高能激光武器发展态势

李怡勇，王建华，李 智

(中国人民解放军装备学院， 北京 101416)



【专家特稿】

高能激光武器发展态势

李怡勇，王建华，李 智

(中国人民解放军装备学院， 北京 101416)

高能激光武器在防空反导、信息对抗、精确打击等方面具有革命性的应用潜力，目前正处于由技术突破向作战应用蜕变的转折期。以战术级应用为目标，系统分析高能激光武器的发展态势，指出其作战应用需求与发展现状，以及走向实战化应用的发展瓶颈与可能的解决途径，为武器系统的需求论证、技术发展和应用研究提供参考。

高能激光武器；技术发展；战术应用

高能激光武器利用定向发射的高功率激光束直接杀伤目标或使之失效，具有传输速度快、命中精度高、抗电磁干扰、能多次重复使用、效费比高、作战方案灵活[1]等优点，被认为具有使传统武器系统发生革命的应用潜力，并可能改变战争的概念和战术。

近年来，随着固体激光器、光纤激光器等小型化、实用性新一代高能激光器的快速发展，具有战术应用潜力的、发射功率在数万瓦至几十万瓦的战术高能激光武器如雨后春笋般井喷式出现，成为当前研究的热点，并多次获得试验成功，极大地增强了军事界和工业界的兴趣和信心。可以说，高能激光武器的战术级应用日益临近，目前正处于由技术突破向实战应用蜕变的历史转折期，在未来5～10年内有望在战场上广泛部署与使用。

1 高能激光武器作战应用需求

1.1 需求分析

除了与指挥控制系统等连接外，高能激光武器主要由高能激光器和光束定向器两大硬件构成。其中光束定向器又由大口径发射分系统、探测跟踪及精密瞄准分系统构成，大气层内使用时还需要校正激光大气畸变的自适应光学分系统等。高能激光武器可以在飞机、舰船、车辆、卫星等多种“平台”进行部署和使用。其战术层面的作战应用主要考虑在地面、海上或空中实施近程防御(或进攻)作战，对抗目标包括飞行中的火箭弹、炮弹、迫击炮弹(Rocket,Artillery and Mortars，RAM)及无人机、战术导弹、高超声速飞行器、战斗机(用于空中格斗)、橡皮艇、战车甚至单兵等。由于这类目标在战场上广泛存在，且是近程防御作战的主要任务，因此对快速发展中的高能激光武器提出了巨大的应用需求。据此，从以下几个方面分析战术高能激光武器的作战应用需求。

1) 确定合适的作战任务。在战术应用中，由于要防御目标(如我方军事要地、舰船、飞机等)遭受威胁程度的变化和不同，对抗的主要目标也会有所差异。以研制时间较长的美国海军激光武器系统(LaWS)为例，在2007年系统开始研制时，其作战目标是迫击炮弹(RAM)；之后随着无人机威胁的日益增大，其主要作战任务转变为反无人机[2]。另一方面，相比RAM、战术导弹、战斗机等金属外壳的高速目标而言，采用复合材料蒙皮、飞行速度较低的无人机往往更容易被激光武器拦截击毁。所以，以激光束软、硬杀伤方式反无人机几乎成为目前高能激光武器战术应用的主流任务。按照目前的无人机分类(见表1)[3]，除部分高空长航时战略无人机飞行高度达到万米以上，其它无人机均在9 km 以下的中低空飞行。所以，战术用激光武器的有效射程选为10 km 左右是非常实用的，当然，考虑激光武器的技术水平，该指标可以适当降低(如5～6km )或提高(十几km 或几十km )。具有代表性的是美海军计划分三个阶段实现舰载激光武器部署：近期(2017年前)重点发展60～150 kW光纤和板条固体激光器，主要在近距防御作战(约1.6 km )中打击光电传感器、小型舰船、无人机、火箭弹等目标；中期(2022年前)发展300～500 kW固体激光武器，增强作战距离，具备16 km 级拦截水面及空中目标能力；远期(2025年后)发展兆瓦级自由电子激光武器，具备摧毁超声速巡航导弹和弹道导弹能力[4]。

2) 毁伤目标的火力水平。通常以到达目标的激光功率密度或/和能量密度超过目标材料的破坏阈值作为设计目标，确定激光武器的毁伤能力、有效射程和系统指标等关键参数。对于常用的平面聚焦束和高斯聚焦束，确定激光在目标上的远场功率密度W的公式为：

(1)

式中，激光器输出功率为P、发射口径为D、射程为L、激光波长为λ、光束质量因子为β，而r表示光斑半径，η表示大气透过率，不同大气环境下取值不同。需要注意的是，不应忽视对能量密度的分析，尤其是考虑动态环境下作战时，会存在有效射击时间窗口、射击点稳定瞄准等制约项。

3) 目标探测跟踪瞄准能力。目前激光武器对千米以外目标的打击基本都是基于自动装置的跟踪瞄准式“边看边打”模式，因此，具有与火力水平适配的目标探测跟踪瞄准能力是正常发挥激光武器作战效能的必然要求。主要体现为：探测跟踪距离要大于有效射程，探测跟踪的环境适应性要优于激光传输的环境适应性，探测跟踪的目标类型应包括能打击毁伤的所有目标类型，跟瞄精度要满足毁伤目标的能量密度要求。

表1 无人机分类

4) 战场环境适应性。战场环境往往包括自然环境、电磁环境和对抗环境等。激光武器应尽量选择合适的激光波长、工作体制，适应不同地(海、空)域、季节、气象等自然条件；同时实现武器系统的集成化、小型化和可维护性，降低保障要求，提高系统的可靠性、机动性和对抗中的灵活性、生存能力。

通过对以上几个方面的分析，可初步支撑激光武器系统的作战适应性、作战效能和体系贡献度等作战应用的核心问题，为后续系统设计、研制、试验和使用奠定基础。

1.2 主要指标

表2列出了部分代表性高能激光武器系统主要技术指标。这些论证主要以设想的典型作战场景和目标为出发点，考虑对目标的软/硬毁伤能力要求和近期技术水平，设计激光器波长、激光器功率、光束质量、跟瞄精度等系统参数，获得系统的有效射程。从有效射程看，与上述10 km 左右的实用射程还存在一些差距，但可以应对一些低、慢、小的近短程无人机或类似目标。

表2 高能激光武器系统主要技术指标

2 战术级高能激光武器发展现状

近年来，世界强国对激光与典型靶材/目标的相互作用开展了大量研究，在高能激光器、光束定向器、自适应光学系统以及武器承载平台等关键技术上取得了重大突破，发展了多种万瓦级高能激光武器试验验证系统，在射击试验中多次成功击落或击毁无人机、炮弹、火箭弹、导弹、车辆等战术目标，为高能激光武器的实战应用奠定了坚实的技术基础[6]。

表3列出了近年来试验的主要高能激光武器项目。此外，美空军在新一代(相比机载战术激光器—ATL而言)机载激光系统方面也开展了航空自适应光束控制系统(ABC)、F-35战斗机上集成激光系统模块、AC-130J“幽灵骑士”炮艇上加装激光武器等多个项目研究。还有消息称，美军将在“复仇者”无人机上安装固态激光武器，并计划在2017年前进行测试[7]。据2016年报道，美国空军研究实验室刚为空军制定了三个阶段的激光武器路线图(见图1)[8]。

图1 美空军研究实验室提出的激光武器路线图[8]

综上可见，现有高能激光技术和样机系统已经十分接近战术层面广泛应用的现实需求，已步入应用前“最后一公里”的阶段。主要体现为：

1) 关键技术指标接近实用。在激光器发射功率、有效作用距离等影响作战效能的关键技术指标上已实现万瓦、千米的试验水平，与实际应用需求相比已处于同一量级。多个样机系统在试验中成功演示了发射万瓦或几万瓦的高功率激光束，在数秒时间内、近距离(3～4 km)失能或摧毁无人机、火箭弹等战术目标，初步展现了实战应用的可能。

2) 新型激光光源更加实用。虽然传统的化学激光器能够实现更高的输出功率，但存在体积大、重量重和维护复杂等固有缺陷。面向战术应用的新一代高能激光武器彻底抛弃了传统的化学激光器，普遍选择采用电能源的固体/光纤激光器，能够在更高的集成度情况下实现对炮弹、火箭弹、导弹、无人机、橡皮艇、战车等目标的有效杀伤，而且便于保障维护。

3) 武器系统集成度更高。目前，多个样机系统已实现单车级集成，克服了早期高能激光系统集成度低、规模庞大、操作使用复杂、机动生存能力差等缺陷，初步展示了战场机动条件下对抗的能力。针对车辆、舰船、飞机等不同承载平台及使用环境，已经或正在开发与之适应的激光武器，进行系统集成与试验。

4) 战场环境适应性进一步加强。战场环境千变万化是制约激光武器实战应用的重要因素之一。目前部分样机系统开展了这方面的适应性试验，在复杂气象等环境条件下经受了试验考验。如美国10 kW的HEL MD样机，在新墨西哥州的白沙导弹靶场(2013年)和佛罗里达州的埃格林空军基地(2014年)的不同季节和气象环境(见图2)下进行了多轮次的打靶试验，共拦截了超过150个不同类型的空中目标(包括60 mm 迫击炮弹和无人机)。

表3 近年来试验的主要高能激光武器项目

续表(表3)

图2 HEL TD在恶劣天气下进行试验[10]

3 高能激光武器实战化应用的发展趋势

战术型高能激光武器走向实战化应用过程中，其研究方向和发展趋势为：

1) 进一步获得稳定可靠的高能激光源

激光源是激光武器的核心，为获得万瓦级以上高能激光源，世界各国科学家先后开发了CO2气体激光器、化学激光器、固体和光纤激光器，并正在大力发展电子激光器。目前，第三代固体(含光纤)激光器已实现稳定的万瓦级输出和集成，是近期战术应用的主流选择，已在试验中展示了应对火箭弹、无人机、橡皮艇、战车等近、慢、小目标威胁的技术潜力，在要点防卫(如要地防空)、系统(如舰船、航空器、航天器等)自卫和近火攻击等方面具有应用前景。要实现射程10 km 左右的实用作战能力，还需提升激光器的发射功率至100 kW甚至更高，并与其他分系统集成，可靠、稳定、灵活工作。

2) 研发更加紧凑的激光武器系统

现有高能激光武器已经在万瓦级功率上实现单车级集成，需要在进一步提高光源功率的同时控制或优化武器系统的集成度，使之更加紧凑。近年来，美国国防高级研究计划局(DARPA)的“圣剑”(Excalibur)和“闪电”(Flash)项目均采用光纤激光阵列[19]，目标是研发出现有激光武器重量十分之一的、更为紧凑的激光武器系统，质量功率比为2 kg/kW，耗能不超过100 kW/m2。

3) 进一步提升不同战场环境下的作战适应性

温湿度、云雾、雨雪、风沙、光照等环境条件的变化，制约着激光武器实战化的有效应用。在系统设计研制中充分考虑环境条件的影响，研发采用适用性强的技术，是促使高能激光武器走向实战应用的重要措施。目前，美陆军通过HEL TD项目初步检验了不同季节、昼夜、沙尘、浓雾及风雨等环境条件下应用的可能性；美DARPA通过Excalibur样机验证了“超快优化算法”，有效“冻结”了大气扰动，通过亚毫秒量级的校正速度实现考虑大气湍流因素的完美修正；美海军正大力发展波长可调的自由电子激光武器，以适应特殊海洋环境的不利影响；空中和太空平台可以尽量避免大气环境的影响，但也面临着能源供应、质量与体积限制、振动等特殊环境的不利影响。

4) 研究先进探测跟踪与光束控制新方法

采用光学探测器的激光武器，容易受目标与背景亮度、气象等条件影响，尤其在攻击数千米以外的远距离目标时，严重影响对目标的探测跟踪。适应复杂战场环境的先进探测跟踪方法和跟踪系统一直是激光武器研究的重点内容之一。2012年12月，美国洛·马公司ADAM系统打击海上橡皮艇目标的试验中，依靠自身的红外跟踪系统迅速锁定了海面上的橡皮艇目标，并在激光对目标照射的过程中，使得激光一直瞄准和照射在橡皮艇的一个点上而没有受到海浪的影响。2013年初，洛克希德·马丁公司启动了“航空自适应光束控制系统”(ABC)炮台的研发，完成了数十次飞行测试，可为安装在近声速飞行的战机上的高能激光武器系统提供360°的视野[20]。另外，跟踪瞄准精度是影响激光武器系统火力水平的重要因素，由于是角度误差，对以单位面积计算的到靶功率/能量密度而言，具有平方的关系。因此，需要在动态对抗环境下，保持系统的跟踪瞄准精度和对抗效能。

5) 研究高能激光武器与特殊平台的集成应用

针对高能激光武器与战机等特殊平台的集成应用问题，洛克希德·马丁公司于2015年10月5日透露，该公司正研究在F-35战斗机上集成激光系统模块。2016年，美空军科学顾问委员会的“快速察看”研究将聚焦空军在空中平台上加装激光武器的项目，评估在AC-130J“幽灵骑士”炮艇上加装激光武器的可行性[21]；同年，美空军研究实验室(AFRL)主任马谢洛少将称：“我们已经把精力完全转移到固态和电子激光器上，期望在未来5年把中等功率的激光器原型集成到机载吊舱中，配装到战斗机等高性能作战飞机上进行飞行验证。这将有助于技术的进一步成熟，并最终为战斗机的大小空中平台配装中等或高功率等级激光武器奠定基础”[22]。

6) 需要考虑与现有弹、炮等火力系统的综合应用

导弹可以通过自旋或加固对抗激光攻击，串行工作的激光武器很难应对多目标密集来袭的场景。激光武器作为一种新概念的武器系统，其缺点与优势共存，不能寄望其解决对抗中的所有问题。高能激光武器应作为现有的战术对抗系统(如舰载弹炮防御系统)的有力补充，形成弹、炮、激光等结合的综合对抗体系，共同完成作战使命任务。若要充分体现激光武器的体系贡献度[23]，需要从这一命题中寻找合适的答案。

4 结束语

激光武器被认为是有可能改变战争样式的一类新概念武器。在半个世纪技术发展的基础上，万瓦级高能激光武器即将迈入实战化战术应用阶段。激光武器一旦实现战场部署，必将发挥巨大的作战效能。为此，我国应加紧对高能激光光源、先进探测跟踪与光束控制、与多种平台的系统集成等关键技术攻关，加快高能激光系统的技术验证与应用研究，缩短技术武器化的生成周期，抢占高技术武器发展与应用的先机。

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[22]袁成.美空军研究实验室主任谈可改变游戏规则的技术[EB/OL].[2016-05-11].http://www.dsti.net/Information/News/99630.

[23]李怡勇,李智,管清波,等.武器装备体系贡献度评估刍议与示例[J].装备学院学报,2015,26(4):5-10.

(责任编辑 周江川)

Development Situation of High-Energy Laser Weapons

LI Yi-yong, WANG Jian-hua, LI Zhi

(Academy of Equipment of PLA, Beijing 101416, China)

HEL weapons can be used widely in future air defend and anti-missile, information warfare and precision strike. Now, it is the important turning time from technology to operation for HEL weapons. Considering its tactical application, the development situation is analyzed carefully. Based on the analysis, its application demand and development status, tactical application limitations and possible way are discussed. This contribution would be useful for demand argumentation, technology development and operation research of HEL weapons.

high-energy laser (HEL) weapon; technology development; tactical application

2016-12-26；

2017-01-25

国家863计划项目(2015AAXXX6102)

李怡勇(1982—)，男，本刊审稿专家，博士，主要从事空间安全技术与应用研究。

10.11809/scbgxb2017.06.001

format:LI Yi-yong, WANG Jian-hua, LI Zhi.Development Situation of High-Energy Laser Weapons[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(6):1-6.

TJ95

A

2096-2304(2017)06-0001-06

本文引用格式：李怡勇，王建华，李智.高能激光武器发展态势[J].兵器装备工程学报，2017(6):1-6.