艦載炮光結(jié)合武器系統(tǒng)初步設(shè)想

王 勇，張 遜

（江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇 連云港 222061）

0 引言

激光武器具有單次消耗成本低，作戰(zhàn)效費(fèi)比高，打擊目標(biāo)速度快等特點(diǎn)，已成為當(dāng)前軍事發(fā)達(dá)國(guó)家的研究熱點(diǎn)。美國(guó)作為世界頭號(hào)軍事強(qiáng)國(guó)，近20 年來(lái)對(duì)艦載激光武器技術(shù)開(kāi)展了持續(xù)、深入的研究，海軍和國(guó)防部已開(kāi)展3 種可用于海軍水面艦艇的激光器的研究工作，包括光纖固態(tài)激光器（SSLs）、板條固態(tài)激光器和自由電子激光器（FELs）。美國(guó)海軍艦載激光武器系統(tǒng)將于2020 或2021 財(cái)年實(shí)現(xiàn)艦載激光的初始作戰(zhàn)能力［1-2］。德國(guó)萊茵金屬公司在2012 年11 月完成了從目標(biāo)探測(cè)、跟蹤到摧毀的全過(guò)程作戰(zhàn)演示，在2 000 m 距離上擊落若干架飛行速度超過(guò)50 m/s 的俯沖無(wú)人機(jī)［3］。

近程反導(dǎo)艦炮武器具有戰(zhàn)斗持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、反應(yīng)時(shí)間短、發(fā)射率高、效費(fèi)比大、適裝性強(qiáng)等特點(diǎn)，可以有效防御突襲的反艦導(dǎo)彈，彌補(bǔ)近程防空導(dǎo)彈及其他軟硬防空武器的不足，成為近程防御中不可缺少的一員，倍受世界各國(guó)海軍的重視，典型艦炮反導(dǎo)武器系統(tǒng)有美國(guó)的“密集陣”系統(tǒng)、瑞士的“海上衛(wèi)士”系統(tǒng)以及荷蘭的“守門(mén)員”系統(tǒng)等［4-6］。

艦載激光武器系統(tǒng)與現(xiàn)役近程反導(dǎo)艦炮武器系統(tǒng)，在系統(tǒng)組成、功能、接口、操作使用、戰(zhàn)術(shù)目的等方面，有很多相同或相似的地方。同時(shí)，均有高精度強(qiáng)實(shí)時(shí)快速反應(yīng)特性要求。非常適合將艦炮武器系統(tǒng)和激光武器系統(tǒng)的目標(biāo)捕獲、跟蹤控制、火控信息處理、武器控制等功能部分相結(jié)合，去除功能重復(fù)環(huán)節(jié)，形成火炮與激光武器相結(jié)合的武器系統(tǒng)。同時(shí)，通過(guò)將這兩型武器相結(jié)合，可以互相彌補(bǔ)不足。激光武器受天氣影響較大，但可以有效攔截機(jī)動(dòng)目標(biāo)；火炮武器不受天氣影響，但對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)具有天然的劣勢(shì)。正是基于以上原因，本文提出了將火炮與激光武器相結(jié)合，組成炮光結(jié)合武器系統(tǒng)的設(shè)想。

1 國(guó)外艦載激光武器系統(tǒng)及炮光結(jié)合系統(tǒng)的發(fā)展

國(guó)外軍事強(qiáng)國(guó)如美國(guó)、德國(guó)等，在激光武器方面進(jìn)行了持續(xù)的投入，部分項(xiàng)目已開(kāi)展海上驗(yàn)證試驗(yàn)，并根據(jù)軍事發(fā)展需求，進(jìn)行激光武器系統(tǒng)和近程防御艦炮武器系統(tǒng)相結(jié)合的設(shè)計(jì)工作［1-3］。

1.1 美國(guó)艦載激光武器發(fā)展現(xiàn)狀

美國(guó)海軍研發(fā)的光纖固態(tài)激光器演示樣機(jī)被稱為激光武器系統(tǒng)（LaWS），激光束功率為33 kW。海軍一度設(shè)想將LaWS 用于光電傳感器致盲（或可逆干擾）、反無(wú)人機(jī)與光電制導(dǎo)導(dǎo)彈，同時(shí)用于增強(qiáng)雷達(dá)跟蹤，并預(yù)期將其單獨(dú)裝在艦艇上或加裝在現(xiàn)役的近程防御艦炮武器系統(tǒng)上。海軍已資助開(kāi)展激光武器與近程防御艦炮武器系統(tǒng)集成的相關(guān)研究，以支持后一種方案。2014 年8 月，美海軍將LaWS系統(tǒng)部署在“龐塞”號(hào)軍艦上，該艦部署于波斯灣并作為臨時(shí)的前線海面前進(jìn)基地，對(duì)艦載激光在實(shí)戰(zhàn)環(huán)境下的工作性能進(jìn)行了持續(xù)評(píng)估。同時(shí)在美海軍研究辦公室快速響應(yīng)能力計(jì)劃的支持下，系統(tǒng)正在升級(jí)，以驗(yàn)證接受“密集陣”武器的目標(biāo)信息的可行性，從而實(shí)現(xiàn)激光武器的單人操作，即通過(guò)“密集陣”武器系統(tǒng)來(lái)控制戰(zhàn)術(shù)高能激光武器，如圖1 所示。

2008 年1 月伊朗小船事件促使美海軍開(kāi)始研制戰(zhàn)術(shù)激光系統(tǒng)（TLS）。該激光系統(tǒng)的功率為10 kW，設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的目的是將此激光器安裝在諸多海軍水面艦艇甲板上的Mk-38 25 mm 單管炮上，如圖2所示，以驗(yàn)證美國(guó)海軍提出的將激光武器與近程防御武器系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)方案的可行性。TLS 系統(tǒng)將提升Mk-38 炮系統(tǒng)打擊目標(biāo)的能力，如對(duì)付小型船只；也可以協(xié)助艦上其他武器，如導(dǎo)彈等，精確跟蹤目標(biāo)。

圖1 集成在“密集陣”武器系統(tǒng)上的LaWS

圖2 集成在MK38 機(jī)槍上的戰(zhàn)術(shù)激光武器

1.2 德國(guó)艦載激光武器發(fā)展現(xiàn)狀

德國(guó)萊茵金屬公司與歐洲導(dǎo)彈集團(tuán)（MBDA）德國(guó)公司充分利用商業(yè)現(xiàn)成高功率光纖激光器技術(shù)，各自研制出自己的高能激光器驗(yàn)證機(jī)。這兩家公司主要使用了自己的內(nèi)部研發(fā)資金，來(lái)成熟化各自的解決方案，不過(guò)，兩家公司近期進(jìn)行的試驗(yàn)也得到了德國(guó)聯(lián)邦國(guó)防軍一定程度的支持。

萊茵金屬公司和聯(lián)邦國(guó)防軍于2016 年2 月份在德國(guó)海軍艦艇上完成了高能激光武器系統(tǒng)樣機(jī)的聯(lián)合測(cè)試。本次測(cè)試的激光武器樣機(jī)輸出功率10 kw，安裝在MLG27 輕型艦炮炮座上，用于測(cè)試海洋環(huán)境下的技術(shù)有效性。測(cè)試期間，樣機(jī)完成了對(duì)無(wú)人機(jī)、小型水面艇、地面靜止目標(biāo)的跟蹤，覆蓋了低機(jī)動(dòng)性和高機(jī)動(dòng)性的不同目標(biāo)。測(cè)試結(jié)果將對(duì)未來(lái)研發(fā)海軍用高能激光武器產(chǎn)生重要影響。萊茵金屬公司認(rèn)為，安裝于MLG27 托架上的10 kW～20 kW級(jí)激光武器，具備消除海上威脅目標(biāo)的可能性，譬如快速攻擊艇、水面摩托艇、快艇及無(wú)人機(jī)等威脅。

MBDA 德國(guó)公司基于反射鏡光學(xué)波束形成技術(shù)研制出一種高能激光器，已對(duì)其進(jìn)行了一系列陸上試驗(yàn)。2016 年10 月，MBDA 德國(guó)公司成功在德國(guó)北海沿海的一個(gè)軍事訓(xùn)練基地，對(duì)這種高能激光器進(jìn)行了真實(shí)環(huán)境條件下的試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^(guò)對(duì)空中目標(biāo)的模擬攻擊來(lái)驗(yàn)證這一高能激光器的光束制導(dǎo)和跟蹤系統(tǒng)。試驗(yàn)過(guò)程中，該武器得以在包括夜間環(huán)境和惡劣天氣環(huán)境在內(nèi)的各種條件下，成功跟蹤所有目標(biāo)。

圖3 MBDA 德國(guó)公司激光武器系統(tǒng)

2 艦載炮光結(jié)合武器系統(tǒng)的需求分析

2.1 水面艦艇近程防空作戰(zhàn)環(huán)境分析

現(xiàn)代海戰(zhàn)中水面艦艇防空體系面臨的空中威脅，傳統(tǒng)的主要是來(lái)自各種飛機(jī)包括隱身飛機(jī)和反艦導(dǎo)彈的威脅；而現(xiàn)代艦載防空體系除對(duì)付飛機(jī)特別是各種隱身飛機(jī)和反艦導(dǎo)彈的威脅外，還出現(xiàn)了一些新的威脅，主要是反輻射導(dǎo)彈和嚴(yán)峻的電磁環(huán)境等。

反輻射導(dǎo)彈利用電磁輻射信號(hào)進(jìn)行被動(dòng)尋的制導(dǎo)，對(duì)防空預(yù)警、火控、制導(dǎo)雷達(dá)乃至引導(dǎo)飛機(jī)構(gòu)成了最直接的威脅，同時(shí)具有飛行速度快、制導(dǎo)精度高等特點(diǎn)，可在電子干擾環(huán)境下搜索、攻擊目標(biāo)，因此，也就更難防御。

歷次局部戰(zhàn)爭(zhēng)表明，電子對(duì)抗已成為空襲作戰(zhàn)和防空作戰(zhàn)的重要手段。就水面艦艇而言，在未來(lái)防空作戰(zhàn)中所面臨的電磁環(huán)境具有以下特點(diǎn)［7-8］：

1）攻防雙方電子對(duì)抗中的傳感器頻譜越來(lái)越寬，除微波波段外，可發(fā)展到紅外、可見(jiàn)光波段；

2）電子硬殺傷手段更加先進(jìn)，命中概率更高；

3）電子對(duì)抗中的干擾功率高，目前機(jī)載干擾機(jī)達(dá)10 kW 量級(jí)，艦載干擾機(jī)達(dá)幾十千瓦量級(jí)。

2.2 艦載防空反導(dǎo)激光武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)需求

基于對(duì)水面艦艇防空作戰(zhàn)環(huán)境的分析可知，未來(lái)海戰(zhàn)中，來(lái)襲空中目標(biāo)具有以下特點(diǎn)：

1）目標(biāo)飛行高度向低空、超低空和高空兩極發(fā)展。

對(duì)海攻擊機(jī)、反艦導(dǎo)彈利用低空、超低空突防，以縮短被對(duì)方防空系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的距離和降低被發(fā)現(xiàn)的概率。飛航導(dǎo)彈和戰(zhàn)術(shù)反艦彈道導(dǎo)彈利用高空飛行來(lái)增加射程和增大突防概率。

2）目標(biāo)飛行速度向超音速或亞超結(jié)合方向發(fā)展。

反艦導(dǎo)彈在射程需求越來(lái)越遠(yuǎn)的情況下，利用超音速來(lái)縮短飛行時(shí)間，降低對(duì)方的捕捉概率，減少防空系統(tǒng)的預(yù)警時(shí)間，提高突防能力。

3）空襲目標(biāo)將采用靈活多變的、先進(jìn)的戰(zhàn)術(shù)。

在對(duì)艦攻擊時(shí)，來(lái)襲目標(biāo)一般采用多目標(biāo)、多群、多方向、多批次、多類型密集飽和攻擊戰(zhàn)術(shù)。

由于傳統(tǒng)的小口徑艦炮、艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)在進(jìn)行防空作戰(zhàn)時(shí)具有對(duì)探測(cè)、解算精度要求高，戰(zhàn)時(shí)彈藥補(bǔ)給困難等不足，而且由于艦炮、艦空導(dǎo)彈速度受到限制，從發(fā)射到與目標(biāo)相遇時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)目標(biāo)毀傷效果評(píng)定時(shí)間長(zhǎng)，一旦第1 次射擊沒(méi)有攔截成功，系統(tǒng)作出再次抗擊的時(shí)間相應(yīng)減少，這也將使防空系統(tǒng)難以再次組織攔截。

為使防御武器的速度達(dá)到極限速度——光速，激光武器等新概念武器得以產(chǎn)生和迅速發(fā)展，而且近年來(lái)激光技術(shù)的日益成熟和成本降低，使得激光武器在用于艦艇防空反導(dǎo)時(shí)的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)凸現(xiàn)出來(lái)。

2.3 艦載戰(zhàn)術(shù)高能激光武器作戰(zhàn)時(shí)的優(yōu)點(diǎn)

艦載戰(zhàn)術(shù)高能激光武器在防空反導(dǎo)時(shí)與傳統(tǒng)的艦炮、艦空導(dǎo)彈武器等相比，具有獨(dú)特的技術(shù)性能，主要有以下幾個(gè)方面：

1）以光速出擊，反應(yīng)迅速，不受地球引力的影響，直線攻擊目標(biāo)。射擊時(shí)不需要考慮傳統(tǒng)火控的“彈丸飛行時(shí)間”，特別適宜對(duì)付強(qiáng)機(jī)動(dòng)來(lái)襲目標(biāo)。

2）作為一種無(wú)慣性射束，激光可隨時(shí)向任意方向攻擊，機(jī)動(dòng)靈活；也沒(méi)有普通槍炮發(fā)射時(shí)的沖擊力。

3）由于激光武器只消耗化學(xué)燃料或者電力，不需要彈藥庫(kù)，它們可連續(xù)射擊的總次數(shù)僅受限于可用化學(xué)燃料，或?qū)腆w激光器而言，可產(chǎn)生電力燃料的數(shù)量以及冷卻系統(tǒng)限制。

4）戰(zhàn)場(chǎng)生存能力強(qiáng)。不受外界電磁波干擾影響。不可被攔截，電子戰(zhàn)干擾手段幾乎不影響其戰(zhàn)斗能力。

5）作戰(zhàn)費(fèi)效比高。激光武器系統(tǒng)成本在于其研制、生產(chǎn)和維護(hù)成本，其發(fā)射只消耗能量，每次射擊成本本質(zhì)上是化學(xué)燃料或產(chǎn)生電力所需燃料成本，這往往很低。不同于火炮、導(dǎo)彈武器，激光武器（尤其是使用電力的固體激光器或自由電子激光器）大大降低了對(duì)武器后勤保障要求，與防空導(dǎo)彈等其他武器相比更具效費(fèi)比。

6）打擊目標(biāo)的精度高。一旦接到目標(biāo)指示，激光武器可使用低功率波束捕獲并跟蹤目標(biāo)。這種波束可以很精確地聚焦到目標(biāo)任何位置，甚至可以選擇其脆弱部位實(shí)施攻擊。

7）激光武器的發(fā)射功率可調(diào)整，通過(guò)發(fā)射功率和出光時(shí)間的控制，可調(diào)整對(duì)目標(biāo)造成的破壞，消除或限制附帶損害，毀傷效果可控，實(shí)現(xiàn)致命或非致命的多樣用途。

8）無(wú)污染，發(fā)射后不造成二次毀傷或污染。激光武器屬于非核、生、化殺傷武器。

基于以上認(rèn)知，可知艦載戰(zhàn)術(shù)激光武器可實(shí)現(xiàn)低成本、可持續(xù)、殺傷可控的快速精確打擊，能夠有效提升艦艇防空反導(dǎo)、信息攻防和近區(qū)防衛(wèi)作戰(zhàn)能力與多樣化軍事任務(wù)執(zhí)行能力，進(jìn)一步完善海軍裝備作戰(zhàn)體系，催生新質(zhì)作戰(zhàn)能力，具有明確的作戰(zhàn)應(yīng)用需求。

3 艦載炮光結(jié)合武器系統(tǒng)設(shè)想

艦載炮光一體化武器系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）節(jié)省重復(fù)環(huán)節(jié)及甲板占用面積

艦載激光武器系統(tǒng)與現(xiàn)有近程反導(dǎo)艦炮武器系統(tǒng)，均有高精度強(qiáng)實(shí)時(shí)快速反應(yīng)特性要求，在系統(tǒng)組成、功能、接口、操作使用、戰(zhàn)術(shù)目的等方面，均有很多相同地方，非常適于將目標(biāo)捕獲跟蹤控制、火控信息處理、武器隨動(dòng)控制等相結(jié)合，有效去除功能重復(fù)環(huán)節(jié)。

2）可增加對(duì)目標(biāo)的有效攔截次數(shù)

若采用“炮光合一”一體化射擊及控制方案，則可有效增加防空武器對(duì)目標(biāo)的攔截次數(shù)，這主要是因?yàn)榕炤d激光武器的傳輸速度為光速，光束從出筒到與目標(biāo)接觸的時(shí)間幾乎為0，且激光的轉(zhuǎn)火速度快，可應(yīng)對(duì)無(wú)人機(jī)等機(jī)群目標(biāo)。

3）提高了艦炮武器系統(tǒng)的射擊效能

激光武器的高精度跟瞄數(shù)據(jù)不僅可為激光武器使用，還可為艦炮、導(dǎo)彈等武器提供高精度的目標(biāo)跟蹤數(shù)據(jù)，能夠大幅提高艦炮武器的射擊諸元精度，減少艦炮武器系統(tǒng)射擊時(shí)的脫靶量和射擊諸元解算時(shí)間，從而有效提高艦炮武器系統(tǒng)的射擊效能。

3.1 系統(tǒng)使命任務(wù)和作戰(zhàn)對(duì)象

1）使命任務(wù)

a）在艦載防空體系對(duì)抗中擔(dān)負(fù)末端防御任務(wù)，高效攔截突防的反艦導(dǎo)彈、反輻射導(dǎo)彈、大口徑炮彈等已突破我中遠(yuǎn)程防御的敵反艦武器，提高我艦防空體系整體作戰(zhàn)效能。

b）在艦載對(duì)海作戰(zhàn)體系對(duì)抗中擔(dān)負(fù)打擊敵方艦艇任務(wù)，有效打擊敵方的水面艦艇、小艇等水面目標(biāo)。提高我艦艇對(duì)海作戰(zhàn)整體效能。

c）以火炮、激光綜合模式配屬于艦艇中高空、中遠(yuǎn)程防空和對(duì)海打擊導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中，提高其生存能力。

2）主要作戰(zhàn)對(duì)象［9-11］

a）導(dǎo)彈類目標(biāo)：反艦導(dǎo)彈、反輻射導(dǎo)彈等；

b）炮彈類目標(biāo)：大口徑炮彈、迫擊炮彈等；

c）艦艇類目標(biāo)：作戰(zhàn)艦艇、水面小艇、橡皮艇等；

d）飛機(jī)類目標(biāo)：固定翼飛機(jī)（含無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)）、武裝直升機(jī)等；

e）“低慢小”類目標(biāo)：輕小型無(wú)人飛機(jī)、中型遙控航模、動(dòng)力傘、空飄氣球等。

3.2 系統(tǒng)主要配置和功能

艦載炮光結(jié)合武器系統(tǒng)主要包括綜合火控系統(tǒng)（綜合火控設(shè)備和光束指向器）、高能激光武器、火炮，以及捷聯(lián)垂直基準(zhǔn)等，其主要功能見(jiàn)下頁(yè)表1 所示。

3.3 艦載炮光結(jié)合武器系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

3.3.1 艦載炮光結(jié)合武器系統(tǒng)總體技術(shù)研究

炮光結(jié)合武器是將火炮和激光兩種不同類型的武器通過(guò)共用跟蹤傳感器和火控系統(tǒng)而集成在一起，是動(dòng)能武器和定向能武器的結(jié)合，從打擊目標(biāo)類型上來(lái)說(shuō)二者存在很大的重疊。從提高艦艇防御和打擊能力出發(fā)，結(jié)合炮光結(jié)合武器系統(tǒng)的使命任務(wù)，必須研究系統(tǒng)作戰(zhàn)使用的能力需求和發(fā)展目標(biāo)，論證系統(tǒng)主要戰(zhàn)技指標(biāo)，設(shè)計(jì)火炮與光束指向器，以及高能激光器的集成方案，并考慮火炮射擊時(shí)的震動(dòng)、煙霧對(duì)指向器跟蹤的影響，以及裝備的維護(hù)保障需求。

3.3.2 炮光結(jié)合防空武器火力控制技術(shù)研究

炮光結(jié)合武器的火控系統(tǒng)承擔(dān)著火炮武器的解算和發(fā)射控制，亦承擔(dān)著激光武器系統(tǒng)的解算和發(fā)射控制?；鹋谑莻鹘y(tǒng)的動(dòng)能武器，只能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的硬殺傷，而激光武器是能量可控的定向能武器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的“軟硬”殺傷。對(duì)于炮光結(jié)合武器系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，如何實(shí)現(xiàn)激光與火炮武器的火力的優(yōu)化分配，并快速火力交接是炮光結(jié)合武器系統(tǒng)充分發(fā)揮作戰(zhàn)效能的關(guān)鍵。

3.3.3 炮光結(jié)合防空武器效能評(píng)估技術(shù)研究

影響艦載激光武器作戰(zhàn)效能的主要因素有激光武器的性能、激光的傳輸路徑及打擊目標(biāo)的特性等，其中激光武器的性能主要有激光器的功率、連續(xù)出光時(shí)間，激光的波長(zhǎng)、光束質(zhì)量，光束指向器的發(fā)射口徑及火控系統(tǒng)的跟蹤瞄準(zhǔn)精度等［12-18］；在評(píng)估激光武器效能基礎(chǔ)上，如何評(píng)價(jià)炮光結(jié)合系統(tǒng)的效能，找到一種有效評(píng)價(jià)該系統(tǒng)的優(yōu)劣方法，更好地達(dá)到預(yù)期效果，為炮光結(jié)合系統(tǒng)各部件的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能指標(biāo)提供某些必要的限制和最低標(biāo)準(zhǔn)，為系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)收、評(píng)審提供一個(gè)總的依據(jù)。

表1 系統(tǒng)主要設(shè)備的功能

4 結(jié)論

激光武器具有出光速度快、功率可調(diào)、受天氣影響大等特點(diǎn)，而火炮武器不受天氣影響，但對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)具有天然的劣勢(shì)，同時(shí)這兩型武器系統(tǒng)，在系統(tǒng)組成、功能、接口、操作使用、戰(zhàn)術(shù)目的等方面，有很多相同或相似的地方。隨著激光武器系統(tǒng)日趨成熟，本文提出了將火炮與激光武器相結(jié)合，組成炮光結(jié)合武器系統(tǒng)的設(shè)想，并分析了艦載炮光結(jié)合武器系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)、主要配置、主要功能和涉及的關(guān)鍵技術(shù)，力圖為艦艇武器的發(fā)展提供思路。