高功率激光武器进展与启示

杨剑波,宗思光,陈利斐

(海军工程大学电子工程学院,湖北 武汉 430033)

1 引 言

新世纪以来,强敌国家主要针对中俄为代表的新生势力,谋划“第三次抵消”装备战略,大力发展激光武器、微波武器、电磁炮等为代表的新概念高能武器。高能武器呈现出快速发展的趋势,颠覆了几百年来使用火药发射弹丸的作用机理,已成为先进国家抢占军事科技领域制高点的标志性技术之一。其中,高能激光武器是利用激光束直接毁伤目标或使之失效的定向能武器,具有能量集中、传输速度快、作用距离远、命中精度高、转移火力快、抗电磁干扰、能多次重复使用和效费比高等优点。

随着高功率固态激光器技术突破和输出功率的提高,高能激光武器系统装备进程明显加快,美陆海空三军频繁针对各自的高能激光武器项目开展演示验证,突出体现在舰载AN/SEQ-3激光武器系统等开展了实战环境下的演示验证,以及陆、海、空等平台诸多激光武器系统计划的出台和推进,在不久可预计的将来,实战化武器装备将步入战场。本文梳理分析了近年来国外高能激光器、高能激光武器系统和集成演示论证的现状,总结和展望了高能激光武器未来发展的前景。

2 高能激光器研究现状

2.1 化学激光器

氟化氘(DF)和化学氧碘(COIL)是目前化学激光器的两种典型应用代表。美国研制的DF和HF化学激光武器,其输出功率分别达到2.2 MW和5 MW,达到了迄今为止激光武器级别中的最高水平。化学激光器虽然能达到兆瓦级的高功率输出目标,但是由于其存在体积大、产生有毒气体和系统集成困难等一系列的问题,绝大多数飞机平台无法满足其负载要求,发展前景堪忧。美军的机载激光武器(ABL)项目就采用了COIL激光器,但最终于2011年因技术难题而终止了该项目[1]。

2.2 固体激光器

美国在固体激光光源方面,先后开展了板条激光器、薄片激光器、光纤激光器等多种技术方向的探索研究,取得了突破性进展,在功率输出上冠绝群雄；德国以光纤激光为重点,取得了较好进展；中国起步较晚,重点主要放在板条和光纤两方面,加速追赶,进展显著。

2.2.1 板条激光器

板条激光器采用薄板状结构增益介质,激光激射在增益介质长度方向,沿“Z”字型光路传输,由此实现高功率、高能量连续脉冲激光输出,光束质量优良。在联合高功率固体激光器计划(JHPSSL)支持下,美国诺格公司和达信公司分别采用“主振荡放大+7路相干合束”和“多介质串接+单谐振腔输出”技术方案,先后于2009年和2010年实现了100 kW激光输出,前者光束质量约7倍衍射极限,后者光束质量较差[2-3]。国内方面,2018年中国工程物理研究院应用电子学研究所采用分段掺杂板条获得20 kW激光输出[4]；2019年中国科学院理化技术研究所采用常规大尺寸板条在低温深冷条件下获得60 kW激光输出[5]。

2.2.2 薄片激光器

薄片激光器的增益介质为片状结构,散热和激光传输均在增益介质厚度方向,因散热路劲段、通光孔径达,可实现提高功率、高能量的连续或脉冲激光输出。在RELI计划支持下,2012年美国波音公司采用“多片串接+单谐振腔输出”技术路线,实现了30 kW左右输出。美通用原子公司-航空系统公司采用浸入式液冷薄片技术(分布式增益激光技术,国内称浸入式液冷激光),2010年实现了单模块60 kW功率输出,2015年实现了两模块150 kW功率输出,但光束质量和电光效率不高[6]。

2.2.3 光纤激光器

光纤激光器以可柔性操作的掺杂光纤作为增益介质,光束质量优良、电光效率高(约40 %),易于散热、可靠性高、适装性强。美国利弗莫尔实验室的J.W.Dawson在不同条件下做了模拟计算,得到结果:单光纤掺镱光纤激光器所能达到的极限输出功率为36.6 kW[7],这就意味着需要通过相干/偏振/光谱/色谱/空间等多种合成方式来实现更高功率输出。美国IPG公司基于同带泵浦技术和分布式侧面耦合技术,于2009年和2012年分别实现单纤单模9.6 kW和20 kW(目前国际上单纤最高功率,远未达到36.6 kW上限)的光纤激光输出[8-9]。表1为自2015年以来国内外(除美国外)全光纤结构激光振荡器和主振荡功率放大(MOPA)结构全光纤激光器的最新研究情况汇总表[10-11]。美雷声公司和洛马公司分别采用“6路单纤宽谱激光空间合束”、“近百路单纤窄谱激光光谱合束”技术方案,分别于2009年和2014年实现30 kW左右功率输出。洛马公司于2017年实现了60 kW级光纤光谱合成光源样机；2019年实现了150 kW级激光输出[12]。

表1 2015年后高功率掺镱光纤激光器研究现状

2.3 自由电子激光器

相比于传统的激光器,自由电子激光(FEL)的产生无需增益介质,仅与电子束的能量和波荡器有关,具有频谱范围广(厘米至软X射线波长范围)、频率可连续调谐、光束质量好等优点。FEL技术因其远超于固态激光器的波长调谐能力,具有适应不同海上环境大气传播窗口的功能,成为美海军关注的重点。在过去的十多年中,各个国家均加大了对X射线自由电子激光的投入和支持力度,使其短时间内得到迅猛发展,在物理、化学、生命科学、材料科学等领域发挥了重要的作用。表2为国际上具有代表性FEL装置汇总表[13]。然而目前满足武器功率要求的自由电子激光器装置系统复杂,在体积、重量和功耗方面,对比固体激光器仍不具备优势,且存在对后勤保障要求高等劣势,加之美海军造舰计划的确定,使得美军高能激光器技术研发重点往固体激光器倾斜。

表2 国际上代表性FEL装置

3 国外高能激光武器系统发展现状

3.1 美国空军

空基激光武器方面,美空军以机载激光反导系统(ABL)项目为基础,先后牵引出先进战术激光器项目(ATL)、联合高能固体激光器项目(JHPSSL)等一系列项目研究与验证,在激光器技术、光束控制等方面取得的进展成果推动了新型机载激光武器的研发与应用。2019年10月,美空军首个高能激光武器系统(HELWS)被派遣到海外进行为期一年的战场测试,进入实地评估阶段。高功率、小体积、高光束质量、高光电转换率的板条或光纤固体激光器是机载激光武器领域重点关注的主要技术,但因机载环境固有特性限制,距离实战化应用还有一定距离。目前开展的项目包括自防御高能激光演示样机(SHIELD)、紧凑型高能激光子系统工程评估(CHELSEA)计划等。SHIELD项目以战术喷气式战斗机为装载平台,采用光纤激光器吊舱式独立结构,但对于F-22这类第5代战机的隐身性能会造成一定影响。表3为2018年版美国空军研究实验室(AFRL)机载激光武器发展路线图[14]。

表3 2018年版AFRL机载激光武器发展路线图

3.2 美国陆军

美陆军发展的激光武器是一种移动式陆基防空和导弹防御系统,旨在完成反巡航导弹、无人机、火箭弹和炮弹等威胁的全方位防御任务。洛马公司已交付美陆军60 kW级激光器,正在演示验证100 kW级激光器武器样机；2019年6月,经美国防部批准第一台地面激光器紧凑型激光武器系统(CLAWS)投入海军陆战队使用,进入实战测试；2020年1月,美陆军修改已有合同,保证间接火力保护能力-高能激光(IFPC-HEL)计划顺利实施,着手研发250～300 kW的激光武器,发展反巡航导弹的激光防御能力。表4为美陆军目前正在开展的高能激光项目[15]。

3.3 美国海军

海基激光武器方面,美海军充分利用国防部和工业界在固态激光技术的研究成果,积极推动高能固态激光武器上舰部署,取得了很大进展,完成了激光武器系统(LaWs)、海上激光演示(MLD)项目和战术激光系统(TLS)等样机的集成验证试验,为低功率致盲型激光武器(ODIN)正式列装部队打下了坚实基础。依据美海军激光武器研发路劲规划显示,美海军正在开展的项目包括:固态激光技术成熟化项目(SSL-TM)、增强型高能激光项目(RHEL)、海军光学眩目拦截器项目(ODIN)、集成光学眩晕与监视的高能激光项目(HELIOS)、拦截反舰导弹的高能激光项目(HELCAP)等,其中前四项被称为“海军激光系统家族”(NFLOS)。HELIOS也叫海军水面舰艇激光武器系统(SNLWS)增量1,NFLOS和HELCAP项目成果将用于支持SNLWS增量2和增量3的研发[15]。

3.4 德 国

德国莱茵金属公司和欧洲导弹集团(MBDA)德国公司为德国激光武器研制的核心机构,得到了德国联邦国防军的大力支持,充分利用商用现成光纤激光器,研制各自的高能激光器验证机。2019年8月,两者宣布,将以德海军K130护卫舰为搭载平台,共同为德海军研制高能舰载激光武器样机。2014年1月,德国莱茵金属公司防务公司50 kW“空中卫士”防空高能激光武器系统成功通过了靶场测试；2016年,完成了10 kW级光纤激光武器的上舰测试[16]；2020年11月26日,宣布将对20 kW激光武器样机进行海试；该公司目前正在研发功率为100 kW的激光武器,有望在未来3到5年内推向市场。

3.5 俄罗斯

俄罗斯继承了前苏联在高能激光项目的技术和唯一遗产A-60飞机载兆瓦级CO2激光器,2020年3月报道,俄罗斯别里耶夫设计局(Beriev)推出了基于伊尔-76MD-90A大型运输机改装的A-60激光武器载机并已申请专利。俄罗斯在控制激光束质量和使激光束通过大气层传输等方面处于世界领先水平。2018年3月,俄罗斯总统普京披露了Peresvet移动式高能激光武器系统。2019年12月,首个配备Avangard导弹和Peresvet激光武器的俄罗斯军团执行了战斗任务,Peresvet激光武器就是用来执行陆基机动式战略导弹系统在阵地地域的战斗值班任务。2019年2月,俄罗斯电子控股公司研制的Filin 5P-42的激光视觉干扰武器装备,已成功交付到俄海军的“戈尔什科夫”号和“卡萨托诺夫”号导弹护卫舰,每艘护卫舰都装备了两套系统。

4 国外高能激光武器集成演示验证状况

20世纪60年代,世界上第一台激光器问世以来,美国、德国、以色列、俄罗斯等国积极开展二氧化碳、化学高能激光武器技术,并取得了积极进展。21世纪后,美、德等国将研究重点转向固体激光及其武器化技术,在固体激光光源、系统集成验证方面达到了世界领先水平。表5～表7分别汇总了国外目前正在实施的空基[1,14,17]、陆基[15,17-18]、海基[15-17,19-20]高能激光武器项目集成演示论证状况。

表5 空基高能激光武器集成演示论证状况

表6 陆基高能激光武器集成演示论证状况

表7 海基高能激光武器集成演示论证状况

5 外军高能激光武器发展启示

结合高能激光器研究现状,从近几年国外空基、陆基、海基高能激光武器项目研发进展来看,呈现出以下几种趋势。

5.1 固体激光器是各国高能激光器重点发展倾斜对象

从美国机载激光武器项目试验论证过程中,化学激光器输出功率早已达到了战术兆瓦级的输出目标,但由于其体积、污染问题、机动性及相关技术难题,逐步让步于固态激光器。固态激光器因此得到了飞速发展,目前实现100 kW激光输出的激光器技术路线主要是板条、浸入式液冷薄片、和光纤激光器。梳理国内外固体激光器各种技术路线,结合相关技术特点,可以得出:光纤激光技术因其高效率、高可靠性及高光束质量特点,在200 kW以下功率输出等级内,更占优势；但因其材料强度及对光束质量要求,可能难以满足300 kW以上高功率激光输出的战术任务要求；而以板条为代表的块状固体激光器的兆瓦级输出功率关键技术已获得突破,是目前实现兆瓦级功率输出的最佳选择[6]。

5.2 舰载平台是激光武器系统重点发展平台

相比于空基(机载)和陆基(车载)平台,舰载平台具有良好的适装性,现役的大型水面舰艇(美海军“波特兰”号两栖登录舰已搭载150 kW激光武器进行海上测试验证)能为激光武器提供足够的电源功率、安装空间和制冷能力,且具有较好的自防御能力和信息保障能力,可根据任务需求灵活选择激光器类型。较好的环境适用性是舰载平台另一大特点,良好的通视性方便了激光武器的作战使用,海上环境特点为抑制激光的热晕效应起到了天然冷却剂作用,海上相对较弱的大气湍流更有利于激光束的传输。自2019年美海军已开展电力“能量库”计划的相关研究,旨在解决制约舰艇发展的能量系统技术瓶颈问题,为定向能武器等高能任务系统的提供电力的同时,保护能量系统及平台其他系统不受任务系统产生的脉冲的影响,舰艇综合电力系统正逐步走向实战舞台[29]。舰载激光武器的成熟度相对较高,极有可能率先舰载实装,促进舰艇综合电力系统技术进步,两者的相互结合,将极大地促进舰载能量系统的利用效率,起到“倍增器”的作用。其次,舰载激光武器可以很好地弥补舰艇防空反导体系的短板,填补高超声速、大仰角俯冲目标拦截手段空白,为应对低价值、非对称目标提供低成本、软硬杀伤兼备、可持续作战的隐蔽攻击手段。

5.3 战术激光武器是激光武器系统应用研究方向的转变

随着美国引领的世界军事变革和装备技术的发展,使得美国在技术领域相比于其他国家虽优势依然显著,但在核心技术和杀手锏武器装备上不再一家垄断,百花齐放。纵观美国的发展历史,从美苏冷战到苏联解体,美军失去唯一军事抗衡敌手,成就世界军事霸主地位；从海湾战争到伊拉克战争,美军意识到用先进的武器装备来支撑打赢高技术条件下局部战争；从“空海一体战”到第三次“抵消战略”的提出,美国根据国际形势、安全环境和国家军事利益不断调整战略重心,把高能激光武器系统研发的重点由战略激光武器逐步向应对灵活的战术目标为主的战术激光武器转变。高能激光武器的主要战术目标就是精确制导武器,不妨大胆设想:如果光束能量足够大、光束质量足够好,那么来袭数量对于高能激光武器就不是问题,反导问题有望被解决,制导武器将会失去作战意义,对抗天平将会彻底失衡,影响战争走向。

5.4 跨领域深度合作是激光武器系统技术走向成熟的必经之路

从世界各国高能激光武器研究现状来看,存在各军工企业研究成果相对分散,优势领域不同的现象。以美国正在发展的SHIELD项目为例,其气动集成吊舱子系统由波音公司负责,光束控制子系统由诺格公司负责,高能激光子系统由洛马公司负责研制,集大家之所长,美国走的是共同合作研发的模式[14]。高能激光武器系统研究本就是一个复杂且庞大的系统工程,涉及到光学、热力学、图像处理等多个基础学科,同时还涉及了光束控制器、传感器和转塔等多个核心元器件,需要从国家层面,集结相关优势学科的科研院所和具备研发条件基础的军工企业,进行跨领域深度合作来,来促进激光武器系统技术走向成熟,否则独木难支,很难迈向世界前沿技术。

5.5 创新驱动是促进激光武器系统走向实战化的推手

创新驱动的核心要素就是科技创新,而基础研究是整个科学体系的源头,是所有技术问题的“总开关”,是技术进步的先行官。习近平总书记指出:“我国面临的很多‘卡脖子’技术问题,根子是基础理论研究跟不上,源头和底层的东西没有搞清楚”。俄罗斯就十分注重基础理论研究,其在控制激光束质量和使激光束通过大气层传输等方面处于世界领先水平。同时推动科技成果转化也是重要一环,基础研究的重大突破,也需要转换,才能形成生产力,以激光器发展为例,从20世纪60年代第一台激光器诞生至今,经历了多种形式,固态激光器的出现,弥补了化学激光器在体积、重量和环保的缺点,自由电子激光器更是因其频率可连续调谐、光束质量好等优点在高科技领域发展的风生水起。其次,人才驱动是创新驱动的实质,只有创新人才队伍建设,加大创新项目研究和攻关力度,燃起基础理论研究主力军的高校院所对高精尖技术的研究热情和创新动力,才能稳步推进激光武器系统走向实战化。