李 偉,余志鋒,鄧曉智

(國防科技大學電子對抗學院,安徽 合肥 230031)

1 引 言

美國自20世紀60年代開始進行激光武器的研發(fā),隨著國際形勢、科學技術(shù)以及作戰(zhàn)目標的改變,美國激光武器先后經(jīng)歷了戰(zhàn)略激光武器、機載彈道導彈防御武器階段。進入新世紀,尤其是2015年后,材料科學、能量控制和微電子等技術(shù)不斷取得突破,激光武器的作戰(zhàn)性能得到極大的提高,加之局部戰(zhàn)爭和武裝沖突中無人機、火箭彈、小型船只等小型戰(zhàn)術(shù)武器的頻繁運用,美軍迫切需要一種機動靈活的低功率戰(zhàn)術(shù)激光武器取代大功率激光武器執(zhí)行作戰(zhàn)任務[1]。

早在2000年,美國就成立了聯(lián)合高能激光技術(shù)辦公室,探索開發(fā)可供戰(zhàn)士在戰(zhàn)場上使用的激光武器系統(tǒng),《2017財年國防授權(quán)法案》中明確要求國防部改組成立聯(lián)合定向能轉(zhuǎn)化辦公室(HEL-JTO),加快美軍定向能能力的研發(fā)與部署,2019年更是任命專責官員負責定向能武器發(fā)展與演示驗證,陸軍、海軍和空軍研究實驗室相繼成立專門的定向能技術(shù)研發(fā)與采辦機構(gòu),民間智庫也相繼發(fā)布研究報告,對定向能武器開展研究。

目前,美國激光武器在技術(shù)研發(fā)、演示驗證、實戰(zhàn)部署中處于世界領(lǐng)先地位,車載、艦載、機載等多種激光武器設備試驗相繼獲得成功、陸續(xù)裝備部隊,本文系統(tǒng)總結(jié)了美國激光武器的發(fā)展建設機制、技術(shù)實現(xiàn)進展和演示驗證情況,并以此為基礎,分析預測了未來一段時間美國激光武器的發(fā)展策略及發(fā)展趨勢。

2 發(fā)展建設機制

2.1 國家層面的頂層戰(zhàn)略規(guī)劃

《國防戰(zhàn)略》、《關(guān)鍵與新興技術(shù)國家戰(zhàn)略》等文件是美國高能激光武器發(fā)展的頂層戰(zhàn)略規(guī)劃,它明確高能激光武器在國防科技中的地位。例如,根據(jù)2018年《國防戰(zhàn)略》,美國防部將激光武器等定向能列為僅次于高超聲速技術(shù)的高優(yōu)先級研發(fā)項目之一,采取多種措施重點推進;2020年10月15日,美國發(fā)布《關(guān)鍵與新興技術(shù)國家戰(zhàn)略》,明確國防科技工作重點技術(shù)領(lǐng)域,強化科技資源投入,加快技術(shù)創(chuàng)新應用。2022年2月,美國家科學技術(shù)委員會(NSTC)發(fā)布新版關(guān)鍵和新興技術(shù)清單,新增定向能技術(shù),將其作為核心技術(shù)大力發(fā)展。

2.2 組織層面的技術(shù)研發(fā)布局

2017年10月,美國成立定向能轉(zhuǎn)化辦公室,重點推進激光武器等裝備轉(zhuǎn)化工作。國防部下設的空軍部、海軍部、陸軍部、導彈防御局和高能激光武器聯(lián)合技術(shù)辦公室等[2]都設有專門的基礎理論研究、技術(shù)成果轉(zhuǎn)化、武器試驗驗證機構(gòu),各機構(gòu)彼此間相互配合,合作或各自開展激光武器研究項目。如反電子設備高功率微波先進導彈(CHAMP)項目,由美太平洋司令部提出需求,空軍研究實驗室(AFRL)牽頭規(guī)劃建設和能力評估,波音公司作為主承包商提供機載平臺和系統(tǒng)集成,雷神公司負責研發(fā)高功率微波載荷。

2.3 軍種層面的發(fā)展路線圖

各軍種制定的發(fā)展路線圖是美國高能激光武器發(fā)展的詳細規(guī)劃,它明確一段時間內(nèi)定向能武器和技術(shù)發(fā)展的具體路徑,如《陸軍定向能武器計劃:背景和呈國會問題》(2018)、《美國空軍路線圖—激光武器》(2018)、《定向能2060—對美國防部未來40年定向能技術(shù)展望》(2021)等。如在《定向能2060》報告[3]中,分析了當下定向能的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,預測了未來40年定向能技術(shù)發(fā)展水平和定向能武器應用狀態(tài),并指出為了保障美未來的定向能能力,美需要制定短期、中期和長期的國家戰(zhàn)略,同時應該在尺寸、重量和功率(SWAP)、自適應光學系統(tǒng)、激光器研發(fā)、與C4lSR系統(tǒng)集成等激光武器技術(shù)上加大研究力度,進而縮短定向能武器發(fā)現(xiàn)、鎖定、跟蹤、瞄準、交戰(zhàn)和評估的目標周期,實現(xiàn)真正意義上的“光速交戰(zhàn)”。

2.4 民間層面的智庫研究報告

作為美國國家安全議題領(lǐng)域的高端智庫“新美國安全中心”(CNAS)于2015年公布了《定向能武器前景與展望》報告,在其中為美國防部發(fā)展高能激光等定向能武器提供了多項建議:①制定并發(fā)布國防部范圍內(nèi)的定向能武器發(fā)展戰(zhàn)略計劃;②在國防部成立監(jiān)督機構(gòu);③提供充足的有效資源;④實戰(zhàn)部署最容易成功的系統(tǒng);⑤穩(wěn)扎穩(wěn)打,為長遠成功投資;⑥開展凈評估,并積極監(jiān)測國外定向能武器發(fā)展;⑦將定向能武器納入裝備整體體系中;⑧為定向能武器的快速應用提供系統(tǒng)支撐。

3 技術(shù)實現(xiàn)

3.1 激光器開發(fā)方面

美軍從化學激光武器的探索中得出結(jié)論,化學激光武器雖能實現(xiàn)高質(zhì)量的兆瓦級功率輸出,但體積質(zhì)量大、轉(zhuǎn)化效率低、機動能力差、使用成本高的劣勢不適于車載、艦載和星載等小型平臺,目前該類型激光武器正向小型化發(fā)展,呈現(xiàn)逐漸被固體激光器取代的趨勢。固態(tài)激光器作為新一代激光武器光源,采用全電工作,具有輸出功率大、能量高,體積小等優(yōu)點[4],尤其是光纖、板條激光器,性能尤為突出。美軍相繼展開的聯(lián)合高功率固體激光器(JHPSSL)、耐用電子激光器(RELI)、高能激光技術(shù)演示器(HELTD)都是針對固體激光器的研發(fā)。

3.2 光束控制系統(tǒng)方面

光束控制系統(tǒng)能夠在激光武器進行射擊時修正主機平臺晃動、大氣運動效應(如云、雨、霧、空氣密度的變化)、大氣效應(如熱暈、光束衍射、散射、大氣吸收、大氣湍流)對激光束穩(wěn)定傳輸?shù)挠绊憽！澳壳?美軍已經(jīng)解決了近海面稠密大氣、超聲速飛行激波等條件下的光束自適應控制問題[5]”,正在攻克激光高超聲速中的光束控制問題,相關(guān)項目包括先進的定位和交戰(zhàn)光束控制(ABLE)、高能自適應定向能系統(tǒng)(HADES)、SHiELD轉(zhuǎn)塔氣動效應研究(STRAFE)、光束控制和氣動效應研究和開發(fā)(BARD)項目等。

3.3 試驗及測試方面

試驗及測試是美國激光器研發(fā)的重點一環(huán),實驗室測試能夠提供大氣補償?shù)燃夹g(shù)問題的解決方案,現(xiàn)場測試能夠?qū)ξ淦鞯膽?zhàn)技術(shù)性能進行全面檢驗。一方面,美國在白沙導彈靶場、中國湖等武器試驗基地設置高能激光系統(tǒng)測試設施,進行全面的武器能量測試,另一方面,各軍種也在各自的試驗場進行激光武器的試驗驗證,如美空軍在阿諾德空軍基地開展定向能武器系統(tǒng)空氣動力學測試,美陸軍通過建設定向能系統(tǒng)集成實驗室,在尤馬試驗場測試等手段,加速激光武器技術(shù)融入作戰(zhàn)系統(tǒng),美海軍“波特蘭”號在亞丁灣測試艦載高能激光武器等。

4 各軍種研發(fā)進展情況

4.1 國防部下設機構(gòu)研發(fā)情況

美國防部是定向能技術(shù)發(fā)展的主要的論證、研發(fā)和采辦機構(gòu),其組織架構(gòu)完整,各下設部門任務分工明確,針對各自領(lǐng)域開展了專門的研究,其主要機構(gòu)開展的項目如表1所示。

表1 美國國防部各機構(gòu)激光武器研發(fā)情況

4.2 陸軍高能激光武器研發(fā)情況

陸軍激光項目繁雜、研究主體多、面臨的作戰(zhàn)環(huán)境也更加復雜,截至目前以開發(fā)出多種輸出功率的武器系統(tǒng)。2017～2021年,美陸軍計劃每年投入1700萬～3000萬美元分階段進行機動高功率固體激光器技術(shù)演示,以滿足高能激光武器的適應性和功能要求[6]。根據(jù)美陸軍戰(zhàn)術(shù)激光武器相關(guān)演示項目,目前陸基車載激光武器已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)在數(shù)秒內(nèi)對付10 km范圍內(nèi)的如火箭彈、炮彈、無人機等戰(zhàn)術(shù)飛行目標,相關(guān)項目如表2所示。

表2 美國陸軍激光武器研發(fā)情況

4.3 海軍高能激光武器研發(fā)情況

美海軍2016年起逐步制定了激光發(fā)展規(guī)劃,2021年啟用新的定向能系統(tǒng)集成實驗室等舉措加強激光武器研發(fā)。美軍艦載激光武器主要以固體激光器為主,用于艦艇近程防御。開展的重點項目有“海軍激光武器系統(tǒng)族”(NFLoS)和攔截反艦導彈用高能激光器(HELCAP)項目[7],二者共同為美軍未來艦載激光武器發(fā)展提供支撐。目前,美軍艦載激光武器已具備初始作戰(zhàn)能力,可實現(xiàn)近程(約4海里)消滅空中和水面目標的能力,未來可消滅10海里內(nèi)的威脅目標,相關(guān)情況如表3所示。

表3 美國海軍激光武器研發(fā)情況

4.4 空軍高能激光武器研發(fā)情況

機載中程激光武器(ABL)和先進戰(zhàn)術(shù)激光武器系統(tǒng)項目(ATL)項目使得美空軍在高能激光器技術(shù)、大氣補償技術(shù)、抖動控制等方面獲得了相當多的技術(shù)積累。目前,美軍正在此基礎上進行戰(zhàn)術(shù)機載激光武器的研發(fā)工作[8]。當前,圍繞武裝直升機、戰(zhàn)斗機的機載激光武器關(guān)鍵部件,如高能激光吊艙、集成系統(tǒng)、束控炮塔等都取得了一定的研發(fā)成果,相關(guān)項目如表4所示。

表4 美國空軍激光武器研發(fā)情況

4.5 太空軍高能激光武器研發(fā)情況

美國DARPA曾經(jīng)開展了“阿爾法”“大型光學演示實驗”“金爪”等計劃,驗證將天基激光武器系統(tǒng)搭載在大功率衛(wèi)星平臺上的可能。IFX計劃是21世紀美軍主要研發(fā)項目,預計2013年完成,項目計劃分為前中后三期,計劃將兆瓦級化學激光器衛(wèi)星發(fā)射至1300千米高空,攔截中段彈道導彈。目前,前中期工作已完成,現(xiàn)在正集中精力攻克關(guān)鍵技術(shù),準備在2015年后研制天基演示器。美國科研局設想未來天基激光武器要想在軌運行,需要達到激光波長2.7 μm,功率5～10 MW,軌道高度為800～1000 km且能連續(xù)發(fā)光200～500 s。

5 未來展望

5.1 通過架構(gòu)設計實現(xiàn)高功率能量輸出

當前,美國發(fā)展的激光光源中,化學激光器由于各種缺陷難以部署列裝進行戰(zhàn)術(shù)應用,自由電子激光器存在電光轉(zhuǎn)化效率低、后勤保障要求高等缺點,板條和薄片激光器系統(tǒng)熱管理、大功率輸出難以保持高質(zhì)量光束的問題還未得到徹底解決,光纖激光器熱管理簡單、電光效率高、單纖光束質(zhì)量高,美國在以固體光纖交給我為發(fā)展重點的基礎上,期望通過運用系統(tǒng)觀念、體系架構(gòu)設計,從光譜合成的角度提高激光武器輸出功率[9]。比如,2022年9月,洛克希德·馬丁公司向美國防部交付300 kW級HELSI激光器,就采用“光譜光束組合架構(gòu)”,將幾個不同波長的激光發(fā)射器輸出疊加在一起,形成一個單一光束,是當前輸出功率最高的實戰(zhàn)化強激光武器。

5.2 以艦載平臺為重點平臺實現(xiàn)防空反導能力突破

相比于空基和陸基平臺,艦載平臺具有良好的適裝性,現(xiàn)役的大型水面艦艇能為激光武器提供足夠的電源功率、安裝空間和制冷能力,具有較好的信息保障能力,可根據(jù)任務需求靈活選擇激光器類型。艦載平臺良好的通視性也方便了激光武器的作戰(zhàn)使用,海上環(huán)境特點為抑制激光的熱暈效應起到了天然冷卻劑用,海上相對較弱的大氣湍流更有利于激光束的傳輸。海軍激光武器系統(tǒng)(LaWs)是美國國防部首次部署并批準用于作戰(zhàn)的激光武器,該型激光武器較好地彌補了艦艇防空反導體系的短板,為應對低價值、非對稱目標提供低成本、軟硬傷兼?zhèn)?、可持續(xù)作戰(zhàn)的隱蔽攻擊手段。美2023財年預算將劃撥3550萬美元作為激光武器系統(tǒng)族(NFLoS)專項資金,加快艦載激光武器發(fā)展。未來,在“弗吉尼亞”級攻擊核潛艇和下一代主力驅(qū)逐艦DDG(x)上裝備300～600 kW級的高能激光武器系統(tǒng)的計劃也將取得突破。預計2025年后,美海軍將實現(xiàn)裝備1 MW級的高能激光武器,具有應對20 km范圍內(nèi)的光電傳感器、小型船只、炮彈、無人機、反艦導彈、彈道導彈襲擾的能力。

5.3 以戰(zhàn)術(shù)激光武器為階段重點逐步實現(xiàn)戰(zhàn)略突破

如果說冷戰(zhàn)期間“星球爭霸”中美國定向能武器的發(fā)展計劃是為了拖垮戰(zhàn)略對手蘇聯(lián),那么當前美定向能武器的發(fā)展則更加強調(diào)實戰(zhàn),注重夯實基礎、穩(wěn)扎穩(wěn)打、不斷升級,以戰(zhàn)術(shù)激光武器應對靈活的戰(zhàn)術(shù)目標為基礎,逐步提升能力,直至實現(xiàn)戰(zhàn)略突破[10]。根據(jù)美陸軍定向能武器發(fā)展路線圖,美陸軍激光武器階段發(fā)展目標首先是降低武器系統(tǒng)重量,提高精度和功率,然后實現(xiàn)攔截無人機、炮彈等集群目標,最后實現(xiàn)摧毀來襲的巡航導彈、武裝直升機和攻擊機的能力。下一步計劃是發(fā)展100～250 kW與“毒刺”導彈組合的防空反導激光武器。陸軍計劃在2021財年裝備50～100 kW功率的大功率車載激光武器,2024年前實現(xiàn)300 kW樣機演示,力爭在2030年實現(xiàn)集成到綜合性武器的計劃,并適時發(fā)展旋翼機激光武器。

美機載激光武器采取先進行運輸機試驗后對體積質(zhì)量縮減再裝配至戰(zhàn)斗機,先進行地面武器系統(tǒng)試驗后再考慮進行空中試驗的思路進行發(fā)展,最終的發(fā)展目標是實現(xiàn)戰(zhàn)斗機、直升機、無人機、AC-130、B-1B、C-130等大型平臺部署激光武器,執(zhí)行反恐作戰(zhàn)、攔截導彈、進行空戰(zhàn)、對地攻擊、無人機搭載空地精確打擊等作戰(zhàn)任務。根據(jù)美空軍定向能武器發(fā)展路線圖,到2025年,第四代和第五代飛機將會裝備100 kW級高能激光器,具備可挫敗中等程度齊射地空導彈的飛機自我防衛(wèi)和空對空作戰(zhàn)能力,在中等距離范圍內(nèi),可擊毀來襲導彈和飛機、空對地作戰(zhàn)任務中精確攻擊中等程度的硬目標。2029年以后,在F-35及第六代飛機上配備300 kW以上級別高能激光器,實現(xiàn)擊毀超視距的飛機,擊落遠距離飛行中的硬目標,擊毀地面硬目標的能力。