无人机机载激光武器的毁伤机理与任务需求分析

田惠义，黄哲轩

陆军工程大学

激光武器和无人机系统具有独特的优点。在未来战争中，激光武器和无人机系统结合应用是发展趋势之一。基于此，本文介绍无人机机载激光武器系统的优点、毁伤机理，分析无人机机载激光武器可遂行的任务。

激光武器作战隐蔽，效费比高，具有很大的作战潜力，受到许多国家的重视。美国、以色列、俄罗斯、德国等国家积极研究激光武器技术，取得了显著的成果，尤其是大功率半导体激光器已进入实用化阶段，推动了全电动激光器的发展，较低发射成本的激光武器拥有了“无限弹舱”。今年7月，洛克希德-马丁公司向美国空军研究实验室交付一套紧凑型激光武器系统，标志着该公司激光武器的实战化运用越来越近，将在反防空导弹、反空空导弹任务中发挥作用。

无人机机载激光武器系统的优点

相比于有人机机载激光武器系统，无人机机载激光武器系统具有独特的优势，一是具有无人化作战的特点，可支持长航时作战，人员零伤亡；二是全电动高能激光器可提供“无限弹舱”，不必担心载弹量的问题，激光发射成本低（单次激光发射成本仅几美元），作战效能突出。

无人机机载激光武器的核心器件是高能激光器，这种激光器的功率至少超过20kW，才能形成战斗力。同时，无人机受任务载荷重量的限制，对激光功率密度有着苛刻的要求。随着全固态激光器的发展，激光器功率将取得突破，近几年激光器有望达到装机条件，实现军事应用。

高能激光武器的毁伤机理

高能激光武器的毁伤机理是，激光器发射的高能激光束照射到目标，导致目标部位的材料发生温升、膨胀、熔化、汽化、电离等效应，目标从而失效。在不同功率密度的激光束作用下，材料发生的物理变化详见表1。

表1 在不同功率密度的激光束作用下，材料发生的物理变化

在实战中，激光武器须要将高能激光束聚焦在靶目标上，且靶功率密度大于功率密度阈值。当辐射量累积到一定程度后，激光武器才能毁伤目标。一位学者总结的激光武器作战效能E与主要参数间的关系为：

其中，a(λ)为靶目标吸收率；τ(λ)为大气透射率；P为激光器功率；D为系统发射口径；∆t为有效作用时间；λ为激光波长；β为全系统广义光束质量因子；L为激光作用距离；θa为激光武器系统到靶发散角。

由此可见，激光武器对目标造成毁伤须要满足两个条件，一是激光功率密度大于目标毁伤功率密度阈值；二是目标吸收的能量大于目标毁伤能量阈值。

激光束通过大气传输一定距离后到达目标表面，形成激光光斑，激光光斑的半径为R：

其中，Rdiff、Rturb、Ratp、RTB分别为真空衍射、大气湍流、光轴抖动和大气热晕导致的光斑扩展。因为无人机机载激光武器系统在稀薄大气中工作，且激光器功率不高，因此热晕效应暂不考虑。此时，激光光斑的半径R1为：

其中，D为系统发射口径，λ为激光波长，r0为大气相干长度，σ为跟瞄精度。 则照射到目标的激光束的功率密度I与激光器功率P的对应关系为：

大气透射率τ(λ)为：

其中，βext(λ)为消光系数，其与能见度V的关系为：

其中，能见度V的单位是km；激光波长λ的单位是μm。系数q可由经验公式得到：

大气相干长度r0为：

其中，k为波数；α为天顶角；Cn2(h)为大气折射率在高度h上的结构常数。

如果已知目标毁伤功率密度阈值，以上公式可算出激光器功率和作用距离之间的关系。激光的毁伤形式主要分为损坏结构的硬毁伤和与光电传感器产生耦合的软毁伤。对于不同的作战任务和目标，激光武器的毁伤机理也不同，因此目标毁伤所需的激光功率密度也大为不同。根据激光武器的毁伤机理，无人机机载激光武器系统可遂行的任务主要分为反导弹、反无人机、干扰或致盲传感器。

反导弹的毁伤机理

针对“飞毛腿”等导弹的钢制壳体，激光束通过热烧蚀效应，致使钢制壳体融化，达到毁伤目的。

一些学者对具有钢制壳体的“飞毛腿”导弹进行毁伤阈值仿真，估算出激光毁伤能量密度Em=3.28kJ/cm2，由此可得Im=3280W/cm2（tm=1s）或Im=1093W/cm2（tm=3s）。其中，Im是当激光作用于导弹时的功率密度，tm是激光照射时间。

假设无人机机载高能激光器的光束质量因子β为3；激光波长λ为1 ；发射口径 为1m；跟瞄精度 为2urad；无人机飞行高度为4km；天顶角α为60°；大气折射率结构常数为2×10-15m-2/3；能见度V为40km。若机载激光武器对具有钢制壳体的大型导弹进行毁伤，毁伤功率密度为1000W/cm2(照射时间为3s)，则激光器功率与作用距离的对应关系详见图1。

图1显示，当激光器功率为50kW时，作用距离仅为1.7km；当功率增大为300kW时，作用距离也只有2.9km。考虑到激光器功率进一步提升比较困难，使用者可延长照射时间，改善激光束质量，增大发射口径和使用长距离聚焦等方法来提升机载激光武器的毁伤效果。

图1 当毁伤功率密度为1000W/cm2时，激光器功率与作用距离的关系。

反无人机的毁伤机理

无人机机体使用大量碳纤维复合材料、塑料等非金属材料。激光通过热烧蚀效应，对目标进行破坏，毁伤功率密度阈值范围为100 ～200W/cm2（照射时间2s）。上述高能激光束对无人机目标进行照射，则激光器功率与作用距离的对应关系详见图2。

由图2可得，功率为50kW的激光器可对3.4km内的无人机造成结构性损坏；若功率增加到300kW，作用距离增加为5.7km。

图2 当毁伤功率密度为100W/cm2时，激光器功率与作用距离的关系。

干扰或致盲传感器的机理

针对红外制导空空导弹或无人机机载光电传感器，高能激光可对光电传感器造成饱和干扰或致盲，达到影响传感器作战的目的，此时毁伤功率密度为1W/cm2(照射时间1s)。上述激光束对目标进行照射，则激光器功率和作用距离的对应关系见图3。

由图3可知，功率为50kW的激光器可对12.5km内、带有光电传感器的目标进行干扰或致盲；若功率增加到300kW，则作用距离增加为20km。激光器的作战距离已达到近程防空的标准，实现了良好的拦截效果，适合军事应用。

图3 当毁伤功率密度为1W/cm2时，激光器功率与作用距离的关系。

以上仿真计算只分析了激光器功率与作用距离的关系。在实战中，发射口径、天气、激光束质量和跟瞄误差等因素也是影响激光武器作战效能的关键因素。

任务需求和指标分析

根据不同的作用目标和作用距离，无人机机载激光武器系统可遂行以下作战任务。

机动近程防空

携带机载激光武器系统的无人机在部队近程防空区低空巡逻，作战半径10km，采取干扰或致盲光电传感器的方式，拦截射程范围内的红外制导导弹和无人机，可作为部队近程防空体系中的补充手段。当前无人机使用复合材料制成，在低空飞行，飞行速度慢，雷达系统难以及时探测到无人机。无人机机载激光武器系统可以发射激光束，对抵近目标进行快速干扰或拦截，拦截流程如下。

1.根据外部雷达提供的目标坐标信息，无人机机载激光武器系统发射信标光，发现、识别目标，粗跟踪视场跟瞄目标。

2.机载激光武器系统的精跟踪系统修正跟瞄误差，锁定目标。

3.激光测距系统实时测距，调整聚焦系统，激光武器发射高能激光束，激光束对目标进行干扰或拦截。

4.外部雷达和跟瞄系统评估目标毁伤效果。

执行机动近程防空任务的无人机一般是战术无人机，例如RQ-5A“猎手”及改进型MQ-5、RQ-7“影子”等无人机，这些无人机已装备陆军部队。以MQ-5B“猎人”为例，其任务载荷重量为90kg，续航时间18h，巡航速度165km/h，若该型无人机搭载激光武器系统，根据现阶段激光器功率密度（50kg/kW）,若激光武器的作战距离提升至10km，则激光器功率应为20kW，此时激光器重量为1000kg。

地面或水面目标精确毁伤

中空长航时无人机具有续航时间长等特点，搭载高能激光武器系统可对中远程装甲部队或水面目标进行精确毁伤。地面目标或水面目标移动速度相对较慢，激光武器系统跟踪难度不大，因此可适当增加照射时间，提升毁伤效果。

当执行地面或水面目标精确毁伤任务时，无人机飞行高度为3km，其作战流程如下。

1.侦察卫星或无人机发现敌方地面或水面部队后，通过数据链将目标的位置坐标传给无人机机载激光武器系统。

2.装载激光武器系统的无人机利用机载红外/光电吊舱和雷达，识别、跟踪和锁定目标。

3.机载激光武器系统收到打击指令后，发射高能激光束对目标进行毁伤。

4.无人机编队利用光电传感器或雷达对毁伤效果进行评估。

MQ-1“捕 食 者”任 务 载 荷 重 量200kg，续航时间约24h（携带任务载荷时，续航时间为16h)，最大飞行速度220km/h，巡航速度130km/h。如果该型无人机搭载激光武器系统，根据仿真结果，当作战距离为3km时，激光器功率应为340kW，此时激光器重量为16955kg（功率密度为50kg/kW）。

机动中近程防空

作为反导系统的补充手段，中空长航时无人机机载激光武器系统在航母作战中近程防区执行反导任务，作战半径10 ～50km。中空长航时无人机能满足长航时防空巡逻需求，减少了起降次数，提高了航母的空间利用率；激光武器具有“无限弹舱”的特性，解决了驱护舰载弹量有限的问题，可以有效应对敌方饱和式打击，缓解航母中近程防空体系的压力。激光武器的反导流程如下。

1.搭载激光武器的无人机编队在航母作战中近程防区内巡逻，作战半径10 ～50km。

2.当外部雷达或传感器获取敌方导弹的位置信息后，无人机快速机动到距离导弹预抵达位置10km处，对敌方导弹进行跟踪、锁定、瞄准。

3.激光测距系统实时测距，调整聚焦系统，机载激光武器发射高能激光束，激光束对目标进行毁伤。

4.无人机编队利用光电传感器或雷达对毁伤效果进行评估。

机载激光武器的作战距离要达到10km，激光器功率应为512kW，对应的激光器重量约为25000kg。现有舰载无人机如美国海军RQ-8“火力侦察兵”和X-47舰载无人作战飞机的任务载荷重量皆不符合要求，任务载荷重量或激光束质量须要进一步提升，机载激光武器才能在遂行中近程防区反导任务。

表2是无人机机载激光武器系统任务需求和部分指标。根据激光器现有的功率密度（50kg/kW），现役无人机受任务载荷重量的限制，无法承载满足作战需求的激光器。若激光器功率密度降到5kg/kW，则MQ-5无人机可集成功率为20kW的激光器，干扰或致盲10km内的光电传感器目标，对2.6km内的无人机进行硬毁伤；X-47B无人作战飞机集成340kW激光器，可毁伤3km内、具有钢制壳体的目标，毁伤5.7km内的无人机；若遂行机动中近程防空任务，激光器重量应达到2500kg，而现役无人机任务载荷重量暂不符合要求，激光器性能有待改进或无人机任务载荷重量须要增大。

表2 无人机机载激光武器系统的任务需求和部分指标

展望

根据现有激光器技术，无人机机载激光武器系统的军事化应用任重而道远，激光器的功率密度须要降低到原来的十分之一。此外，无人机机载激光武器系统还须要解决光束控制、目标探测瞄准跟踪（APT）、能源与热管理等诸多问题。尽管困难重重，但无人机机载激光武器技术符合美军战斗机的发展方向，具备独特的战略地位。随着激光器技术的进一步发展，尤其是液体冷却激光器、光纤合成激光器和碱金属蒸气激光器的工程应用，无人机机载激光武器系统有望在实战中发挥重要作用。