激光武器关键技术及典型作战模式分析
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作者:王海涛
摘要： 未来战争正朝着快捷化、 低成本、 无人化方向飞速发展， 新概念激光武器的研发也逐渐实现了技术上的突破， 近年来的演示验证也屡见报道。 本文介绍了激光武器涉及的高能激光器技术、 光束控制传输技术及高效毁伤技术的研究现状及发展制约因素， 探讨了致眩/致盲、 亚音速巡航导弹拦截、 空空/空地导弹拦截、 弹道导弹/高超飞行器拦截、 反卫星作战等典型作战模式， 并对激光武器未来的发展趋势进行了分析预测。
关键词： 激光武器; 高能激光器; 光束控制; 高效毁伤; 作战模式; 新概念武器
中图分类号： TJ95文献标识码： A文章编号： 1673-5048（2020）02-0025-07
0引言
1960年， 美国科学家Maiman成功研制出世界上第一台激光器——红宝石激光器。 此后， 经过近60年的发展， 激光以其优异的指向性、 单色性和相干性， 在各行业得到了深入研究与广泛应用。 特别是国防军事领域激光武器的研发部署， 更是各军事强国激烈角逐的焦点。 作为新概念武器之一， 激光武器与常规武器相比具有效费比高、 反应速度快、 打击精度高、 攻击距离远、 发现即毁伤等能力[1-2]， 因此， 其具有重大的军事价值与战略意义。 美国、 俄罗斯， 以及以德国、 英国为代表的欧洲国家都投入了大量的研发专项资金， 已在地基、 空基和海基平台开展了多项验证性试验， 测试了多款战术型激光武器， 均取得了较为满意的结果[3-4]， 但由于各关键技术不成熟， 至今还没有一款真正意义上可实战化应用的激光武器列装。
本文从高能激光器、 光束控制传输技术及高效毁伤技术方面论述了激光武器的关键技术， 基于激光器功率的发展， 重点分析了未来激光武器的典型作战模式， 并探讨了未来激光武器的发展趋势。
1激光武器关键技术
1.1高能激光器技術
1.1.1化学激光器
化学激光器是高能激光武器研究中技术最为成熟的一类激光器， 也是目前唯一可实现单口径、 MW级平均功率输出， 同时具有较高光束质量的激光器。 美国机载激光武器系统（如图1所示）选用的正是化学激光器， 并成功完成了机载反弹道导弹的演示验证。
化学激光器的缺点也较为明显， 主要表现为其在低腔压下运转产生的废气直接排放到大气环境非常困难， 需要庞大的辅助排气系统， 而且排放的气体会对大气环境造成污染， 这就导致了化学激光器系统体积、 重量较大， 直接限制其机载化应用的进程。
1.1.2高能固体激光器
固体激光器以块状晶体或陶瓷材料为增益介质， 由于块状增益介质体积大、 储能多， 固体激光器不仅可以通过单级或多级放大获得大功率激光， 也可以通过光束合成技术实现更高功率的输出， 是实现单口径百千瓦级输出武器系统的重要可选光源。
高能固体激光器的缺点是系统热管理难、 大功率输出时难以长时间保持高光束质量， 这也是该类激光器未来需要重点攻克的技术难题。
目前， 通过光束合成技术， 100 kW级的固体激光器已经成功实现[5]， 但由于其光束质量较差， 系统体积较大， 电光效率低于30%， 因此并没有进行武器样机的集成试验。 近年来报道的车载、 舰载固体激光毁伤小型舰艇、 无人机等目标的演示验证都是基于数十千瓦级的固体激光器开展的。
1.1.3高能光纤激光器
高能光纤激光器是以掺稀土元素光纤为增益介质的一类新型固体激光器， 其优点为电光效率高、 光束质量好、 热管理也相对简单、 环境适应性强等。 目前， 高功率光纤激光系统的电光转换效率可达40%以上， 转换效率的提升， 有效减小了对冷却系统的要求， 进而优化了系统的结构紧凑性及体积重量， 使其适合搭载于各种战术移动平台。
获得高功率光纤激光系统的技术途径之一为非相干功率合成。 2014年美国在“庞塞”号军舰上展出的33 kW LaWS系统（如图2所示）， 2016年德国莱茵金属公司展出的50 kW高能激光防空系统等， 均是基于该技术的演示系统。
为弥补功率合成光束质量下降的问题， 近年来各大研究机构开展了相干合成和光谱合成方面的研究。 针对这两项技术， 美国分别在2016年和2017年实现了17.5 kW和60 kW的功率输出[6]。
1.1.4碱金属蒸气激光器
碱金属蒸气激光器（DPAL）， 顾名思义， 是以碱金属原子蒸气为增益介质， 获得高功率近红外激光的一类光源系统。 碱金属蒸气介质主要以铷或铯为主。
航空兵器2020年第27卷第2期王海涛： 激光武器关键技术及典型作战模式分析DPAL是目前公认的最具有实现兆瓦级功率输出的激光系统， 兼顾气体激光器高输出功率和固体激光器优秀光束质量的双重优点， 同时其以循环流动的金属蒸气为工作介质， 可实现高效散热， 对热管理系统要求较低。 且DPAL的泵浦源为大功率半导体激光器， 这使得其具备单口径功率定标放大能力[7]。 DPAL还具有实现轻小型化的潜力， 为了实现机载化应用， 美国导弹防御局期望DPAL系统未来的功重比能够突破5 kg/kW， 实现2 kg/kW。 近年来， DPAL技术取得了快速发展， 2016年美国利弗莫尔实验室实现了大于30 kW的铷激光输出。
DPAL激光系统也存在固有缺陷， 例如碱金属原子化学性质活泼， 如何有效防止激光腔的腐蚀和污染具有较大难度; 高压腔运行可能会恶化光束质量。 同时， 其输出功率的提高严重依赖于半导体激光技术的发展。 1.2光束控制传输技术
高能激光武器实现高效毁伤作战效果的前提是激光束能够精确照射至目标靶面， 并在目标被照射部位维持一定的时间， 以积累足够的能量。 因此， 保证激光传输的稳定性， 提高照射的精确性， 是研发激光武器必须关注的问题。
激光武器的作战过程主要为： 由发射系统发射的高能激光通过窗口附面层高速流场、 常规大气流场、 目标附近高速流场（高速飞行目标）， 最后辐照至目标特定位置。 根据上述作战过程， 光束控制传输系统需要具备以下能力特征： 首先， 为了应对飞行目标， 发射系统需要具备持续变焦能力， 以保持照射点光斑尺寸始终最小; 其次， 高速流场、 大气传输过程中对光强分布的畸变影响需要进行校正补偿; 最后， 需要一套精确跟瞄系统来确保辐照光斑能够持续稳定地辐照目标区域。
美国空军研究实验室（AFRL）实施的SHiELD项目（如图3所示）的一个子课题就是光束控制和航空效应研究[8]。 该项目重点开展对发射炮塔边界层气流干扰以及湍流、 热晕等大气效应的光束控制及补偿技术。 此外， 由AFRL和美国国防高级研究计划局（DARPA）联合洛克希德-马丁公司进行的“航空自适应航空光学波束控制项目”[9]， 旨在研究如何采用自适应光学技术以及空气动力学和气流控制技术来有效补偿突出飞机机身的激光发射炮塔周围的极端湍流效应。
光束控制传输技术是机载激光武器的关键部件， 直接影响激光武器的作战使用效果。 为了实现精确打击， 必须要保持高精度的跟踪瞄准， 并以优良的光强分布辐照目标， 因此， 光束控制传输技术就成为激光武器系统总体不可或缺的一部分。
1.3强激光大气传输技术
激光在大气传输过程中， 根据与各种大气分子、 气溶胶粒子等的相互作用类型， 可以分为线性和非线性大气效应。 对于线性效应， 激光束受路径上大气环境的影响， 但是大气环境本身并不会受到激光的影响， 这类效应主要有吸收、 散射、 湍流等效应; 而对于非线性效应， 高能激光束作用于大气环境改变其性质， 然后又受其反作用， 导致激光束在传输过程中产生畸变， 常见的非线性效应有热晕效应和等离子体效应等。
通常情况下， 为了减小大气线性效应引起的能量衰减、 光强随机起伏、 光束扩展等不利因素， 除了增加发射功率外， 目前最常用的方法是选取合适的激光波长， 使其位于大气传输窗口范围内， 同时采用自适应光学系统进行相位畸变补偿。 当发射功率提升到一定水平时， 非线性效应就会产生， 在弱非线性条件下， 自适应光学系统的补偿尚可提供有限的光束改善， 随着非线性效应的加剧， 这种补偿作用就会受到极大限制， 这主要是因为经补偿后的光束反而会加剧大气气溶胶粒子对激光束能量的吸收， 使得非线性作用等更为严重。
1.3.1短脉冲激光技术
连续激光在传输过程中会对大气分子进行持续加热， 产生严重的大气热晕效应， 利用脉冲激光可有效减弱热晕效应的影响。 数值分析表明： 短脉冲脉宽短， 与大气作用的时间远小于大气吸收其能量形成热透镜的时间， 在热晕效应还未形成时， 激光脉冲就已经平稳地通过了吸收介质， 可有效避免热晕效应的产生。 但对于短脉冲， 特别是超短脉冲而言， 单脉冲能量有限， 单纯增大其能量会导致峰值功率过高， 进而击穿空气形成等离子体效应。 对于这种问题， 目前有两种解决途径： 一是采用多脉冲序列， 通过选取合适的发射频率来提高传输能量[10]; 二是利用等离子通道来进行激光传输， 这种方法目前还处于初始研究阶段[11-12]。
1.3.2光束合成技术
光束合成技术是利用数个孔径同时发射多束激光， 汇聚于目标平面上。 根据合成光束的相位关系， 光束合成可以分为相干合成和非相干合成。
相干合成要求精确控制各路光束的相位、 波长以及偏振状态， 利用多孔径激光阵列在远场的相干叠加实现高功率激光传输。 激光相控阵技术可极大减小系统体积重量， 通过扩展相干光源的数量大幅提升输出功率， 而且各路光束相位的控制可实现对激光大气传输效应的有效补偿。 作为未来强激光传输的重要研究方向，激光相控阵技术目前在全电高精、 高速、 大角度扫描等方面仍面临众多技术难题。
非相干合成与相干合成相比， 没有各路光束的相位锁定、 偏振匹配等要求， 其仅需各路光束能够同时聚焦于同一目标区域即可， 从而克服单光路功率有限的短板， 实现大功率辐照。 系统简单、 鲁棒性高是该技术的优点， 其主要表现在輻照目标的功率密度受到限制， 这是由于每路光束使用的是各自的光束定向器， 指向稳定性易受大气效应的影响， 使得目标上合成光束的尺寸时刻在变化， 且随着传输距离的增加， 长时光斑平均直径显著增大。 在实用化方面， 美国LaWS系统、 德国战术激光演示系统都是基于非相干合成技术。
1.4高效毁伤技术
本质上， 激光与材料相互作用的过程是电磁场与物质结构的共振及能量转换。 通过对能量的吸收、 积累与转化， 目标会相应地产生热力学效应、 等离子体效应等， 据此， 激光对目标的毁伤方式可分为热烧蚀毁伤、 激波毁伤和辐射毁伤[13]。
热烧蚀毁伤在辐照激光能量较高时表现为对材料的熔融乃至汽化， 并由此在材料表面形成凹坑或者穿孔， 甚至会产生材料内部温度高于表面温度的现象， 这时， 由内而外产生的高压作用超过材料弹性阈值时， 便会发生结构性的毁伤效果。 当辐照激光能量较低时， 虽不能对材料造成直接的毁伤， 却可以通过加热软化效应来改变其屈服强度、 拉伸强度等物理特性。 对于导弹等飞行目标而言， 抗拉抗压强度的下降， 会使其在飞行气动应力的作用下变形或者解体。 目前而言， 热烧蚀毁伤是激光武器系统最主要的攻击手段。
激波毁伤的热积累过程相对要弱很多， 是高能脉冲激光特有的毁伤方式。 由于高能脉冲具有很高的峰值功率， 当其与目标材料相互作用时， 会在其表面形成等离子层， 等离子层向外喷射对靶面形成一个反向冲击力， 并产生称为压缩加载波的冲击波向靶内传播， 随着激光功率的下降， 还会产生一个压缩加载波， 两者叠加形成激波。 经目标自由面反射后转换为拉伸应力， 当力的大小达到材料的损伤阈值时， 就会产生断裂破坏。 辐射毁伤的前提也是等离子体的产生， 但该毁伤方式主要利用了等离子体辐射的紫外线和X射线， 主要对目标的易损电子元器件造成电离毁伤。 对导弹来说， 最易受到辐射毁伤的是其导引头， 而导引头作为导弹的“眼睛”， 一旦受到致盲毁伤， 失去精确制导能力， 那么导弹只能依靠惯性飞行， 大大降低了其战场威胁。
由以上分析可知， 激光的毁伤效应与激光功率（密度）是密切相关的。 不同数量级的功率密度， 对应的辐照毁伤效应如表1所示[14]。
2典型作战模式分析
2.1致眩/致盲作战
随着军事高科技的不断发展， 红外成像制导技术已经成为精确制导技术的发展主流， 其中典型代表为美国的AIM-9X红外凝视成像空空导弹， 其采用面阵凝视成像体制， 具有灵敏度高、 空间分辨率高、 抗干扰能力强等优点， 是目前战场干扰对抗技术需要研究的主要作战对象。
定向红外对抗系统可以实现对导引头的干扰致眩和毁伤， 主要取决于聚焦到导弹红外导引头上的激光功率密度。
对红外导引头的致眩是通过注入超出红外导引头能承受的辐射强度的激光信号， 使导引头的传感器不能正常工作， 影响导引头的控制和工作状态。 致眩干扰需要的激光功率为瓦级。
对红外导引头的致盲是利用功率较高的定向激光束直接烧毁敌方导弹的红外探测器， 但即使激光功率达不到热破坏的程度， 光电器件也会出现类致盲效应。 出现致盲后， 器件的探测能力要经过一段时间（秒级）才能恢复到原来的水平， 期间探测器失去探测功能。
2.2激光毁伤亚音速巡航导弹
巡航导弹体积小、 重量轻， 可由多种平台发射， 突防能力强， 美国近两年研制的JASSM-ER和远程反舰导弹LRASM， 智能化程度较高。 但巡航导弹的固有弊端——亚音速飞行， 为激光武器实施有效地空拦截提供了较长的时间窗口， 而且最有利于激光攻击的部位为其最前端的制导系统。 当制导系统受到高能激光辐照时， 很容易造成光电装置传感器的永久性损伤， 丧失制导能力， 此后依靠惯性飞行， 丧失作战能力。
在巡航导弹亚音速飞行状态下， 从末段10 km处开始实施拦截， 有40～50 s的时间窗口。 此时， 数十千瓦级的激光功率， 聚焦光斑小于100 mm， 10 s内基本可以完成对10 km范围内巡航导弹导引装置、 发动机和壳体的烧蚀甚至烧穿破坏[15]。
目前已报道的激光武器原理样机验证试验， 大部分输出功率都在数十千瓦量级范围内， 例如美国部署于海基平台的LaWS系统、 机载平台的SHiELD系统、 地基平台的HELMD系统（如图4所示）， 均获得了较为理想的实验结果。
2.3激光毁伤空空/地空导弹
对来袭的空空导弹和地空导弹进行自卫拦截作战的激光武器， 其部署平台主要为战斗机， 且发展的更高目标是具备近距空战能力以及对地面目标的打击能力。
由于空空/地空导弹的飞行速度快、 飞行时间比较短， 机载激光武器需要在较短的时间内完成目标的捕获与跟踪， 并实施快速有效打击。 激光武器毁伤空空/地空导弹的作战样式一般有自卫方式和它卫方式两种。
导弹在飞行过程中， 其探测系统始终正对着目标， 弹轴大部分时间也都指向目标， 激光容易照射导弹头部， 因此自卫作战模式下， 导引头是容易被毁伤的关键部位。 实验验证， 对于光電/雷达导引头探测器的毁伤功率密度一般在105 W/cm2量级[16]。 同理， 它卫方式作战时， 激光武器可以优选对导弹弹体进行硬杀伤， 使弹体结构强度剧减， 从而使导弹在机动过载状态下解体， 或者引爆战斗部的装药， 或者发动机内的燃料， 彻底摧毁导弹。 对于工作状态下的导弹发动机， 有实验验证的毁伤阈值为103 W/cm2量级[16]。 根据美国政府机构和工业集团的研究结果， 该量级的激光武器也可开展对有人驾驶飞机的作战。
2.4激光毁伤弹道导弹/高超飞行器
弹道导弹的飞行弹道包括助推段、 自由飞行段和再入段。 助推段的弹道导弹飞行速度慢、 红外辐射特性明显、 目标体积大、 远离本土， 是拦截的最有利阶段， 但该段拦截时间窗口仅有1～5 min， 因此， 以光速作战的激光武器是拦截助推段弹道导弹的最佳选择。 助推段的拦截可以由兆瓦级高功率战略机载激光武器完成， 毁伤方式为热烧蚀破坏和软化破坏， 攻击部位为弹头和发动机。
迄今为止， 只有美国机载激光武器系统（ABL）完成了对弹道导弹的拦截试验[17]， 但其武器系统本身存在的许多缺陷大大限制了助推段激光武器拦截技术的发展。 目前， 发展方向是将小型电激光器集成进高空无人机去执行助推段拦截任务[18]。 实现这种高空无人机载激光武器的关键是激光器， 其要求激光器的功率密度是1～2 kg/kW， 这样产生1 MW功率的激光器仅重1～2 t， 这是无人机可以承载的重量。 而要将激光器的功率密度从目前的30～40 kg/kW降至1～2 kg/kW， 短期内是难以实现的。 从作战距离上说， 对弹道导弹助推段的拦截应在500 km之外， 这对光束控制系统也提出了更高的要求。
由于高超声速巡航导弹的受载飞行段与弹道导弹的助推段所面临的作战条件极为相似， 且其巡航高度在20～40 km， 目前常规导弹防御系统拦截存在一定困难， 因此也可采用机载激光武器对其实施拦截[19]。
2.5激光毁伤卫星
激光武器攻击卫星主要是以高强度激光在一定时间内照射卫星壳体， 进而造成太阳能电池板摧毁、 表面热控制材料破坏、 卫星天线损毁等热损坏[20]。 由于卫星所处的空间没有介质进行热传导和热对流， 因此辐照热量的扩散只能通过辐射， 而相比另外两种方式， 辐射的散热速率是最慢的。 这样， 激光束的能量很容易在卫星上积累而使其温度升高， 以至损坏其部件。 在作战距离上， 反卫星与反弹道导弹基本一致， 或大于后者的作战距离， 考虑到地球表面大气的密度随着高度的增加而减小， 从15 km以上直到太空， 只有相当于总量1/8的大气。 因此， 如果机载激光武器系统在这一高度以上进行攻击， 则基本可以避免近地各种大气效应而引起的能量衰减和光束畸变等问题[21]。 因此对激光武器的输出功率需求也在兆瓦量级， 光束质量接近衍射极限[15]。 可保守认为， 只需要在反弹道导弹的激光武器系统上稍微有所提升即可实施反卫星作战。 而且卫星的飞行轨道通常都是固定的， 在卫星到达特定区域之前， 机载激光武器系统即可提前准备， 伺机发射激光; 载机也可与卫星同步飞行， 延长其攻击时间。
3激光武器未来发展趋势
3.1固體激光器成为主流研发光源
固体激光器具有轻便、 小巧、 无污染、 可连续发射、 光束质量好等优点， 且该类激光器能够按比例放大到高功率， 可以方便地装备各种平台以应用于实战， 是最具潜力的激光武器光源方案。
目前发展的固体激光器主要有两大类： 晶体型和光纤型固体激光器。 从目前的研发进度和试验结果来看， 这些固体激光武器系统功率都在几十千瓦， 且都有成功击落目标的试验记录。 另外， 近几年美国空军加大了无人机的研发力度和采购数量， 未来很可能以无人机搭载高功率固体激光武器的方案来替代目前的机载激光武器项目。
3.2激光武器系统集成度进一步提升
固体激光武器虽然是最有前景的技术方案， 但目前输出功率大都在100 kW以下， 离实用的最低目标功率还有差距; 另外， 即使激光器达到要求的功率， 但是搭载到飞机、 舰船等各个平台后又会涉及到平台的能源管理、 热处理及与平台的通讯、 控制系统匹配等一系列问题。 因此， 从当前激光武器相关的主要研发项目来看， 进一步提升功率、 集成度仍然是主要的技术发展方向， 如何改善能源、 热管理、 冷却等技术依然是激光武器系统后续发展的难点。
3.3搭载平台/遂行任务不断延伸
激光武器搭载平台从地基、 海基、 战术飞机， 已经开始向无人机平台进行发展。 为了适应这些平台， 小型化、 集成化、 通用化是激光器未来发展的必然趋势。 随着这些技术的发展突破和新型激光系统的研发， 随之而来的是高能激光武器在战术应用领域不断的拓展。 搭载平台的多样化， 必然会拓展激光武器系统的战场应用领域， 进而遂行多类型的打击任务， 例如作战模式将由近程防御任务逐步扩展至远程攻击， 作战目标也将逐步由战术目标扩展至战略目标。
4结束语
本文在对激光武器关键技术分析的基础上， 重点研究了五种典型的作战模式， 并提出未来激光武器的技术及作战应用的重点发展方向， 为战术激光武器的早日型号化提供理论支撑。 下一步， 将通过定量和定性综合研究的方法， 对不同作战模式下， 激光武器各关键技术指标进行评估， 并根据目前的技术成熟度分析预测未来的发展态势， 为关键技术的突破发展奠定基础。
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Abstract： The war in the future is developing towards the fast， lowcost and unmanned direction. The research on the new concept laser weapons has gradually achieved a breakthrough in technology along with the demonstrations frequently reported in recent years. The research status and development constraints of highenergy lasers technology， beam control transmission technology and highefficiency damage technologies involved in laser weapons are introduced. The typical battle modes， such as laser dazzling/blinding， subsonic cruise missile interception， airtoair /airtoground missile interception， ballistic missile/hypersonic vehicle interception and antisatellite battle are discussed. Finally， the future development trends of laser weapons are analyzed and predicted.
Key words： laser weapon; highenergy laser; beam control transmission; highefficiency damage; battle mode; new concept weapon
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