激光武器
发射的激光束杀伤目标的武器
激光武器(英文名:Laser Weapon)就是利用发射定向激光束,对目标产生杀伤或毁坏作用的定向能武器。激光武器拥有攻击速度快、杀伤力大、目标转换速度快、无须装填、抗电磁干扰能力强、发射低成本等优点,成为各国竞相追逐的下一个军事领域制高点。不过,激光武器虽然是高科技武器,但是在很多方面仍有缺陷,比如在大气层环境内,空气介质将大大削弱激光的威力,降低其射程,其潜力还需要更长时间的发掘。
20世纪70年代,美国率先开始发展激光武器,历史上最早发展的是固体激光器,常见的有出红光的红宝石激光器以及出近红外光的玻璃激光器。在二十世纪八、九十年代盛行的战略激光武器大多由于耗资巨大、短期内难以看到前景而被迫搁置。近年来发展较快的二极管泵浦固体激光器光纤激光器,使高能激光从以化学激光为主逐步向固体和光纤激光过渡。在当前研究阶段,最常运用的就是固体激光武器,在激光设备小型化、便携化的设计要求下,该类技术项目取得了实验成功,并逐步投入了实战应用。
从运载平台看,激光有陆基、海基和空基等多种部署类型。从激光发生器的技术体制看,目前可实战应用的激光武器主要包括化学激光和固体激光。根据作战用途的不同,激光武器可分为战术激光武器和战略激光武器。如今激光武器已有50多年的发展历史,其关键技术也已取得实质性突破,美国、俄罗斯法国以色列德国等国均成功进行了各种激光打靶试验。美国波音公司进行的“激光复仇者系统”主要是为美国空军提供空中防卫系统;雷神公司进行的“激光区域防御系统”是为美国陆基防御体系提供小型导弹的方位;洛·马公司与美国陆军合作的成功项和“区域防御反弹道导弹系统”都是激光动能武器成功运用的例子;德国的激光武器系统主要由莱茵金属开发并且其 50 千瓦激光武器设备已经投入到使用阶段;英国国防部投入的定向能武器计划也已经在军队中得到了实际的配备。随着新型激光器技术的发展,各国开始重新关注激光武器的战术价值,研发方向也从起初的追求兆瓦级战略威慑性激光炮,向更具实战价值的紧凑型防御性激光武器转变。
发展沿革
研制背景
1960年5月15日,美国科学家西奥多·梅曼宣布获得了波长为0.6943微米的激光,这是人类的第一束激光,梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。
同年7月7日,西奥多·梅曼宣布世界上第一台激光器诞生。梅曼利用高强度闪光管激发一种“红宝石”,其实就是一种掺有铬原子的刚玉,当该“红宝石”受到刺激时,就会发出一道红光。在一块镀上反光镜的红宝石表面钻一个孔,使红光可以从这个孔溢出,从而产生一条相当集中的纤细红色光柱,当它射向某一点时,可使其达到比太阳表面还高的温度,这可以看做是激光武器的雏形。
在1960年人类第一台激光器问世之后,激光因其传输速度快、可重复使用、破坏作用强等特点迅速引起了军方的注意。在20世纪70年代,美国空军就率先开始“机载激光实验室”计划,意在验证激光武器拦截空射导弹的能力。至此,激光武器的概念渐渐进入了人们的视野中。
研制历程
冷战中期
1961年,哥伦比亚大学的Hear出和 Mcclung率先提出利用快速存储及释放能量来产生激光巨脉冲,这便是早期的调Q技术。调Q技术将激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中进行发射,从而使光源的峰值功率大幅提高数个数量级。
1962年,贝尔实验室的R.N.霍耳等人率先研制出化镓半导体激光器,这是世界上第一台半导体激光器,半导体激光器具有体积小、效率高等优点,为提高激光功率打下了基础。
1965年,美国阿维科研究实验室成功研制出连续波气动二氧化碳激光器,美国军队随之启动了三军激光武器计划。1970年美空军在柯特兰基地开始建设桑迪亚光学靶场并研制高功率气动二氧化碳激光器和发射望远镜。同年,美国TRW公司研制出连续波化化学激光器,其3.8μm的主波长比二氧化碳激光器的10.6μm波长具有更好的海面传输能力,美海军因此决定建造400KW的氟化氘化学激光器。美陆军在1974年将一辆LVTP5-H6火力支援车7型履带式水陆两栖登陆装甲车改装成激光武器机动试验装置,车上安装了15kw的连续波电激励二氧化碳激光器
苏联对于激光武器开发起步于20世纪60年代中期,20世纪70年代初提出了空基反弹道导弹弹、反卫星作战平台建设。1977年,苏联原子能研究所通过猎鹰梯队项目研制出其首部高功率激光武器。
20世纪70年代中期,苏联地基反卫星激光器开始进行试验。并于1975年10月和11月,成功使用激光器照射了美国卫星,使其红外水平传感器出现停止工作状态。这表明,苏联地基反卫星激光器已开始向实战发展,但当时的功率还不足以给卫星上红外传感器造成永久性的破坏,这主要是由于美国卫星的轨道高度和大气影响等因素,还取决于地面激光器的输出功率、激光束质量、跟踪瞄准精度和大气对激光传输的影响等因素。
中国第一台激光器于1961年在中国科学院王之江所长的主持下宣布研制成功。1963年上海光机所邓锡铭研制成功了我国第一台氦激光器,然后1963年研制成功第一台掺钕钇铝石榴石激光器。1963年半导体所王守武研制成功了第一台半导体激光器,实现半导体激光器的连续激射,并开展半导体负阻激光器以及激光应用的研究工作,他还亲自指导并参与了激光通信机和激光测距仪的研制工作,使这些研究成果填补了国内空白,支援了国防现代化和国民经济建设。1964年电子所万重怡制作了第一台脉冲的离子激光器。1976年安徽光机所胡雪金研制成功了第一台准分子激光器。
1964年2月6日,毛泽东会见了钱学森、竺可桢、李四光三位科学家,提出要探索研究反导武器,这一谈话在后期被称为“640指示”,反导研究被称作“640”工程。1966年3月30日,七机部下发关于反导弹体系代号的通知,反导弹体系的代号编为“640”工程。其中激光炮为640-3工程。
1964年,中国科学院上海光学精密机械研究所成立,主攻高功率、大能量的强激光器研究工作,承担640-3工程研制任务。上海光机所以高功率固体激光器为主攻目标,启动钕玻璃激光系统研制。到70年代中期,640-3工程的激光远距离打靶和激光反响尾蛇导弹研究取得重要成果,获国防科委重大科研成果奖。但激光炮技术上存在着根本性的技术障碍,于1976年下马。640-3工程使中国激光技术科研水平上了一个台阶。
在1978年3月召开的全国科学大会上,中国获得奖励的激光项目有近80项,其中民品约70项,军品约10项,综合地反映了中国激光技术发展在这一时期的成绩。
冷战后期
1983年美国提出“星球大战”计划,掀起了美俄军备竞赛。美国以战略防御计划 ( SDI) 为背景,制订了天基、地基激光武器计划,目的是为了摧毁敌方的卫星和弹道导弹。这一时期的激光武器发展重点偏重战略应用,美国国防部建立以化学激光武器为主的体积庞大的航空武器系统
1981~1983 年,美空军开始在加州中国湖海军武器中心进行机载激光实验室打靶试验,先后击落了5枚“响尾蛇”空空导弹和模拟巡航导弹做低空亚音速飞行的亚音速“火蜂”靶机。“星球大战”计划开始后,机载激光实验室计划停止,但它为美国空军研制第二代机载激光武器奠定了基础。
1980年,TRW公司成功研制功率22兆瓦的氟化氘激光器,1983 年初,美国海军在“海石”计划的基础上,在白沙导弹靶场建立了高能武器系统实验装置(HELSTF),作为舰载激光武器的试验平台,并于1984年与口径18m的“海石”光束定向器在白沙靶场完成对接。1987~1989 年间,美国海军实施了MIRACL激光炮的一系列打靶试验。这表明在针对横向飞行目标的作战方式中,高能激光武器已具备舰载工程化的条件。但由于激光束在海面上存在较严重的热晕问题,海军的激光武器研究重点逐渐转向自由电子激光器技术。
自1977年起,美国致力于研发天基激光武器,当时美空军资助了天基激光武器的研制工作。美国国防高级计划局陆续实施旨在验证天基激光武器可行性的“三位一体”技术计划,即“阿尔法”、“大型光学演示实验”与 “金爪”。但由于相关技术与成本耗费等方面问题,使得美国军队开始逐步将研究重点由在轨激光转向小型激光武器。
1983年美国提出“星球大战”计划后,苏联激光武器研制进度明显加快。1981年,苏联激光武器空中试验平台A-60首飞成功。命名为 A-60项目,此后 A-60项目一直处于试验阶段。1984年,A-60首次使用激光武器成功摧毁空中靶标,苏联成为世界上最早拥有实战型反卫星武器的国家。
1982年,苏联成功研制出“三棱匕首”自行激光武器,其可使用高功率激光脉冲攻击光电导引系统,可使敌方坦克、自行火炮和直升机瘫痪。苏联海军还曾经在万吨巡洋舰“基洛夫”号上装备氟化氘化学激光器,用于10千米范围内的近程防御。
1980~1985年间,苏联多用户单元激光系统曾在黑海舰队辅助舰上试验。该系统曾准备在空间部署来摧毁卫星。空间战斗激光平台Skif-DM曾于1987年被发射到太空中。
1988 年,美国人施尼兹发明了双包层掺稀土材料铒的光纤激光器,并且描述其基本的工作原理,这种光纤激光器体积小,能量转化效率高,最高达 70%,最大的优点几乎是不需要冷却系统,光纤激光器发明后,迅速被大量商业化。
随后苏联又先后生产了“红粉笔”激光防空系统、“压缩”激光战车和“远方”激光化学车。“压缩”激光战车与采用“悍马越野车底盘的美国“宙斯”激光系统相似,都可产生高功率激光脉冲,摧毁一定距离内敌方雷达的光电设备。但由于后来苏联国力衰弱及持续动荡,本应在上世纪90年代初完成的激光武器研制工作一再推迟,最终因为财政拨款大幅度减少而被冻结。
1981年,苏联用激光武器对飞行中的导弹进行打靶试验并取得成功,并再次利用一颗卫星上的小型高能激光器照射一颗美国卫星,使其光学、红外电子设备完全失灵。此后,苏联在人造卫星宇宙飞船和航天站上共进行了8次激光武器试验都获得成功。
从20世纪80年代起,西欧也提出了“尤里卡计划”,“尤里卡计划”是在前法国总统密特朗提议下,于1985 年4月17日,在德国汉诺威发起的。该计划的目标是使欧洲 “能够掌握所有的高技术”,在尖端技术方面赶上美国日本,确保和巩固欧洲在世界政治格局中所获得的地位。其中,欧洲激光项目,预算为4700万美元,重点是安装和改进大功率激光设施。
德国MBB公司于1970年开始研制高能激光防空武器系统,到1982 年已进人工程发展阶段,其目的是研制一种装到豹2主战坦克底盘上的车载激光武器。该系统采用二氧化碳激光器,功率可达1MW左右。
1986 年法国正式开始实施LATEX计划,研制出40KW和4MW的二氧化碳激光器。1989年 11 月法国在巴黎郊区进行了初次激光地面静态打靶试验,用40KW的二氧化碳激光器和1m口径的发射光学系统摧毁了700m远的红外制导导弹头。
日本在20世纪80年代提出了“今后十年科学技术振兴政策”,把发展高技术放在一个突出的位置。80年代初,日本产业界积极采用激光加工,激光加工是日本重要的制造基础技术之一。日本现用于材料加工的是大功率二氧化碳激光器和Nd:YAG激光器,少量准分子激光器也已使用,而新开发中的有波长10.6微米二氧化碳激光器、波长5μm一氧化碳激光器波长1.3μm碘激光器及二极管激励固体激光器和紫外域的准分子激光器等。现在的二氧化碳激光器功率多为500W,而理论上可高达100KW,且其功率越大,效果越好,故日本对二氧化碳激光器开发研究寄予期望。
1986年3月,中国启动实施了“高技术研究发展计划(国家高技术研究发展计划)”,旨在提高中国自主创新能力,坚持战略性、前沿性和前瞻性,以前沿技术研究发展为重点,统筹部署高技术的集成应用和产业化示范,充分发挥高技术引领未来发展的先导作用。而激光技术则是863计划中的科目之一。
后冷战时代
苏联解体后,世界战争格局发生变化,主要体现在局部战争和地区冲突。这个时期,来自美国主要对手国家的空中远程打击成为其主要威胁,因此加强弹道导弹防御武器研制成为美国当时武器装备的主要发展方向,促使美国激光武器研发向弹道导弹拦截和战术导弹摧毁方向转移,机载激光武器成为发展重点。
到了20世纪90年代,美国军方先后实施了将氟化氘化学激光器和氧碘化学激光器作为激光炮的研究。前者的代号为DFCL,是一种战术级高能激光器,试验中曾取得击落飞行中的导弹的成绩,但由于整个体积太大,项目于2006年初被取消;后者的代号为COIL,是一种大型空中激光武器,试验样机装载在“波音公司”747大型客机上,激光功率高达1000千瓦,有效攻击范围高达几百千米。样机的代号为YAL-1A空中激光试验平台(ALBT)。2010年,波音747-400F激光武器载机成功击毁了一枚液体弹道导弹。但是由于激光武器射程并未达到设计预期,2011年ABL计划在开发16年,耗资50亿美元之后被叫停。
1998年11月‚美国弹道导弹防御局为了填补100km以下的防御空白‚,开始筹备研制机载近程激光武器系统‚(ATL),并曾被美国防部列入了2001年先期技术演示计划‚,原初步计划在 2003年之前制造出样机。ATL系统采用 300KW氧碘化学激光器,质量在4500kg~6800kg之间,‚地对空型的作战距离为10km,‚空对空型或空对地型的作战距离为20km。
20世纪90年代,‚美国海军在MIRACL(中红外先进化学激光器)/SLBD(光束定向器)系统的基础上开发出了名为目标-1和目标-2的2种型号的舰载激光武器。冷战结束后,美国军队将作战重点放在了近海,建议采用热晕效应较小、波长更短的激光器,MIRACL/SLBD系统的开发于1995年正式中止。
1995年,美国联合以色列开启研制车载激光武器,该计划被称为“鹦鹉螺”。鹦鹉螺车载激光武器计划采用了美国海军已经中止研发的MIRACL/SLBD系统。1996年2月,美陆军使用该武器击落了2枚俄制喀秋莎BM-13火箭炮火箭弹。后续美以两国又签订了战术强激光武器的先期概念技术演示(ACTD)计划。该计划从1996年5月开始‚到1998年3月结束,‚主要演示利用激光武器对抗火箭弹和炮弹的能力。1999年后‚美以开始研制鹦鹉螺样机。但美国陆军认为该系统的主要问题是运输困难‚机动性能差‚而且需要多方面的维护‚因此不准备立即进行部署。
在地基反卫星计划中,美国共提出了2项计划,一种是陆军发展的地基氟化氘化学激光系统,1997年10月,美国陆军进行了首次激光反卫星试验。另一种是空军发展的地基氧碘化学激光系统,目前正在研制兆瓦级的激光器件,并利用直径3.5m的望远镜进行空间的激光传输和成像试验。
1993 年,中国“863”计划确立了惯性约束聚变主题,进一步推动了国家惯性约束聚变研究和高功率激光技术的发展。1994 年,神光-1退役。神光-1连续运行 8 年,在激光惯性约束核聚变和 X 射线激光等前沿领域取得了一批国际一流水平的科研成果。1994年5月18日,神光-2 装置立项,工程正式启动,规模比神光-1 装置扩大 4 倍。1995 年,激光惯性约束核聚变在“863 计划”中立项,中国科研人员开始研制跨世纪的巨型激光驱动器——神光-3 装置,计划建成10万焦耳级的激光装置。
新世纪
21世纪以来,美国的战略重心逐渐向亚太地区转移,美国加大了在亚太地区的军事部署。为了提高远海作战能力,应对潜在的反舰导弹威胁,美国大力发展了舰载和无人机搭载的激光武器,启动了海上激光演示 ( MLD) 系统等项目。
目前,美军舰船搭载型激光武器、车辆搭载型激光武器和飞机搭载型激光武器都已基本达到实用化,而且所用的激光器基本为固体激光器。
2008年,美国利弗摩尔国家实验室采用热容脉冲固体激光器,对1.8mm厚的铝板实现了0.07s超快杀伤。美国DILAS公司2012年报道了其军用高功率脉冲半导体激光器(LD)的研究进展,这既为脉冲固体激光武器奠定了技术基础,也暗示了美国正在发展脉冲激光武器。
2010 年,美国海军水面战研究中心与科托斯公司签署了一份价值 1,100 万美元的合同,用于发展固体光纤激光武器系统。科托斯公司提出的技术路线与之前美国海军资助的各种研究完全不同,把发展方向定位为集成化、小功率光纤激光器。
2015年8月,美国海军宣布位于波斯湾的“庞塞”号两栖舰上的“激光武器系统”成功通过所有测试,其正式编号为AN/SEQ-3,功率为20KW,内部集成6套5.4KW的光纤激光器,每套激光器由7台800W的光纤激光器组束而成,下一步计划采用10套激光器非相干合成到150KW。
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,着手研发250~300kW的激光武器,发展反巡航导弹的激光防御能力。
自2021年开始,美国加速了激光武器的部署与交付。2021年7月,美陆军“定向能机动近程防空”系统成功地进行了一系列作战试验,验证了反无人机能力。
2021年1月,洛克希德·马丁公司称2021年底将向美国海军交付一套舰载“高能激光与一体化光学致盲与监视”(HELIOS)系统,2020年8月,洛·马公司开始对该机搭载的激光炮系统(AHEL)进行关键技术审查,2021年10月,该公司向空军交付第一套AHEL系统,并将其安装到AC-130J上进行测试系统。50kW机动近程防空高能激光武器即将具备实战能力。
2021年10月,美国通用原子电磁系统和波音公司获得了美国陆军合同,300kW级高能激光武器系统样机开始研发。
2022年7月,洛马公司向美国空军研究实验室交付了“下一代先进紧凑型激光器”(LANCE)。美空军认为,此次交付对其算一项里程碑式的事件,此举意味着洛马确实在不断推进机载激光武器领域的各项工作。下一步,洛马计划针对LANCE进行热系统管理适配,其目的就是为了做好热管理和冷却工作,解决设备热量激增的问题。
2018年3月,俄罗斯总统弗拉基米尔·普京披露了Peresvet移动式激光炮系统。2019年12月,俄罗斯“佩列斯韦特”激光武器被部署在俄罗斯5个导弹师,正式进入战斗值班,成为世界上首款实战部署的战略级军用激光武器系统。“佩列斯韦特”激光武器拥有攻击速度快,直线聚能高,干扰能力强3个优势,激光武器正在成为未来俄罗斯联邦武装力量各军兵种必备的主要武器装备系统之一。
2019年2月,俄罗斯电子控股公司研制的Filin5P-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。
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。此举意味着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。
2015年3月,阿布扎比国际防务展上,德国莱茵金属展示并演示了安装高能激光系统的“拳击手”8X8多用途装甲车。其包括两种型号,功率分别是5kW和10kW,两种系统都采用了基于光束叠加技术的专利设计,有效攻击距离是3km。2015年9月,在伦敦举行的英国国际国防与安全设备展上,该公司又展出了一款新型车载激光炮,炮上装有4组高能激光发射器,每组20kw,叠加技术使之凝结为1束80kW的强大光束。
2016年3月,莱茵金属公司受德国联邦国防军委托,在公海上的一艘军舰的舰炮上成功测试了一种军用高能激光武器。这意味着德国正在积极将激光武器应用到舰艇的末端防御上。
2019年8月,德国莱茵金属公司和欧洲导弹集团德国公司两者宣布,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。
2021年9月,英国授予泰雷兹集团和雷神英国公司等为期四年约7250万英镑合同,生产先进激光和微波演示器。这意味着英国正在投资开发多种定向能武器。泰雷兹公司将交付搭载于皇家海军23型护卫舰的激光武器演示器,及安装在陆军MANSV卡车的高功率微波武器演示系统。雷神英国公司将对搭载在“猎狼犬”轻型装甲车上的激光演示器进行为期6个月的实验。
2021年5月,法国CILAS公司成功测试其激光系统,击落多架飞行高度约为1000m、飞行速度超过48km/h的无人机。这标志着欧洲首次实现激光武器击落无人机测试。
2014年10月中国科学院上海技术物理研究所徐刚毅等人研制了第一台太赫兹量子级联激光器。2016年,中国超高功率飞秒激光装置成功运行, 300TW激光装置精心集成了许多飞秒激光技术和高功率固体激光技术的最新研究成果,总体性能和技术指标达到国际领先水平。中国在创建了脉冲压缩系统精确调整的新技术手段,获得了国际同类激光装置中最好的光束聚焦特性和脉冲压缩特性。这表明中国在超高功率飞秒激光总体技术与工程研究方面已跨入世界前列。
同时,中国的攻击激光雷达也发展迅速,中国的超强功率的固态激光器是世界一流,用它发射的激光束可在3千公里的距离获得每平方厘米35K焦耳能量密度,此能量密度比攻击导弹所必需的破坏阈高出近1个数量级上。
2023年,在日本千叶县举行的防务与安全设备国际博览会上,日本川崎重工业株式会社三菱重工首次公开展示各自研制的反无人机激光武器。日本川崎重工的2千瓦激光武器系统,可以跟踪并摧毁在100米高度飞行的无人机。三菱重工的20千瓦激光航空武器系统,可以在2至3秒内击落1.2千米外飞行的无人机。这两型激光武器代表了日本在高能激光武器领域的最新成果,同时表明激光武器已经成为反无人机武器的技术发展方向。
基本设计
组成部分
激光武器主要由储能设备、产生光源的激光器、光束定向器以及瞄准装置4部分组成。根据所用储能设备和激光器的不同,激光武器的外形大小不一。功率达到兆瓦级的高能化学激光武器重达数十吨,而小型化的固体激光武器也需要搭载至战车或舰艇上,至于单兵激光武器,功率不足以对人体造成致命杀伤。
储能设备
储能设备就像是火焰喷射器的油料储罐。激光武器首先需要将其他形式的能量转化为光能。根据激光器原理的不同,储能设备内可储备化学燃料、电能,甚至是机械能。储能设备是激光武器的“弹仓”。
激光器是激光武器的最核心部分,它的任务是将储能设备内的其他形式能量转化为高能激光束,根据不同的激光生成原理,激光器可以分为化学激光器、固体激光器和自由电子激光器等。激光器决定了激光武器的发射功率,而“功率”是衡量激光武器威力大小的标准。
光束定向器
光束定向器由大口径发射系统和跟踪瞄准系统两部分组成。大口径发射系统的功能类似于火焰喷射器的喷管,用于将激光器产生的高能激光束发射出去,其外观与单筒望远镜相似。而跟踪瞄准系统则是激光武器的“眼睛”,能够始终跟踪锁定目标,确保激光束在目标上停留足够长的时间。简单来说,光束定向器等于是激光武器的“火控”。
瞄准/探测系统
瞄准探测系统是激光武器的“中枢”,其中,探测系统用于测量目标位置,包括测距仪、电视、红外传感器等,采用的传感方式可以是成像激光雷达、质心跟踪或其它方式。指挥系统则控制整个航空武器系统完成各项作战任务,在其引导下,完成对来袭目标的捕获、跟踪、瞄准和打击任务。
破坏原理
激光武器的破坏杀伤效果与激光强度、波长等激光武器本身的因素和目标的材料性质有关。破坏杀伤原理一般可分为烧蚀效应、激波效应和辐射效应三种。
烧灼效应
当激光束照射到目标表面时‚,部分能量被目标材料吸收后转化为热能,使目标表面迅速汽化,强大的蒸汽高速向外膨胀的同时,将部分液滴甚至固体颗粒带出,从而使目标产生汽化、熔化、穿孔、断裂,甚至爆炸等效应。
激波效应
激波是指气流中的强纵波。当物体以超声速运动时会压缩前方的气体,在其前方产生压力、温度、密度突然升高以及流速突然减慢的波面,这个波面称为激波。当目标受到激光照射时,表面蒸汽向外喷射,会对目标产生反冲作用,在目标内部形成激波。激波传播到目标的背面还会产生强大的反射。这样照射目标外表面的激光与背面的激波对目标形成前后夹击,使材料产生应力应变并在表层发生层裂,裂片飞出具有杀伤破坏作用。
辐射效应
当较高能量的激光照射到目标表面时,‚目标材料表面的汽化物质就会被电离等离子体云,等离子体辐射出的紫外线和X射线又会破坏目标结构以及其内部的电子、光电器件。由于目前世界各国武器系统的电子化程度越来越高,所以这种紫外线和X射线比激光直接照射产生的破坏效果更大。
核心优势
激光武器之所以能赢得众多国家的青睐,是因为激光武器的性能相对常规武器有其独到之处。激光武器主要有光速攻击、无后坐力、破坏性高、无视电磁干扰、操作简单灵活以及效费比高等优势。
光速攻击
在战场上,交战双方如果都用火炮攻击对方目标,由于受地心引力和空气阻力的作用而容易使弹道弯曲,所以射击时都要根据距离、高度、风向、风速及弹丸初速等因素进行弹道计算。使用普通枪炮射击时,如果目标是运动的,还必须计算射击的提前量。由于激光武器所发射的“光弹”是以光速飞行的,其飞行速度常常要比普通炮弹快近40万倍,比导弹的速度快10万倍。因此,使用激光武器进行射击,无需考虑提前量的问题。
而且,由于激光武器发射的激光束本质是光,可以达到瞄准即击中的效果,大大缩短了拦截、射击的时间,可轻松对付高超声速飞行器、轨道飞行器等“高超声速、高机动、高隐身”武器,对于巡航导弹、炮弹、无人机等低空低速目标拦截效率更高。
无后座力
由于光束基本没有质量,所以在使用激光武器射击时,不存在普通武器射击时出现的巨大后座力和噪声,这既可提高射击的命中率,有效地打击敌人,又便于隐蔽自己,减少伤亡。
破坏性高
高能激光束可在极短的时间内在目标照射点上集中超过核武器100万倍的能量。作为潜在的攻击目标,导弹、飞机和卫星的壳体材质的熔点一般在1500℃左右。以功率为2~3兆瓦的激光武器为例,只要在目标表面照射3~5秒,即可烧穿其壳体,甚至引爆其内部燃料,从而达到摧毁目的。
无视电磁干扰
现代战争中,电磁干扰是交战关键,其可以让来袭的无人机、飞机、导弹等迷失目标、发生电子故障甚至坠毁,从而达到保护己方高价值平台的目的。但激光武器发射的高能激光束不会受到任何电磁干扰的影响,可“无视”电磁影响,这是一般突防武器所不可能具备的物理特性。
操作简单灵活
激光武器可通过转动反射镜迅速变换射击方向,在短时间内拦截多个来袭目标。激光武器既可直接在地面使用,也可在战车、军舰、飞机等活动作战平台使用,还可在卫星、航天器等空间作战平台上使用。
效费比高
激光束可烧蚀和熔化坚硬装甲,但又不像核武器爆炸那样,产生大量的放射性污染。同时,激光武器在使用成本上将会大大降低,激光武器的硬件可以重复使用,也不存在因多次发射而出现的武器寿命缩短等问题,每次发射费用相对较低。例如,一枚“毒刺”防空导弹的价值高达2万美元,而发射一次氟化氘激光武器的费用仅需1到2千美元。在进攻端,技术成熟的机载激光武器能实施数百次发射,将大大提升战斗机的火力强度。
武器分类
激光武器划分方法较多,按照激光辐射能量强弱,一般分为低能激光武器激光炮;根据部署方式的不同‚,可分为固定型和机动型;根据战术用途的不同,可分为战术型激光武器和战略型激光武器;根据使用平台的不同,也可分为地基型、海基型、空基型和天基型。
按能量高低分类
低能激光武器
低能激光武器是指发射功率较小的激光轻武器,也叫战术激光武器,如激光枪激光致盲武器等。主要用于射击单个敌人,使之失明、死亡,丧失战斗力,也可使各种光学瞄准观察器材失灵。
低能激光武器的技术门槛不高,如激光致盲武器,又称激光枪,可令数公里至十余公里外的人眼睛暂时或永久失明。20世纪80年代后期,激光致盲武器进入演示验证或工程研制阶段。20世纪90年代初,出现用可调谐激光器制成的新型激光致盲武器,更难以防范。据报道,激光致盲武器已经在一些局部战争中得到小范围应用,主要用于照射敌方战机飞行员、武器操作手的眼睛或光学瞄准系统等。
激光炮相比,低能激光武器具备成本低廉和容易使用的特点。目前激光武器的主要任务是摧毁敌人的精密传感器。随着科技的进步,传感器也变得越来越精密和灵敏,但是越是精密和灵敏的传感器越是容易被低能激光武器所摧毁。在作战效果方面,美国陆军和空军目前正在研发新型低能激光武器可以与高能激光武器匹敌,因为新型低能激光武器同样能够摧毁飞行中的火箭弹、导弹和炮弹。
高能激光武器
高能激光武器又称强激光武器,它是一种大型的激光装置,能在很短的时间内发出高能激光束。高能激光武器主要由高能激光器、精密瞄准跟踪系统和光束控制与发射系统组成。其中高能激光器是核心‚用于产生激光束‚高能激光武器的平均功率至少要达到20KW以上。击中目标时,极大的光能量被目标吸收,转变为热能,产生几百万度的高温和几百万个大气压的高压,使目标被烧蚀、击穿,甚至引起爆炸。高能激光武器的能效在于激光器的选择。
按激光器种类划分
化学激光器
化学激光器将化学键中储藏的能量转化成为激光输出。由于化学激光器的增益介质一般为气体或气流,通常也把化学激光器归类为特殊的气体激光器。目前,化学激光武器是兆瓦量级功率以上作战应用的最佳选择。美国研制的化学激光武器,其输出功率最高可达5兆瓦,达到了迄今为止激光武器级别中的最高水平。
化学激光器优点是兆瓦级功率输出,输出光束质量好,技术成熟度高。缺点是体积和重量较大,产生有毒气体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。
高能固体激光器
固体激光器通常可以分为棒状激光器、板条激光器、热容激光器、液冷激光器、薄片激光器和多孔径激光器等。棒状激光器有较大增益体积,有助于实现功率放大和大脉冲能量的产生,但光束质量较差;液冷激光器利用冷却液的强散热能力实现高功率输出,但难以克服流体对激光性能的劣化影响;热容激光器可以实现高功率输出,但光束质量随激光输出时间增加迅速退化,难以满足长时间的作战需求。
薄片激光焊接面变形、ASE对单模块储能的限制、大量增益模块串联的不稳定性等技术难题,迄今仍未解决。在这些问题解决之前,尚看不到固体薄片激光定标到100 kW以上功率水平的可行性。因此,固体薄片激光作为激光武器主战光源的前景并不明朗。
板条激光器成熟度较高,是当前国际上固体激光武器的主要技术路线。板条激光器的板状结构和“Z”字光路设计,均化温度梯度,多链路板条激光器经光束合成后可实现数百千瓦级功率输出。
多孔径激光器的合成技术为实现高功率、高光束质量激光输出打开了新途径,该技术可避免各台子激光器工作在极限状态,并且其轴上亮度与单台激光器相比具有绝对优势,已成为固体激光武器技术发展的趋势和热点。多孔径固体激光器是将多路激光能量进行累加,包括光谱合成、相干合成、非相干合成技术等。其中相干合成最难实现,而光谱合成的光束质量最差。
高能固体激光器优点是全电工作,战场保障简单,作战效费比高。缺点是大功率输出时热管理较难,难以维持高光束质量。
高能光纤激光器
高能光纤激光器以掺稀土元素的光纤材料为增益介质,通过振荡器或级联放大结构获得高功率激光输出。目前,高能光纤激光器的电光效率可达35%以上。由于转换效率高,产生的废热较少,对冷却要求较低。
高能光纤激光器优点是热管理相对简单、电光效率高、单纤光束质量好、战场环境适应性强,适合装载于各种战术移动平台。缺点是由于非线性效应、模式不稳定性等效应的限制,单纤近衍射极限输出功率存在物理极限。
高光束质量半导体激光器
高光束质量半导体激光器特指可以通过合束方式将大量独立的半导体激光器合成一束高能激光的装置,且具有较好的光束质量。获得高光束质量半导体激光输出的最有效途径是外腔反馈光谱合束,目前输出功率已经达到千瓦量级,但光束质量仍有较大提升空间。
半导体激光器优点是电光转换效率高、体积重量小。缺点是单管功率提升困难,合成路数受限,激光波长并不都处于大气的高透窗口。
碱金属蒸气激光器
碱金属蒸气激光器利用高功率半导体,泵浦具有高量子效率和大发射截面的碱金属原子蒸气,实现高功率的近红外激光输出,通过循环气体流动散热实现高效热管理。目前,激光器常见的碱金属工作介质为(795nm)或(894nm)。碱金属蒸气激光器兼具了固体和气体激光器的优势。
碱金属蒸气激光器优点是全电模式工作,具备单口径功率定标放大能力,兼具固体和气体激光器的优势。缺点是碱金属元素化学性质极其活泼,易对腔体腐蚀,高腔压运转模式破坏光束质量。管路污染需要进行定期清除,这可能带来后勤保障上的困难。
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、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。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,使其短时间内得到蓬勃发展,在物理、化学、生命科学、材料科学等领域发挥作用。
按载荷平台划分
空基
激光武器作为新型武器系统具有快速反应、精准打击的特点,现阶段呈现多平台、多制式、多光源的发展特点。激光武器被构想设置在多种平台上,其中飞机平台是设计构想的重要方向之一,将激光武器的特点与飞机平台相结合可以提高部队的作战效率、精度和速度。机载激光武器可搭载于包括大飞机平台、战斗机、无人机、直升机等平台。
由于激光武器系统仍处于发展阶段,激光器的功率密度距离杀伤性激光武器应用还有一定差距,且由于飞机平台自身对于气动外形、空间布局的严苛限制,其与现有激光武器的系统兼容性可能存在一定问题,部分任务构想尚不具备技术条件。从现有飞机平台技术来说,区域支援作战、反弹道导弹自卫、反低慢小目标及反高超声速武器四种作战场景是未来最有可能应用的技术场景。
海基
未来海上防空反导作战,潜在对手将采取多种手段对水面舰艇实施毁灭性打击。相比于传统武器,舰载激光武器具有杀伤可控、作战成本低、转火速度快、精度高、光束打击、无限载弹量、抗电磁干扰等显著优势,在一定程度上可以弥补现有武器系统的不足,拥有良好的军事运用前景。当前各军事强国正加快研发舰载激光武器,并陆续开展作战试验,力求最快部署以谋求未来军事上的主动。舰载激光武器可搭载各类作战船舰,主要用于对付突防目标,比如掠海飞行导弹无人机等,同时具备攻击水面舰艇的能力。
舰载激光武器将波长可调谐的自由电子激光器作为主要研究方向,以应对复杂多变的海上作战环境对作战效能所带来的影响,但有分析认为,‚要将激光功率提高到兆瓦级还需要很长的时间‚,而且要把激光器的质量、尺寸和成本降低到适合舰艇使用等许多问题还有待进一步研究。
陆基
陆基激光防空武器是利用从地面定向发射的高能/高功率激光束,将空中目标毁伤或使其失效的定向能武器。陆基激光防空武器主要由指挥控制子系统、若干光束发射/控制子系统、跟踪引导子系统以及用于情报保障的目标指示子系统构成。陆基激光武器可安装在战车或者重型卡车上,也可直接置于地面,车载激光武器更为灵活,能抗击战斗机、预警机侦察机等目标,还可干扰光电导引头的空地导弹、精确制导炸弹等,而地基激光武器质量和尺寸不受限制,其发射激光功率比前者更大。
陆基激光防空武器作为新机理、革命性的防空装备,有其超越传统的作战优势,但同时也存在固有的根源性不足。由于激光的传播介质是大气,因为激光束传播过程中受大气条件影响较大,尤其是多云、阴雨和雾霾等天候条件,对激光传输的影响明显。从这个意义上讲,陆基激光防空武器全天候作战能力“先天不足”。
天基
相对于目前的陆基、海基装备的反弹道导弹系统,天基反导更先进,技术更复杂,而且拦截难度也更大。天基反导中的激光武器是以太空为部署基地,利用高能激光对太空或大气中的有效载荷进行杀伤或拦截。天基激光武器系统融合了天基系统和激光系统的双重优势。天基激光武器拥有覆盖范围大、射击速度快、消耗成本低,能将能量汇聚成光束,准确命中目标关键部位,使其摧毁或者失效,不增加任何损害或污染。天基激光武器可搭载于作战卫星之上,美国空军从20世纪70年代末开始启动天基激光武器(SBL)项目,预计要将卫星数量增加至24个,从而实现全球覆盖。
因为实战型的天基激光武器面临诸多困难和挑战,例如天基系统难以维护、化学燃料运输困难、易遭受地基反卫武器的目标等,所以对天基激光武器作战实用性始终未能实现。所以,要想突破天基反导系统技术难关,前沿部署还需要一段时间。
典型型号
单兵
WJG-2002激光眩目枪
WJG-2002型便携式激光眩目枪是以高度定向、高亮度的相干激光束为武器以人眼(或光学传感器)为攻击目标,主要干扰敌人眼睛的视觉功能,使之暂时失明而失去战斗能力。
特点
软杀伤;无声无烟,便于隐蔽;无后座力体积小,重量轻,便于单兵携带。
适用
特种作战部队、野战侦察分队、边海防部队执行特种作战任务(如突袭、捕俘和侦察等)。亦可用于打击恐怖主义(如反劫持等)。
备注:以上数据参考资料均源自
机载
机载高能激光系统(AHEL)
2021年,美空军接收了第一架机载高能激光器AHEL的原型机,并将安装到AC-130J炮艇机上进行测试。在空军特种作战司令部看来,AHEL除用于飞机自卫外,还能用于精确攻击地面目标。虽然AHEL激光器额定功率约为60千瓦级,威力偏小,不适合高烈度作战,但足以使敌方机动车辆、船舶和地面飞机失能,使敌方的关键系统失效,如指挥车、发电系统、通信系统和雷达系统等。同时AHEL耗能较低,能够长时间连续发射,远比单一用途武器如炸弹或导弹更为便宜和有效。尤为重要的是,AHEL隐蔽性极高,不但发射时无声无息,而且能够熔化或者焚烧敌方目标却不会导致爆炸,所以不会暴露其所在方位,这对于需要执行特种作战任务的AC-130J是非常有意义的。明显的是,未来AC-130J等飞机在装备了AHEL之后,将会在人质救援、破坏通信、城市作战等复杂环境中发挥静默打击的优势。
激光器研发工作分为两个阶段。第一阶段,美空军特种司令部以早期美海军研究办公室研究用的4千瓦转塔式固态激光器为基础进行改进,以降低成本,并逐步评估完整的激光系统,寻找由于平台自身及周围气流振动而引起的光学和机械抖动的缓解方案,总耗时18个月到24个月。随着研发工作逐步过渡到第二阶段,将在2022年开展60千瓦及以上激光原型机的试验。这一实施方案很可能是美海军水面战中心达尔格伦分部为美空军特种作战司令部设计的。
车载
LW-30激光防御系统(寂静狩猎者)
LW-30激光防御系统使用的激光武器输出功率30千瓦,系统主要用于野战防空或要地防空,具有对无人机等典型目标的硬杀伤能力,兼具光电探测与制导设备软硬杀伤能力。该激光武器系统可单车作战或多车组网作战,具有打击精度高、响应速度快、使用成本低和持续作战能力强等优势。
舰载
集成光学炫目与监视高能激光器(HELIOS)
2022年,美海军接收了第一套可装载于驱逐舰上的激光武器——HELIOS。据美媒报道称Preble驱逐舰是第一艘装备该武器的舰艇,同时其也是第一艘将激光武器和宙斯盾作战系统结合的舰艇,HELIOS的列装极大增强了Preble驱逐舰的打击能力,使其在战场作战时有更多样的作战形式。
太阳神HELIOS激光武器系统就是一款高功率的舰载硬杀伤激光武器,高达60kW以上的全功率运行效果赋予了击毁来袭的导弹、炮弹、无人机以及海面小舰船的能力。
HELIOS激光炮的全称是“高能激光与一体化光学致盲和监视”系统。HELIOS激光炮具有三种用途,一是作为舰炮和导弹的辅助武器,用于消除来自无人机和小艇的威胁;二是激光炮可以干扰致盲无人机或导弹的光学设备,提升反弹道导弹能力;三是该系统具备远程情报、监视和侦察能力,可使用传感器向战斗人员提供实时信息,以获得最大的效果。
实战运用和典型测试
1973年,苏联就成立了专门的激光武器设计局,并在美苏冷战时代,研制出一款陆基战略激光武器,用于攻击致盲美国的导弹预警卫星和光电侦察卫星。由于激光武器对大气条件依赖度高,大大缩短了它的射程,也使得激光武器的实战化应用难以大规模推行。
1978年春,美海军使用400KW的氟化氘化学激光器击落了4枚陶式反坦克导弹;1979年使用激光照射模拟洲际弹道导弹的助推器‚,使其产生变形、破裂。
20世纪80年代,初级激光武器开始投入使用。在1982年英国阿根廷马尔维纳斯群岛战争中,阿空军在攻击英舰时多次出现了飞机未受攻击即坠海的情况。到了20世纪80年代末,一些西方媒体披露,马岛战争期间,英国舰艇上试验性地装备了激光炫目器,能够使飞行员在短时间内失明。这应当是激光武器最早投入实战的记录。
2002年,在俄罗斯车臣地区的一次解救人质的反恐战斗中,俄特种部队士兵使用低能激光武器使恐怖分子瞬间失去行动能力,顺利解救了身上绑有手榴弹的女记者。
2022年3月,沙特阿拉伯使用“寂静狩猎者”车载激光武器系统,击落13架胡塞武装的无人机,这是激光武器反无人机作战首次取得实战成果。2021年6月,以色列爱尔比系统公司与以色列空军联合进行机载激光武器系统测试,从不同距离和飞行高度进行反无人机作战测试,验证了机载激光武器的反无人机作战效能。
1987年9月18日,美国军队用氟化氘化学激光器,击落了模拟巡航导弹飞行的靶机;同年11月2日,在前试验射程的两倍距离上,美国成功地重复了一次相同的试验。1989年2月23日,美军再次击落了一枚高速飞行的战术导弹
2014年,美国海军首次为军舰配备激光武器,这种试验性武器今年8月底已被部署装在“庞塞”号大型登陆舰上。“庞塞”号舰艇配备的海上作战激光束用于应对所谓的非对称威胁,包括无人机快艇
2014年,中国使用的成熟激光武器是低功率的激光致盲武器ZTZ-99主战坦克上已经装备了“激光压制观瞄系统”。该设备能够持续发射100兆焦左右功率的蓝绿激光,其威力可烧伤2公里以外敌军士兵的视网膜。
2021年12月,“波特兰”号在亚丁湾航行时测试了激光炮,其搭载的“激光武器演示器”成功击中了一个海面训练目标。
2022年2月,美国洛克希德·马丁公司研制的“分层激光演示器”在白沙导弹靶场成功拦截一枚巡航导弹靶弹。
存在问题
射程问题
激光在大气层中的衰减比较大,特别是在有水汽、沙尘的情况下。即便功率更大的地面战术防空激光武器能达到几百千瓦,但仍然受限于观瞄装置的瞄准精度,随着射程增大,照射在目标上的激光束功率密度会随之下降,毁伤力减弱,从而使有效杀伤距离受到限制。
效能问题
激光武器想要“命中即摧毁”还有困难,现有的激光武器要想有效杀伤目标,需要对目标以足够大的功率持续稳定地照射数秒。这就要保证控制系统能稳定瞄准跟踪并较长时间照射目标的某个固定位置。激光发射系统属于精密光学系统,跟踪瞄准的时间极短,对精度和稳定性的要求很高,要想激光“聚焦在相同点上的时间”持续且稳定,这在瞄准机动目标时绝非易事。
能量转换问题
激光炮要产生1000千瓦~2000千瓦的激光束杀伤目标,需要大型的初级能源供应装置,武器系统体积庞大,整个武器系统至少也要分装在两三辆重型卡车底盘上,导致战场机动性、实用性差,例如,美国用于满足50千瓦激光系统的电机,在热量管理和冷却方面存在重大挑战,其中输入系统2/3的能量都被转化为热量从而浪费掉,只有1/3的能量以激光的形式输出。美国海军装在“庞塞”号和“波特兰”号两栖舰上的30千瓦和150千瓦高能激光系统需在发射间隙为电池充电,由此导致难以连续作战。这些问题对于受到体积和重量限制的机载激光武器而言更为明显。
发展前景
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。
一、固体激光器是各国高能激光器重点发展对象,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。
二、舰载平台是激光武器系统重点发展平台,相比机载和车载平台,舰载平台具有良好的适装性,而且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的进步。此外,舰载激光武器为应对低价值、非对称目标提供了低成本、软硬杀伤兼备、可持续作战的隐蔽攻击手段。
三、战术激光武器是应用研究方向的趋势,高能激光武器的主要战术目标就是精确制导武器,未来如果研发出光束能量足够高、足够好的激光武器,那么反弹道导弹问题将更容易被解决,从而影响战争走向。
四、定向能武器未来会与其他系统集成发展,目的是加强对地面部队和设施的保护。激光武器系统不会完全取代传统防空系统,但有助于进一步提升防御力。
参考资料
激光技术的发展与应用.科学智慧火花.2023-04-25
揭秘“星球大战计划”.中国军网.2023-05-31
21世纪各国的激光武器究竟哪家更强?.中国数字科技馆.2023-06-01
科研申请.中国国家图书馆.2023-05-31
国家高技术研究发展计划(863计划).中华人民共和国科学技术部.2023-04-25
中国激光武器低调发展.光明网.2023-04-19
什么是真正的激光武器 .安徽省光学学会.2023-04-19
激光武器的杀伤机理.中国科学院科普云平台.2023-04-19
激光武器的优点.中国科学院科普云平台.2023-04-19
从美军新装备看未来激光武器发展.微信公众平台.2023-05-30
目录
概述
发展沿革
研制背景
研制历程
冷战中期
冷战后期
后冷战时代
新世纪
基本设计
组成部分
破坏原理
核心优势
武器分类
按能量高低分类
低能激光武器
高能激光武器
按激光器种类划分
化学激光器
高能固体激光器
高能光纤激光器
高光束质量半导体激光器
碱金属蒸气激光器
自由电子激光器
按载荷平台划分
空基
海基
陆基
天基
典型型号
单兵
机载
车载
舰载
实战运用和典型测试
存在问题
射程问题
效能问题
能量转换问题
发展前景
参考资料