季軍亮，溫玉濤，羅婷婷，肖宇

(1.空軍工程大學 防空反導學院,陜西 西安 710051；2.火箭軍工程大學,陜西 西安 710025; 3.中國人民解放軍93792部隊,河北 廊坊 065000)

0 引言

陸基激光防空武器是利用從地面定向發(fā)射的高能/高功率激光束，將空中目標毀傷或使其失效的定向能武器。按照用途激光武器可分為戰(zhàn)術(shù)激光武器和戰(zhàn)略激光武器兩大類，根據(jù)殺傷效應(yīng)又可分為軟殺傷激光武器和硬殺傷激光武器2種。依據(jù)當前技術(shù)發(fā)展趨勢預測和陸基激光防空武器任務(wù)屬性，陸基激光防空武器當歸屬于戰(zhàn)術(shù)激光武器，且具備軟硬殺傷一體的特性。

1 殺傷機理

激光是指經(jīng)受激輻射并放大而形成的光，是一種特殊的光，與普通光相比具有方向性好、單色性好、相干性好、能量集中等優(yōu)勢。陸基激光防空武器摧毀或殺傷空中來襲目標的基本原理，是在激光束的作用下使目標喪失作戰(zhàn)功能。陸基激光防空武器的主要作戰(zhàn)目標是各類飛機、導彈、炸彈等，這些目標的結(jié)構(gòu)組成以及各組成部分的易損性差異明顯，受激光束照射的毀傷閾值也有所區(qū)別。總體來說，可將目標部位分為軟部件和硬部件兩大類[1-3]。

軟部件失效，指利用高功率激光束持續(xù)照射目標，使操作人員暫時性或永久性失明；使用強激光照射目標造成空中目標所搭載的光電傳感器損壞或暫時性飽和，從而使人或目標光電設(shè)備暫時性或永久性失去作戰(zhàn)能力。如使用數(shù)W至10W/cm2的功率密度持續(xù)照射目標光電探測器，可導致探測器元器件溫度升高，致使調(diào)制信號減弱乃至消失，進而使目標光電探測傳感器暫時喪失作戰(zhàn)能力；使用幾十W/cm2的功率密度持續(xù)照射目標，可使光電探測器出現(xiàn)元件脫落、崩裂等損毀現(xiàn)象，導致目標光電探測傳感器永久性失效。

硬部件毀傷，硬部件包括導彈殼體材料、油箱、戰(zhàn)斗部、燃料室等部位，破壞機理包括：①熱破壞，含熱熔融、氣體穿孔或引爆其內(nèi)部燃料發(fā)生熱爆炸等；②力學破壞，脈沖激光會引起表面材料形成應(yīng)力波，引起變形、斷裂等；③熱、力聯(lián)合破壞。激光束對空中目標各部位的破壞閾值如表1所示。

2 武器組成及特點

基于激光武器特殊的殺傷機理，陸基激光防空武器也具有與常規(guī)地空導彈武器系統(tǒng)不同的結(jié)構(gòu)組成，其殺傷機理和結(jié)構(gòu)組成綜合決定了陸基激光防空武器的鮮明特點。

2.1 陸基激光防空武器的組成

根據(jù)陸基激光防空武器殺傷機理，結(jié)合信息化條件下空襲作戰(zhàn)特點，陸基激光防空武器主要由指揮控制子系統(tǒng)、若干光束發(fā)射/控制子系統(tǒng)、跟蹤引導子系統(tǒng)以及用于情報保障的目標指示子系統(tǒng)[4-7]。

指揮控制子系統(tǒng)是陸基激光防空武器的“神經(jīng)中樞”，確保武器系統(tǒng)各組成部分協(xié)調(diào)一致的工作，主要功用是接收上級指控系統(tǒng)發(fā)送的指令，規(guī)劃陣地配置、制定作戰(zhàn)預案，開展空中目標中長期數(shù)據(jù)收集和分析，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)作戰(zhàn)空域、頻率等資源，收集、處理、顯示空情信息，根據(jù)上級指令計算目標參數(shù)、光束大小、功率高低、照射目標部位和持續(xù)時間等射擊諸元，并向跟蹤引導子系統(tǒng)和光束發(fā)射/控制子系統(tǒng)下達指令，進行毀傷效果評估。

跟蹤瞄準子系統(tǒng)根據(jù)外部預警信息目標指示或自主對目標進行搜索、識別、捕獲、跟蹤，連續(xù)測定目標空間參數(shù)，跟蹤瞄準子系統(tǒng)。

光束發(fā)射/控制子系統(tǒng)主要用于產(chǎn)生激光、形成光束并進行光束控制、調(diào)節(jié)光源功率、根據(jù)跟蹤瞄準信息隨動調(diào)整光束指向，確定考慮大氣吸收、散射、湍流、熱暈效應(yīng)的光束參數(shù)調(diào)整策略。

鑒于激光在大氣中傳播的“瞬時性”(3×106m/s)，為確保高功率激光束能準確照射于來襲目標的指定部位，跟蹤瞄準子系統(tǒng)和光束發(fā)射/控制子系統(tǒng)應(yīng)同平臺一體化設(shè)計，并集成于同一運輸車輛底盤上，如圖1所示。

將集成跟蹤瞄準子系統(tǒng)和光束發(fā)射/控制子系統(tǒng)的車輛，稱為一個陸基激光防空武器作戰(zhàn)基準單元，1套陸基激光防空武器含3～6個作戰(zhàn)基準單元，1套陸基激光防空武器可同時對付3～6批來襲目標。

表1 激光束對空中目標各部位的破壞閾值Table 1 The damage threshold of laser beam to airborne targets

圖1 跟蹤瞄準子系統(tǒng)與光束發(fā)射/控制子系統(tǒng)一體化設(shè)計Fig.1 Integrated design of tracking and targeting subsystem and beam emission control subsystem

陸基激光防空武器可與常規(guī)地空導彈武器系統(tǒng)共享外部情報信息，外部情報信息通過指揮控制子系統(tǒng)向作戰(zhàn)基準單元指示目標，陸基激光防空武器結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 陸基激光防空武器結(jié)構(gòu)組成Fig.2 Structural composition of land-based laser air defense weapon

2.2 陸基激光防空武器的特點

結(jié)合陸基激光防空武器系統(tǒng)的殺傷機理與結(jié)構(gòu)組成，其主要有以下特點：

(1) 瞬時性

激光在大氣中以3×108m/s的速度傳播，對目標進行射擊時幾乎不需要時間上的提前量。以當前地空導彈武器系統(tǒng)最大殺傷區(qū)遠界400 km為例，當目標以Ma為1.8(F-22最大飛行速度)的巡航速度直線飛行時(假定航路捷徑為0)，使用陸基激光防空武器對其進行射擊，光束自光源發(fā)射至到達目標約耗時0.001 3 s，在該時間內(nèi)目標飛行距離約為0.8 m，而高功率激光束光斑直徑一般在1 m左右，加之光束發(fā)射/控制子系統(tǒng)與跟蹤瞄準子系統(tǒng)的實時隨動?？梢哉f一旦陸基激光防空武器發(fā)現(xiàn)捕獲并準確跟蹤目標，則目標幾乎沒有規(guī)避的可能[4,8-9]。

(2) 靈活性

由陸基激光防空武器的組成可知，系統(tǒng)可作戰(zhàn)的最小配置為“指揮控制子系統(tǒng)+跟蹤瞄準子系統(tǒng)&光束發(fā)射/控制子系統(tǒng)”，武器結(jié)構(gòu)組成簡單、車輛裝備數(shù)量少，戰(zhàn)場機動性強，且每個作戰(zhàn)基準單元可獨立對付一批目標，系統(tǒng)集成作戰(zhàn)時內(nèi)部關(guān)聯(lián)度深，但依賴度不大，可根據(jù)不同的作戰(zhàn)場景“按需整合”。另外，陸基激光防空武器可根據(jù)任務(wù)性質(zhì)對應(yīng)調(diào)整光源功率，以達成軟硬不一的殺傷效果。陸基激光防空武器靈活性的特點，就決定了其作戰(zhàn)使用方式的靈活性與多樣性。

(3) 隱蔽性

由于陸基激光防空武器攻擊的“瞬時性”及攻擊過程的“靜謐性”，與常規(guī)火力型地面防空裝備相比，其對空射擊時往往在“悄無聲息”中進行，以至于來襲目標已遭重創(chuàng)還渾然不知，更無法確定激光來襲方向和陣地位置。陸基激光防空武器的這一特點，一方面可提升對空中目標的殺傷概率，大大增加對有人駕駛飛機相關(guān)人員的心理威懾，另一方面能有效隱蔽發(fā)射陣地，提升自身戰(zhàn)場生存能力，從而達成保存自己與消滅敵人的統(tǒng)一。

(4) 持續(xù)性

激光的產(chǎn)生究其根源是能量，換句話說只要有充足的電能，“激光炮彈”就取之不盡、用之不竭，相對于常規(guī)防空裝備的導彈和炮彈而言優(yōu)勢巨大，能夠大幅度省卻由于導彈/炮彈調(diào)運、裝填等環(huán)節(jié)產(chǎn)生的時間損耗，有效縮短火力轉(zhuǎn)移周期、增大武器系統(tǒng)對空火力密度。鑒于“激光炮彈”成本低廉，用以對付高價值的空中進襲目標將帶來極高的效費比。

(5) 穩(wěn)固性

現(xiàn)代防空戰(zhàn)場用頻設(shè)備類型多、設(shè)備頻率范圍廣，戰(zhàn)場電磁環(huán)境極其復雜，尤其是敵對方釋放的有意干擾，可使己方用頻設(shè)備作戰(zhàn)效能大打折扣。陸基激光防空武器工作的頻段為3×1013～3×1014Hz，該頻率范圍幾乎不受任何電子戰(zhàn)手段的影響，武器作戰(zhàn)環(huán)境相對簡單。

(6) 可控性

傳統(tǒng)地面防空裝備的毀傷方式均為火力硬殺傷，射擊結(jié)果大多只有2種情況：擊落摧毀或平安逃脫。而陸基激光防空武器由于可以對光源功率、光斑面積、照射時間和部位等進行適應(yīng)性調(diào)節(jié)，因此可對來襲目標進行可控性毀傷。陸基激光防空武器的這一特點可在爭議地區(qū)防空作戰(zhàn)、威懾性空中封控、限制性防御打擊等行動中充分發(fā)揮優(yōu)勢，這也是區(qū)別于常規(guī)防空裝備革命性的發(fā)展升級。

陸基激光防空武器作為新機理、革命性的防空裝備，有其超越傳統(tǒng)的作戰(zhàn)優(yōu)勢，但同時也存在固有的根源性不足。由于激光的傳播介質(zhì)是大氣，因此激光束傳播過程中受大氣條件影響較大，尤其是多云、陰雨和霧霾等天候條件，對激光傳輸?shù)挠绊懯置黠@。從這個意義上講，陸基激光防空武器全天候作戰(zhàn)能力“先天不足”。

3 應(yīng)對目標分析

著眼未來激光技術(shù)發(fā)展，以實現(xiàn)100 kW以上功率輸出的激光器研發(fā)使用為設(shè)定，開展陸基激光防空武器應(yīng)對目標分析。

3.1 陸基激光防空武器戰(zhàn)技術(shù)指標

結(jié)合陸基激光防空武器對空中目標的毀傷機理，這里將武器的戰(zhàn)技術(shù)指標歸集于陸基激光防空武器有效毀傷空中目標射程上，即在達成預定毀傷效果的前提下，陸基激光防空武器可達到的殺傷遠界。

激光的有效作用距離主要由照射到目標上的激光功率密度、照射時間以及目標毀傷的能量閾值決定，其中激光功率密度由武器輸出功率、光束質(zhì)量以及大氣傳輸?shù)纫蛩鼐C合確定，計算公式為

q=aD2Pη/λ2β2L2,

(1)

式中:q為到達目標的激光功率密度;λ為激光波長；β為激光束質(zhì)量因子；η為大氣透射率；D為激光束發(fā)射主鏡直徑；L為空中目標到光束發(fā)射/控制子系統(tǒng)的距離;P為激光束在發(fā)射鏡處的功率;a為常數(shù)。

這里設(shè)定激光波長為2 μm，η取常規(guī)大氣透射率0.6，激光束發(fā)射主鏡直徑為1 m，P取功率值100 kW，激光質(zhì)量因子取1，為確保取值的保守性常數(shù)a取0.8，照射時間t取值范圍為5～8 s。則有

E=taD2Pη/λ2β2L2.

(2)

如果陸基激光防空武器需對來襲目標實現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞性照射，則E取值為1 000 J/cm2,對應(yīng)功率需求為125 W/cm2(10 s)～200 W/cm2(5 s)，根據(jù)式(1)可計算得到對目標實現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破壞的照射遠界為77～98 km，武器照射近界取決于敵空襲兵器完成任務(wù)線，其照射高界與照射遠界近似，照射低界取決于遮蔽物高度及來襲目標飛行高度。從這意義上講，陸基激光防空武器應(yīng)歸屬于中高空、中遠程地面防空裝備[8-14]。

需要特別說明的是，陸基激光防空武器的發(fā)射區(qū)與殺傷區(qū)的區(qū)別在于從照射目標開始至實現(xiàn)預期毀傷效果時間內(nèi)目標的飛行距離。同時，由于陸基激光防空武器對目標射擊的瞬時性，使得武器對目標的迎射殺傷區(qū)與尾射殺傷區(qū)基本無明顯區(qū)別，其殺傷區(qū)近似為半球形,如圖3所示。

圖3c)中，vm為空中目標飛行速度，tz為激光束到達目標的時間與照射時間之和。

圖3 陸基激光防空武器的發(fā)射區(qū)與殺傷區(qū)Fig.3 Emission zone and kill zone of land-based laser air defense weapon

3.2 陸基激光防空武器應(yīng)對的空中目標

由陸基激光防空武器殺傷機理可知，武器對空中來襲目標的殺傷可分為軟部件失效和硬部件毀傷兩大類，進行陸基激光防空武器應(yīng)對目標分析，可從兩類殺傷機理所對應(yīng)的目標類型展開。

3.2.1 軟部件失效所對應(yīng)的目標類型

從對操作人員損傷而言，陸基激光防空武器可抗擊普通作戰(zhàn)飛機、預警機、電子偵察飛機/支援干擾飛機等目標。就使目標攜帶的光電傳感器失效而言，凡搭載光電傳感器的空中目標均可成為陸基激光防空武器的抗擊對象，如電子偵察機、使用光電導引頭的空地導彈、精確制導炸彈等。由于預警機、電子偵察飛機/支援干擾飛機等空中目標作用距離可達數(shù)百公里，活動空域通常在防區(qū)外，因此陸基激光武器無法對防區(qū)外目標實施攻擊。

3.2.2 硬部件毀傷所對應(yīng)的目標類型

硬部件毀傷所對應(yīng)的目標類型比較多，在陸基激光防空武器射程內(nèi)的空中目標幾乎都可成為其作戰(zhàn)對象。但是由于陸基激光防空武器對跟蹤瞄準精度要求高，且被照射部位須有一定的相對穩(wěn)定性和照射時間綜合累積性，因此，武器對高速飛行的高機動目標抗擊毀傷效果相對較差。

通過以上分析，陸基激光防空武器抗擊目標類型如下：

(1) 對于作戰(zhàn)飛機損傷其機構(gòu)，如穿孔、斷裂、熔融甚至氣化等，可使目標徹底喪失作戰(zhàn)效能，也可根據(jù)任務(wù)需要實施致盲駕駛員、失效傳感器等軟殺傷。

(2) 由于預警機、電子偵察機、遠距離支援干擾機等目標作戰(zhàn)距離遠，活動空域不在陸基激光防空武器殺傷區(qū)內(nèi)，因此，以上3類目標不在陸基激光防空武器作戰(zhàn)對象范圍內(nèi)。

(3) 陸基激光防空武器可對反輻射導彈/無人機、空地導彈、精制導炸彈和巡航導彈進行硬破壞性打擊，也通過失效光電導引頭降低空地導彈、精確制導炸彈作戰(zhàn)效能。

(4) 對于末段飛行的彈道導彈而言，由于目標具有自旋屬性，因此陸基激光防空武器對其作戰(zhàn)效果并不十分明顯。但鑒于陸基激光防空武器的射程較大，可通過增長照射時間的方式應(yīng)對彈道導彈進襲。當彈道導彈的殼體被高能激光武器照射時，在其內(nèi)部壓力、空氣動力、推力以及激光加熱(材料性能熱降低和熱應(yīng)力) 的聯(lián)合作用下，殼體材料的某個部位因應(yīng)力疊加、集中并超過材料的斷裂強度而產(chǎn)生裂紋，這種裂紋會迅速擴大，導致壓力貯箱的爆炸、導彈彈體折斷與近乎解體，因此，高能激光武器在未熔穿彈道導彈殼體前，彈道導彈就已被摧毀。從這個意義上講，陸基激光防空武器抗擊彈道導彈具有一定的可行性，且受來襲導彈射程與再入速度影響不大[15]。

綜合而言，陸基激光防空武器應(yīng)對的目標包括作戰(zhàn)飛機、反輻射無人機/導彈、空地導彈、精確制導炸彈和巡航導彈以及彈道導彈。

4 結(jié)束語

陸基激光防空武器以其在抗干擾、可控性、靈活性等方面的獨特優(yōu)勢，越來越受到人們的關(guān)注。隨著激光技術(shù)的快速發(fā)展，陸基激光防空武器相對于傳統(tǒng)火力的優(yōu)勢將越來越明顯，也必將引起防空領(lǐng)域的一場革命，預先開展陸基激光防空武器作戰(zhàn)使用研究勢在必行。文章在闡述陸基激光防空武器殺傷機理及結(jié)構(gòu)組成的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)討論了陸基激光防空武器的特點及其應(yīng)對目標類型，以期為后續(xù)開展武器作戰(zhàn)使用研究打下良好基礎(chǔ)。