以色列機載激光武器發(fā)展及試飛特點研究

杜梓冰,湯恒仁,劉 琨,陳珊珊

(1.中國飛行試驗研究院,陜西 西安 710089；2.航空工業(yè)信息中心,北京 100029)

1 引 言

自激光器誕生以來,世界各國都尋求其在軍事上的應用[1-2],美國從20世紀60年代開始發(fā)展了“激光武器空中實驗室(Airborne Laser Laboratory,ALL)”、“機載激光武器(Airborne Laser,ABL)”等項目,并基于NKC-135A、B-747等大飛機平臺進行了演示驗證試飛,并擊落了導彈和靶機,證明了機載激光武器的可行性,大力推動了機載激光器、光束控制、氣動光學、靶標建設、項目管理等方面的進步[2],同時對全世界機載激光武器的發(fā)展都有引領(lǐng)作用,前蘇聯(lián)也基于伊爾-76MD-90E進行了演示驗證試飛[2]。

飛行試驗是驗證關(guān)鍵技術(shù)可行性、提高技術(shù)成熟度的重要手段,是科技創(chuàng)新的基礎(chǔ)保障,是驅(qū)動原始創(chuàng)新的重要動力,是新型武器發(fā)展的關(guān)鍵里程碑。相比于美國、前蘇聯(lián)基于大型飛機進行演示驗證試飛,以色列2021年6月基于賽斯納-208B型小飛機開展了機載激光武器的飛行試驗[3],并擊落了無人機、巡飛彈,展示了其全系統(tǒng)的先進性,帶來了新的發(fā)展思路,對世界范圍內(nèi)的機載激光武器的發(fā)展有重要的意義,有必要對其進行研究。

本文對以色列機載激光武器發(fā)展驅(qū)動因素、發(fā)展情況、演示驗證技術(shù)特點等進行研究,分析其啟示。

2 以色列激光武器發(fā)展需求

軍事需求和技術(shù)的進步是推動武器裝備發(fā)展的兩大主要動力。就當今國際形勢而言,以色列是國際上軍事沖突最為頻繁的國家之一,但其國土面積小、人口少,國防壓力本就巨大,而近年來周邊武裝力量的火箭彈飽和攻擊、蜂群無人機集群作戰(zhàn)等新的作戰(zhàn)樣式加劇了作戰(zhàn)壓力,急需先進的武器裝備[4-6],故而以色列在激光武器等新質(zhì)作戰(zhàn)力量發(fā)展方面比較迅速。

2.1 高效費比的防空反導作戰(zhàn)需求

以色列國土狹長、缺乏戰(zhàn)略縱深、面積小,一直受到周邊伊朗、敘利亞、巴勒斯坦的火箭彈、飛機、彈道導彈以及巡航導彈的嚴重威脅,為此在美國的幫助下研發(fā)了“鐵穹”近程防空系統(tǒng)、“大衛(wèi)投石索”中近程防空系統(tǒng)、“箭-2”與“箭-3”中遠程防空系統(tǒng)所組成的三層區(qū)域防空反導防御系統(tǒng),能夠在未來應對幾乎所有類型的導彈威脅,其中“鐵穹”系統(tǒng)主要用于防御距離7～50km內(nèi)的火箭彈[4-6],但難以應對火箭彈飽和攻擊。

作戰(zhàn)能力方面,2001年以來,以色列北部黎巴嫩真主黨和西部巴勒斯坦哈馬斯武裝即使用火箭彈和迫擊炮等對以色列城鎮(zhèn)、重要地區(qū)進行襲擾,而2006年以后這些力量開始使用廉價火箭彈進行飽和攻擊[4],對以色列進行消耗,給以色列造成重大影響,典型的如2021年5月,哈馬斯向以色列無差別傾瀉大量低成本火箭彈,用1750枚火箭彈將以色列“鐵穹”防空系統(tǒng)打到癱瘓。

作戰(zhàn)壓力方面,哈馬斯等武裝組織的火箭彈威力小、性能差,“鐵穹”有效防守概率僅80 %～90 %,其他軍事強國的火箭彈性能更優(yōu),以色列未來防空反導作戰(zhàn)面臨的壓力更大。

費效比方面,哈馬斯武裝組織自制的火箭費用極低,大部分僅數(shù)千美元[4-6],而鐵穹反導防御系統(tǒng)所使用的塔邁爾(Tamir)攔截彈的造價,即使是按照最低價來算,也超過了35000 美元[4-6],其他中遠程導彈更加昂貴,可見“鐵穹”在防御火箭彈飽和攻擊方面效費比極低。

附帶損傷方面,哈馬斯等武裝力量專挑以色列城市和重點區(qū)域進攻,由于火箭彈飽和攻擊的數(shù)量大,雖然防空系統(tǒng)成功攔截概率在80 %～90 %[5],但仍會有大量火箭彈落入城區(qū),產(chǎn)生較大的損傷,而城區(qū)上空即使攔截成功,其產(chǎn)生的碎片也會帶來一些附帶損傷。

綜合來看,以色列常規(guī)防空反導系統(tǒng)作戰(zhàn)能力有極限、未來面對先進武器的飽和攻擊壓力較大,同時附帶損傷大,更重要的是效費比低,故而以色列急需發(fā)展新的防空力量,以色列較早地認識到這些問題,在21世紀初即研究激光武器在防空領(lǐng)域的應用。

2.2 無人機集群拒止作戰(zhàn)的需求

當前無人機已成為空襲、空戰(zhàn)的重要法寶,對傳統(tǒng)軍事行動和作戰(zhàn)理念產(chǎn)生了重大的影響,如2020年的那卡沖突,充分展示了無人機在近代戰(zhàn)爭中的作用[7]。而隨著電子信息、人工智能的發(fā)展,世界各國不僅大力研發(fā)“捕食者”、“全球鷹”、“神經(jīng)元”、“雷神”、“彩虹”等大型無人機,同時還爭相發(fā)展各式各樣的“蜂群”無人機系統(tǒng),典型如美國誕生了“小精靈(Gremlins)”、“低成本無人機集群技術(shù)(LOCUST)”、“進攻性蜂群戰(zhàn)術(shù)(OFFSET)”、“灰山鶉(Perdix)”等集群無人機項目[8],這些是現(xiàn)代先進技術(shù)和未來戰(zhàn)爭需求共同推動催生的新型作戰(zhàn)力量,是世界各軍事強國爭先發(fā)展的前沿裝備,這類無人機利用數(shù)量大、個頭小、費用低等特點,采取與火箭彈飽和攻擊一樣的思路進行攻擊,但由于其內(nèi)蘊含的自主、智能算法,會產(chǎn)生極其龐大的戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法組合,隨機變化能力強,防空導彈防御集群無人機的難度將遠遠大于防御火箭彈的難度,效費比將更低,急需新的武器裝備去防御,近年來高能激光武器、高功率微波武器成為反無人機的重要發(fā)展方向[9]。

3 以色列激光武器的發(fā)展

20世紀70年代,美國和前蘇聯(lián)分別依托NKC-135A加油機、B-747客機、伊爾-76MD-90E開始機載激光武器試驗機建設并完成靶試驗證[2,10-12]。進入21世紀,美國空軍先后啟動了“先進戰(zhàn)術(shù)激光武器系統(tǒng)”項目,戰(zhàn)斗機掛載激光武器吊艙的“自防御高能激光演示器(SHIELD)計劃”。受到美、蘇的啟發(fā)和壓力,以色列、德國、俄羅斯、韓國、土耳其等國也紛紛投入巨資開展激光武器的研究[1-2,13-15]。以色列發(fā)展較快,在20世紀90年代初與美國曾合作研制出“鸚鵡螺”氟化氘化學激光武器試驗系統(tǒng),2006年又與美國合作開發(fā)“天空衛(wèi)士(skyguard)”氧碘化學激光武器試驗系統(tǒng),本世紀初開展機載激光武器的論證,其中拉斐爾公司、埃爾比特公司是其研究主力。

拉斐爾公司在2014年新加坡航展上展示了車載雙千瓦級固態(tài)激光武器原型系統(tǒng)——“鐵光束(Iron Beam)”,其射程約7 km,照射4 s即可毀傷導彈、無人機。又在2020年演示了“無人機穹(Drone Dome)”激光反無人機系統(tǒng)[16],演示在多種作戰(zhàn)場景下探測、識別、攻擊各種無人機。

通過持續(xù)的研究,以色列認為高能激光具備低發(fā)射成本、低附帶損傷、高效率等顯著特點,可用于未來攔截無人機、制導火箭等各種威脅,有望成為抵擋飽和攻擊的重要基石,故以色列國防部在2020年與艾爾比特和拉斐爾兩家公司合作,計劃在三個方面研發(fā)高能激光武器[16]:一是可野戰(zhàn)部署的陸基激光武器,補充“鐵穹”系統(tǒng),建立最底層防御,增強以色列近程防空能力；另外一種是地面車載激光武器系統(tǒng),可用于保護機動部隊；還有一種是空中機載平臺激光武器系統(tǒng),通過無人機搭載飛行,由于克服了地面激光武器容易受大氣影響的缺陷,可快速、大范圍應對云層上方的導彈威脅。但由于激光武器作用距離暫時較近,暫不能取代以色列現(xiàn)有的三層導彈防御系統(tǒng),而是計劃將各個系統(tǒng)相結(jié)合,形成互補,減少使用導彈攔截器的數(shù)量[16]。一旦三項計劃研發(fā)成功,基于激光武器的防空系統(tǒng)建成后將對以色列國防產(chǎn)生戰(zhàn)略性變革,對周邊國家和武裝力量的裝備發(fā)展、進攻策略產(chǎn)生較大影響。

4 以色列機載激光武器演示驗證試飛分析

憑借以色列科技創(chuàng)新體系持續(xù)的研究,其機載激光武器進步迅速。據(jù)以色列《耶路撒冷郵報》等報道,在以色列國防部武器和技術(shù)基礎(chǔ)設施發(fā)展管理局(MAFAT)的支持下,以色列艾爾比特系統(tǒng)公司和以空軍在2021年6月在海上開展了機載高能激光武器演示樣機系統(tǒng)(HPL-WS)的試飛,系統(tǒng)組成如圖1～3所示,載機是民用賽斯納208B飛機,擊落了大約1km遠的“藍鳥”無人靶機、“Sky Striker”巡飛彈[3],成為繼美國、前蘇聯(lián)后第三個開展全系統(tǒng)機載激光武器飛行試驗的國家。據(jù)以色列國防部介紹,本次試驗對不同距離、不同高度的無人機都進行了攔截(如圖4所示),該系統(tǒng)可以為以色列防空提供至關(guān)重要的防御能力,標志著“以色列防空能力的戰(zhàn)略性改變”[3]。

圖1 賽斯納208B試驗載機Fig.1 Cessna 208B platform

圖2 安裝在機身側(cè)面的搜索跟蹤瞄準系統(tǒng)(ATP)Fig.2 ATP installed on the side of the fuselage

圖3 試驗機內(nèi)部設備與控制系統(tǒng)Fig.3 Internal equipment and control system

圖4 擊落的無人靶機Fig.4 The target UAV shot down

美國通過ALL、ABL等項目的飛行試驗,建立了比較完善的機載激光武器飛行試驗技術(shù)體系,主要包括激光武器系統(tǒng)設計技術(shù)、試驗機總體設計技術(shù)、復雜系統(tǒng)集成改裝技術(shù)、試驗設計技術(shù)、測試測量技術(shù)、靶標建設技術(shù)等。相比于美國、前蘇聯(lián)使用大型飛機開展演示驗證試飛,以色列本次使用的是小型民機,意義重大,在試驗的各個方面都有鮮明特點,對其進行詳細分析。

4.1 激光武器系統(tǒng)技術(shù)特點分析

激光武器系統(tǒng)一般由激光光源、目標搜索跟蹤系統(tǒng)、作戰(zhàn)指揮、供電等多個系統(tǒng)組成[1],以色列本次試飛是全系統(tǒng)級試驗,包含上述全部系統(tǒng)。

系統(tǒng)重量分析:賽斯納208 B載重約2005 kg,以色列本次試驗機上有3名技術(shù)人員、1名飛行員,從視頻中推斷體重約80 kg左右,而激光器主要安裝在飛機中后部,考慮到重心調(diào)配等因素,分析可知本次激光武器系統(tǒng)總重不超過1.5 t。圖5所示為賽斯納208B下艙門尺寸。

圖5 賽斯納208B下艙門尺寸Fig.5 The size of Cessna 208′slower door

激光光源類型分析:從激光武器發(fā)展可知,化學激光器等體積較大,自由電子激光器技術(shù)成熟度低,而光纖激光器相對具有體積小、質(zhì)量輕、技術(shù)成熟度高等優(yōu)點[2,10],結(jié)合本次系統(tǒng)重量、作用距離等分析可知以色列本次使用的是光纖激光器。同時,本次試驗是以色列遠期100 kW激光武器第一階段的部分試驗,故發(fā)射功率較低,另外綜合從體積、重量、發(fā)射口徑、毀傷效果、毀傷距離等因素分析,本次試驗的激光武器功率約10 kW左右。

目標搜索跟蹤系統(tǒng)分析:美國ABL項目試飛中,機上采用了360°視場紅外探測系統(tǒng)為激光武器進行粗跟蹤[11],再由激光武器跟瞄系統(tǒng)進行精細跟蹤并發(fā)射激光,而從以色列公布視頻來看,塞斯納上沒有雷達、光電轉(zhuǎn)塔等常規(guī)跟蹤設備,激光武器前端無其他傳感器,采取圖6的人工操控跟瞄系統(tǒng)進行搜索、跟蹤。另外,該跟瞄系統(tǒng)安裝位置原為賽斯納208B的左邊下艙門,在安裝時未更改原機結(jié)構(gòu),通過對同型號飛機進行測量,該艙門長127 cm、高60 cm,分析可知以色列本次試驗發(fā)射口徑約60 cm,體積較小。

圖6 目標跟蹤瞄準畫面Fig.6 Target tracking and aiming screen

作戰(zhàn)管理系統(tǒng)分析:作戰(zhàn)管理系統(tǒng)是機載激光武器的關(guān)鍵組成,主要作戰(zhàn)任務規(guī)劃和指令,以及引導信息接入,并控制整個武器系統(tǒng)完成各項作戰(zhàn)任務[1]。以色列本次試驗的作戰(zhàn)管理系統(tǒng)位于圖3所示的機艙內(nèi),3名技術(shù)人員操作使用部分。

供電能力分析:機載激光武器是一種高耗能武器,對用電需求較大。賽斯納208 B采用PT6A-114發(fā)動機,對外供電為28 V直流電,總電量約8.4 kW,除飛機自身用電外,剩余用電僅4 kW,不滿足激光武器極高的用電量使用要求,據(jù)此推斷以色列本次試飛全部利用儲能電池供電,其使用模式是飛行前地面充電,從側(cè)面也證明其儲能電池性能較佳。

4.2 試驗機設計與改裝技術(shù)分析

機載激光武器系統(tǒng)試驗系統(tǒng)龐大,在試驗機的設計過程中,一方面要考慮安裝激光武器系統(tǒng)之外的配套支架、線纜、控制系統(tǒng)、測試設備、監(jiān)控設備等,同時要考慮改裝對于試驗機氣動、結(jié)構(gòu)、重心的影響以確保安全,還需要考慮技術(shù)技術(shù)人員工作空間等,因此對試驗機整體設計能力、改裝能力要求較高。

以色列本次使用的賽斯納208系列飛機是美國賽斯納飛機公司研制的單發(fā)渦輪螺旋槳式多用途輕型通用飛機,使用普拉特-惠特尼公司PT6A-114發(fā)動機,機長11.45 m,機高4.53 m,翼展15.87 m,航時6 h,最大巡航速度341 km/h,升限7224,最大可用載重2005 kg,該型飛機載重小、速度低,但技術(shù)成熟、性能可靠,在全世界通航領(lǐng)域使用廣泛,衍生了多個型號。

以色列本次試驗具有“麻雀雖小五臟俱全”的特點,因此相比于美國使用NKC-135A加油機、B-747運輸機等大型飛機而言,試驗機的設計、改裝難度更大,對相關(guān)設備的小型化、改裝技術(shù)的先進性要求較高。

賽斯納208B飛機是經(jīng)過適航審定的民用飛機,對其改裝受適航限制,而以色列本次未見明顯的外形結(jié)構(gòu)改變,而且從飛機上噴涂的“EXPERMENTAL”來看,該飛機是艾爾比特專用飛行試驗載機,有比較成熟的改裝經(jīng)驗,對試驗機改裝和適航要求比較清楚。

4.3 試驗設計技術(shù)分析

綜合分析以色列激光武器的發(fā)展,其試驗的基本思路是“分步試驗、循序漸進”,先解決有無,再逐步完善,沒有采用ABL項目“求大求全”、“一步到位”的思路。在此思路下,以色列設計了“先陸基再空基、先分項再整體、先低功率再高功率”的整體試驗規(guī)劃。

以色列從20世紀90年代開始與美國先后合作進行了陸基“鸚鵡螺”、“天空衛(wèi)士”激光武器試驗系統(tǒng),此次是在陸基試驗的技術(shù)、經(jīng)驗基礎(chǔ)上進行的。

以色列在2020年專門進行了氣動光學方面的試驗,突破了大氣畸變、衰減等對高能激光能量傳輸?shù)挠绊?提高了技術(shù)成熟度,使得本次試驗能夠在影響較大的海面上空進行。

以色列對機載激光武器規(guī)劃了近、遠期規(guī)劃,遠期規(guī)劃是在B-747同級別大小的運輸機上試驗100千瓦級激光武器,試驗成熟后轉(zhuǎn)為型號應用,本次試驗僅是其第一階段的一部分,主要進行基本原理、可行性的驗證。

在飛行試驗中,以色列還設計了不同的目標、態(tài)勢,對不同高度、不同距離的無人靶機、巡飛彈進行跟瞄、攻擊[3],試驗科目設計比較科學,初步驗證了機載激光武器對不同目標的攻擊能力,但相比于美國而言,其科目設置仍較少,距全面驗證激光武器系統(tǒng)性能仍有差距,預計后續(xù)將持續(xù)開展不同科目的試飛。

4.4 測試測量技術(shù)分析

美國機載激光武器試飛中,有比較全面的載機測試、靶標測試、地面監(jiān)測等,尤其激光能量、光斑是測試的核心。以色列本次試飛,在地面、空中有對載機、靶機的外部測試,地面有實時接收機上遙測下傳數(shù)據(jù)進行監(jiān)控的手段和大量人員,但靶機上沒有激光能量和光斑監(jiān)測設備,因此無法對大氣中激光能量傳輸?shù)淖兓M行定量的分析,這對下一步具體發(fā)展不利。從其體系化發(fā)展規(guī)劃分析,以色列下一步將有持續(xù)性、測試測量更充分的試飛。

4.5 靶標建設技術(shù)分析

美國機載激光武器試飛進行了多種科目的試飛,采用了無人機、真實導彈等不同靶標做不同科目的配試目標,在出光試驗、全系統(tǒng)試驗中,靶標上一般加裝了靶斑儀,對激光能量、光斑形狀進行監(jiān)測,而以色列本次未在靶機上加裝相關(guān)設備,直接使用原狀態(tài)的靶機。

4.6 工業(yè)技術(shù)體系支撐分析

激光武器系統(tǒng)龐大,涉及復雜的機、電設備,以色列本次在小型塞斯納208B飛機內(nèi)安裝完整武器系統(tǒng),表明其各系統(tǒng)體積小、效率高、制造工藝水平高,滿足激光武器對光學器件、火控解算、光束控制的精密要求。以色列本次不僅僅是完成了小型飛機上的機載激光武器試飛,更是向世界展示了其激光武器系統(tǒng)各個方面的先進技術(shù)、工藝,以及合理的管理體系,是其整個工業(yè)體系先進性的表現(xiàn)。這也啟示其他國家,機載激光武器系統(tǒng)的發(fā)展不僅僅是激光器的發(fā)展,而是整個系統(tǒng)各個方面的統(tǒng)一發(fā)展。

小結(jié):以色列本次試飛采用光纖體制激光器,發(fā)射口徑約60 cm,功率約10 kW左右,利用儲能電池供電,是先進的設計、完善的制造工藝體系、先進的試驗技術(shù)體系相結(jié)合的產(chǎn)物,但試驗處于初級階段,作用與ABL項目低功率替代跟瞄試飛、光束控制試飛相當,主要解決大系統(tǒng)閉環(huán)驗證、跟瞄和光束控制,缺少激光能量的定量測量與分析,對激光大氣傳輸效應缺乏有效的證明,預計后續(xù)會有持續(xù)性飛行試驗。

5 發(fā)展啟示

激光武器研發(fā)中應適時開展演示驗證試飛。激光武器是一個強調(diào)系統(tǒng)性的工程活動,單獨激光器或電源的先進并不能保證整個系統(tǒng)的先進和可用,而各個系統(tǒng)在實驗室、地面無論多先進,不能整體上機就無法證明其系統(tǒng)的先進性,只有上機集成才能充分的驗證系統(tǒng)能力、暴露缺陷,機載激光武器的研發(fā)應當在適當?shù)臅r機開展上機飛行試驗。

機載激光武器飛行試驗并非全部要大型載機。機載激光武器應適時開展飛行試驗,但一直以來,各國一直受到美國、前蘇聯(lián)的影響,認為必須使用大型運輸機開展機載激光武器的飛行試驗,而大型飛機昂貴、數(shù)量少、難以調(diào)撥使用,導致機載激光武器的試飛一直受限,以色列的飛行試驗證明采用小型飛機也可以進行機載激光武器的飛行試驗,使用小飛機,周期短、改裝快、失敗的影響小,綜合來看,效費比高,對于項目初期低功率替代試飛的使用有利。而世界上介于B-747、比賽斯納208B之間的飛機平臺較多,這給機載激光武器試驗的選擇空間較大。

新技術(shù)試飛驗證應采取逐步完善的策略,避免“一步到位”思維。雖然機載激光武器應適時開展演示驗證試飛,但應避免如ABL項目那樣在技術(shù)成熟度不夠的時候采用“一步到位”的試飛思路,導致目標、指標太高而難以實現(xiàn)。而以色列采取逐步完善的思路,先用小功率激光器進行初步的演示驗證,不僅提升了技術(shù)成熟度、增加了工程經(jīng)驗,大幅降低技術(shù)風險、進度風險和項目成敗的風險,同時還提升了管理部門、科研部門的信心,對后續(xù)發(fā)展較為有利。

飛行試驗關(guān)注的是解決主要問題而不是全部問題。以色列本次試飛沒有追求試驗的完備性,并沒有盡善盡美,比如從靶機上沒有看到靶斑儀等光斑監(jiān)測設備,沒關(guān)注激光傳輸?shù)桨袡C上的具體能量、光斑情況,而以有效毀傷為目的,只要解決主要的問題,證明激光武器能毀傷空中目標即可,至于其他詳細的性能參數(shù),可以在后續(xù)試驗中再逐步的摸索。

6 結(jié)束語

機載激光武器是軍事強國競爭的戰(zhàn)略高地,飛行試驗是其關(guān)鍵里程碑。以色列通過小型飛機的演示驗證試飛,驗證了關(guān)鍵技術(shù),證明其整個工業(yè)技術(shù)體系的先進,提升了技術(shù)成熟度,降低了技術(shù)風險。同時給其他國家開展機載激光武器給予啟發(fā),應盡早進行飛行試驗,以便在技術(shù)、國家戰(zhàn)略層面占位,而實施中有必要采取“循序漸進”、“逐步提升”的方式進行,避免采用“一步到位”的發(fā)展方式。