美海军舰载激光武器的发展现状*

廖龙文 冯锦玲 张夏彬

(63650部队科技信息中心 乌鲁木齐 841700)

美海军舰载激光武器的发展现状*

廖龙文 冯锦玲 张夏彬

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论文简要介绍了舰载激光武器的特点及其性能,重点探讨了美海军和国防部正在研究的三类主要的激光器：光纤固体激光器、板条固体激光器和自由电子激光器,并分析了发展舰载激光武器遇到的挑战,描述了美海军未来发展的总体构想,最后预测了舰载激光武器的发展前景。

舰载激光武器; 光纤固体激光器; 板条固体激光器; 自由电子激光器

Class Number E83

1 引言

现代海战中,反舰导弹已成为最主要的攻击武器,对水面舰艇的生存构成了巨大威胁。目前,导弹与反导导弹正在不断地相互推进发展,但总的趋势是新型反舰导弹越来越先进,具有掠海飞行、末端机动、难于探测等特点,对舰艇生存构成了严重的威胁,而现有的各种舰载反导系统又不能完全满足海战要求,因而,寻求新的防空手段迫在眉睫,舰载激光武器应运而生[1～2]。

美国国防部致力于发展军用高能激光武器已达数十载,能够打击1.6km以外某些水面和空中目标的激光器有望在未来几年内装载在海军水面舰船上。在随后的几年里美军将装载功率更大的舰载激光武器,从而使海军水面舰船具备对抗16km之外多种水面和空中目标的能力。这些功率更大的激光器还可能为海军水面舰船提供对抗某些弹道导弹的末端防御能力,包括对抗中国的新型反舰弹道导弹(ASBM)。

2 舰载激光器概述

2.1 舰载激光器的潜在优点和局限性

作为潜在的舰载武器,激光武器在对抗一些水面、空中和弹道导弹目标时具有某些潜在优点,如单发边际成本低、大容量弹仓、可实现多次快速打击、反击空中机动目标的能力、精确打击能力和降低对港区附带损伤的风险和其它用途,这些优点使其备受海军的关注[3]。当然它也存在一定的局限性,如视线有限;大气的吸收、散射和湍流,没有全天候解决方案;热晕效应;饱和攻击;对飞机和卫星造成附带损伤的风险等。

2.2 舰载激光潜在的打击目标

舰载激光潜在的打击目标包括：光电传感器,包括反舰导弹的光电传感器;小型舰队和其他船只;火箭、炮弹和迫击炮弹(有时候统称为RAM);无人机(UAV);飞机;反舰巡航导弹;弹道导弹,包括反舰弹道导弹。

当海军水面舰船离海岸很近时,必须防范来自小型舰船、火箭、炮弹和迫击炮的袭击。伊朗已经拥有了数只小型舰船,其用意是对抗美国海军舰船入驻波斯湾。火箭、炮弹和迫击炮弹武器在政府和非政府组织间广泛扩散。无人机(包括相对简单和便宜的模型)可以远距离搜集和传输海军舰船的数据,也可以俯冲而直接攻击海军舰船。反舰巡航导弹在国家间广泛扩散,也有报道称在2006年非政府真主党组织用它攻击了以色列的舰船。中国已经研制出了反舰弹道导弹。那些无法毁伤弹道导弹的激光武器,也能通过精确跟踪和成像增强弹道导弹的防御能力。

2.3 激光器对抗目标的功率水平要求

激光的目标损伤能力很大程度上取决于光束的功率和质量。光束功率以千瓦(kW)或兆瓦(MW)为单位,光束质量(BQ)用于衡量光束聚焦状况。

激光反各类目标所需功率大小,美国多部门各持己见。表1显示了海军两类观点、国防科学委员会(DSB)的观点和两个公司的观点。表中可以看出,各部门对光束质量和其他因素的假设不同,造成了各部门的不同观点[4]。

表1 激光反特定目标所需功率

表1总结了政府和工业界对激光器对抗特定目标所需功率的一些看法,尽管观点存在分歧,但是从表中可以得出以下结论：

1) 功率约10kW的激光器能够对抗一些短程无人机,特别是“软”式无人机(因其设计特点很容易被激光损伤)。

2) 10kW～100kW的激光器对抗无人机能力更强,还能对抗一些小型舰船。

3) 100kW的激光器对抗无人机和小型舰船的能力更胜一筹,还能对抗一些火箭、炮弹、迫击炮。

4) 几百千瓦级的激光器对抗上述目标能力更强,甚至可以对抗有人驾驶飞机和一些导弹。

5) 兆瓦级的激光器能对抗上述一切目标,包括超音速的反舰巡航导弹和弹道导弹(射程达到18.5km)。

除了上述几点外,一则海军简报还称超过300kW的激光器不仅可以保护自身舰船,还可以保护区域内的其它舰船。

2.4 海军和国防部正在研发的激光器

海军和国防部正发展三类主要的激光器：光纤固体激光器、板条固体激光器和自由电子激光器(FEL)。这三类激光器都是用电力驱动,发展概况如下。

1) 光纤固体激光器

光纤固体激光器被汽车、卡车制造业广泛应用于切割和焊接金属,因此,被认为是一项强大的技术。

(1)激光武器系统(LaWS)(参见图1)

激光武器系统是海军光纤固体激光器样机的一种,光束功率为33kW。海军已设想用激光武器系统摧毁或可逆干扰光电传感器,反无人机、光电控制的导弹和雷达跟踪。同时还设想把激光武器系统安装在舰船上面或直接装备到现有的近防武器系统内,为支持后一个方案,海军投资研究激光武器系统和近防武器系统的集成问题。

图1 激光武器系统样机

2013年4月9日,美海军利用激光武器系统在波斯湾区域进行试验,成功击落一架无人机(参见图2)。舰载激光武器系统可以自动跟踪、瞄准和打击空中目标,如飞机。海军希望进一步提升其能力,以打击某些导弹目标。舰载激光武器使用光纤激光,通过光束合成技术将功率提升到100kW级(2014年目标)。其最大的优势是低成本,每发成本小于1美元,这正是在目前资金紧张的情况下取得进展的最主要原因。此次试验选在波斯湾进行的目的,也正是在于向哈马斯、伊朗等敌对势力展示美国强大的军事科技能力。

图2 被击中的无人机燃起大火后坠毁

历时多年的发展,美海军宣称将于2014年在“庞塞号”运输舰上部署高能固体激光武器,此举是紧随于光纤激光武器在最近的试验中成功击落无人机的。

在激光武器真正意义上实现军事用途之前,海军仍需要改善高功率激光相结合、系统的效率和光束在大气中的远距离传播等方面的技术。随着技术飞速发展,激光武器的杀伤范围很广泛：从非致死致残和威慑直至目标的破坏。毫无疑问,它将很大程度改变现代海上战争模式。

(2)战术激光系统(TLS)(参见图3)

另外一种光纤固体激光器是战术激光系统,激光束功率为10kW,设计该系统的目的是将此激光器安装在诸多海军水面舰艇甲板上的Mk-3825毫米机枪上。战术激光系统将提升Mk-38机枪打击目标的能力,如对付小型船只;也可以协助精确跟踪目标。2008年1月伊朗小船事件促使海军开始研制战术激光系统。2011年3月,BAE与海军签订了价值280万美元的合同：在15个月内研发出战术激光系统样机。波音公司正与BAE合作此项目。2010财年国会为海军PE0603795N陆地攻击技术的研究与开发项目增拨了299.1万美元,要求海军提高Mk-38系统的作战性能,其中部分资金也用来发展战术激光系统。

图3 战术激光系统整合在Mk38机枪上的示意图

2012年3月26日新闻报道,波音公司定向能系统的副总裁Michael Rinn说：“该项目得到海军少量的经费支持,并以两家公司内部投资为补充,过去几年里项目已经取得一些进展”。去年夏天在佛罗里达州的埃格林空军基地对战术激光系统主要部件进行了现场测试,测试表明该系统昼夜都能识别友军和敌军的活动。报道还指出,该激光器的全系统测试定于2012年夏进行。

2) 板条固体激光器

国防部继续研发用于军事用途的板条固体激光器,其中包括海面激光武器演示样机(MLD)(参见图4),这是美国防部联合高功率固体激光器(JHPSSL)项目的演示项目。2009年3月,诺斯罗普·格鲁曼公司演示验证了由7个板条固体激光器(每个功率为15kW)组合而成的激光器,其发出的激光束功率约为105kW。

2010年7月,美海军在海军地面武器中心(NSWC)的港湾测试了海面激光武器演示样机在海洋环境中跟踪小船的能力;2010年8月下旬至9月初,在波多马克河水面的指定范围内测试了海面激光武器演示样机打击固定目标的能力,如具有代表性的小船;2010年11月,在海面上测试系统打击小船的能力,但由于需要替换系统部件,实验中途停止;2011年4月恢复了对系统的测试;2011年6月系统成功击中小型船舶。

将板条固体激光器功率放大到300kW不存在任何技术难题,支持发展板条固体激光器(如海面激光武器演示样机)的人认为,激光束功率最终可增至600kW。但通常认为板条固体激光器很难发展至兆瓦级功率。

3) 自由电子激光器(参见图5)

与板条固体激光器激光器(美国多个军种都在研发)不同,在国防部系统内仅海军在研发自由电子激光器,部分原因是自由电子激光器体积庞大而无法安装在陆军或海军陆战队地面车辆、空军战术飞机上,另一方面则是因为自由电子激光器可以根据大气传输的“甜点”改变自身波长,从而使自由电子激光器特别适合在海洋环境中作战。自由电子激光器的基本结构为其实现1兆瓦甚至更大功率水平提供了明确的可能性。

海军已经研发出了14.7kW的自由电子激光器,但没有进行过实验室外的试验,也没有攻击过移动目标。海军研究办公室(ONR)计划于2010～2015财年发展新型海军样机(INP)：100kW的自由电子激光器,目的是降低研发兆瓦级自由电子激光器的风险。然而,2011年3月26日一篇新闻报道指出：“海军不断推迟100kW自由电子激光器的研发,原因在于他们认为固体激光器是将定向能武器装备于舰队的最快方法,从而将重点放在固体激光器的研发上。”

2.5 存在的技术挑战

在军事激光器的研究中,海军和国防部解决了许多与舰载激光器研发有关的技术难题,但仍存在许多挑战[5～6]。发展潜在舰载激光器尚需攻克的技术挑战可分为以下四大类：

1) 在放大光束功率时,如何保持或提高光束质量和解决热管理问题(去除增益介质发出的余热);

2) 如何把样机和演示机转换成适合批量生产、安装于舰船并在舰船上操作维护的、能使用多年的激光器产品;

3) 如何设计激光武器系统的其他部分,包括目标探测与跟踪系统,以及光束瞄准系统;

4) 如何使激光器与舰船的动力、冷却和作战系统结合为整体(集传感器、计算机、显示器和武器于一体化的舰船)。

上述技术挑战都不能忽视。持怀疑态度的人可能会认为国防部过去对激光器的研发表现出了过于乐观的态度,国防部低估了一些技术难题,忽视了制造激光武器的困难。他们还指出,尽管研发工作已经进行了几十年,但至今国防部还未能部署可用于实战的高能激光武器系统。

自由电子激光器遇到的主要挑战是：如何将功率扩展至兆瓦级。海军研究局认为将自由电子激光器的功率从14kW放大到100kW,会使其下一步更容易放大到兆瓦级功率水平。对于固体激光器,其存在的主要技术挑战是热管理问题。激光武器系统支持者认为,许多与该系统投入战场有关的难题都已解决。

2.6 海军水面舰队发展舰载激光武器的总体构想

海军水面舰队发展舰载高能激光器的总体构想分为三个阶段,见表2[7]。尽管总体构想提到了特定功率水平的激光器和在海军舰船装载激光器的可能时间框架,但它不是产品型舰载激光器的采购计划,也不是发展舰载激光器的路线图(路线图要比总体构想具体得多)。

3 结语

针对当前、未来来自水面和空中的威胁,包括反舰巡航导弹和小型舰队,美海军正寻求发展多种定向能武器,为海上平台提供点防御能力。目前,舰载激光武器已经成功击落无人机,并完成了摧毁小型舰船的演示验证试验。随着技术的进一步提升,美海军坚信,在未来舰载激光武器可以拦截来袭的弹道导弹[8～10]。

在目前的预算情况下,美海军须制定一项更加明确的、经济上可以承受的战略,以明确其将研发何种激光器并将其装载于舰船或其它平台。鉴于这些考虑,美海军可能会终止自由电子激光器的研发,继续寻求发展光纤和板条固体激光器等短期内可应用于武器系统的激光器。

多方面证明,海军将成为三军中第一个部署定向能激光武器的军种,不仅仅是海军长期推进定向能技术的发展,另外因为舰船容易解决载重、热管理和电力等问题。但是,舰载激光武器在用于实战之前,必须解决新型舰船的设计、放大功率时如何保持或提高光束质量和各系统集成等问题。

表2 海军水面舰队发展舰载激光器的总体构想(2011年5月草案)

[1] 徐大伟.国外舰载激光武器的发展动向与分析[J].舰船电子工程,2012(1):7-9.

[2] 沈医文,陈建华,常国任,等.战术激光武器在水面舰艇反导中的应用研究[J].舰船电子工程,2007(3):51-54.

[3] Joung R. Cook, et al. The Navy’s High Energy Laser Weapon System. SPLE,1997,2988:264-271.

[4] Ronald O’Rourke. Navy Shipboard Lasers for Surface, Air, and Missile Defense: Background and Issues for Congress[C]//Congressional Research Service, August 2012.

[5] Ivan Ng. A free electron laser weapon for sea archer[D]. Naval Postgraduate School, December 2001.

[6] Gregory G. Allgaier. The shipboard employment of a free electron laser weapon system[D]. Naval Postgraduate School December,2003.

[7] Ronald O’Rourke. Navy Shipboard Lasers for Surface, Air, and Missile Defense: Background and Issues for Congress[C]//Congressional Research Service, March 2013, December 2003.

[8] Joung R. Cook, John R. Albertine. The navy’s high energy laser weapon system[C]//Proc. SPIE,1997,2988:264-271.

[9] 沈医文,陈建华,常国任,等.战术激光武器在水面舰艇反导中的应用研究[J].舰船电子工程,2007,3:51-54.

[10] 冯寒亮,韩锋,张平.美国海军舰载高能激光武器[J].激光与光电子学进展,2006,7:41-45.

Development Status of U.S Navy Shipboard Laser Weapon

LIAO Longwen FENG Jinling ZHANG Xiabin

(Science & Technology Information Center, No. 63650 Troops of PLA, Urumqi 841700)

The characteristics and performance of shipboard laser weapons are discussed, with focus on three types of lasers being developed by the U.S. Navy and Department of Defense: fiber solid-state lasers, slab solid-state lasers and free electron lasers. The challenges encountered during the development of shipboard laser weapons are analyzed, the overall concept of the future development of the U.S. Navy is described, and the prospects of shipboard laser weapons are predicted.

shipboard laser weapon, fiber solid-state laser, slab solid-state laser, free electron laser

2014年6月8日,

2014年7月15日

廖龙文,男,助理工程师,研究方向:情报研究。冯锦玲,女,副研究馆员,研究方向:激光。张夏彬,男,馆员,研究方向:情报研究。

E83

10.3969/j.issn1672-9730.2014.12.003