高能激光武器發(fā)展態(tài)勢

李怡勇，王建華，李 智

(中國人民解放軍裝備學院， 北京 101416)

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【專家特稿】

高能激光武器發(fā)展態(tài)勢

李怡勇，王建華，李 智

(中國人民解放軍裝備學院， 北京 101416)

高能激光武器在防空反導、信息對抗、精確打擊等方面具有革命性的應用潛力，目前正處于由技術突破向作戰(zhàn)應用蛻變的轉折期。以戰(zhàn)術級應用為目標，系統(tǒng)分析高能激光武器的發(fā)展態(tài)勢，指出其作戰(zhàn)應用需求與發(fā)展現(xiàn)狀，以及走向實戰(zhàn)化應用的發(fā)展瓶頸與可能的解決途徑，為武器系統(tǒng)的需求論證、技術發(fā)展和應用研究提供參考。

高能激光武器；技術發(fā)展；戰(zhàn)術應用

高能激光武器利用定向發(fā)射的高功率激光束直接殺傷目標或使之失效，具有傳輸速度快、命中精度高、抗電磁干擾、能多次重復使用、效費比高、作戰(zhàn)方案靈活[1]等優(yōu)點，被認為具有使傳統(tǒng)武器系統(tǒng)發(fā)生革命的應用潛力，并可能改變戰(zhàn)爭的概念和戰(zhàn)術。

近年來，隨著固體激光器、光纖激光器等小型化、實用性新一代高能激光器的快速發(fā)展，具有戰(zhàn)術應用潛力的、發(fā)射功率在數萬瓦至幾十萬瓦的戰(zhàn)術高能激光武器如雨后春筍般井噴式出現(xiàn)，成為當前研究的熱點，并多次獲得試驗成功，極大地增強了軍事界和工業(yè)界的興趣和信心?？梢哉f，高能激光武器的戰(zhàn)術級應用日益臨近，目前正處于由技術突破向實戰(zhàn)應用蛻變的歷史轉折期，在未來5～10年內有望在戰(zhàn)場上廣泛部署與使用。

1 高能激光武器作戰(zhàn)應用需求

1.1 需求分析

除了與指揮控制系統(tǒng)等連接外，高能激光武器主要由高能激光器和光束定向器兩大硬件構成。其中光束定向器又由大口徑發(fā)射分系統(tǒng)、探測跟蹤及精密瞄準分系統(tǒng)構成，大氣層內使用時還需要校正激光大氣畸變的自適應光學分系統(tǒng)等。高能激光武器可以在飛機、艦船、車輛、衛(wèi)星等多種“平臺”進行部署和使用。其戰(zhàn)術層面的作戰(zhàn)應用主要考慮在地面、海上或空中實施近程防御(或進攻)作戰(zhàn)，對抗目標包括飛行中的火箭彈、炮彈、迫擊炮彈(Rocket,Artillery and Mortars，RAM)及無人機、戰(zhàn)術導彈、高超聲速飛行器、戰(zhàn)斗機(用于空中格斗)、橡皮艇、戰(zhàn)車甚至單兵等。由于這類目標在戰(zhàn)場上廣泛存在，且是近程防御作戰(zhàn)的主要任務，因此對快速發(fā)展中的高能激光武器提出了巨大的應用需求。據此，從以下幾個方面分析戰(zhàn)術高能激光武器的作戰(zhàn)應用需求。

1) 確定合適的作戰(zhàn)任務。在戰(zhàn)術應用中，由于要防御目標(如我方軍事要地、艦船、飛機等)遭受威脅程度的變化和不同，對抗的主要目標也會有所差異。以研制時間較長的美國海軍激光武器系統(tǒng)(LaWS)為例，在2007年系統(tǒng)開始研制時，其作戰(zhàn)目標是迫擊炮彈(RAM)；之后隨著無人機威脅的日益增大，其主要作戰(zhàn)任務轉變?yōu)榉礋o人機[2]。另一方面，相比RAM、戰(zhàn)術導彈、戰(zhàn)斗機等金屬外殼的高速目標而言，采用復合材料蒙皮、飛行速度較低的無人機往往更容易被激光武器攔截擊毀。所以，以激光束軟、硬殺傷方式反無人機幾乎成為目前高能激光武器戰(zhàn)術應用的主流任務。按照目前的無人機分類(見表1)[3]，除部分高空長航時戰(zhàn)略無人機飛行高度達到萬米以上，其它無人機均在9 km 以下的中低空飛行。所以，戰(zhàn)術用激光武器的有效射程選為10 km 左右是非常實用的，當然，考慮激光武器的技術水平，該指標可以適當降低(如5～6km )或提高(十幾km 或幾十km )。具有代表性的是美海軍計劃分三個階段實現(xiàn)艦載激光武器部署：近期(2017年前)重點發(fā)展60～150 kW光纖和板條固體激光器，主要在近距防御作戰(zhàn)(約1.6 km )中打擊光電傳感器、小型艦船、無人機、火箭彈等目標；中期(2022年前)發(fā)展300～500 kW固體激光武器，增強作戰(zhàn)距離，具備16 km 級攔截水面及空中目標能力；遠期(2025年后)發(fā)展兆瓦級自由電子激光武器，具備摧毀超聲速巡航導彈和彈道導彈能力[4]。

2) 毀傷目標的火力水平。通常以到達目標的激光功率密度或/和能量密度超過目標材料的破壞閾值作為設計目標，確定激光武器的毀傷能力、有效射程和系統(tǒng)指標等關鍵參數。對于常用的平面聚焦束和高斯聚焦束，確定激光在目標上的遠場功率密度W的公式為：

(1)

式中，激光器輸出功率為P、發(fā)射口徑為D、射程為L、激光波長為λ、光束質量因子為β，而r表示光斑半徑，η表示大氣透過率，不同大氣環(huán)境下取值不同。需要注意的是，不應忽視對能量密度的分析，尤其是考慮動態(tài)環(huán)境下作戰(zhàn)時，會存在有效射擊時間窗口、射擊點穩(wěn)定瞄準等制約項。

3) 目標探測跟蹤瞄準能力。目前激光武器對千米以外目標的打擊基本都是基于自動裝置的跟蹤瞄準式“邊看邊打”模式，因此，具有與火力水平適配的目標探測跟蹤瞄準能力是正常發(fā)揮激光武器作戰(zhàn)效能的必然要求。主要體現(xiàn)為：探測跟蹤距離要大于有效射程，探測跟蹤的環(huán)境適應性要優(yōu)于激光傳輸的環(huán)境適應性，探測跟蹤的目標類型應包括能打擊毀傷的所有目標類型，跟瞄精度要滿足毀傷目標的能量密度要求。

表1 無人機分類

4) 戰(zhàn)場環(huán)境適應性。戰(zhàn)場環(huán)境往往包括自然環(huán)境、電磁環(huán)境和對抗環(huán)境等。激光武器應盡量選擇合適的激光波長、工作體制，適應不同地(海、空)域、季節(jié)、氣象等自然條件；同時實現(xiàn)武器系統(tǒng)的集成化、小型化和可維護性，降低保障要求，提高系統(tǒng)的可靠性、機動性和對抗中的靈活性、生存能力。

通過對以上幾個方面的分析，可初步支撐激光武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)適應性、作戰(zhàn)效能和體系貢獻度等作戰(zhàn)應用的核心問題，為后續(xù)系統(tǒng)設計、研制、試驗和使用奠定基礎。

1.2 主要指標

表2列出了部分代表性高能激光武器系統(tǒng)主要技術指標。這些論證主要以設想的典型作戰(zhàn)場景和目標為出發(fā)點，考慮對目標的軟/硬毀傷能力要求和近期技術水平，設計激光器波長、激光器功率、光束質量、跟瞄精度等系統(tǒng)參數，獲得系統(tǒng)的有效射程。從有效射程看，與上述10 km 左右的實用射程還存在一些差距，但可以應對一些低、慢、小的近短程無人機或類似目標。

表2 高能激光武器系統(tǒng)主要技術指標

2 戰(zhàn)術級高能激光武器發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，世界強國對激光與典型靶材/目標的相互作用開展了大量研究，在高能激光器、光束定向器、自適應光學系統(tǒng)以及武器承載平臺等關鍵技術上取得了重大突破，發(fā)展了多種萬瓦級高能激光武器試驗驗證系統(tǒng)，在射擊試驗中多次成功擊落或擊毀無人機、炮彈、火箭彈、導彈、車輛等戰(zhàn)術目標，為高能激光武器的實戰(zhàn)應用奠定了堅實的技術基礎[6]。

表3列出了近年來試驗的主要高能激光武器項目。此外，美空軍在新一代(相比機載戰(zhàn)術激光器—ATL而言)機載激光系統(tǒng)方面也開展了航空自適應光束控制系統(tǒng)(ABC)、F-35戰(zhàn)斗機上集成激光系統(tǒng)模塊、AC-130J“幽靈騎士”炮艇上加裝激光武器等多個項目研究。還有消息稱，美軍將在“復仇者”無人機上安裝固態(tài)激光武器，并計劃在2017年前進行測試[7]。據2016年報道，美國空軍研究實驗室剛為空軍制定了三個階段的激光武器路線圖(見圖1)[8]。

圖1 美空軍研究實驗室提出的激光武器路線圖[8]

綜上可見，現(xiàn)有高能激光技術和樣機系統(tǒng)已經十分接近戰(zhàn)術層面廣泛應用的現(xiàn)實需求，已步入應用前“最后一公里”的階段。主要體現(xiàn)為：

1) 關鍵技術指標接近實用。在激光器發(fā)射功率、有效作用距離等影響作戰(zhàn)效能的關鍵技術指標上已實現(xiàn)萬瓦、千米的試驗水平，與實際應用需求相比已處于同一量級。多個樣機系統(tǒng)在試驗中成功演示了發(fā)射萬瓦或幾萬瓦的高功率激光束，在數秒時間內、近距離(3～4 km)失能或摧毀無人機、火箭彈等戰(zhàn)術目標，初步展現(xiàn)了實戰(zhàn)應用的可能。

2) 新型激光光源更加實用。雖然傳統(tǒng)的化學激光器能夠實現(xiàn)更高的輸出功率，但存在體積大、重量重和維護復雜等固有缺陷。面向戰(zhàn)術應用的新一代高能激光武器徹底拋棄了傳統(tǒng)的化學激光器，普遍選擇采用電能源的固體/光纖激光器，能夠在更高的集成度情況下實現(xiàn)對炮彈、火箭彈、導彈、無人機、橡皮艇、戰(zhàn)車等目標的有效殺傷，而且便于保障維護。

3) 武器系統(tǒng)集成度更高。目前，多個樣機系統(tǒng)已實現(xiàn)單車級集成，克服了早期高能激光系統(tǒng)集成度低、規(guī)模龐大、操作使用復雜、機動生存能力差等缺陷，初步展示了戰(zhàn)場機動條件下對抗的能力。針對車輛、艦船、飛機等不同承載平臺及使用環(huán)境，已經或正在開發(fā)與之適應的激光武器，進行系統(tǒng)集成與試驗。

4) 戰(zhàn)場環(huán)境適應性進一步加強。戰(zhàn)場環(huán)境千變萬化是制約激光武器實戰(zhàn)應用的重要因素之一。目前部分樣機系統(tǒng)開展了這方面的適應性試驗，在復雜氣象等環(huán)境條件下經受了試驗考驗。如美國10 kW的HEL MD樣機，在新墨西哥州的白沙導彈靶場(2013年)和佛羅里達州的埃格林空軍基地(2014年)的不同季節(jié)和氣象環(huán)境(見圖2)下進行了多輪次的打靶試驗，共攔截了超過150個不同類型的空中目標(包括60 mm 迫擊炮彈和無人機)。

表3 近年來試驗的主要高能激光武器項目

續(xù)表(表3)

圖2 HEL TD在惡劣天氣下進行試驗[10]

3 高能激光武器實戰(zhàn)化應用的發(fā)展趨勢

戰(zhàn)術型高能激光武器走向實戰(zhàn)化應用過程中，其研究方向和發(fā)展趨勢為：

1) 進一步獲得穩(wěn)定可靠的高能激光源

激光源是激光武器的核心，為獲得萬瓦級以上高能激光源，世界各國科學家先后開發(fā)了CO2氣體激光器、化學激光器、固體和光纖激光器，并正在大力發(fā)展電子激光器。目前，第三代固體(含光纖)激光器已實現(xiàn)穩(wěn)定的萬瓦級輸出和集成，是近期戰(zhàn)術應用的主流選擇，已在試驗中展示了應對火箭彈、無人機、橡皮艇、戰(zhàn)車等近、慢、小目標威脅的技術潛力，在要點防衛(wèi)(如要地防空)、系統(tǒng)(如艦船、航空器、航天器等)自衛(wèi)和近火攻擊等方面具有應用前景。要實現(xiàn)射程10 km 左右的實用作戰(zhàn)能力，還需提升激光器的發(fā)射功率至100 kW甚至更高，并與其他分系統(tǒng)集成，可靠、穩(wěn)定、靈活工作。

2) 研發(fā)更加緊湊的激光武器系統(tǒng)

現(xiàn)有高能激光武器已經在萬瓦級功率上實現(xiàn)單車級集成，需要在進一步提高光源功率的同時控制或優(yōu)化武器系統(tǒng)的集成度，使之更加緊湊。近年來，美國國防高級研究計劃局(DARPA)的“圣劍”(Excalibur)和“閃電”(Flash)項目均采用光纖激光陣列[19]，目標是研發(fā)出現(xiàn)有激光武器重量十分之一的、更為緊湊的激光武器系統(tǒng)，質量功率比為2 kg/kW，耗能不超過100 kW/m2。

3) 進一步提升不同戰(zhàn)場環(huán)境下的作戰(zhàn)適應性

溫濕度、云霧、雨雪、風沙、光照等環(huán)境條件的變化，制約著激光武器實戰(zhàn)化的有效應用。在系統(tǒng)設計研制中充分考慮環(huán)境條件的影響，研發(fā)采用適用性強的技術，是促使高能激光武器走向實戰(zhàn)應用的重要措施。目前，美陸軍通過HEL TD項目初步檢驗了不同季節(jié)、晝夜、沙塵、濃霧及風雨等環(huán)境條件下應用的可能性；美DARPA通過Excalibur樣機驗證了“超快優(yōu)化算法”，有效“凍結”了大氣擾動，通過亞毫秒量級的校正速度實現(xiàn)考慮大氣湍流因素的完美修正；美海軍正大力發(fā)展波長可調的自由電子激光武器，以適應特殊海洋環(huán)境的不利影響；空中和太空平臺可以盡量避免大氣環(huán)境的影響，但也面臨著能源供應、質量與體積限制、振動等特殊環(huán)境的不利影響。

4) 研究先進探測跟蹤與光束控制新方法

采用光學探測器的激光武器，容易受目標與背景亮度、氣象等條件影響，尤其在攻擊數千米以外的遠距離目標時，嚴重影響對目標的探測跟蹤。適應復雜戰(zhàn)場環(huán)境的先進探測跟蹤方法和跟蹤系統(tǒng)一直是激光武器研究的重點內容之一。2012年12月，美國洛·馬公司ADAM系統(tǒng)打擊海上橡皮艇目標的試驗中，依靠自身的紅外跟蹤系統(tǒng)迅速鎖定了海面上的橡皮艇目標，并在激光對目標照射的過程中，使得激光一直瞄準和照射在橡皮艇的一個點上而沒有受到海浪的影響。2013年初，洛克希德·馬丁公司啟動了“航空自適應光束控制系統(tǒng)”(ABC)炮臺的研發(fā)，完成了數十次飛行測試，可為安裝在近聲速飛行的戰(zhàn)機上的高能激光武器系統(tǒng)提供360°的視野[20]。另外，跟蹤瞄準精度是影響激光武器系統(tǒng)火力水平的重要因素，由于是角度誤差，對以單位面積計算的到靶功率/能量密度而言，具有平方的關系。因此，需要在動態(tài)對抗環(huán)境下，保持系統(tǒng)的跟蹤瞄準精度和對抗效能。

5) 研究高能激光武器與特殊平臺的集成應用

針對高能激光武器與戰(zhàn)機等特殊平臺的集成應用問題，洛克希德·馬丁公司于2015年10月5日透露，該公司正研究在F-35戰(zhàn)斗機上集成激光系統(tǒng)模塊。2016年，美空軍科學顧問委員會的“快速察看”研究將聚焦空軍在空中平臺上加裝激光武器的項目，評估在AC-130J“幽靈騎士”炮艇上加裝激光武器的可行性[21]；同年，美空軍研究實驗室(AFRL)主任馬謝洛少將稱：“我們已經把精力完全轉移到固態(tài)和電子激光器上，期望在未來5年把中等功率的激光器原型集成到機載吊艙中，配裝到戰(zhàn)斗機等高性能作戰(zhàn)飛機上進行飛行驗證。這將有助于技術的進一步成熟，并最終為戰(zhàn)斗機的大小空中平臺配裝中等或高功率等級激光武器奠定基礎”[22]。

6) 需要考慮與現(xiàn)有彈、炮等火力系統(tǒng)的綜合應用

導彈可以通過自旋或加固對抗激光攻擊，串行工作的激光武器很難應對多目標密集來襲的場景。激光武器作為一種新概念的武器系統(tǒng)，其缺點與優(yōu)勢共存，不能寄望其解決對抗中的所有問題。高能激光武器應作為現(xiàn)有的戰(zhàn)術對抗系統(tǒng)(如艦載彈炮防御系統(tǒng))的有力補充，形成彈、炮、激光等結合的綜合對抗體系，共同完成作戰(zhàn)使命任務。若要充分體現(xiàn)激光武器的體系貢獻度[23]，需要從這一命題中尋找合適的答案。

4 結束語

激光武器被認為是有可能改變戰(zhàn)爭樣式的一類新概念武器。在半個世紀技術發(fā)展的基礎上，萬瓦級高能激光武器即將邁入實戰(zhàn)化戰(zhàn)術應用階段。激光武器一旦實現(xiàn)戰(zhàn)場部署，必將發(fā)揮巨大的作戰(zhàn)效能。為此，我國應加緊對高能激光光源、先進探測跟蹤與光束控制、與多種平臺的系統(tǒng)集成等關鍵技術攻關，加快高能激光系統(tǒng)的技術驗證與應用研究，縮短技術武器化的生成周期，搶占高技術武器發(fā)展與應用的先機。

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[11]Lockheed Martin Advances Directed Energy Programs:Laser Weapon System (LWS) Milestones & Key Events[EB/OL].Lockheed Martin,2016,http://www.lockheedmartin.com/content/dam/lockheed/data/ms2/documents/Lockheed-Martin-Laser-Weapon-Systems-Milestones.pdf.

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[18]黃銳.“低空衛(wèi)士”出手又快又準 有效護衛(wèi)空域12平方公里[EB/OL].[2014-11-02].http://news.xinhuanet.com/2014-11/02/c_1113080747.htm.

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[21]王璐菲.美空軍科學顧問委員會確定2016年重點研究項目[J].防務視點,2016(1):42.

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(責任編輯 周江川)

Development Situation of High-Energy Laser Weapons

LI Yi-yong, WANG Jian-hua, LI Zhi

(Academy of Equipment of PLA, Beijing 101416, China)

HEL weapons can be used widely in future air defend and anti-missile, information warfare and precision strike. Now, it is the important turning time from technology to operation for HEL weapons. Considering its tactical application, the development situation is analyzed carefully. Based on the analysis, its application demand and development status, tactical application limitations and possible way are discussed. This contribution would be useful for demand argumentation, technology development and operation research of HEL weapons.

high-energy laser (HEL) weapon; technology development; tactical application

2016-12-26；

2017-01-25

國家863計劃項目(2015AAXXX6102)

李怡勇(1982—)，男，本刊審稿專家，博士，主要從事空間安全技術與應用研究。

10.11809/scbgxb2017.06.001

format:LI Yi-yong, WANG Jian-hua, LI Zhi.Development Situation of High-Energy Laser Weapons[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(6):1-6.

TJ95

A

2096-2304(2017)06-0001-06

本文引用格式：李怡勇，王建華，李智.高能激光武器發(fā)展態(tài)勢[J].兵器裝備工程學報，2017(6):1-6.