易亨瑜，齊予，鎖興文，易欣儀

（1.中國工程物理研究院 應(yīng)用電子學(xué)研究所，四川 綿陽 621900；2.軍事科學(xué)院 國防科技創(chuàng)新研究院，北京 100071；3.復(fù)旦大學(xué) 化學(xué)系，上海 200438）

引言

激光武器是用定向發(fā)射的高能電磁波毀傷目標(biāo)的下一代武器，具有打擊快速、殺傷可控、作戰(zhàn)隱蔽、保障簡單及作戰(zhàn)成本低等突出優(yōu)點(diǎn)。自激光器發(fā)明以來，美國、蘇聯(lián)率先開展激光武器概念研究，目前美國、俄羅斯、英國、德國、以色列等發(fā)達(dá)國家都在大力發(fā)展激光武器。其中，美國研發(fā)投入最多，制定了一系列發(fā)展規(guī)劃及研究計劃，推動美國高能激光武器技術(shù)長期處于國際領(lǐng)先水平。通過60 余年的發(fā)展，激光定向能已經(jīng)歷了“技術(shù)研究”和“系統(tǒng)演示”兩個階段，目前正處于“武器化”階段初期。國外在競相發(fā)展激光定向能技術(shù)，未來激光定向能的戰(zhàn)場運(yùn)用將引發(fā)一次新的軍事技術(shù)革命。

高能激光武器的作戰(zhàn)光源直接決定了激光武器的毀傷能力和射程，是美國定向能領(lǐng)域的研發(fā)重點(diǎn)，為此美國國防部下各個機(jī)構(gòu)和各軍兵種陸續(xù)啟動了多項(xiàng)計劃。如2002 年9 月啟動的“聯(lián)合高功率固體激光器（joint high power solid-state laser，JHPSSL）”計劃，將固體激光器的輸出功率由10 kW 提升到戰(zhàn)術(shù)激光武器門檻100 kW；2003 年啟動的“高能液體激光區(qū)域防御系統(tǒng)（high energy liquid laser defense system，HELLADS）”計劃，將固體激光器的體積縮小了1 個量級；2010 年啟動的“堅(jiān)固型電激光器計劃（robust electric laser initiative，RELI）”，將固體激光器（含光纖激光器）的光電轉(zhuǎn)換效率提升到40%；與此同時，海陸空各軍兵種和MDA 也啟動了高能激光器相關(guān)研究計劃。這些計劃的目標(biāo)是研制出高功率、高效、緊湊、輕量化，能夠走出實(shí)驗(yàn)室并用于戰(zhàn)場的堅(jiān)固型激光器。在啟動之初，這些計劃都支持多種技術(shù)路線并行發(fā)展，最終通過競爭淘汰，挑選出1～2 種技術(shù)路線的激光器，部署在戰(zhàn)場上。

為集中各軍兵種之力、統(tǒng)籌規(guī)劃，發(fā)展激光武器中的共性技術(shù)，2019 年4 月8日，美國國防部長辦公室（office of the secretary of defense，OSD）啟動了HELSI 計劃[1]，制定出最新的國家級激光放大路線圖，希望進(jìn)一步提高現(xiàn)有作戰(zhàn)光源的性能，使之更適于戰(zhàn)場部署。2022 年完成第一階段的目標(biāo)，研制出300 kW 的高能激光器；目前已進(jìn)入到第二階段500 kW 激光器的研制，因此有必要對該計劃進(jìn)行深入研究。關(guān)于國外激光武器系統(tǒng)的進(jìn)展，已有較多文獻(xiàn)[2-8]評述，而在國外高能激光器發(fā)展計劃的分析方面，相關(guān)文獻(xiàn)較少。本文將分析美國HELSI 計劃的啟動背景、研究內(nèi)容、實(shí)施階段，其次分析HELSI 計劃第一階段300 kW 的研究進(jìn)展，最后評述HELSI 計劃進(jìn)展的后續(xù)影響。

1 HELSI 計劃

1.1 啟動背景

1.1.1 HEL TVD 樣機(jī)研制計劃

HELSI 計劃第一階段300 kW 激光器的研制目標(biāo)，來源于陸軍的“高能激光戰(zhàn)術(shù)車輛演示器（high energy laser tactical vehicle demonstrator，HEL TVD）”項(xiàng)目的調(diào)整。

車載激光武器項(xiàng)目是美國陸軍防空反導(dǎo)防御現(xiàn)代化的優(yōu)先項(xiàng)之一，目標(biāo)是為機(jī)動部隊(duì)提供伴隨防空，對抗新興威脅。當(dāng)2017 年HEL MD 樣機(jī)完成60 kW 級作戰(zhàn)光源升級后，陸軍就啟動了100 kW級 HEL TVD 計劃，將作戰(zhàn)光源集成在軍用中型戰(zhàn)術(shù)車輛上，演示陸軍間接火力防護(hù)能力-高能激光（indirect fire protection capability-high energy laser，IFPC-HEL）能力，如圖1 所示。2018 年7～8月，陸軍計劃分別向雷聲公司、動力系統(tǒng)公司-洛·馬公司團(tuán)隊(duì)等兩家研究團(tuán)隊(duì)各提供了1000 萬美元，用于100 kW 車載激光武器的系統(tǒng)方案設(shè)計[9-11]。2019年5月，陸軍開展了兩家競標(biāo)商的方案評估，由于洛·馬公司采用光譜合成（spectral beam combining，SBC）光纖激光器的技術(shù)路線，有助于提高作戰(zhàn)光源的可靠性和可定標(biāo)放大能力，最終動力系統(tǒng)-洛·馬團(tuán)隊(duì)勝出，獲得陸軍一份1.3 億美元、為期3 年的系統(tǒng)開發(fā)和演示合同。

圖1 100 kW 級HEL TVD 樣機(jī)Fig.1 100 kW HEL TVD prototype

在陸軍啟動100 kW 級 HEL TVD 項(xiàng)目之際，海軍的150 kW 級“分層激光防御樣機(jī)”已開始研制。2022 年2 月在白沙導(dǎo)彈靶場，美國陸軍高能激光系統(tǒng)測試設(shè)施進(jìn)行演示試驗(yàn)，擊敗了代表亞音速巡航導(dǎo)彈的無人機(jī)靶標(biāo)[12]；2015 年啟動的150 kW 級“激光武器系統(tǒng)演示器”于2019 年實(shí)現(xiàn)了樣機(jī)交付，2020 年5 月在太平洋成功摧毀無人機(jī)，2021 年12 月在亞丁灣成功完成公里級漂浮目標(biāo)攔截測試，具有打擊無人駕駛武裝艦艇的作戰(zhàn)能力[13-14]。相比于海軍已取得的技術(shù)進(jìn)展，美國國防部認(rèn)為陸軍HEL TVD 項(xiàng)目中作戰(zhàn)光源的研制目標(biāo)過于保守；而且其認(rèn)為，將激光武器輸出功率由100 kW 提升到300 kW，將有助于打擊巡航導(dǎo)彈、大型無人機(jī)等目標(biāo)。

1.1.2 MDA 定向能計劃

機(jī)載激光（airborne laser，ABL）計劃下馬后，MDA 提出了“機(jī)載激光2.0”構(gòu)想，如圖2 所示，旨在發(fā)展高空、長航程的無人機(jī)載激光武器，去攔截助推段彈道導(dǎo)彈。因此，2013～2021 財年啟動了“定向能研究”計劃，研制MW 級激光器；2017～2023 財年又啟動了“定向能樣機(jī)開發(fā)”計劃，研制“低功率激光武器演示器（low power laser demonstrator，LPLD）”。通過這些計劃，MDA 預(yù)計在2020 年前開展LPLD 樣機(jī)試飛，2021 年前完成激光束穩(wěn)定性測試，之后開展一系列導(dǎo)彈攔截的低功率演示試驗(yàn)。

圖2 MDA 導(dǎo)彈攔截計劃Fig.2 Missile interception plan of MDA

MDA“機(jī)載激光2.0”構(gòu)想的關(guān)鍵是要研制出功率重量比為1 kg/kW 的MW 級高效緊湊型激光器?！岸ㄏ蚰苎芯俊庇媱澷Y助了三類技術(shù)途徑，分別是勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的二極管泵浦堿性激光器（diode pumped alkali laser，DPAL）、麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室的光纖合成激光器（fiber combined laser，F(xiàn)CL）、通用原子公司的分布式增益激光器（distributed gain laser，DGL），其中DGL 技術(shù)是2019 年引入的。由于“定向能研究”計劃存在許多嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)、進(jìn)展緩慢，導(dǎo)致后續(xù)“定向能樣機(jī)開發(fā)”計劃的LPLD 演示項(xiàng)目無法開展。

可以看到，MDA 的激光器研制目標(biāo)過于激進(jìn)。鑒于MW 級激光器的技術(shù)風(fēng)險最高，又屬于激光武器的共性技術(shù)，因此由美國國防部統(tǒng)一管理，來制定國家級激光放大路線圖。

1.2 研究內(nèi)容

在多個高能激光技術(shù)研究計劃和其他研究項(xiàng)目的支持下，美國的高能激光技術(shù)取得快速發(fā)展，多種技術(shù)方案已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了150 kW 級功率輸出。美軍已認(rèn)識到，國防部應(yīng)大幅提高激光功率并改善光束質(zhì)量，開發(fā)更高功率的緊湊型定向能武器，以便作為通用作戰(zhàn)光源部署在不同的戰(zhàn)術(shù)平臺上。美軍認(rèn)為，目前這些功能的成熟速度不受“技術(shù)限制”，而是受“資金限制”，因此要求國防部確保定向能武器發(fā)展需求得到資金支持，每年應(yīng)維持30 億美元以上的水平。在激光武器發(fā)展中，美國應(yīng)加快努力，減小激光武器的尺寸、重量和電力（size,weight and power，SWaP）以及成本需求。

2019 年4 月8日，美國OSD 啟動了HELSI 計劃[1]，集中力量、統(tǒng)籌規(guī)劃，發(fā)展激光武器中的共性技術(shù)。該計劃標(biāo)志著300 kW 及更高功率水平激光器的研制納入到國防部統(tǒng)一管理模式，其目標(biāo)是在2022 年底前建造300 kW 級高能激光器，2025年底提高至500 kW級，2028 年底提高至1 000 kW級，如圖3 所示。在2019～2027 財年期間，年均經(jīng)費(fèi)1 億美元，而且逐年遞升。

圖3 HELSI 計劃各階段目標(biāo)Fig.3 Objectives for each phase of HELSI program

考慮到MDA 對高能激光器的SWaP 需求，以及空軍現(xiàn)役機(jī)載平臺的裝載能力，結(jié)合300 kW 反巡航導(dǎo)彈的門檻值限制，HELSI 計劃確定了重量/功率比、體積/功率比、光束質(zhì)量等技術(shù)指標(biāo)。其中較為苛刻的是，要求激光武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)光源子系統(tǒng)（包括內(nèi)部熱管理單元）的功率/重量比應(yīng)逐步達(dá)到2 kg/kW，該技術(shù)指標(biāo)超過了HELLADS 計劃的指標(biāo)5 kg/kW，接近于MDA 定向能計劃的指標(biāo)1 kg/kW。表1 分別是美國HELSI 計劃支持的高能激光器研究路線和技術(shù)指標(biāo)。

表1 HELSI 規(guī)劃的功率和功率比Table 1 Power and power ratio of HELSI planning

表1 中采用環(huán)圍功率或桶中功率（power in the bucket，PIB）來評價激光器的光束質(zhì)量，表征遠(yuǎn)場光束的能量集中度。理想平面波的遠(yuǎn)場發(fā)散角角半徑為1.22λ/D，對應(yīng)的艾里斑環(huán)圍功率PIB0為84%。因?qū)嶋H光束的衍射焦斑與理想艾里斑相比，中心亮斑向外擴(kuò)展，故測試中實(shí)際環(huán)圍功率PIBe采用的發(fā)散角角半徑為1.5λ/D。

2021 年4 月中旬，美國國防部研究與工程代理副部長芭芭拉·麥奎斯頓出席國會參議院撥款委員會國防小組委員會聽證會，就“國防創(chuàng)新與研究”發(fā)表證詞，著重介紹了HELSI 計劃。

1.3 技術(shù)路線

HELSI 計劃技術(shù)資助的高能激光器，包括了光譜合成光纖激光器（spectrally combined fiber laser，SCFL）、相干合成光纖激光器（coherently combined fiber laser，CCFL）、分布式增益激光器（DGL）、二極管抽運(yùn)堿金屬激光器（DPAL）等四種技術(shù)方案。

這四類高能激光器，在技術(shù)路線上大致分為兩類：一類是多鏈路陣列合成方式，主要由多束激光通過陣列排布進(jìn)行能量疊加的定標(biāo)放大，如SCFL、CCFL 等；另一類是單口徑輸出方式，如DGL、DPAL等，通過增加增益介質(zhì)口徑或長度進(jìn)行定標(biāo)放大，這種輸出方式又分為單諧振腔和主振放大（master oscillator power amplifier，MOPA）兩種類型。

1.3.1 光譜合成

光譜合成是采用介質(zhì)光柵（或體光柵）等色散元件，將不同角度入射的、波長略有不同的光束，反射成為波長重疊的單個高功率光束[15]，如圖4 所示。該方案簡單地增加了彼此的光束功率，并保留了單個光束的亮度。光譜合成本質(zhì)上是簡單的添加過程，通過增加激光器實(shí)現(xiàn)多束激光的共孔徑合成，從而增大了空間亮度。洛克希德/奧庫萊特公司申請了該方向的技術(shù)專利。為獲得更好的光束輸出質(zhì)量，還可采用雙光柵色散補(bǔ)償技術(shù)[16]。

圖4 SBC 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of SBC

光譜合成技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：能獲得最高的“桶中功率”效率，不會產(chǎn)生相干合成的旁瓣現(xiàn)象；而且結(jié)構(gòu)簡單，適于外場環(huán)境運(yùn)用。缺點(diǎn)是：對參與合成的子束波長、線寬等特性有較高要求，另外受帶寬限制，存在功率放大上限。

1.3.2 相干合成

高能固體激光器的相干合成可分為相控陣式和衍射式兩種。在相控陣中，由同一個單頻主振動器（MO）輸出的種子光，經(jīng)過分束后，將其中一束作為合成相位鎖定中外差探測的參考光束，其余幾束經(jīng)過激光放大系統(tǒng)（PA）后，按一定排列方式進(jìn)行空間拼接，實(shí)現(xiàn)光束合成，如圖5 所示。相干合成技術(shù)方案的主要特點(diǎn)為：多束合成在提升功率的同時可以保持良好的光束質(zhì)量水平，理論上無功率放大上限；但相干合成需要精確控制子束的相位、線寬、偏振等參數(shù)，而且隨著合成光束數(shù)量的增加，相位控制系統(tǒng)的復(fù)雜度和調(diào)節(jié)難度大大增加；另外，相控陣相干合成難以實(shí)現(xiàn)無縫拼接，在激光的遠(yuǎn)場產(chǎn)生旁瓣，分散了中央主光斑能量[17-19]。

圖5 板條激光器的相干合成示意圖Fig.5 Schematic diagram of coherent synthesis of slab laser

另一種相干合成技術(shù)是采用透射光學(xué)元件（diffractive optical elements，DOE）的透射或反射方式，將光纖陣列光束高效地合成為單個光束[20]，并具有高光束質(zhì)量、高亮度的特點(diǎn)，如圖6 所示。這種結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生激光的遠(yuǎn)場旁瓣，可以使PIB 達(dá)到最大，但耐強(qiáng)光DOE 的制備技術(shù)復(fù)雜，而且調(diào)試工作相當(dāng)繁重。

圖6 DOE 相干合成光路示意圖Fig.6 Schematic diagram of DOE coherent synthesis optical path

1.3.3 分布式增益

該技術(shù)利用折射率匹配液環(huán)繞薄片激光增益介質(zhì)，如圖7 所示，采用了通用原子公司DGL 專利技術(shù)[21]。該方案的技術(shù)特點(diǎn)為：綜合片狀固體激光和液體激光的優(yōu)勢，并采用折射率匹配液冷卻，激光損耗低、效率高；激光頭結(jié)構(gòu)簡單緊湊，在系統(tǒng)體積、重量方面具有較大優(yōu)勢，易于實(shí)現(xiàn)小型化。缺點(diǎn)是：該系統(tǒng)所需的耐強(qiáng)光、低吸收、高導(dǎo)熱、低粘性的折射率匹配液制備難度大；冷卻流場的設(shè)計、加工和裝配難度大[22]，熱管理系統(tǒng)復(fù)雜、技術(shù)難度高；YLF 激光材料生長和加工難度大（晶體較脆）；液體存在熱致光學(xué)畸變[23]，腔內(nèi)光束質(zhì)量控制難度大。

圖7 HELLADS 激光器諧振腔Fig.7 HELLADS laser resonator

1.3.4 DPAL

DPAL 是三能級結(jié)構(gòu)，其增益介質(zhì)主要是K、Rb 和Cs 元素，由于激發(fā)態(tài)與上能級間隔很小，使得堿金屬原子激光躍遷有高于95.3%的量子效率[24]。文獻(xiàn)[25]也給出了幾種量子效率較高的固體激光器，而DPAL 波長均位于大氣窗口內(nèi)，更適用于大氣傳輸。與固體光纖激光器相比，DPAL的量子效率高，從而熱負(fù)載低，可降低熱處理的復(fù)雜性；氣體增益介質(zhì)均勻性高，可使光束質(zhì)量接近衍射極限，并可通過介質(zhì)流動來減輕熱效應(yīng)；非線性效應(yīng)和光學(xué)損傷影響弱，能通過簡單增加介質(zhì)體積和泵浦源數(shù)量來進(jìn)行激光功率的定標(biāo)放大。與氧碘化學(xué)激光器相比，DPAL 增益介質(zhì)無毒、無危險，而且運(yùn)行時無需龐大的引射器，故系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、體積緊湊而且無安全保障需求。最重要的是，DPAL 連續(xù)出光時間長，對于激光武器的實(shí)戰(zhàn)化具有重要價值。但在實(shí)現(xiàn)高功率輸出上，將面臨泵浦源線寬壓窄及譜線匹配、鏡面污染等潛在的工程技術(shù)挑戰(zhàn)。

2 HELSI 計劃進(jìn)展

2.1 光譜合成

洛·馬公司的光譜合成技術(shù)，在光束質(zhì)量退化不大的情況下，能實(shí)現(xiàn)42%的電光轉(zhuǎn)換效率，而且技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡單，目前已成為戰(zhàn)術(shù)激光武器的首選作戰(zhàn)光源。

2019 年10 月14日，洛·馬公司表示：光譜合成技術(shù)將激光輸出功率由100 kW 提高到300 kW 是可行的，只要棱鏡能夠承受負(fù)載，電源和冷卻系統(tǒng)能夠支持負(fù)載，就可以合成更多的光纖激光器子模塊，從而獲得更高的激光功率；這只是一個工程問題，需要對空間和重量進(jìn)行權(quán)衡。

在HELSI 計劃中，洛·馬公司匯集從RELI 計劃、空軍“下一代緊湊環(huán)境中激光器進(jìn)步”（laser advancements for next-generation compact environments，LANCE）計劃和海軍“集成炫目和監(jiān)視功能的高能激光器”（high energy laser with integrated optical-dazzler and surveillance，HELIOS）計劃獲得的多年研究經(jīng)驗(yàn)。洛·馬公司于2014 年1 月28 日研制出30 kW 級RELI 光纖激光器；2017 年3 月完成60 kW 級RELI 激光器的研制，并交付陸軍集成在高能激光移動演示器上；2022 年2 月交付空軍50 kW的LANCE 激光器，顯著提升了激光器的體積功率比。2019 年底，洛·馬公司的系統(tǒng)方案通過HELSI計劃第一階段的關(guān)鍵設(shè)計審查；2022 年9 月15 日研制出300 kW 級激光器，比原計劃提前了15天[26]。

2.2 相干合成

在“聯(lián)合高功率固體激光器（JHPSSL）”計劃支持下，諾·格公司2009 年通過相控陣方式研制出105 kW 固體激光器，但該激光器體積巨大，效率只有20%左右，實(shí)際上并不能立即投入戰(zhàn)場使用。之后，諾·格公司率先轉(zhuǎn)向開展衍射相干合成技術(shù)研究。在RELI 計劃支持下，諾·格公司與麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室合作，于2012 年5 月實(shí)現(xiàn)1.9 kW的激光輸出；之后獲得了23 kW 的環(huán)圍功率，達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，進(jìn)入到RELI 計劃第二階段。

2015 年9 月 22日，美國海軍研究辦公室（office of naval research，ONR）啟動了150 kW 固體高能激光武器系統(tǒng)樣機(jī)（laser weapons system demonstrator，LWSD）計劃，最終目的是在測試軍艦上實(shí)現(xiàn)海上對無人機(jī)和密集小型快艇的打擊效果。在該計劃支持下，2019 年諾·格公司基于RELI 計劃成功完成LWSD 系統(tǒng)研制，并交付海軍開展艦載集成。2020 年5月，美國海軍在太平洋測試了LWSD系統(tǒng)的作戰(zhàn)性能，成功摧毀無人機(jī)。2021 年12月，在亞丁灣完成公里級漂浮目標(biāo)的攔截測試，并宣稱該系統(tǒng)可應(yīng)用于打擊無人駕駛的武裝快艇。在美國國防部HELSI 計劃支持下，2022 年7 月11號，諾·格公司完成300 kW 系統(tǒng)方案的初級設(shè)計評審[27]。

2.3 分布式增益

在HELLADS 計劃支持下，2015 年通用原子公司研制出了第三代75 kW 級DGL 模塊，功重比為4 kg/kW[28]；2016 年通過2 個模塊串聯(lián)形成150 kW級HELLADS 激光器，交付白沙導(dǎo)彈靶場，對軍事目標(biāo)進(jìn)行實(shí)彈打擊測試。2020 年研制的第七代DGL 模塊，封裝更加緊湊，并提高了光束質(zhì)量，如圖8 所示。

圖8 通用原子公司的高能激光器Fig.8 High energy laser of General Atoms Company

面對OSD 啟動的HELSI 計劃，以及陸軍HEL TVD 項(xiàng)目向300 kW 的調(diào)整計劃，2020 年10 月13日，通用原子公司與波音公司合作，參與陸軍HEL TVD 項(xiàng)目合同競標(biāo)。2021 年10 月25 日獲得陸軍快速能力和關(guān)鍵技術(shù)辦公室（rapid capabilities and critical technologies office，RCCTO）一份研發(fā)300 kW 固體激光武器的合同，以驗(yàn)證“DGL 技術(shù)在未來陸軍武器系統(tǒng)中使用的可行性”，如圖9 所示。目前尚未查到后續(xù)進(jìn)展。

圖9 通用原子300 kW 激光武器概念圖Fig.9 300 kW laser weapon concept of General Atoms

2.4 DPAL

美國空軍和MDA 均開展了高功率軍用DPAL研究。2009年，空軍研究實(shí)驗(yàn)室開展小規(guī)模創(chuàng)新型DPAL 激光器預(yù)研，希望研制出滿足飛行要求的200 kW 激光器；2010年，MDA 將DPAL 作為最具潛力的MW 級戰(zhàn)略反導(dǎo)光源，2013 年得到“定向能研究”計劃的經(jīng)費(fèi)支持。DPAL 在2012 年實(shí)現(xiàn)kW 級輸出；2014 年功率超過4 kW；2015 年功率突破10 kW；2016 年功率達(dá)到16 kW；2018 年功率達(dá)到30 kW，電光效率超過40%，光束質(zhì)量<1.5倍衍射極限；2019 年開始計劃完成下一代DPAL架構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證。目前尚未查到后續(xù)進(jìn)展。

3 后續(xù)影響

3.1 陸軍300 kW 樣機(jī)合同

300 kW 激光功率，是面向?qū)椃烙男枨箝撝?，對于下一代激光武器至關(guān)重要。2019 年10月，在美國國防部協(xié)調(diào)下，陸軍重新調(diào)整了HEL TVD 計劃。2023 年7 月21日，陸軍RCCTO 完成300 kW 級合同修改，經(jīng)費(fèi)由1.3 億美元增加到2.208 億美元[29-30]。2023 財年首付1.54 億美元，尾款將于2025 年10 月中旬提供[31-32]。在該計劃支持下，洛·馬公司將開發(fā)、集成、制造、測試和交付4 套武器系統(tǒng)，如圖10 所示，用于陸軍保護(hù)固定和半固定基礎(chǔ)設(shè)施防御火箭彈、火炮炮彈、迫擊炮彈（rockets,artillery and mortar，RAM）、無人機(jī)、直升機(jī)、固定翼飛機(jī)和巡航導(dǎo)彈等空中威脅。

圖10 洛·馬公司設(shè)計的300 kW 級HEL TVD 樣機(jī)Fig.10 300 kW HEL TVD prototype designed by Lockheed Martin

合同要求研制4 套武器樣機(jī)，以構(gòu)建陸軍1 個排級單位。合同內(nèi)容除高能激光器外，還涵蓋了光束控制、指揮控制及作戰(zhàn)管理、電力及熱管理等武器系統(tǒng)的各個單元，以及在車載戰(zhàn)術(shù)平臺的集成工作。另外，合同可能對武器樣機(jī)的光束質(zhì)量有嚴(yán)格限制，因此要求作戰(zhàn)光源的額定功率是300 kW、最小功率為250 kW。預(yù)計將于2024 年夏季交付首套樣機(jī)，2025 年10 月完成全部4 套樣機(jī)。一旦首套樣機(jī)完成，將進(jìn)行針對“軍事行動相關(guān)目標(biāo)”的實(shí)彈測試。

3.2 500 kW 激光器啟動研制

2023 年7 月28日，國防部研究與工程副部長辦公室授予洛·馬公司合同，進(jìn)入HELSI 計劃的第二階段，開始研發(fā)500 kW 級激光器[33-34]，如圖11所示。HELSI 計劃的這一階段旨在進(jìn)一步提高激光功率水平，同時實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的光束質(zhì)量，并優(yōu)化高能激光器的效率、尺寸、重量和體積。

圖11 洛·馬公司為HELSI 計劃設(shè)計的500 kW 級激光器Fig.11 500 kW laser designed by Lockheed Martin for HELSI

500 kW 級激光器將作為下一代戰(zhàn)術(shù)激光武器的作戰(zhàn)光源，洛·馬公司的技術(shù)路線仍然是光譜合成方案，并采用美國國防部模塊化開放系統(tǒng)方法標(biāo)準(zhǔn)，來確保系統(tǒng)的互操作性和多任務(wù)集成。洛·馬公司將結(jié)合從300 kW 系統(tǒng)中取得的成功經(jīng)驗(yàn)，和從傳統(tǒng)項(xiàng)目中吸取的教訓(xùn)。

3.3 MDA 高層認(rèn)識轉(zhuǎn)變

自里根總統(tǒng)提出戰(zhàn)略防御計劃之后，美國于1993 年啟動了機(jī)載激光ABL 計劃，并在2010 年成功攔截80 km 處的實(shí)彈導(dǎo)彈，在世界上引起廣泛的轟動。隨著電泵浦激光技術(shù)的發(fā)展，ABL 計劃下馬，之后MDA 提出“機(jī)載激光2.0”構(gòu)想。作為助推段彈道導(dǎo)彈攔截的后續(xù)研究計劃，作戰(zhàn)平臺為高空長航時無人機(jī)。該計劃得到時任五角大樓研究與工程主任邁克·格里芬(Mike Griffin）的大力支持。但因作戰(zhàn)光源技術(shù)挑戰(zhàn)太大、進(jìn)展緩慢，無法滿足MDA 的嚴(yán)苛要求。2020 年8 月18日，MDA 局長約翰·希爾（John Hill）海軍中將強(qiáng)調(diào)，雖然發(fā)展助推段階段的防御能力是MDA 既定方針，不過現(xiàn)階段存在激光器技術(shù)成熟度和作戰(zhàn)概念方面的限制[35]。

2022 年10月，拜登政府發(fā)布的《導(dǎo)彈防御評估》指出，鑒于不斷變化的威脅，美軍需要“非動能”選項(xiàng)[36]。美國國防部在過去幾年里加大了對高能激光武器和高功率微波武器的研發(fā)支持力度，以用于導(dǎo)彈和無人機(jī)的防御。隨著近年來定向能研究取得新進(jìn)展，MDA 又重新審視用于擊落敵方彈道導(dǎo)彈的定向能技術(shù)。2023 年3 月24日，MDA局長希爾提到定向能技術(shù)，如高功率連續(xù)波激光器、脈沖激光器或高功率微波，是MDA 值得探索的選項(xiàng)[37]。

2023 年8 月17日，MDA 執(zhí)行主任勞拉·德西蒙（Laura DeSimone）表示，在沉寂一段時間后，MDA對將激光定向能用于彈道導(dǎo)彈防御的潛力越來越樂觀，并表示MDA 更加重視開發(fā)針對敵方導(dǎo)彈的定向能武器系統(tǒng)。德西蒙解釋說：“我認(rèn)為MDA在過去幾年減弱了對激光武器的支持力度，部分原因是激光技術(shù)仍需進(jìn)一步成熟”，“它需要在目標(biāo)的毀傷功率水平上進(jìn)一步成熟，并減少尺寸、重量和功率要求[38-39]，以產(chǎn)生定向能效果” 。

4 結(jié)束語

目前激光定向能正處于“武器化”階段初期。為集中各軍兵種之力，統(tǒng)一規(guī)劃作戰(zhàn)光源的發(fā)展，美國國防部2019 年啟動了HELSI 計劃，來進(jìn)一步促進(jìn)作戰(zhàn)光源向更高功率、輕量緊湊化發(fā)展，使之更適合于戰(zhàn)場部署。HELSI 計劃制定了美國最新的國家級激光放大路線圖，明確了各階段的激光功率水平、尺寸、重量等多方面技術(shù)指標(biāo)，這類頂層規(guī)劃對我國相關(guān)行業(yè)發(fā)展具有一定啟示意義。在該計劃的支持下，洛·馬公司2022 年9 月中旬采用光譜合成技術(shù)方案，率先達(dá)到國防部HELSI 計劃第一階段指標(biāo)，提前實(shí)現(xiàn)300 kW 級的里程碑。300 kW 級HELSI 激光器的研制成功，使美陸軍繼續(xù)推進(jìn) 調(diào)整后 的HEL TVD項(xiàng)目。2023 年7 月21日，洛·馬公司獲得2.208 億美元合同，計劃于2025 年10 月完成4 套樣機(jī)，為陸軍構(gòu)建一個激光戰(zhàn)車排。其它國家，如英國、以色列作為美國的核心盟友，能直接利用美國作戰(zhàn)光源的研究成果；德國、法國作為美國的二線盟友，可采購IPG 等公司的工業(yè)級光纖激光器產(chǎn)品，再自行開發(fā)光束合成技術(shù)。而作為美國競爭對手的俄羅斯，因出口管制無法采購IPG 等公司的先進(jìn)產(chǎn)品，只能自力更生從頭研發(fā)。

300 kW 級激光器的研制成功，體現(xiàn)了光譜合成技術(shù)路線的潛力。2023 年7 月28日，洛·馬公司獲得500 kW 研制合同，率先進(jìn)入HELSI 計劃的第二階段。普遍認(rèn)識是，采用光譜合成方式進(jìn)行激光功率的定標(biāo)放大，受可用光源的譜寬、激光增益帶寬及熱耗散的限制，無法定標(biāo)放大到數(shù)百kW 至MW 級的功率。2018 年我方曾判斷，光譜合成光纖激光器雖然逐漸成為常規(guī)戰(zhàn)術(shù)激光武器的首選，不過150 kW 功率指標(biāo)可能是其一個技術(shù)極限；若輸出的激光束為線偏振光，可再通過偏振疊加的二級合成進(jìn)一步放大到300 kW。2020 年通用原子公司也認(rèn)為，300 kW 的激光功率水平，可能已達(dá)到光譜合成技術(shù)路線的上限[40]。

但光譜合成技術(shù)路線不斷突破，在完成300 kW光源研制后，目前又進(jìn)軍500 kW 光源的研制。光譜合成方式受限于合成子束路數(shù)，以及具有嚴(yán)格帶寬限制的子束功率[41]。此次定標(biāo)放大到500 kW功率，密集組束技術(shù)、子束功率必須實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步提高。在美國HELSI 計劃支持的光譜合成光纖激光器、分布式增益激光器、相干合成光纖激光器、二極管抽運(yùn)堿金屬激光器等4 種技術(shù)路線中，未來哪種激光器技術(shù)路線會走向戰(zhàn)場，需要從國家層面上組織相關(guān)技術(shù)專家加強(qiáng)先期論證，突破“技術(shù)迷霧”。