戰(zhàn)術機載激光武器

伊煒偉,屈長虹,任國光

(中國久遠高新技術裝備公司,北京 100094)

1 引 言

美國空軍長期以來就希望把激光武器裝上飛機,執(zhí)行目前由老式的火炮和導彈完成的各種任務,大大提高空軍的作戰(zhàn)效率、精度和速度,以使美國戰(zhàn)機比敵方戰(zhàn)機具有極大的優(yōu)勢。激光與常規(guī)武器的組合將導致在20～25年內作戰(zhàn)空間的徹底轉變。對空軍來說激光武器的重要性表現在:

· 致命性—激光武器能提供以光速對付各種威脅和與多目標交戰(zhàn)的能力。

· 持續(xù)性—采用電激光器,只要有電力供應就具有幾乎無限的彈倉。而電力可由飛機發(fā)電機產生并僅需燃油,這就使戰(zhàn)機能長期在空中巡弋。

· 高機動性—戰(zhàn)術機載激光武器比車載系統(tǒng)更加機動,所以我們認為未來的高機動型戰(zhàn)術激光武器很可能是一種空射型激光武器。

· 低空防御能力—有利于防御地面作戰(zhàn)難以對付的一些目標,如貼地和掠海巡航導彈。

· 隱蔽性—激光既無聲又無光,不易被敵方發(fā)現。

· 作戰(zhàn)效費比高—每發(fā)激光的成本非常低,有能力顛倒不公平的成本方程。

在21世紀初,空軍曾大力研發(fā)和演示了先進戰(zhàn)術激光武器(ATL),它是將一臺密封型化學氧碘激光器裝上AC-130武裝直升機。盡管它解決了不向外排有害廢氣的問題,同時重量與體積有所減小。但采用沸石(硅酸鋁鉀鹽)吸附廢氣仍然存在重量和體積過大的問題,從而限制了彈倉和輸出功率的提高。并且技術復雜和仍需大量的危險化學品作燃料。

在20世紀90年代末,美國各軍種都先后放棄了化學激光器,激光武器的光源轉向了電驅動的固體激光器。最近固體激光器(SSL)技術在性能和成熟度兩方面都取得了重大進展,現已能在適合可部署平臺的緊湊系統(tǒng)中提供武器級的功率。美、德、以等國已開發(fā)和試驗了多種數萬瓦功率的激光武器樣機[1],特別是美國海軍已在波斯灣巡弋的龐塞號軍艦上部署了第一臺作戰(zhàn)的戰(zhàn)術激光武器[2]。今天激光武器終于證明具有足夠的成熟度能集成進空中平臺,有可能在下10年執(zhí)行防御和進攻性任務。這些進展促使空軍更加關注機載激光項目。

美國空軍特種作戰(zhàn)司令部(AFSOC)司令Brad Heithold中將說:“保護我們的戰(zhàn)機越來越困難,五年內如果我無所作為,那么我能部署它們的區(qū)域將繼續(xù)縮減”[3]。目前美國空軍正在采取雙管齊下的方針,一方面AFSOC計劃在2020年在武裝直升機AC-130J上用激光武器取代20或30 mm機關炮,并進行演示試驗,它將以最小的附帶破壞摧毀地面和空中目標。另一方面空軍研究實驗室(AFRL)正在實施自衛(wèi)高能激光演示器(SHIELD)計劃,研發(fā)小型戰(zhàn)術激光器裝備戰(zhàn)斗機,用以防御地-空、空-空導彈和機載目標。

空軍的戰(zhàn)術機載激光(TABL)武器計劃都還未選定所用的高能激光器。雖然美國各軍種的聯合高功率固體激光器計劃已研發(fā)成功并試驗了100 kW的晶體板條和陶瓷板條Nd∶YAG激光器,而且它們的技術也比較成熟。但它們的光束質量、體積和重量、熱管理等問題仍很突出,要想把這種尺寸、重量和功耗的激光器裝上飛機非常困難。從精選增益介質和優(yōu)化結構設計的技術發(fā)展趨勢來看,TABL光源的候選者可能是一些最近發(fā)展的先進SSL:高能液體激光器(實際上是一種液冷SSL)、光纖合成激光器和平面波導激光器。

2 先進戰(zhàn)術激光武器的經驗教訓

ATL系統(tǒng)是美國國防部發(fā)展的TABL武器,2001年被國防部定為兩項先期概念演示項目之一。其目的是將密封型化學氧碘激光器集成進武裝直升機,執(zhí)行致命和非致命作戰(zhàn)任務。ATL的最終目標是用300 kW的激光器裝備武裝直升機AC-130和傾轉旋翼機V-22。在先期概念技術演示中將采用一臺25 kW的激光器,演示從5～15 km的距離攻擊地面目標[4]。其平臺是改裝的NC-130H大力神試驗臺。2010年8月進行的試驗擊壞了一輛靜止的閑置車輛,2010年9月ATL在試驗中成功地跟蹤并與一架遙控的飛行目標交戰(zhàn)。

從研發(fā)與試驗ATL獲得的經驗教訓:

· 激光器必須小型化—ATL的固有缺陷是由于采用沸石吸收激光器排出的廢氣,也存在重量和體積過大的問題,這限制了彈倉和輸出功率的提高。激光器模塊重12000磅。

· 射程太短—對作戰(zhàn)目標而言,ATL還缺乏足夠的功率和射程。

· 彈倉十分有限—飛機發(fā)射5～6次激光后必須返回基地重新加載,不論從火力的觀點還是從技術的觀點來看,這是不能接受的。

· 光束穩(wěn)定性—在研發(fā)與試驗中證明束控和空氣動力學抖動是機載激光計劃的絆腳石,空氣動力學抖動將引起炮塔振動,這是ATL計劃的限制因素。

3 空軍加速發(fā)展戰(zhàn)術機載激光武器

3.1 概述

吸取ATL的經驗教訓,空軍認為采用電激光器可能是一個解決辦法。SSL比化學激光器小得多,功率密度約小30倍[5]；而且具有幾乎無限的彈倉,只要有電力供應,它就能快速地與多個目標交戰(zhàn)；特別是它減輕了與潛在的危險化學品和在飛機上安裝化學激光器帶來的與大量垂直懸掛有關的一些可靠性問題。

目前空軍正計劃在2020年將SSL集成進AC-130,并進行外場演示試驗,較長期的目標是研發(fā)小型激光器裝備戰(zhàn)斗機用于自衛(wèi)?？哲娨矊⒗^續(xù)追逐把高能激光器集成進像轟炸機這樣的大型飛機內用于自衛(wèi),它也可以部署在空中加油機上用于自衛(wèi),以及在易受攻擊的加油飛行期間保護系鏈飛機。與其他軍種的類似計劃相比,空軍TABL計劃的戰(zhàn)術和技術障礙所面臨的挑戰(zhàn)要嚴峻得多。在技術上地基、艦載甚至是車載比起機載特別是戰(zhàn)斗機要容易得多,畢竟它們對激光器的大小和重量的要求要寬松得多。能夠裝入飛機的戰(zhàn)術激光系統(tǒng)的功率密度應在5 kg/kW以下,而體積不大于3 m3。從戰(zhàn)術上講,陸軍、海軍陸戰(zhàn)隊和海軍的激光武器主要用于防御,而空軍的激光武器更多一些攻擊性。

空軍認為30 kW的激光器能在幾千米的距離拒止、破壞或摧毀無人機、火箭彈、大炮炮彈、迫擊炮彈,100 kW激光器能用于飛機自衛(wèi),300 kW激光器則能在較遠距離摧毀敵方飛機和地面目標。綜合幾個政府機構和工業(yè)集團對反各類目標所需激光功率的研究[6],幾十千瓦能用于反無人機和某些小艇；100 kW能用于反火箭彈等彈丸,以及有更大能力反無人機和快速小艇；300 kW能反有人駕駛飛機和某些導彈,以及在遠距離擊落各種彈丸和無人機。美國和德國的大量實彈射擊證明30～50 kW的激光器能擊落2～3 km處的上述各種彈丸和無人機。與戰(zhàn)區(qū)、戰(zhàn)略機載激光武器不同,TABL是在云層下面作戰(zhàn),用于導彈防御的最佳作戰(zhàn)高度是10000 ft,它也可以降至2500 ft作戰(zhàn),低于2500 ft由于大氣稠密,激光的有限射程很短。而攻擊地面目標則屬低空作戰(zhàn),必須考慮大氣的影響。

TABL面臨的技術挑戰(zhàn)是小型化、功率和射擊精度。激光器必須大幅度減小尺寸和重量才能裝入戰(zhàn)術飛機,而且它必須足夠小才能不影響戰(zhàn)機的速度和敏捷。問題不僅僅是小型化,射擊精度也是至關重要的,特別是高速飛行的戰(zhàn)機,其射擊精度將面臨振動、氣動力學和極端湍流干擾等許多技術挑戰(zhàn)。為了克服這些障礙,空軍正在借助于其他軍種類似的計劃,如海軍的30 kW激光武器系統(tǒng)和陸軍的高能激光機動演示器。同時空軍也在開展束控與航空效應的研究和發(fā)展計劃,解決激光戰(zhàn)斗機特有的束控問題,AFRL定向能局首席工程師樂觀地認為這些挑戰(zhàn)能在5年內克服。

3.2 激光武裝直升機

武裝直升機由于有較大的體積和重量限額,所以飛得較慢,同時它的目標集也似乎處在較近的距離。AFSCO認為需要采用新的辦法提高飛得又慢又低的武裝直升機的生存能力。關鍵是引入高能激光武器,通過擊毀敵方的地對空、空對空導彈和機載目標,AC-130不僅能保護自己,而且還能保護整個特種作戰(zhàn)混編攻擊機群,并能精確攻擊地面目標。AFSCO已制定了一個計劃,將激光武器集成進AC-130,使之具有進攻與防御的能力,并確定在2020年在外場進行演示試驗[7]。

AFSOC計劃在AC-130上采用180～200 kW的激光器執(zhí)行進攻與防御任務。執(zhí)行進攻任務是比較容易的,因為它只涉及到在飛機的一側安裝一臺光束定向器,用激光就像用一門炮那樣擊落目標。若用于防御就還需在飛機周圍安裝多個傳感器,用于探測目標。自衛(wèi)反導任務能很容易轉變成執(zhí)行精確打擊任務,因為這兩種任務對系統(tǒng)的要求是相當一致的,不同之處在于所用的傳感器和指揮控制性能。反導任務是用紅外傳感器在背景中尋找目標,它是快速反應的高度自動化過程。而超精確打擊任務是在雜亂的地面反射中用可見光相機偵查現場,確定目標的位置,這是一個以操作者的作用為主的慢過程。

裝備激光器的AC-130作戰(zhàn)目標甚多,作為進攻目標包括使機動車輛、船舶和地面飛機失能,使敵方的關鍵系統(tǒng)失效,如指揮車、發(fā)電系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。作為防御目標包括地-空導彈、空-空導彈和機載系統(tǒng)。用作反地-空和空-空導彈的自衛(wèi)武器,它已超越了目前在武裝直升機能實現的大型飛機紅外對抗系統(tǒng),因為它將燒毀而不是致盲或干擾來襲導彈上的傳感器,有著高束質且輸出功率大于150 kW的激光武器可以擊落包括雷達或光束導引的導彈。事實上激光對付大多數先進導彈特別有效,為了提高命中精度,大多數精確制導武器都采用了光學或光-電傳感器,它們使用的材料對激光特別敏感,破壞閾值僅為10～100 W/cm2,是易損部件。TABL也能破壞導彈的雷達和光學頭罩,造成導彈空氣動力學失衡而墜落或使制導系統(tǒng)無法獲得目標的形狀、大小和距離等信息而脫靶。頭罩的破壞閾值為102～103W/cm2。

天氣冷下來的時候，周小羽還在讀書。但現在的他已經將一天的里很多時間放在了彈棉花上。這句話的意思是說，周小羽讀書不行，彈棉花倒真的學會了。現在的他就經常呆在那間罩滿棉花絮絮的屋子里。

目前完成AFSOC任務所需的性能還未詳細說明,初期的激光器輸出功率應在100～150 kW。AFSOC司令希望激光器重量不超過5000磅,這基本上是武裝直升機現有一門炮的重量。AFSOC對AC-130能提供激光器所需的空間、重量和功率十分自信?？哲娍茖W顧問委員會最近的研究表明,利用目前最先進的技術,采用板條激光器提供合適的大小,重量和功率有可能完成演示[8]。旋轉炮塔在飛機上的布局也將關系到激光的殺傷力,炮塔可安裝在飛機的一側對付空-空導彈,這是30 mm激光炮在武裝直升機中的位置,也可以安裝在機腹對付地-空導彈。AFSOC似乎更樂意撤除30 mm炮,將炮塔裝在機弦側面[9]。

3.3 激光戰(zhàn)斗機

空軍自己的研究計劃重點是戰(zhàn)斗機,它們組成了美國空軍戰(zhàn)機的90%,激光戰(zhàn)斗機可為空軍在效率、精度以及交戰(zhàn)速度方面提供顯著優(yōu)勢。AFRL正在實施SHIELD計劃,它設計用于中距離防御,但計劃將來也具有進攻能力。SHIELD將研發(fā)一臺更加緊湊的中等功率激光武器系統(tǒng),并將其集成進與戰(zhàn)斗機兼容的吊艙內,用于保護戰(zhàn)斗機免遭導彈的攻擊。研發(fā)工作已于2015年開始,計劃在2021年演示驗證激光武器在相關飛行環(huán)境中用于反地-空和空-空導彈的有效性。演示實驗也考慮了與地面目標交戰(zhàn),可能包括傳感器、通信設備和其他易損的高價值系統(tǒng)。SHIELD計劃將同時獨立開展三方面的研究工作:提升下一代緊湊環(huán)境的激光器(LANCE),激光吊艙研究與發(fā)展(LPRD)及束控和航空效應研究與發(fā)展(BARD) 。

LANCE的目標是通過研發(fā),設計、制造、交付一種可靠和堅固耐用的大功率激光器,同時具有優(yōu)良的光束質量和緊湊的設計,并將其集成進氣動結構中。它將為第五代、第六代戰(zhàn)機尋求小型激光器,由于AC-130J滿載為82 t,而F-15滿載僅40 t,因此戰(zhàn)斗機對激光器的要求更加苛刻。要求重量低于1500磅,體積能裝入標準的600加侖外油箱,激光功率為幾萬或10萬瓦。通用原子公司的高能液體激光器可能是主要的候選者,它的第三代產品已獲得突破并通過了政府的驗收試驗,功率密度達到5 kg/kW,而且正在為空軍研發(fā)第四代產品。

激光器并不集成進戰(zhàn)斗機,而是采用吊艙式激光武器概念,它將由各種戰(zhàn)術飛機和無人機攜帶執(zhí)行反導和對地攻擊任務。吊艙是獨立的系統(tǒng),它包括激光器和束控系統(tǒng),以及功率系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng),并保護激光器免遭嚴酷的外部環(huán)境的影響。LPRL將開發(fā)吊艙、熱管理系統(tǒng)、鋰電池和冷卻系統(tǒng),吊艙的空氣動力學結構將使它能處理高達超音速的高速氣流。LPRL是SHIELD計劃最嚴峻的挑戰(zhàn)之一,將激光器集成進吊艙受尺寸、重量、功率和拖曳的限制[10]。吊艙將替換F-15的600加侖外油箱,當燃油吊艙換成激光吊艙,將加重整個飛機。這必將影響到戰(zhàn)機的性能。儲存和散熱也增加了集成的風險。

2016年12月15日波音公司在SHIELD計劃中被授予了9000萬美元的合同,用以開發(fā)高能激光吊艙和集成系統(tǒng)[11]。波音公司將開發(fā)一種帶有光束控制系統(tǒng)的吊艙,它能以亞音速直到超音速飛行,同時能向高能激光器提供所需的功率和冷卻。作為這一計劃的一部分,LPRD項目打算解決吊艙功率、熱和系統(tǒng)控制,以及分兩個階段設計氣動吊艙。該計劃的第一階段將實現激光射擊目標的低功率演示,接著是高功率吊艙的作戰(zhàn)測試。

束控系統(tǒng)是激光戰(zhàn)斗機的關鍵部件,它直接關系到激光武器的射擊精度。執(zhí)行精確打擊,必須要有高精度的跟瞄技術。BARD是一項保持用于超聲氣流環(huán)境中現代束控系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展的工作,其工作重點是表征圍繞炮塔的氣流特性,了解飛機炮塔邊界層的氣流干擾,研究束控技術對付湍流或熱暈產生的有害大氣密度梯度。發(fā)展自適應光學技術對大氣畸變進行校正與補償,使之能精確聚焦到目標上[12]。2016年8月AFRL授予諾格公司3900萬美元合同,研發(fā)吊艙式電激光武器的束控系統(tǒng)。諾格公司工作的重點是解決適航性、阻力和高振動性能的問題,并組裝一套饋送激光的光學元件,它能向任何方向發(fā)射激光。

激光戰(zhàn)斗機面臨的挑戰(zhàn)還包括炮塔,它不能影響噴氣機的空氣動力學特性,甚至是一個小的隆起物都將引起飛機減速。炮塔研究獨立于BARD,它面臨的主要問題包括補償在邊界層產生的極端湍流,確保激光能在近聲速飛行的平臺上向任何方向發(fā)射激光。如果不補償大氣擾動,激光束只能打擊正前方的目標,這將嚴重影響作戰(zhàn)效能。幸運的是洛馬公司、國防高級研究計劃局(DARPA)和AFRL已在2014年演示驗證了束控炮塔的能力[13],他們研發(fā)的“航空自適應氣動光學束控”炮塔經過近60次飛行試驗,證明能提供360°的覆蓋。它采用自適應光學并結合空氣動力學和氣流控制技術補償了從飛機機身突出的炮塔引起的極端湍流效應,從而實現了全方位的射擊,這在世界上獨一無二,如圖1所示。

圖1 航空自適應氣動光學束控炮塔及試驗飛機

4 戰(zhàn)術機載激光武器光源的選擇

4.1 先進固體激光器

美國三軍的聯合高功率固體激光器計劃的重點是研制100 kW的晶體和陶瓷板條激光器[14],并于2009年進行了演示驗證。但這些激光器由于尺寸、重量和功耗(SWaP)問題,使其難以集成進對尺寸和重量敏感的戰(zhàn)術平臺。因此戰(zhàn)術激光武器下一步的重大挑戰(zhàn)是小型輕量化。戰(zhàn)場用高功率激光器的電-光效率決定了SWaP,激光的光束質量決定了激光武器的殺傷力。

美三軍聯合研制成功的100 kW SSL是Nd∶YAG板條激光器,其效率低(19%)、熱負載高,且不利于散熱導致重量和體積大及光束質量不夠好(2.9 DL)。光學增益介質的種類和幾何形狀,決定了激光器的效率和光束質量,需要尋求將產生的廢熱降至最低和將廢熱從增益介質中有效排除的方法。Nd∶YAG的熱管理系統(tǒng)占激光器總重的45%,關鍵是增益介質Nd,它的量子虧損是24%,Nd∶YAG產生的百分比熱量是40%。而Yb∶YAG增益介質具有優(yōu)良的物理和光學特性,特別是Yb量子虧損僅為8%,Yb∶YAG產生的百分比熱量僅為11%,光-光效率高達60%以上。而且Yb∶YAG有較寬的發(fā)射帶和熒光壽命時間,使它的激光性能、成本和可靠性都明顯優(yōu)于Nd∶YAG,因此Yb∶YAG激光器效率更高、結構更緊湊,更適合用于小型空中平臺。增益介質的形狀采用板條不利于散熱,特別是橫向溫度梯度高,嚴重影響了光束質量。目前美國軍方正在研發(fā)便于散熱的三種增益介質形狀的先進SSL:光纖合成激光器、平面波導激光器和薄片激光器。為了大幅度降低激光器的尺寸和重量,美國軍方也在大力發(fā)展高能液體激光器和堿金屬蒸氣激光器。

4.2 高能液體激光器

這里所指高能液體激光器實質上是一種液冷SSL,它源于通用原子(GA)公司為軍方研發(fā)的“高能液體激光區(qū)域防御系統(tǒng)(HELLADS)”。DARPA一直在推動能集成進戰(zhàn)術平臺的小型激光武器,在其支持下GA從2003年開始實施HELLADS計劃,其目的是研發(fā)一臺150 kW的激光器,其大小和重量比目前相當功率的激光器小10倍,具體指標是功率密度5 kg/kW,體積2～3 m3。它被設計用于反火箭彈、火炮炮彈、迫擊炮彈；反有人機與無人機；反巡航導彈；防御地-空和空-空導彈。HELLADS是新一代戰(zhàn)術激光武器的代表,它可能對防御產生革命性的影響和向空軍戰(zhàn)機提供重大的戰(zhàn)術優(yōu)勢。

HELLADS綜合了固體激光器的高儲能密度和液體激光器熱管理的特點,它采用兩套75 kW的固體薄片激光放大器模塊組成一個150 kW的激光諧振腔,而固體激光增益薄片則浸泡在冷卻液中[15]。薄的盤狀增益介質可以看作是一維的結構,因此表面積/體積比很大,又加之用流動液體冷卻,所以熱管理非常有效。薄片一個表面冷卻,另一表面進行激光功率提取。由于薄片介質的直徑遠大于厚度,熱傳導的距離非常短，不會產生大的橫向溫度梯度。另外,通過薄片表面提取激光功率,激光束平行于冷卻液的流動方向,大大降低了熱透鏡效應使橫向溫度梯度和光束傳播截面上的相位畸變最小化。因此薄片激光器能非常有效地清除激光增益介質中產生的廢熱,在獲得高功率激光輸出的同時保持高的光束質量。

在研發(fā)過程中,激光器輸出功率、尺寸和重量取得進展,但轉換效率不高。為了將效率提高到30%以上,研究人員重新設計和建造了一個新型的高效分布式增益介質激光器，如圖2所示。一串厚度為毫米量級的介質薄片固定在諧振腔中,冷卻液從上至下,通過分流后均勻地流過薄片介質之間的區(qū)域并帶走熱量,而抽運光與冷卻方向垂直入射到增益介質表面。GA在保持現有的光束質量和輕重量優(yōu)點的情況下,改變了激光增益介質、抽運二極管和重新設計了激光頭。改用量子虧損更小的增益介質可提高轉換效率,而采用目前世界上最高亮度的二極管抽運使激光器的性能得到了全面的提升。除激光器外,GA也研發(fā)了世界上最高亮度的二極管、緊湊的蓄電池和冷卻系統(tǒng)。

圖2 分布式薄片增益激光器的示意圖

HELLADS在2015年4月取得重大突破,完成了美國政府的驗收試驗程序,從2016年1月起在白沙導彈靶場針對各種目標進行實彈打靶試驗,為期一年半。這個被稱為第三代的高能激光器在許多性能上都得到了改善,輸出功率達到150 kW；電-光效率明顯提高；改善了光束質量,進一步減小了尺寸和重量,功率密度達到5 kg/kW,尺寸僅為1.3 m×0.4 m×0.5 m[16]。激光器由緊湊的鋰離子電池供電,可部署在戰(zhàn)術平臺上。事實上這個系統(tǒng)已創(chuàng)造了電驅動激光器最高輸出功率的世界紀錄,同時功耗低,并能在30 s內始終保持高的光束質量,這足以摧毀眾多的戰(zhàn)術目標。

GA公司已展示了第三代戰(zhàn)術激光武器模塊,如圖3所示,它包括高功率密度鋰離子電池、液體冷卻系統(tǒng)、一個或多個激光器單元,以及在光束進入定向器之前用于凈化和穩(wěn)定光束的光學部件。每個激光器單元能產生75 kW光束,可組合多單元激光器產生150～300 kW的光束,而不需要像光纖激光器那樣的光束合成 。第三代HEL是完全獨立的系統(tǒng),激光器、功率系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)能裝入大致長12 ft、寬4 ft、高2 ft的箱子里[17]。目前GA公司正致力于研發(fā)更加緊湊的第四代HEL,準備在2020年將其集成進AC-130。GA也期望將其裝備本公司正在研發(fā)的載重1300 kg的捕食者C型無人機。

HELLADS也并非沒有問題,按照液冷分布式薄片增益介質的設計,冷卻液應包含在激光光路之中,由于冷卻液的透明度和冷卻液與固體增益介質的折射率不完全匹配將造成激光損耗,而液體的熱光系數遠遠大于固體增益介質的熱光系數,很小的溫度變化將引起較大的激光波前畸變造成光束質量下降。從第三代HEL驗收后國防部給國會的報告[18],以及文獻[19]指出第三代HEL的光束質量比海軍的30 kW激光武器系統(tǒng)好三倍。我們推測光束質量并未達標。而且目前輸出功率較低,液體流動熱管理在更高功率情況下能否保證優(yōu)良的光束質量還不確定。另外,HELLADS也會面臨集成和堅固性的嚴峻挑戰(zhàn)。

4.3 光纖激光器

光纖激光器是先進的SSL,它具有無以倫比的獨特優(yōu)勢,與板條和薄片固體激光器相比,光纖激光器在效率、束質、體積、重量、堅固性和冷卻方面都具有明顯的優(yōu)勢。在過去10年里,光纖激光器技術迅速提高,在堅固的“全光纖”體系結構里實現了高功率運行,它已成為激光武器的主要光源之一。光纖激光器不僅電-光轉換效率高(40%),而且光束質量達到了近衍射極限(1.1 DL)。光纖的其他特性包括細長的一維結構使其散熱性能好；結構簡單、體積小、質量輕；堅固性好能工作在極端的溫度、振動和沖擊這樣的惡劣作戰(zhàn)環(huán)境中。但光纖激光器的功率受限于非線性效應、熱效應和光學損傷,將單模光纖激光器的輸出功率限制在10 kW。因此要獲得激光武器所需功率的主要途徑是將大量的光纖激光束合成為單一的高功率、高束質光束。光束合成的目標不僅要提高功率,而且還要保持高的光束質量。

目前許多光束合成的概念是基于光束的非相干合成、光譜合成和相干合成。非相干合成的體系結構最為簡單很易實現,但光束質量差,嚴重限制了激光的射程和殺傷力。海軍裝艦的激光武器系統(tǒng)使用了六個5.5 kW的IPG標準單模光纖激光器模塊,通過幾何光束耦合方式合成為功率為33 kW的單束光,光束質量差(BQ=17),限制了激光器的性能。相干合成不僅能提高功率而且能提高亮度,這直接關系到激光武器的殺傷力,特別適用于中遠程激光武器系統(tǒng),我們在另一篇文章中詳細評述了相干合成技術在戰(zhàn)區(qū)和戰(zhàn)略機載激光武器中的應用[20]。但相干合成的相控要對各單束激光的光程差進行遠低于1 μm波長的緊密匹配和綜合控制所有各單束激光相干合成的眾多參量,技術最為復雜,不易實現。我們的數值模擬證明對低功率的短程(<5 km)應用沒有必要。光譜合成雖然也屬于非相干合成,但它能獲得近衍射極限的光束。而與相干合成相比,它能提供最高的桶中功率效率,因為相控陣的問題在于旁瓣,而在旁瓣里的功率不會沉積到靶上。另外光譜合成不需要鎖相,技術較易實現,因此得到了廣泛的應用。光譜合成的問題是功率定標受可用光源光譜寬度、激光增益帶寬以及功率和熱耗散的限制[21],但就本文涉及到的功率這些限制并不存在。

隨著光纖激光器功率的不斷提高,目前在光束合成技術中大多采用MOPA結構的光纖放大器 。MOPA單路光源的單光柵光譜合成技術由于采用反射式衍射光柵,具有高光束質量和熱管理優(yōu)點已成為光譜合成技術的發(fā)展趨勢。洛馬公司的光譜合成技術就采用了多層介質膜光柵作為色散元件,將大量波長稍有不同的光纖激光器的輸出光束,以不同的角度入射到光柵上,通過精確調整每個光束的工作波長和入射角數值,使所有的反射光束在空間疊加而成為單一光束。洛馬公司利用光束合成光纖陣列和獨特的光譜合成技術,在2014年1月演示試驗了一臺30 kW的光纖激光器,達到了同時具有優(yōu)良束質和高電-光轉換效率的最高輸出功率,而且所消耗的電能僅是其他SSL的50%[22]。光譜合成的關鍵是研制高品質的色散元件,隨著大陣元光纖激光器的發(fā)展對衍射光柵的偏振特性,能承受的功率密度,鍍膜帶寬和膜系,衍射效率都提出了很高的要求。特別是由于光柵的損耗較大容易受熱變形,因此必須研發(fā)用于高功率情況下的超低損耗、高衍射率光柵。這臺30 kW光纖激光器的關鍵就是在光譜合成中采用了新研發(fā)的“極高功率超低損耗色散元件”(EXUDE)[23],它利用具有多達一百多層超低損耗介質膜的衍射光柵,成功地將100個300 W的光纖激光器的輸出合成為單一的30 kW光束,合成效率超過90%。2015年,該公司使用模塊化的30 kW光纖激光武器(雅典娜),在一英里外的距離使一輛卡車失能。

從2014年4月洛馬公司又開始生產60 kW模塊化高功率激光系統(tǒng)[24],準備用於陸軍的車載激光武器和空軍的AC-130武裝直升機。目前洛馬公司已經完成了60 kW級光譜合成光纖激光器的設計、開發(fā)和演示驗證,在2017年3月的測試中,洛馬公司的激光器產生了一束58 kW的光束,光束質量達到近衍射極限,電光轉換效率超過43%[25],它創(chuàng)造了這種激光器的世界記錄。洛馬公司滿足了激光系統(tǒng)所有的合同可交付成果,計劃于2017年5月交付美國陸軍空間和導彈防御司令部/陸軍戰(zhàn)略司令部,這是朝向實用激光武器系統(tǒng)前進的一個重要里程碑。

洛馬公司采用的技術路線是另外開發(fā)和集成2 kW的光纖激光器模塊,再通過光譜合成器將多個模塊的輸出光束合成為60 kW的單一光束。技術重點是提高激光器的效率和光束質量,減小體積和重量。60 kW系統(tǒng)的另一特點是采用了模塊化設計,這有利于功率定標、冷卻和包裝,同時也降低了全系統(tǒng)故障的可能性。功率定標有兩條路徑可選,其一是增加光纖激光通道的數量,其二是提高每個光纖激光通道的功率。洛馬公司已經證明60 kW激光器足夠輕和小,十分可靠,可以部署在戰(zhàn)術車輛或其他平臺上,用于陸地、海上和空中防御。洛馬公司已在2017年4月向美國海軍建議,為其提供類似(甚至性能更好)的艦載激光武器系統(tǒng)用于反無人機和高速小艇。由于艦艇對激光器尺寸和重量的要求相對寬松,因此可裝備尺寸和重量更大的激光武器,功率可達到100 kW甚至是200 kW。

高亮度高功率抽運模塊是研發(fā)高功率激光器的關鍵部件,高能激光二極管陣列的開發(fā)可以顯著改善激光器的效率、功率和小型化。最近DARPA將開展高效的超小型激光集成裝置(EUCLID)計劃,開發(fā)緊湊的光纖激光二極管模塊,以便減小高能激光武器的尺寸和重量[26]。這種模塊適用于各種有人和無人戰(zhàn)斗機與戰(zhàn)術車輛上的高功率激光武器,對于這類軍事平臺,光纖激光器陣列是領先的候選者。EUCLID計劃的目標是開發(fā)至少650 W連續(xù)波輸出功率的二極管抽運模塊,抽運組件的輸出功率至少3900 W,電光轉換效率至少58%到60%。對二極管抽運模塊來說,每瓦的體積小于0.31 cm3,每瓦的重量小于0.31 g。而就抽運組件而言,每瓦的體積小于0.5 cm3,每瓦的重量小于0.43 g。另外這些組件應能全功率持續(xù)工作超過100 h,而功率下降不超過5%,并且應該能夠在可替換的高功率光纖放大器中與其他相同的模塊緊密地封裝在一起。

4.4 平面波導激光器

美國海軍正在實施地基防空機動定向能(GBAD-DE-OTM,簡稱GBAD)計劃,旨在開發(fā)能裝在悍馬、聯合輕型戰(zhàn)術車輛或其他地面戰(zhàn)術車輛上的反無人機激光武器,用以提高海軍陸戰(zhàn)隊的低空防御能力,它與陸軍車載激光武器計劃的最大差別是能在行進中發(fā)射激光。GBAD要求激光器的最低輸出功率為25 kW,激光武器重量低于1134 kg,其大小能裝入代替悍馬的聯合輕型戰(zhàn)術車輛上。激光器持續(xù)發(fā)射時間120 s[27]。為實現這一目標,最關鍵的技術是雷神公司享有專利權的平面波導(PWG)技術。它的增益介質幾何形狀提供了一種以光學模式的形式儲存光學能量的可能性,這就能夠實現具有高光學增益、低激光閾值和小面積的光源。與其他SSL相比,平面波導激光器在泵浦耦合、散熱和增益介質制備等方面都具有獨特的優(yōu)勢。而從結構上相比,PWG具有在一個堅固、緊湊、高效的系統(tǒng)中實現武器級功率和優(yōu)良束質的最大潛力。

雷神公司的PWG采用單孔徑設計,僅用單個長30 cm的直尺狀PWG就能產生足以摧毀小型飛機的激光功率。30 kW 平面波導激光武器系統(tǒng)的研發(fā)包括高束質的主振蕩器、平面波導放大器、高效率抽運二極管 、堅固輕型的光束定向器、改進的光束控制、校正波前的自適應光學系統(tǒng)以及遠程光學。與此同時雷神也開展了小型輕量化設計及分析,要使激光器的功率密度達到3.1 kg/kW。PWG的體系結構可以定標放大,若采用多個相同的PWG時就能獲得更高的輸出功率而不需光束合成,雷神公司認為它可能定標到兆瓦。雷神公司的方案解決了在一個小型、輕量、堅固的部件中產生高功率激光的問題,它也適用于機載平臺。在2010年的演示中它將四架無人機從天空中擊落。截止到2012年,單個PWG能產生25 kW的平均輸出功率,光束質量1.2 DL,電-光效率35%。

PWG的結構如圖4所示,它是一個高縱橫比的夾心型結構,由低折射率的包層包圍著高折射率的激活介質芯子。PWG可以看成是一根一維的光纖,纖芯一般厚50～200 μm,雷神公司采用了厚度為200 μm的Yb∶YAG增益介質,內包層是無滲雜的YAG晶體。其中薄橫軸是導引軸,而寬橫軸是非導引軸。導引結構可以獲得高的抽運吸收效率,而高縱橫比可以提供大的表面積/體積比,這有利于冷卻和承受高的功率負載。當縱橫比達到100∶1或更高時,100 kW的PWG的長度僅有30 cm[28]。信號束在PWG纖芯中的引導傳輸,消除了熱透鏡效應,這就可以獲得較寬的輸出功率范圍,而且光學畸變小。在PWG里的高功率密度(～1MW/cm2)下,能獲得非常有效的功率提取。如果是低數值孔徑的設計,PWG還能獲得很高的增益,同時放大的自發(fā)發(fā)射很低。PWG結構的重要特點是即使在武器級激光功率時,增益介質的熱畸變也很小。

其實PWG的結構就是從鋸齒形板條隨著縱橫比的增大而自然演變過來的,因此隨著板條制造能力的提升,就能在武器級激光所需的板條尺寸里獲得100∶1或更高的縱橫比(200∶1),目前板條的制造能力也支持制造出100 kW級的PWG部件。當然與縱橫比10∶1的板條激光器相比,在大縱橫比情況下必須考慮光束的傳輸和校正問題。因為沿波導方向的光束質量較好,但由于寬度較大,沿寬度方向的光束質量難以保證。

圖4 平面波導激光器示意圖

PWG系統(tǒng)采用了MOPA結構,主振蕩器是一個200 W的單模光纖激光器,它采用非穩(wěn)腔導致光束穩(wěn)定性好和結構緊湊,提供了非常穩(wěn)定的近衍射極限光束作為放大器的種子光。PWG的高增益特性,允許使用一個適中功率的主振蕩源就能獲得非常高的輸出功率。通過這種途徑,可以將1 kW的主振蕩器輸出功率直接放大到30 kW以上的輸出功率[29]。

5 結束語

先進SSL的迅速發(fā)展,目前已能在空中平臺的緊湊系統(tǒng)中提供武器級的功率,有可能在下10年中執(zhí)行防御和進攻任務。AFSOC的激光武裝直升機計劃要求在2020年將激光武器集成進AC-130J進行演示試驗,期望過高,恐難實現。而AFRL的激光戰(zhàn)斗機計劃只要求在2021年用機載低功率激光演示驗證反導的有效性,這是一個比較謹慎的計劃。

美國軍方研發(fā)并試驗了100 kW的晶體板條和陶瓷板條Nd∶YAG激光器,但它們的光束質量、體積和重量、熱管理問題仍很突出,難于集成進空中平臺。從精選增益介質和優(yōu)化結構設計的技術發(fā)展趨勢來看,TABL光源的候選者可能是一些最近發(fā)展的先進SSL:高能液體激光器、光纖激光器和平面波導激光器。高能液體激光器已獲得高束質的150 kW輸出功率,功率密度達5 kg/kW,尺寸僅為1.3 m×0.4 m×0.5 m,初步滿足TABL的要求,目前正在研發(fā)更加緊湊的第四代HEL,可能成為首選。

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