以色列机载激光武器发展及试飞特点研究

杜梓冰,汤恒仁,刘 琨,陈珊珊

(1.中国飞行试验研究院,陕西 西安 710089；2.航空工业信息中心,北京 100029)

1 引 言

自激光器诞生以来,世界各国都寻求其在军事上的应用[1-2],美国从20世纪60年代开始发展了“激光武器空中实验室(Airborne Laser Laboratory,ALL)”、“机载激光武器(Airborne Laser,ABL)”等项目,并基于NKC-135A、B-747等大飞机平台进行了演示验证试飞,并击落了导弹和靶机,证明了机载激光武器的可行性,大力推动了机载激光器、光束控制、气动光学、靶标建设、项目管理等方面的进步[2],同时对全世界机载激光武器的发展都有引领作用,前苏联也基于伊尔-76MD-90E进行了演示验证试飞[2]。

飞行试验是验证关键技术可行性、提高技术成熟度的重要手段,是科技创新的基础保障,是驱动原始创新的重要动力,是新型武器发展的关键里程碑。相比于美国、前苏联基于大型飞机进行演示验证试飞,以色列2021年6月基于赛斯纳-208B型小飞机开展了机载激光武器的飞行试验[3],并击落了无人机、巡飞弹,展示了其全系统的先进性,带来了新的发展思路,对世界范围内的机载激光武器的发展有重要的意义,有必要对其进行研究。

本文对以色列机载激光武器发展驱动因素、发展情况、演示验证技术特点等进行研究,分析其启示。

2 以色列激光武器发展需求

军事需求和技术的进步是推动武器装备发展的两大主要动力。就当今国际形势而言,以色列是国际上军事冲突最为频繁的国家之一,但其国土面积小、人口少,国防压力本就巨大,而近年来周边武装力量的火箭弹饱和攻击、蜂群无人机集群作战等新的作战样式加剧了作战压力,急需先进的武器装备[4-6],故而以色列在激光武器等新质作战力量发展方面比较迅速。

2.1 高效费比的防空反导作战需求

以色列国土狭长、缺乏战略纵深、面积小,一直受到周边伊朗、叙利亚、巴勒斯坦的火箭弹、飞机、弹道导弹以及巡航导弹的严重威胁,为此在美国的帮助下研发了“铁穹”近程防空系统、“大卫投石索”中近程防空系统、“箭-2”与“箭-3”中远程防空系统所组成的三层区域防空反导防御系统,能够在未来应对几乎所有类型的导弹威胁,其中“铁穹”系统主要用于防御距离7～50km内的火箭弹[4-6],但难以应对火箭弹饱和攻击。

作战能力方面,2001年以来,以色列北部黎巴嫩真主党和西部巴勒斯坦哈马斯武装即使用火箭弹和迫击炮等对以色列城镇、重要地区进行袭扰,而2006年以后这些力量开始使用廉价火箭弹进行饱和攻击[4],对以色列进行消耗,给以色列造成重大影响,典型的如2021年5月,哈马斯向以色列无差别倾泻大量低成本火箭弹,用1750枚火箭弹将以色列“铁穹”防空系统打到瘫痪。

作战压力方面,哈马斯等武装组织的火箭弹威力小、性能差,“铁穹”有效防守概率仅80 %～90 %,其他军事强国的火箭弹性能更优,以色列未来防空反导作战面临的压力更大。

费效比方面,哈马斯武装组织自制的火箭费用极低,大部分仅数千美元[4-6],而铁穹反导防御系统所使用的塔迈尔(Tamir)拦截弹的造价,即使是按照最低价来算,也超过了35000 美元[4-6],其他中远程导弹更加昂贵,可见“铁穹”在防御火箭弹饱和攻击方面效费比极低。

附带损伤方面,哈马斯等武装力量专挑以色列城市和重点区域进攻,由于火箭弹饱和攻击的数量大,虽然防空系统成功拦截概率在80 %～90 %[5],但仍会有大量火箭弹落入城区,产生较大的损伤,而城区上空即使拦截成功,其产生的碎片也会带来一些附带损伤。

综合来看,以色列常规防空反导系统作战能力有极限、未来面对先进武器的饱和攻击压力较大,同时附带损伤大,更重要的是效费比低,故而以色列急需发展新的防空力量,以色列较早地认识到这些问题,在21世纪初即研究激光武器在防空领域的应用。

2.2 无人机集群拒止作战的需求

当前无人机已成为空袭、空战的重要法宝,对传统军事行动和作战理念产生了重大的影响,如2020年的那卡冲突,充分展示了无人机在近代战争中的作用[7]。而随着电子信息、人工智能的发展,世界各国不仅大力研发“捕食者”、“全球鹰”、“神经元”、“雷神”、“彩虹”等大型无人机,同时还争相发展各式各样的“蜂群”无人机系统,典型如美国诞生了“小精灵(Gremlins)”、“低成本无人机集群技术(LOCUST)”、“进攻性蜂群战术(OFFSET)”、“灰山鹑(Perdix)”等集群无人机项目[8],这些是现代先进技术和未来战争需求共同推动催生的新型作战力量,是世界各军事强国争先发展的前沿装备,这类无人机利用数量大、个头小、费用低等特点,采取与火箭弹饱和攻击一样的思路进行攻击,但由于其内蕴含的自主、智能算法,会产生极其庞大的战术战法组合,随机变化能力强,防空导弹防御集群无人机的难度将远远大于防御火箭弹的难度,效费比将更低,急需新的武器装备去防御,近年来高能激光武器、高功率微波武器成为反无人机的重要发展方向[9]。

3 以色列激光武器的发展

20世纪70年代,美国和前苏联分别依托NKC-135A加油机、B-747客机、伊尔-76MD-90E开始机载激光武器试验机建设并完成靶试验证[2,10-12]。进入21世纪,美国空军先后启动了“先进战术激光武器系统”项目,战斗机挂载激光武器吊舱的“自防御高能激光演示器(SHIELD)计划”。受到美、苏的启发和压力,以色列、德国、俄罗斯、韩国、土耳其等国也纷纷投入巨资开展激光武器的研究[1-2,13-15]。以色列发展较快,在20世纪90年代初与美国曾合作研制出“鹦鹉螺”氟化氘化学激光武器试验系统,2006年又与美国合作开发“天空卫士(skyguard)”氧碘化学激光武器试验系统,本世纪初开展机载激光武器的论证,其中拉斐尔公司、埃尔比特公司是其研究主力。

拉斐尔公司在2014年新加坡航展上展示了车载双千瓦级固态激光武器原型系统——“铁光束(Iron Beam)”,其射程约7 km,照射4 s即可毁伤导弹、无人机。又在2020年演示了“无人机穹(Drone Dome)”激光反无人机系统[16],演示在多种作战场景下探测、识别、攻击各种无人机。

通过持续的研究,以色列认为高能激光具备低发射成本、低附带损伤、高效率等显著特点,可用于未来拦截无人机、制导火箭等各种威胁,有望成为抵挡饱和攻击的重要基石,故以色列国防部在2020年与艾尔比特和拉斐尔两家公司合作,计划在三个方面研发高能激光武器[16]:一是可野战部署的陆基激光武器,补充“铁穹”系统,建立最底层防御,增强以色列近程防空能力；另外一种是地面车载激光武器系统,可用于保护机动部队；还有一种是空中机载平台激光武器系统,通过无人机搭载飞行,由于克服了地面激光武器容易受大气影响的缺陷,可快速、大范围应对云层上方的导弹威胁。但由于激光武器作用距离暂时较近,暂不能取代以色列现有的三层导弹防御系统,而是计划将各个系统相结合,形成互补,减少使用导弹拦截器的数量[16]。一旦三项计划研发成功,基于激光武器的防空系统建成后将对以色列国防产生战略性变革,对周边国家和武装力量的装备发展、进攻策略产生较大影响。

4 以色列机载激光武器演示验证试飞分析

凭借以色列科技创新体系持续的研究,其机载激光武器进步迅速。据以色列《耶路撒冷邮报》等报道,在以色列国防部武器和技术基础设施发展管理局(MAFAT)的支持下,以色列艾尔比特系统公司和以空军在2021年6月在海上开展了机载高能激光武器演示样机系统(HPL-WS)的试飞,系统组成如图1～3所示,载机是民用赛斯纳208B飞机,击落了大约1km远的“蓝鸟”无人靶机、“Sky Striker”巡飞弹[3],成为继美国、前苏联后第三个开展全系统机载激光武器飞行试验的国家。据以色列国防部介绍,本次试验对不同距离、不同高度的无人机都进行了拦截(如图4所示),该系统可以为以色列防空提供至关重要的防御能力,标志着“以色列防空能力的战略性改变”[3]。

图1 赛斯纳208B试验载机Fig.1 Cessna 208B platform

图2 安装在机身侧面的搜索跟踪瞄准系统(ATP)Fig.2 ATP installed on the side of the fuselage

图3 试验机内部设备与控制系统Fig.3 Internal equipment and control system

图4 击落的无人靶机Fig.4 The target UAV shot down

美国通过ALL、ABL等项目的飞行试验,建立了比较完善的机载激光武器飞行试验技术体系,主要包括激光武器系统设计技术、试验机总体设计技术、复杂系统集成改装技术、试验设计技术、测试测量技术、靶标建设技术等。相比于美国、前苏联使用大型飞机开展演示验证试飞,以色列本次使用的是小型民机,意义重大,在试验的各个方面都有鲜明特点,对其进行详细分析。

4.1 激光武器系统技术特点分析

激光武器系统一般由激光光源、目标搜索跟踪系统、作战指挥、供电等多个系统组成[1],以色列本次试飞是全系统级试验,包含上述全部系统。

系统重量分析:赛斯纳208 B载重约2005 kg,以色列本次试验机上有3名技术人员、1名飞行员,从视频中推断体重约80 kg左右,而激光器主要安装在飞机中后部,考虑到重心调配等因素,分析可知本次激光武器系统总重不超过1.5 t。图5所示为赛斯纳208B下舱门尺寸。

图5 赛斯纳208B下舱门尺寸Fig.5 The size of Cessna 208′slower door

激光光源类型分析:从激光武器发展可知,化学激光器等体积较大,自由电子激光器技术成熟度低,而光纤激光器相对具有体积小、质量轻、技术成熟度高等优点[2,10],结合本次系统重量、作用距离等分析可知以色列本次使用的是光纤激光器。同时,本次试验是以色列远期100 kW激光武器第一阶段的部分试验,故发射功率较低,另外综合从体积、重量、发射口径、毁伤效果、毁伤距离等因素分析,本次试验的激光武器功率约10 kW左右。

目标搜索跟踪系统分析:美国ABL项目试飞中,机上采用了360°视场红外探测系统为激光武器进行粗跟踪[11],再由激光武器跟瞄系统进行精细跟踪并发射激光,而从以色列公布视频来看,塞斯纳上没有雷达、光电转塔等常规跟踪设备,激光武器前端无其他传感器,采取图6的人工操控跟瞄系统进行搜索、跟踪。另外,该跟瞄系统安装位置原为赛斯纳208B的左边下舱门,在安装时未更改原机结构,通过对同型号飞机进行测量,该舱门长127 cm、高60 cm,分析可知以色列本次试验发射口径约60 cm,体积较小。

图6 目标跟踪瞄准画面Fig.6 Target tracking and aiming screen

作战管理系统分析:作战管理系统是机载激光武器的关键组成,主要作战任务规划和指令,以及引导信息接入,并控制整个武器系统完成各项作战任务[1]。以色列本次试验的作战管理系统位于图3所示的机舱内,3名技术人员操作使用部分。

供电能力分析:机载激光武器是一种高耗能武器,对用电需求较大。赛斯纳208 B采用PT6A-114发动机,对外供电为28 V直流电,总电量约8.4 kW,除飞机自身用电外,剩余用电仅4 kW,不满足激光武器极高的用电量使用要求,据此推断以色列本次试飞全部利用储能电池供电,其使用模式是飞行前地面充电,从侧面也证明其储能电池性能较佳。

4.2 试验机设计与改装技术分析

机载激光武器系统试验系统庞大,在试验机的设计过程中,一方面要考虑安装激光武器系统之外的配套支架、线缆、控制系统、测试设备、监控设备等,同时要考虑改装对于试验机气动、结构、重心的影响以确保安全,还需要考虑技术技术人员工作空间等,因此对试验机整体设计能力、改装能力要求较高。

以色列本次使用的赛斯纳208系列飞机是美国赛斯纳飞机公司研制的单发涡轮螺旋桨式多用途轻型通用飞机,使用普拉特-惠特尼公司PT6A-114发动机,机长11.45 m,机高4.53 m,翼展15.87 m,航时6 h,最大巡航速度341 km/h,升限7224,最大可用载重2005 kg,该型飞机载重小、速度低,但技术成熟、性能可靠,在全世界通航领域使用广泛,衍生了多个型号。

以色列本次试验具有“麻雀虽小五脏俱全”的特点,因此相比于美国使用NKC-135A加油机、B-747运输机等大型飞机而言,试验机的设计、改装难度更大,对相关设备的小型化、改装技术的先进性要求较高。

赛斯纳208B飞机是经过适航审定的民用飞机,对其改装受适航限制,而以色列本次未见明显的外形结构改变,而且从飞机上喷涂的“EXPERMENTAL”来看,该飞机是艾尔比特专用飞行试验载机,有比较成熟的改装经验,对试验机改装和适航要求比较清楚。

4.3 试验设计技术分析

综合分析以色列激光武器的发展,其试验的基本思路是“分步试验、循序渐进”,先解决有无,再逐步完善,没有采用ABL项目“求大求全”、“一步到位”的思路。在此思路下,以色列设计了“先陆基再空基、先分项再整体、先低功率再高功率”的整体试验规划。

以色列从20世纪90年代开始与美国先后合作进行了陆基“鹦鹉螺”、“天空卫士”激光武器试验系统,此次是在陆基试验的技术、经验基础上进行的。

以色列在2020年专门进行了气动光学方面的试验,突破了大气畸变、衰减等对高能激光能量传输的影响,提高了技术成熟度,使得本次试验能够在影响较大的海面上空进行。

以色列对机载激光武器规划了近、远期规划,远期规划是在B-747同级别大小的运输机上试验100千瓦级激光武器,试验成熟后转为型号应用,本次试验仅是其第一阶段的一部分,主要进行基本原理、可行性的验证。

在飞行试验中,以色列还设计了不同的目标、态势,对不同高度、不同距离的无人靶机、巡飞弹进行跟瞄、攻击[3],试验科目设计比较科学,初步验证了机载激光武器对不同目标的攻击能力,但相比于美国而言,其科目设置仍较少,距全面验证激光武器系统性能仍有差距,预计后续将持续开展不同科目的试飞。

4.4 测试测量技术分析

美国机载激光武器试飞中,有比较全面的载机测试、靶标测试、地面监测等,尤其激光能量、光斑是测试的核心。以色列本次试飞,在地面、空中有对载机、靶机的外部测试,地面有实时接收机上遥测下传数据进行监控的手段和大量人员,但靶机上没有激光能量和光斑监测设备,因此无法对大气中激光能量传输的变化进行定量的分析,这对下一步具体发展不利。从其体系化发展规划分析,以色列下一步将有持续性、测试测量更充分的试飞。

4.5 靶标建设技术分析

美国机载激光武器试飞进行了多种科目的试飞,采用了无人机、真实导弹等不同靶标做不同科目的配试目标,在出光试验、全系统试验中,靶标上一般加装了靶斑仪,对激光能量、光斑形状进行监测,而以色列本次未在靶机上加装相关设备,直接使用原状态的靶机。

4.6 工业技术体系支撑分析

激光武器系统庞大,涉及复杂的机、电设备,以色列本次在小型塞斯纳208B飞机内安装完整武器系统,表明其各系统体积小、效率高、制造工艺水平高,满足激光武器对光学器件、火控解算、光束控制的精密要求。以色列本次不仅仅是完成了小型飞机上的机载激光武器试飞,更是向世界展示了其激光武器系统各个方面的先进技术、工艺,以及合理的管理体系,是其整个工业体系先进性的表现。这也启示其他国家,机载激光武器系统的发展不仅仅是激光器的发展,而是整个系统各个方面的统一发展。

小结:以色列本次试飞采用光纤体制激光器,发射口径约60 cm,功率约10 kW左右,利用储能电池供电,是先进的设计、完善的制造工艺体系、先进的试验技术体系相结合的产物,但试验处于初级阶段,作用与ABL项目低功率替代跟瞄试飞、光束控制试飞相当,主要解决大系统闭环验证、跟瞄和光束控制,缺少激光能量的定量测量与分析,对激光大气传输效应缺乏有效的证明,预计后续会有持续性飞行试验。

5 发展启示

激光武器研发中应适时开展演示验证试飞。激光武器是一个强调系统性的工程活动,单独激光器或电源的先进并不能保证整个系统的先进和可用,而各个系统在实验室、地面无论多先进,不能整体上机就无法证明其系统的先进性,只有上机集成才能充分的验证系统能力、暴露缺陷,机载激光武器的研发应当在适当的时机开展上机飞行试验。

机载激光武器飞行试验并非全部要大型载机。机载激光武器应适时开展飞行试验,但一直以来,各国一直受到美国、前苏联的影响,认为必须使用大型运输机开展机载激光武器的飞行试验,而大型飞机昂贵、数量少、难以调拨使用,导致机载激光武器的试飞一直受限,以色列的飞行试验证明采用小型飞机也可以进行机载激光武器的飞行试验,使用小飞机,周期短、改装快、失败的影响小,综合来看,效费比高,对于项目初期低功率替代试飞的使用有利。而世界上介于B-747、比赛斯纳208B之间的飞机平台较多,这给机载激光武器试验的选择空间较大。

新技术试飞验证应采取逐步完善的策略,避免“一步到位”思维。虽然机载激光武器应适时开展演示验证试飞,但应避免如ABL项目那样在技术成熟度不够的时候采用“一步到位”的试飞思路,导致目标、指标太高而难以实现。而以色列采取逐步完善的思路,先用小功率激光器进行初步的演示验证,不仅提升了技术成熟度、增加了工程经验,大幅降低技术风险、进度风险和项目成败的风险,同时还提升了管理部门、科研部门的信心,对后续发展较为有利。

飞行试验关注的是解决主要问题而不是全部问题。以色列本次试飞没有追求试验的完备性,并没有尽善尽美,比如从靶机上没有看到靶斑仪等光斑监测设备,没关注激光传输到靶机上的具体能量、光斑情况,而以有效毁伤为目的,只要解决主要的问题,证明激光武器能毁伤空中目标即可,至于其他详细的性能参数,可以在后续试验中再逐步的摸索。

6 结束语

机载激光武器是军事强国竞争的战略高地,飞行试验是其关键里程碑。以色列通过小型飞机的演示验证试飞,验证了关键技术,证明其整个工业技术体系的先进,提升了技术成熟度,降低了技术风险。同时给其他国家开展机载激光武器给予启发,应尽早进行飞行试验,以便在技术、国家战略层面占位,而实施中有必要采取“循序渐进”、“逐步提升”的方式进行,避免采用“一步到位”的发展方式。