(fēng)險(xiǎn)。

2016年12月15日波音公司在SHIELD計(jì)劃中被授予了9000萬美元的合同,用以開發(fā)高能激光吊艙和集成系統(tǒng)[11]。波音公司將開發(fā)一種帶有光束控制系統(tǒng)的吊艙,它能以亞音速直到超音速飛行,同時(shí)能向高能激光器提供所需的功率和冷卻。作為這一計(jì)劃的一部分,LPRD項(xiàng)目打算解決吊艙功率、熱和系統(tǒng)控制,以及分兩個(gè)階段設(shè)計(jì)氣動(dòng)吊艙。該計(jì)劃的第一階段將實(shí)現(xiàn)激光射擊目標(biāo)的低功率演示,接著是高功率吊艙的作戰(zhàn)測試。

束控系統(tǒng)是激光戰(zhàn)斗機(jī)的關(guān)鍵部件,它直接關(guān)系到激光武器的射擊精度。執(zhí)行精確打擊,必須要有高精度的跟瞄技術(shù)。BARD是一項(xiàng)保持用于超聲氣流環(huán)境中現(xiàn)代束控系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展的工作,其工作重點(diǎn)是表征圍繞炮塔的氣流特性,了解飛機(jī)炮塔邊界層的氣流干擾,研究束控技術(shù)對付湍流或熱暈產(chǎn)生的有害大氣密度梯度。發(fā)展自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)對大氣畸變進(jìn)行校正與補(bǔ)償,使之能精確聚焦到目標(biāo)上[12]。2016年8月AFRL授予諾格公司3900萬美元合同,研發(fā)吊艙式電激光武器的束控系統(tǒng)。諾格公司工作的重點(diǎn)是解決適航性、阻力和高振動(dòng)性能的問題,并組裝一套饋送激光的光學(xué)元件,它能向任何方向發(fā)射激光。

激光戰(zhàn)斗機(jī)面臨的挑戰(zhàn)還包括炮塔,它不能影響噴氣機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)特性,甚至是一個(gè)小的隆起物都將引起飛機(jī)減速。炮塔研究獨(dú)立于BARD,它面臨的主要問題包括補(bǔ)償在邊界層產(chǎn)生的極端湍流,確保激光能在近聲速飛行的平臺上向任何方向發(fā)射激光。如果不補(bǔ)償大氣擾動(dòng),激光束只能打擊正前方的目標(biāo),這將嚴(yán)重影響作戰(zhàn)效能。幸運(yùn)的是洛馬公司、國防高級研究計(jì)劃局(DARPA)和AFRL已在2014年演示驗(yàn)證了束控炮塔的能力[13],他們研發(fā)的“航空自適應(yīng)氣動(dòng)光學(xué)束控”炮塔經(jīng)過近60次飛行試驗(yàn),證明能提供360°的覆蓋。它采用自適應(yīng)光學(xué)并結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)和氣流控制技術(shù)補(bǔ)償了從飛機(jī)機(jī)身突出的炮塔引起的極端湍流效應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)了全方位的射擊,這在世界上獨(dú)一無二,如圖1所示。

圖1 航空自適應(yīng)氣動(dòng)光學(xué)束控炮塔及試驗(yàn)飛機(jī)

4 戰(zhàn)術(shù)機(jī)載激光武器光源的選擇

4.1 先進(jìn)固體激光器

美國三軍的聯(lián)合高功率固體激光器計(jì)劃的重點(diǎn)是研制100 kW的晶體和陶瓷板條激光器[14],并于2009年進(jìn)行了演示驗(yàn)證。但這些激光器由于尺寸、重量和功耗(SWaP)問題,使其難以集成進(jìn)對尺寸和重量敏感的戰(zhàn)術(shù)平臺。因此戰(zhàn)術(shù)激光武器下一步的重大挑戰(zhàn)是小型輕量化。戰(zhàn)場用高功率激光器的電-光效率決定了SWaP,激光的光束質(zhì)量決定了激光武器的殺傷力。

美三軍聯(lián)合研制成功的100 kW SSL是Nd∶YAG板條激光器,其效率低(19%)、熱負(fù)載高,且不利于散熱導(dǎo)致重量和體積大及光束質(zhì)量不夠好(2.9 DL)。光學(xué)增益介質(zhì)的種類和幾何形狀,決定了激光器的效率和光束質(zhì)量,需要尋求將產(chǎn)生的廢熱降至最低和將廢熱從增益介質(zhì)中有效排除的方法。Nd∶YAG的熱管理系統(tǒng)占激光器總重的45%,關(guān)鍵是增益介質(zhì)Nd,它的量子虧損是24%,Nd∶YAG產(chǎn)生的百分比熱量是40%。而Yb∶YAG增益介質(zhì)具有優(yōu)良的物理和光學(xué)特性,特別是Yb量子虧損僅為8%,Yb∶YAG產(chǎn)生的百分比熱量僅為11%,光-光效率高達(dá)60%以上。而且Yb∶YAG有較寬的發(fā)射帶和熒光壽命時(shí)間,使它的激光性能、成本和可靠性都明顯優(yōu)于Nd∶YAG,因此Yb∶YAG激光器效率更高、結(jié)構(gòu)更緊湊,更適合用于小型空中平臺。增益介質(zhì)的形狀采用板條不利于散熱,特別是橫向溫度梯度高,嚴(yán)重影響了光束質(zhì)量。目前美國軍方正在研發(fā)便于散熱的三種增益介質(zhì)形狀的先進(jìn)SSL:光纖合成激光器、平面波導(dǎo)激光器和薄片激光器。為了大幅度降低激光器的尺寸和重量,美國軍方也在大力發(fā)展高能液體激光器和堿金屬蒸氣激光器。

4.2 高能液體激光器

這里所指高能液體激光器實(shí)質(zhì)上是一種液冷SSL,它源于通用原子(GA)公司為軍方研發(fā)的“高能液體激光區(qū)域防御系統(tǒng)(HELLADS)”。DARPA一直在推動(dòng)能集成進(jìn)戰(zhàn)術(shù)平臺的小型激光武器,在其支持下GA從2003年開始實(shí)施HELLADS計(jì)劃,其目的是研發(fā)一臺150 kW的激光器,其大小和重量比目前相當(dāng)功率的激光器小10倍,具體指標(biāo)是功率密度5 kg/kW,體積2～3 m3。它被設(shè)計(jì)用于反火箭彈、火炮炮彈、迫擊炮彈；反有人機(jī)與無人機(jī)；反巡航導(dǎo)彈；防御地-空和空-空導(dǎo)彈。HELLADS是新一代戰(zhàn)術(shù)激光武器的代表,它可能對防御產(chǎn)生革命性的影響和向空軍戰(zhàn)機(jī)提供重大的戰(zhàn)術(shù)優(yōu)勢。

HELLADS綜合了固體激光器的高儲能密度和液體激光器熱管理的特點(diǎn),它采用兩套75 kW的固體薄片激光放大器模塊組成一個(gè)150 kW的激光諧振腔,而固體激光增益薄片則浸泡在冷卻液中[15]。薄的盤狀增益介質(zhì)可以看作是一維的結(jié)構(gòu),因此表面積/體積比很大,又加之用流動(dòng)液體冷卻,所以熱管理非常有效。薄片一個(gè)表面冷卻,另一表面進(jìn)行激光功率提取。由于薄片介質(zhì)的直徑遠(yuǎn)大于厚度,熱傳導(dǎo)的距離非常短，不會產(chǎn)生大的橫向溫度梯度。另外,通過薄片表面提取激光功率,激光束平行于冷卻液的流動(dòng)方向,大大降低了熱透鏡效應(yīng)使橫向溫度梯度和光束傳播截面上的相位畸變最小化。因此薄片激光器能非常有效地清除激光增益介質(zhì)中產(chǎn)生的廢熱,在獲得高功率激光輸出的同時(shí)保持高的光束質(zhì)量。

在研發(fā)過程中,激光器輸出功率、尺寸和重量取得進(jìn)展,但轉(zhuǎn)換效率不高。為了將效率提高到30%以上,研究人員重新設(shè)計(jì)和建造了一個(gè)新型的高效分布式增益介質(zhì)激光器，如圖2所示。一串厚度為毫米量級的介質(zhì)薄片固定在諧振腔中,冷卻液從上至下,通過分流后均勻地流過薄片介質(zhì)之間的區(qū)域并帶走熱量,而抽運(yùn)光與冷卻方向垂直入射到增益介質(zhì)表面。GA在保持現(xiàn)有的光束質(zhì)量和輕重量優(yōu)點(diǎn)的情況下,改變了激光增益介質(zhì)、抽運(yùn)二極管和重新設(shè)計(jì)了激光頭。改用量子虧損更小的增益介質(zhì)可提高轉(zhuǎn)換效率,而采用目前世界上最高亮度的二極管抽運(yùn)使激光器的性能得到了全面的提升。除激光器外,GA也研發(fā)了世界上最高亮度的二極管、緊湊的蓄電池和冷卻系統(tǒng)。

圖2 分布式薄片增益激光器的示意圖

HELLADS在2015年4月取得重大突破,完成了美國政府的驗(yàn)收試驗(yàn)程序,從2016年1月起在白沙導(dǎo)彈靶場針對各種目標(biāo)進(jìn)行實(shí)彈打靶試驗(yàn),為期一年半。這個(gè)被稱為第三代的高能激光器在許多性能上都得到了改善,輸出功率達(dá)到150 kW；電-光效率明顯提高；改善了光束質(zhì)量,進(jìn)一步減小了尺寸和重量,功率密度達(dá)到5 kg/kW,尺寸僅為1.3 m×0.4 m×0.5 m[16]。激光器由緊湊的鋰離子電池供電,可部署在戰(zhàn)術(shù)平臺上。事實(shí)上這個(gè)系統(tǒng)已創(chuàng)造了電驅(qū)動(dòng)激光器最高輸出功率的世界紀(jì)錄,同時(shí)功耗低,并能在30 s內(nèi)始終保持高的光束質(zhì)量,這足以摧毀眾多的戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)。

GA公司已展示了第三代戰(zhàn)術(shù)激光武器模塊,如圖3所示,它包括高功率密度鋰離子電池、液體冷卻系統(tǒng)、一個(gè)或多個(gè)激光器單元,以及在光束進(jìn)入定向器之前用于凈化和穩(wěn)定光束的光學(xué)部件。每個(gè)激光器單元能產(chǎn)生75 kW光束,可組合多單元激光器產(chǎn)生150～300 kW的光束,而不需要像光纖激光器那樣的光束合成 。第三代HEL是完全獨(dú)立的系統(tǒng),激光器、功率系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)能裝入大致長12 ft、寬4 ft、高2 ft的箱子里[17]。目前GA公司正致力于研發(fā)更加緊湊的第四代HEL,準(zhǔn)備在2020年將其集成進(jìn)AC-130。GA也期望將其裝備本公司正在研發(fā)的載重1300 kg的捕食者C型無人機(jī)。

HELLADS也并非沒有問題,按照液冷分布式薄片增益介質(zhì)的設(shè)計(jì),冷卻液應(yīng)包含在激光光路之中,由于冷卻液的透明度和冷卻液與固體增益介質(zhì)的折射率不完全匹配將造成激光損耗,而液體的熱光系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于固體增益介質(zhì)的熱光系數(shù),很小的溫度變化將引起較大的激光波前畸變造成光束質(zhì)量下降。從第三代HEL驗(yàn)收后國防部給國會的報(bào)告[18],以及文獻(xiàn)[19]指出第三代HEL的光束質(zhì)量比海軍的30 kW激光武器系統(tǒng)好三倍。我們推測光束質(zhì)量并未達(dá)標(biāo)。而且目前輸出功率較低,液體流動(dòng)熱管理在更高功率情況下能否保證優(yōu)良的光束質(zhì)量還不確定。另外,HELLADS也會面臨集成和堅(jiān)固性的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

4.3 光纖激光器

光纖激光器是先進(jìn)的SSL,它具有無以倫比的獨(dú)特優(yōu)勢,與板條和薄片固體激光器相比,光纖激光器在效率、束質(zhì)、體積、重量、堅(jiān)固性和冷卻方面都具有明顯的優(yōu)勢。在過去10年里,光纖激光器技術(shù)迅速提高,在堅(jiān)固的“全光纖”體系結(jié)構(gòu)里實(shí)現(xiàn)了高功率運(yùn)行,它已成為激光武器的主要光源之一。光纖激光器不僅電-光轉(zhuǎn)換效率高(40%),而且光束質(zhì)量達(dá)到了近衍射極限(1.1 DL)。光纖的其他特性包括細(xì)長的一維結(jié)構(gòu)使其散熱性能好；結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕；堅(jiān)固性好能工作在極端的溫度、振動(dòng)和沖擊這樣的惡劣作戰(zhàn)環(huán)境中。但光纖激光器的功率受限于非線性效應(yīng)、熱效應(yīng)和光學(xué)損傷,將單模光纖激光器的輸出功率限制在10 kW。因此要獲得激光武器所需功率的主要途徑是將大量的光纖激光束合成為單一的高功率、高束質(zhì)光束。光束合成的目標(biāo)不僅要提高功率,而且還要保持高的光束質(zhì)量。

目前許多光束合成的概念是基于光束的非相干合成、光譜合成和相干合成。非相干合成的體系結(jié)構(gòu)最為簡單很易實(shí)現(xiàn),但光束質(zhì)量差,嚴(yán)重限制了激光的射程和殺傷力。海軍裝艦的激光武器系統(tǒng)使用了六個(gè)5.5 kW的IPG標(biāo)準(zhǔn)單模光纖激光器模塊,通過幾何光束耦合方式合成為功率為33 kW的單束光,光束質(zhì)量差(BQ=17),限制了激光器的性能。相干合成不僅能提高功率而且能提高亮度,這直接關(guān)系到激光武器的殺傷力,特別適用于中遠(yuǎn)程激光武器系統(tǒng),我們在另一篇文章中詳細(xì)評述了相干合成技術(shù)在戰(zhàn)區(qū)和戰(zhàn)略機(jī)載激光武器中的應(yīng)用[20]。但相干合成的相控要對各單束激光的光程差進(jìn)行遠(yuǎn)低于1 μm波長的緊密匹配和綜合控制所有各單束激光相干合成的眾多參量,技術(shù)最為復(fù)雜,不易實(shí)現(xiàn)。我們的數(shù)值模擬證明對低功率的短程(<5 km)應(yīng)用沒有必要。光譜合成雖然也屬于非相干合成,但它能獲得近衍射極限的光束。而與相干合成相比,它能提供最高的桶中功率效率,因?yàn)橄嗫仃嚨膯栴}在于旁瓣,而在旁瓣里的功率不會沉積到靶上。另外光譜合成不需要鎖相,技術(shù)較易實(shí)現(xiàn),因此得到了廣泛的應(yīng)用。光譜合成的問題是功率定標(biāo)受可用光源光譜寬度、激光增益帶寬以及功率和熱耗散的限制[21],但就本文涉及到的功率這些限制并不存在。

隨著光纖激光器功率的不斷提高,目前在光束合成技術(shù)中大多采用MOPA結(jié)構(gòu)的光纖放大器 。MOPA單路光源的單光柵光譜合成技術(shù)由于采用反射式衍射光柵,具有高光束質(zhì)量和熱管理優(yōu)點(diǎn)已成為光譜合成技術(shù)的發(fā)展趨勢。洛馬公司的光譜合成技術(shù)就采用了多層介質(zhì)膜光柵作為色散元件,將大量波長稍有不同的光纖激光器的輸出光束,以不同的角度入射到光柵上,通過精確調(diào)整每個(gè)光束的工作波長和入射角數(shù)值,使所有的反射光束在空間疊加而成為單一光束。洛馬公司利用光束合成光纖陣列和獨(dú)特的光譜合成技術(shù),在2014年1月演示試驗(yàn)了一臺30 kW的光纖激光器,達(dá)到了同時(shí)具有優(yōu)良束質(zhì)和高電-光轉(zhuǎn)換效率的最高輸出功率,而且所消耗的電能僅是其他SSL的50%[22]。光譜合成的關(guān)鍵是研制高品質(zhì)的色散元件,隨著大陣元光纖激光器的發(fā)展對衍射光柵的偏振特性,能承受的功率密度,鍍膜帶寬和膜系,衍射效率都提出了很高的要求。特別是由于光柵的損耗較大容易受熱變形,因此必須研發(fā)用于高功率情況下的超低損耗、高衍射率光柵。這臺30 kW光纖激光器的關(guān)鍵就是在光譜合成中采用了新研發(fā)的“極高功率超低損耗色散元件”(EXUDE)[23],它利用具有多達(dá)一百多層超低損耗介質(zhì)膜的衍射光柵,成功地將100個(gè)300 W的光纖激光器的輸出合成為單一的30 kW光束,合成效率超過90%。2015年,該公司使用模塊化的30 kW光纖激光武器(雅典娜),在一英里外的距離使一輛卡車失能。

從2014年4月洛馬公司又開始生產(chǎn)60 kW模塊化高功率激光系統(tǒng)[24],準(zhǔn)備用於陸軍的車載激光武器和空軍的AC-130武裝直升機(jī)。目前洛馬公司已經(jīng)完成了60 kW級光譜合成光纖激光器的設(shè)計(jì)、開發(fā)和演示驗(yàn)證,在2017年3月的測試中,洛馬公司的激光器產(chǎn)生了一束58 kW的光束,光束質(zhì)量達(dá)到近衍射極限,電光轉(zhuǎn)換效率超過43%[25],它創(chuàng)造了這種激光器的世界記錄。洛馬公司滿足了激光系統(tǒng)所有的合同可交付成果,計(jì)劃于2017年5月交付美國陸軍空間和導(dǎo)彈防御司令部/陸軍戰(zhàn)略司令部,這是朝向?qū)嵱眉す馕淦飨到y(tǒng)前進(jìn)的一個(gè)重要里程碑。

洛馬公司采用的技術(shù)路線是另外開發(fā)和集成2 kW的光纖激光器模塊,再通過光譜合成器將多個(gè)模塊的輸出光束合成為60 kW的單一光束。技術(shù)重點(diǎn)是提高激光器的效率和光束質(zhì)量,減小體積和重量。60 kW系統(tǒng)的另一特點(diǎn)是采用了模塊化設(shè)計(jì),這有利于功率定標(biāo)、冷卻和包裝,同時(shí)也降低了全系統(tǒng)故障的可能性。功率定標(biāo)有兩條路徑可選,其一是增加光纖激光通道的數(shù)量,其二是提高每個(gè)光纖激光通道的功率。洛馬公司已經(jīng)證明60 kW激光器足夠輕和小,十分可靠,可以部署在戰(zhàn)術(shù)車輛或其他平臺上,用于陸地、海上和空中防御。洛馬公司已在2017年4月向美國海軍建議,為其提供類似(甚至性能更好)的艦載激光武器系統(tǒng)用于反無人機(jī)和高速小艇。由于艦艇對激光器尺寸和重量的要求相對寬松,因此可裝備尺寸和重量更大的激光武器,功率可達(dá)到100 kW甚至是200 kW。

高亮度高功率抽運(yùn)模塊是研發(fā)高功率激光器的關(guān)鍵部件,高能激光二極管陣列的開發(fā)可以顯著改善激光器的效率、功率和小型化。最近DARPA將開展高效的超小型激光集成裝置(EUCLID)計(jì)劃,開發(fā)緊湊的光纖激光二極管模塊,以便減小高能激光武器的尺寸和重量[26]。這種模塊適用于各種有人和無人戰(zhàn)斗機(jī)與戰(zhàn)術(shù)車輛上的高功率激光武器,對于這類軍事平臺,光纖激光器陣列是領(lǐng)先的候選者。EUCLID計(jì)劃的目標(biāo)是開發(fā)至少650 W連續(xù)波輸出功率的二極管抽運(yùn)模塊,抽運(yùn)組件的輸出功率至少3900 W,電光轉(zhuǎn)換效率至少58%到60%。對二極管抽運(yùn)模塊來說,每瓦的體積小于0.31 cm3,每瓦的重量小于0.31 g。而就抽運(yùn)組件而言,每瓦的體積小于0.5 cm3,每瓦的重量小于0.43 g。另外這些組件應(yīng)能全功率持續(xù)工作超過100 h,而功率下降不超過5%,并且應(yīng)該能夠在可替換的高功率光纖放大器中與其他相同的模塊緊密地封裝在一起。

4.4 平面波導(dǎo)激光器

美國海軍正在實(shí)施地基防空機(jī)動(dòng)定向能(GBAD-DE-OTM,簡稱GBAD)計(jì)劃,旨在開發(fā)能裝在悍馬、聯(lián)合輕型戰(zhàn)術(shù)車輛或其他地面戰(zhàn)術(shù)車輛上的反無人機(jī)激光武器,用以提高海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的低空防御能力,它與陸軍車載激光武器計(jì)劃的最大差別是能在行進(jìn)中發(fā)射激光。GBAD要求激光器的最低輸出功率為25 kW,激光武器重量低于1134 kg,其大小能裝入代替悍馬的聯(lián)合輕型戰(zhàn)術(shù)車輛上。激光器持續(xù)發(fā)射時(shí)間120 s[27]。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),最關(guān)鍵的技術(shù)是雷神公司享有專利權(quán)的平面波導(dǎo)(PWG)技術(shù)。它的增益介質(zhì)幾何形狀提供了一種以光學(xué)模式的形式儲存光學(xué)能量的可能性,這就能夠?qū)崿F(xiàn)具有高光學(xué)增益、低激光閾值和小面積的光源。與其他SSL相比,平面波導(dǎo)激光器在泵浦耦合、散熱和增益介質(zhì)制備等方面都具有獨(dú)特的優(yōu)勢。而從結(jié)構(gòu)上相比,PWG具有在一個(gè)堅(jiān)固、緊湊、高效的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)武器級功率和優(yōu)良束質(zhì)的最大潛力。

雷神公司的PWG采用單孔徑設(shè)計(jì),僅用單個(gè)長30 cm的直尺狀PWG就能產(chǎn)生足以摧毀小型飛機(jī)的激光功率。30 kW 平面波導(dǎo)激光武器系統(tǒng)的研發(fā)包括高束質(zhì)的主振蕩器、平面波導(dǎo)放大器、高效率抽運(yùn)二極管 、堅(jiān)固輕型的光束定向器、改進(jìn)的光束控制、校正波前的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)以及遠(yuǎn)程光學(xué)。與此同時(shí)雷神也開展了小型輕量化設(shè)計(jì)及分析,要使激光器的功率密度達(dá)到3.1 kg/kW。PWG的體系結(jié)構(gòu)可以定標(biāo)放大,若采用多個(gè)相同的PWG時(shí)就能獲得更高的輸出功率而不需光束合成,雷神公司認(rèn)為它可能定標(biāo)到兆瓦。雷神公司的方案解決了在一個(gè)小型、輕量、堅(jiān)固的部件中產(chǎn)生高功率激光的問題,它也適用于機(jī)載平臺。在2010年的演示中它將四架無人機(jī)從天空中擊落。截止到2012年,單個(gè)PWG能產(chǎn)生25 kW的平均輸出功率,光束質(zhì)量1.2 DL,電-光效率35%。

PWG的結(jié)構(gòu)如圖4所示,它是一個(gè)高縱橫比的夾心型結(jié)構(gòu),由低折射率的包層包圍著高折射率的激活介質(zhì)芯子。PWG可以看成是一根一維的光纖,纖芯一般厚50～200 μm,雷神公司采用了厚度為200 μm的Yb∶YAG增益介質(zhì),內(nèi)包層是無滲雜的YAG晶體。其中薄橫軸是導(dǎo)引軸,而寬橫軸是非導(dǎo)引軸。導(dǎo)引結(jié)構(gòu)可以獲得高的抽運(yùn)吸收效率,而高縱橫比可以提供大的表面積/體積比,這有利于冷卻和承受高的功率負(fù)載。當(dāng)縱橫比達(dá)到100∶1或更高時(shí),100 kW的PWG的長度僅有30 cm[28]。信號束在PWG纖芯中的引導(dǎo)傳輸,消除了熱透鏡效應(yīng),這就可以獲得較寬的輸出功率范圍,而且光學(xué)畸變小。在PWG里的高功率密度(～1MW/cm2)下,能獲得非常有效的功率提取。如果是低數(shù)值孔徑的設(shè)計(jì),PWG還能獲得很高的增益,同時(shí)放大的自發(fā)發(fā)射很低。PWG結(jié)構(gòu)的重要特點(diǎn)是即使在武器級激光功率時(shí),增益介質(zhì)的熱畸變也很小。

其實(shí)PWG的結(jié)構(gòu)就是從鋸齒形板條隨著縱橫比的增大而自然演變過來的,因此隨著板條制造能力的提升,就能在武器級激光所需的板條尺寸里獲得100∶1或更高的縱橫比(200∶1),目前板條的制造能力也支持制造出100 kW級的PWG部件。當(dāng)然與縱橫比10∶1的板條激光器相比,在大縱橫比情況下必須考慮光束的傳輸和校正問題。因?yàn)檠夭▽?dǎo)方向的光束質(zhì)量較好,但由于寬度較大,沿寬度方向的光束質(zhì)量難以保證。

圖4 平面波導(dǎo)激光器示意圖

PWG系統(tǒng)采用了MOPA結(jié)構(gòu),主振蕩器是一個(gè)200 W的單模光纖激光器,它采用非穩(wěn)腔導(dǎo)致光束穩(wěn)定性好和結(jié)構(gòu)緊湊,提供了非常穩(wěn)定的近衍射極限光束作為放大器的種子光。PWG的高增益特性,允許使用一個(gè)適中功率的主振蕩源就能獲得非常高的輸出功率。通過這種途徑,可以將1 kW的主振蕩器輸出功率直接放大到30 kW以上的輸出功率[29]。

5 結(jié)束語

先進(jìn)SSL的迅速發(fā)展,目前已能在空中平臺的緊湊系統(tǒng)中提供武器級的功率,有可能在下10年中執(zhí)行防御和進(jìn)攻任務(wù)。AFSOC的激光武裝直升機(jī)計(jì)劃要求在2020年將激光武器集成進(jìn)AC-130J進(jìn)行演示試驗(yàn),期望過高,恐難實(shí)現(xiàn)。而AFRL的激光戰(zhàn)斗機(jī)計(jì)劃只要求在2021年用機(jī)載低功率激光演示驗(yàn)證反導(dǎo)的有效性,這是一個(gè)比較謹(jǐn)慎的計(jì)劃。

美國軍方研發(fā)并試驗(yàn)了100 kW的晶體板條和陶瓷板條Nd∶YAG激光器,但它們的光束質(zhì)量、體積和重量、熱管理問題仍很突出,難于集成進(jìn)空中平臺。從精選增益介質(zhì)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)發(fā)展趨勢來看,TABL光源的候選者可能是一些最近發(fā)展的先進(jìn)SSL:高能液體激光器、光纖激光器和平面波導(dǎo)激光器。高能液體激光器已獲得高束質(zhì)的150 kW輸出功率,功率密度達(dá)5 kg/kW,尺寸僅為1.3 m×0.4 m×0.5 m,初步滿足TABL的要求,目前正在研發(fā)更加緊湊的第四代HEL,可能成為首選。

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