美國陸軍車載戰(zhàn)術(shù)激光武器發(fā)展分析

黃 沛，曹國輝,張海晶，張鈞杰

(1.中國人民解放軍 93221部隊,北京 100085；2.中國人民解放軍 93128部隊，北京 100080)

引 言

激光武器是利用高能激光束能量摧毀或損傷目標的定向能武器，與防空導彈和火炮等傳統(tǒng)動能武器相比，具有光速交戰(zhàn)、攻擊靈活、毀傷精準可控、作戰(zhàn)成本低、持續(xù)作戰(zhàn)能力強等獨特優(yōu)勢[1-2]，在軍事領(lǐng)域具有巨大應用價值。根據(jù)裝載平臺不同，激光武器可分為機載激光武器、車載激光武器和艦載激光武器等[3]。近年來，美國、俄羅斯、德國等均投入大量資金用于發(fā)展激光武器，其中美國在技術(shù)水平與研制應用方面處于領(lǐng)先地位。目前，國內(nèi)對美國機載激光武器、艦載激光武器的發(fā)展已有較為系統(tǒng)的報道[4-7]，而針對美國陸軍車載激光武器發(fā)展分析研究的文獻相對較少。目前，美國陸軍正開展多項車載激光武器項目研究，加速推進車載戰(zhàn)術(shù)激光武器實戰(zhàn)化應用，計劃通過發(fā)展車載激光武器提升前沿要地防空能力，應對火箭彈、火炮、迫擊炮以及無人機等威脅。本文中系統(tǒng)歸納了車載激光武器防空領(lǐng)域的應用方向，概述了當前美國陸軍車載激光武器的研究現(xiàn)狀，分析了關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展情況，探討了其發(fā)展特點及發(fā)展思路，總結(jié)了車載戰(zhàn)術(shù)激光武器未來發(fā)展趨勢。

1 概 述

車載戰(zhàn)術(shù)激光武器是將高能激光集成于車載平臺上，可充分利用車載平臺載重能力強及機動性能好等優(yōu)勢，遂行要地防空、伴隨防空、野戰(zhàn)防空以及城市安防等多樣化任務，是對傳統(tǒng)防空體系的有效補充。分析車載激光武器作戰(zhàn)特點，其承擔的作戰(zhàn)任務包括以下幾點。

(1)末端防御。發(fā)揮激光武器光速交戰(zhàn)、作戰(zhàn)效費比高等優(yōu)勢，與傳統(tǒng)防空武器系統(tǒng)的導彈和火炮銜接配合，實現(xiàn)對精確制導彈藥、火炮、無人機等實施低成本、高效攔截，形成分層攔截、火力銜接、體制互補的綜合防御體系。

(2)光電對抗。對精確制導武器導引頭、無人機偵察載荷等光電傳感器進行“軟殺傷”[8-9]，降低光學制導武器命中精度，削弱其精確打擊能力，致盲毀傷無人偵察機光電系統(tǒng)使其喪失偵察監(jiān)視功能，豐富防空體系攔截手段，提升體系綜合作戰(zhàn)效能。

(3)信息支援。利用激光武器大口徑光學系統(tǒng)跟瞄精度高優(yōu)勢，將車載激光武器作為“傳感器”對來襲目標進行探測、跟蹤、識別，為防空導彈提供高精度目標指示信息和引導信息，協(xié)同地空導彈武器系統(tǒng)作戰(zhàn)，提高防空體系抗復雜電磁干擾能力。

(4)安防安保。利用車載激光武器攻擊隱蔽、附帶損傷小特點，對“低慢小”目標、輕小型無人機等低價值、非對稱目標進行殺傷，既可用于和平時期對重大活動、重要目標安保，又可應用于機場、導彈陣地等反小型無人機偵查襲擾，提高應對非對稱威脅的能力。

2 發(fā)展現(xiàn)狀

美國陸軍高度重視車載戰(zhàn)術(shù)激光武器發(fā)展。自20世紀90年代就開啟了陸基激光武器研制計劃——戰(zhàn)術(shù)高能激光武器(tactical high energy laser，THEL)，采用氟化氘激光器安裝在地面機動平臺，成功進行了多次攔截火箭彈的打靶驗證。但由于氟化氘等化學激光武器存在系統(tǒng)復雜笨重、維護保障困難等問題，不適于與小型機動平臺集成和戰(zhàn)術(shù)應用。近年來，隨著高能固體激光光源技術(shù)不斷發(fā)展，美國陸軍將發(fā)展重點逐步轉(zhuǎn)向基于固體激光光源的戰(zhàn)術(shù)激光系統(tǒng)，充分利用聯(lián)合高功率固體激光器(joint high power solid-state laser,JHPSSL)、高能液體激光區(qū)域防御系統(tǒng)(high energy liquid laser area defense system,HELLADS)、堅固型電激光器倡議(robust electric laser initiative,RELI)等項目研究成果[10]，開展多項車載戰(zhàn)術(shù)激光武器樣機集成驗證項目，預計在2025年前完成實戰(zhàn)部署。總體來看，根據(jù)裝備形態(tài)、功率等級、作戰(zhàn)任務等不同，美國陸軍開展的車載激光武器研制項目可分為兩類。

2.1 基于重型卡車的激光武器

以重型卡車為平臺完成了高能激光機動演示系統(tǒng)(high energy laser mobile demonstrator,HEL MD)，并通過高能激光戰(zhàn)術(shù)車輛演示(high energy laser tactical vehicle demonstrator,HEL TVD)進一步拓展作戰(zhàn)能力。

美國陸軍聯(lián)合波音公司開發(fā)了HEL MD系統(tǒng)，如圖1a所示，激光器輸出功率10kW，集成于8輪奧什科什重型機動卡車，用于反火箭彈、炮彈和迫擊炮彈等目標[11]。在白沙導彈靶場驗證了系統(tǒng)在風、雨、霧天氣條件下對各種空中目標實施瞄準和打擊能力(見圖1b)，擊落60mm迫擊炮彈和無人機等150多個目標。

圖1 a—HEL MD激光武器[11] b—HEL MD在惡劣條件下開展試驗[11]

2017年，洛·馬公司基于美國國防部RELI項目支持，為美陸軍研制了60kW級光纖激光光譜合成激光源，將該光源以及HEL MD系統(tǒng)中的光束控制系統(tǒng)集成到重型戰(zhàn)術(shù)卡車，完成高能激光器移動試驗車(high energy laser mobile test truck，HELMTT)研制[12]，并于2018年在白沙靶場進行了演示驗證，成功擊毀火箭彈和迫擊炮彈。

2018年，美國陸軍啟動HEL TVD項目，計劃在10噸量級的中型戰(zhàn)術(shù)卡車上集成100kW激光武器系統(tǒng)(見圖2)，用于攔截火箭彈、炮彈、迫擊炮彈、巡航導彈和無人機等目標，預計2022年完成對多類目標的毀傷驗證[13]。美國陸軍將該項目合同授予Dynetics-洛·馬公司團隊，洛·馬公司提供激光源子系統(tǒng)，Dynetics公司負責系統(tǒng)集成和測試，Rolls-Royce公司負責研制電源和熱管理系統(tǒng)[14]。為應對巡航導彈威脅，美國陸軍決定提高激光功率等級，直接研制250kW～300kW激光武器[15]。

圖2 HEL TVD激光武器概念圖

2.2 基于輕型戰(zhàn)車的激光武器

以輕型機動戰(zhàn)車為平臺，完成機動遠征高能激光炮(mobile high-energy laser，MEHEL)研制，正開展多任務高能激光(multi-mission high energy laser，MMHEL)項目提升部隊近程機動防空能力。

MEHEL項目由波音公司為美國陸軍研發(fā)，將輸出功率2kW～5kW的光纖激光集成于“斯特賴克”輪式戰(zhàn)車(見圖3)，具備較強機動能力[16]。美國陸軍在2016年開展的一次試驗中擊落多架四旋翼無人機、固定翼無人機，初步驗證了系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力。

圖3 MEHEL激光武器[16]

為進一步提高機動式戰(zhàn)車作戰(zhàn)能力，2018年,美國陸軍啟動了MMHEL項目，該項目為機動短程防空系統(tǒng)(mobile short-range air defence，M-SHORAD)的部分計劃，將50kW高能激光器集成到機動式斯特賴克機動平臺上用于近程機動防空(見圖4a)，攔截火箭彈、火炮、迫擊炮以及無人機，為前線作戰(zhàn)部隊提供防護。項目由美國Kord技術(shù)公司作為主承包商，雷神公司負責激光器模塊研制。2021年8月,美陸軍完成了對M-SHORAD定向能樣機的試驗驗證(見圖4b)，計劃2022年組建1個由4輛戰(zhàn)車組成的作戰(zhàn)排[17]。

圖4 a—MMHEL激光武器概念圖 b—M-SHORAD定向能樣機

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 高能激光器技術(shù)

目前，戰(zhàn)術(shù)激光武器光源發(fā)展重點已由化學激光器轉(zhuǎn)向固態(tài)激光器，根據(jù)增益介質(zhì)形狀不同可分為光纖激光器、板條激光器、薄片激光器、平面波導激光器等。其中光纖激光器采用全光纖結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、光束質(zhì)量好的優(yōu)點。但受非線性效應、熱效應等因素的影響，單根單模光纖激光的輸出功率存在極限，最高可產(chǎn)生約20kW的連續(xù)功率[18]，要實現(xiàn)更高功率的輸出，必須通過光束合成技術(shù)，包括相干合成和非相干合成，非相干合成又可分為空間合成、光譜合成等。相干合成技術(shù)最為復雜、不易實現(xiàn)，空間合成的光束質(zhì)量較差，而光譜合成技術(shù)因系統(tǒng)相對簡單、光束質(zhì)量較好而得到廣泛應用。根據(jù)美國陸軍網(wǎng)站報道以及對相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析，美國陸軍正開展的HEL TVD和MMHEL均采用目前為成熟的光纖激光器，通過光譜合成技術(shù)實現(xiàn)高功率高光束質(zhì)量激光輸出。

HEL TVD項目光源研制單位洛·馬公司長期致力于光纖激光光譜合成技術(shù)的發(fā)展與應用，如圖5a所示。通過光柵等色散元件使波長差異的激光同軸疊加，形成一束同軸激光輸出。2014年，洛·馬公司采用96路單纖窄譜激光光譜合成實現(xiàn)了30kW功率輸出[19]；2017年，研制出了60kW光譜合成的光纖激光器(見圖5b)，電光效率達到43%，重量功率比為10kg/kW[7]。

圖5 a—光譜合成示意圖[13] b—洛·馬公司60kW光源[7]

MMHEL項目光源研制單位雷神公司為美國海軍研制的艦載激光武器系統(tǒng)(laser weapon system，LaWS)，采用IPG公司的成熟工業(yè)光纖激光器模塊，通過6路5.5kW的IPG單模光纖激光器模塊空間合成實現(xiàn)了33kW激光輸出，但光束質(zhì)量較差[20]。2019年,雷神公司為美空軍研制的高能激光武器系統(tǒng)(high energy laser weapon system，HELWS)已采用光譜合成,實現(xiàn)了10kW激光輸出。

3.2 高效毀傷技術(shù)

激光毀傷效應研究是車載戰(zhàn)術(shù)激光武器實戰(zhàn)應用的基礎(chǔ)。車載激光武器要攔截應對的目標種類多樣。因此，要通過毀傷效應研究確定不同目標易毀部位、毀傷閾值、毀傷后效，建立毀傷效應數(shù)據(jù)庫，完善激光破壞效應標準與判據(jù)，以支撐實際作戰(zhàn)中的目標分配和指揮決策。美軍非常重視激光武器毀傷效能研究，在白沙靶場建立了高能激光測試試驗平臺，形成了完備的激光破壞效應試驗能力，能夠支持開展系統(tǒng)級動態(tài)攔截試驗，支撐激光毀傷效應試驗研究。HEL MD和HELMTT系統(tǒng)均在白沙導彈靶場開展了針對火箭彈、迫擊炮彈、無人機等目標的毀傷驗證。為應對大國競爭對手的巡航導彈威脅，美國陸軍將HEL TVD激光功率從100kW提高至300kW。美國相關(guān)研究機構(gòu)認為300kW左右的激光武器才具備對巡航導彈毀傷能力[21]。

本文中也對激光武器攔截巡航導彈能力進行了估算。連續(xù)激光主要依靠能量累積燒蝕對目標進行毀傷，需同時滿足最低激光功率密度和輻照時間兩方面的要求。

(1)

式中,I為到靶功率密度，I0為毀傷功率閾值,t為作用時間,E為能量密度,E0為毀傷能量閾值。

到靶功率密度與發(fā)射光束質(zhì)量、湍流強度和跟瞄精度等因素有關(guān)，可用下式表示[22]:

(2)

式中，L為激光傳輸距離，τ為大氣傳輸效率，P為激光功率，D為發(fā)射口徑，R為到靶光束半徑，β為發(fā)射光束質(zhì)量，μ為跟蹤精度，r0為大氣相干長度，λ為激光波長。τ和r0分別與大氣能見度和大氣湍流強度有關(guān)。

假定車載激光武器打擊超低空突防的巡航導彈，速率為300m/s，取巡航導彈功率閾值為1000W/cm2，能量閾值為3000W/cm2；激光武器出光口徑為30cm，光束質(zhì)量為3倍衍射極限，大氣湍流強度取為10-15m-2/3，跟瞄精度、大氣能見度分別取為10μrad和15km。經(jīng)估算,100kW激光武器毀傷距離約為1.5km，惡劣條件下毀傷能力會進一步下降，在實戰(zhàn)條件下毀傷能力非常有限甚至不具備攔截能力；而300kW激光武器對巡航導彈毀傷距離不小于3km。

3.3 自適應光學校正技術(shù)

激光在大氣傳輸過程中受大氣吸收、散射、湍流影響，產(chǎn)生能量衰減、光束擴展、光斑抖動畸變等現(xiàn)象，導致激光到靶功率密度下降,尤其是車載激光武器部署于地面作戰(zhàn)，受稠密大氣影響嚴重。通過自適應光學技術(shù)可有效補償大氣造成的激光波前畸變。在美國空軍機載激光武器(airborne laser,ABL)研制過程中，波音公司就計劃采用自適應光學技術(shù)改善光束質(zhì)量[23]，但受限于當時技術(shù)水平，提升效果不明顯，制約了武器作戰(zhàn)能力。

洛·馬公司為美國空軍研制了航空自適應光波束控制臺(aero-adaptive aero-optic beam control,ABC)，發(fā)展自適應光學技術(shù)對炮塔周圍的大氣湍流等引起的畸變進行校正與補償使之能精確聚焦到目標。美國國防高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)開展了“圣劍”項目(Excafibur)，并于2014年驗證了3個光學相控陣模塊組成的光學相控陣列，如圖6所示,每個模塊由7個光纖激光器組成。Excafibur樣機采用“超快優(yōu)化算法”，通過目標在回路的全程像差優(yōu)化控制，實現(xiàn)了對大氣湍流亞毫秒量級的快速校正[24]。圖中，MOPA為主振蕩功率放大(master oscillator power amplifier)。美國陸軍在HEL TVD項目中也計劃采用自適應光學技術(shù)保證惡劣天氣條件下的作戰(zhàn)能力，其所采用技術(shù)途徑、后續(xù)研究進展以及大氣校正效果值得大家持續(xù)關(guān)注。

圖6 “圣劍”光學相控陣原理圖[24]

4 發(fā)展特點與趨勢

4.1 發(fā)展特點

美國陸軍十分重視車載激光武器發(fā)展，根據(jù)美國《國防戰(zhàn)略》提出的分層防御體系和美國陸軍的現(xiàn)代化戰(zhàn)略，其末端防御由遠及近-由近及遠規(guī)劃為“6層防空反導保護圈”，由低成本導彈、高能激光、機槍等手段組成[25]。其中，多任務高能激光(MMHEL)、高能激光戰(zhàn)術(shù)車輛演示(HEL TVD)分別承擔第2層與第5層防空任務。分析美國陸軍車載戰(zhàn)術(shù)激光武器發(fā)展具有以下特點：

(1)在使命定位方面，將激光武器作為地空導彈武器有效補充，納入防空體系形成梯次防護能力,提升體系作戰(zhàn)效能。激光武器不具備全天候作戰(zhàn)能力，難以完全代替地空導彈、高炮等傳統(tǒng)防空裝備。在美軍規(guī)劃的“6層防空反導保護圈”中，仍依靠低成本導彈承擔最外層防空任務。

(2)在作戰(zhàn)使用方面，主要用于海外基地、作戰(zhàn)部隊等前沿陣地防御火箭彈、炮彈、迫擊炮及無人機等非對稱威脅，并逐漸擴展對巡航導彈攔截能力。美國擁有制空優(yōu)勢，其國土防空反導主要依托航空力量以及全球?qū)椃烙w系。近年來，美軍海外基地受到日益嚴峻的無人機、火箭彈、炮彈等威脅，美軍重新重視發(fā)展近程防空裝備，并計劃通過發(fā)展車載激光武器快速提升部隊應對火箭彈、火炮、迫擊炮能力。

(3)在裝備形態(tài)方面，發(fā)展輕型、中型兩類車載激光武器，兼顧機動性和毀傷能力。50kW激光武器采用輕型裝甲底盤，機動能力強，可為作戰(zhàn)部隊提供伴隨防空，有效攔截小型無人機，兼顧攔截部分薄殼體、中近程火箭彈、炮彈。100kW以上激光武器毀傷能力強，能夠攔截火箭彈、炮彈甚至巡航導彈，但受限于激光器體積、重量，目前僅能集成于中型或重型車輛，具備一定機動能力，可用于固定陣地防空。

(4)在激光光源方面，采用相對成熟的光纖技術(shù)體制確保盡快形成實戰(zhàn)能力。相比于薄片、板條固體激光器等，光纖激光器更為成熟，可靠性和環(huán)境適應性較好，對灰塵、震蕩、沖擊等容忍度較高，且通過光纖激光光束合成可實現(xiàn)100kW以上激光武器集成，并未一味追求功率提升。相比于美國海軍提出的發(fā)展兆瓦級激光武器攔截超音速反艦導彈，美國陸軍更注重利用成熟技術(shù)發(fā)展高機動激光武器滿足火箭彈、炮彈攔截任務急需。但美國相關(guān)研制單位也并未放棄其它技術(shù)體制發(fā)展，美國通用原子公司計劃通過發(fā)展“分布式增益”激光技術(shù)，研制100kW～250kW激光武器[26-27]。2015年,該公司研制的激光器模塊實現(xiàn)75kW高質(zhì)量光束輸出，重量功率比為4kg/kW，在輸出功率相同的情況下，激光器重量小于光纖激光器，適合安裝在各種小型戰(zhàn)術(shù)平臺上。該種技術(shù)體制也值得關(guān)注。

4.2 發(fā)展趨勢

(1)關(guān)鍵技術(shù)逐漸成熟并走向工程化、實戰(zhàn)化。隨著HEL TVD、MEHEL等項目的開展，美國在高能激光器、高精度跟瞄以及系統(tǒng)集成技術(shù)等方面取得重要突破，車載激光武器即將裝備部隊實戰(zhàn)部署。在研制過程中注重提升裝備作戰(zhàn)適應性，充分考慮環(huán)境條件并盡可能克服環(huán)境影響，例如驗證HEL MD車載激光武器樣機在云霧、刮風、下雨等多種不同條件下作戰(zhàn)能力。

(2)作戰(zhàn)能力不斷提升向高功率、高集成度發(fā)展。提高激光光源功率，增強激光武器綜合性能與毀傷能力，拓展車載激光武器多樣化作戰(zhàn)能力，將毀傷目標從無人機等非對稱目標擴展到巡航導彈等常規(guī)空襲目標，提升防空體系作戰(zhàn)效能。同時，重視裝備輕量化、緊湊化設(shè)計，以支撐更高功率水平激光武器發(fā)展，拓展對巡航導彈的毀傷能力。

(3)注重同傳統(tǒng)火力以及高功率微波武器的協(xié)同運用。激光武器有全天候作戰(zhàn)能力弱的天然劣勢，在實戰(zhàn)中要靈活運用導彈、高炮等傳統(tǒng)火力與激光武器和高功率微波武器等新質(zhì)力量，構(gòu)建“彈、炮、光、波”多手段綜合、火力銜接、體制互補的防御體系。例如，2017年，美國陸軍在“機動火力綜合試驗”(maneuver fires integrated experiment，MFIX)的演習中，利用高功率微波和高能激光武器擊落了45架無人機[28]。

5 結(jié)束語

車載戰(zhàn)術(shù)激光武器的獨特優(yōu)勢使其在未來戰(zhàn)術(shù)防空領(lǐng)域具有較強發(fā)展?jié)摿?，是世界軍事強國發(fā)展的重點。美國在激光武器的研究領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，并基于作戰(zhàn)使用需求逐步推進裝備實戰(zhàn)化?？沙浞纸梃b美國陸軍車載激光武器發(fā)展經(jīng)驗，緊密結(jié)合我國戰(zhàn)術(shù)防空應用需求，提高車載戰(zhàn)術(shù)激光武器的技術(shù)水平與作戰(zhàn)能力，推進實戰(zhàn)化應用。