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国外主要机载高能激光武器发展情况

放大字体 缩小字体 发布日期:2021-08-17 16:00:28   浏览次数:36
核心提示:2021年08月17日关于国外主要机载高能激光武器发展情况的最新消息:与海上、地面高能激光武器相比,机载高能激光武器由于面临平台搭载空间有限、供能有限、振动等技术挑战,发展进度相对较慢。目前在国外发展态势上,美国处于明显领先地位,开展了运输机、轰炸机


与海上、地面高能激光武器相比,机载高能激光武器由于面临平台搭载空间有限、供能有限、振动等技术挑战,发展进度相对较慢。目前在国外发展态势上,美国处于明显领先地位,开展了运输机、轰炸机、战斗机、直升机、无人机等平台搭载的激光武器研究,涵盖了化学激光器、固体激光器(包括半导体泵浦固体激光器、光纤激光器)、液体激光器等类型,正在持续推进深化演示验证和部分成果实装转化;其他国家和地区中,俄罗斯正研发多任务机载激光器,英国努力开发“暴风”战斗机载激光器,日本机载激光器研制尚不成熟,以色列无人机载激光器将开始开展演示验证。在发展模式上,美国、英国、以色列以现有海上或地面高能激光武器或现有机载激光指向系统为基础开发机载高能激光武器;美国AC-130J“炮艇机”载高能激光武器采用先行部署功率相对较低的机载激光武器,之后进行迭代更新的开发方式。

一、美国当前,美国机载高能激光器的发展,基本摒弃了氧碘化学激光器,正在采用光纤激光器、半导体泵浦固体激光器、半导体泵浦气体激光器、分布式增益液体激光器等技术路线;目标功率覆盖范围为50千瓦至300千瓦;涵盖了防御、进攻等作战应用。美国正在实施的主要机载高能激光武器计划中:“自卫高能激光演示样机” 预计于2024年开展集成系统的试验,AC-130J“空中炮艇”飞机机载载高能激光武器计划于2022年开展飞行射击试验,“低功率激光演示验证机”与“高能液体激光区域防御系统”始终未见开展机载射击试验。1、自卫高能激光演示样机” (SHiELD)“自卫高能激光演示样机”项目于2015年启动,是由美空军研究实验室主导研制的机载激光武器系统,目的是为战斗机提供对抗敌机、空空导弹或地空导弹的手段。“自卫高能激光演示样机”包含三个重要组件:洛马公司负责开发的高能激光器;诺格公司负责开发的光束控制系统;波音公司负责开发的激光吊舱。2019年,美空军研究实验室对“自卫高能激光演示样机”的地面替代样机“演示验证激光武器系统”(DLWS,激光功率达数十千瓦,但美方未透露具体数据)开展空空导弹拦截试验,以明确激光对目标的物理效应;对波音公司正在开发的与 “自卫高能激光演示样机”吊舱具有相同外模线的吊舱开展F-15战斗机挂飞试验,以测试振动、重力及其他环境因素对武器性能的影响。洛马公司目前开发的激光器主要是光纤激光器,外形紧凑,采用多层电介质(MLD)衍射光栅高功率光纤激光光谱合成技术,已实现60千瓦以上近衍射极限的光纤激光光谱合成激光输出;诺格公司目前开发的光束控制系统采用自适应光学技术,主要由波前传感器、变形反射镜和控制处理器组成,可对弱湍流效应进行修正。2021年2月底,波音公司向美空军研究实验室交付吊舱。洛马公司、诺格公司分别承研的其余两个组件计划在2021年7月前交付,预计于2024年开展集成系统的试验。2、AC-130J“炮艇机”载高能激光武器AC-130J“炮艇机”载高能激光器是美空军特种作战司令部联合美海军水面战中心研发的进攻型高能激光武器。AC-130J最大起飞重量为82吨,机内空间充足,采用开放式架构的火力支援系统,是搭载激光器的理想平台。项目于2015年启动;2017年底开始在AC-130J上安装激光器并逐步开展试验;2018年至2020年期间开展地面试验;计划2022年在AC-130J上进行60千瓦及以上激光器射击试验。美空军特种作战司令部的研发路径是先采用较低功率激光器进行集成、试验,随后逐步提高激光功率。在美海军水面战中心达尔格伦处的协助下,美空军特种作战司令部先对美海军研究办公室研究用4千瓦转塔式固态激光器进行改进,以降低研制成本,初步测试集成的激光系统,并寻找由于平台自身及周围气流振动而引起的光学和机械抖动的缓解方案;随后逐步提升激光功率,实现60千瓦及以上功率水平。美空军特种作战司令部可能将通用原子公司研制的第四代高能激光器作为AC-130J“炮艇机”载高能激光器,该激光器是通用原子公司以“高能液体激光区域防御系统”项目为基础研制的紧凑型高能激光器。虽然60千瓦高能激光器无法整体摧毁大型装备,但可以熔化卫星天线、引爆燃料箱或损坏雷达设备,配合AC-130J挂载的其他炸弹或导弹完成近距空中支援和拦截任务。3、“低功率激光演示验证机”(LPLD)“低功率激光演示验证机”(LPLD)是美国防部导弹防御局“定向能演示验证机发展计划”(DEDD)内项目,用以开发对抗敌方助推段弹道导弹的高空长航时无人机载激光器(可携带最高2200~5600千克有效载荷,能在2万米以上高空以550千米/时的巡航速度飞行36小时的无人机,以及功率达140-280千瓦的激光器)。根据2019年3月发布的美国防部导弹防御局2020财年预算要求文件,该项目更名为“工业激光定标”(ILS),重点开发多种激光器如半导体泵浦碱金属蒸气激光器、光纤组合激光器、分布增益激光器。美国防部导弹防御局未透露选定的无人机平台,虽然该机构已使用MQ-9“死神”无人机、“幻影眼”无人机开展多次激光跟瞄试验,但这些无人机尚不能完全满足“低功率激光演示验证机”对高空长航时无人机的要求。根据2020财年预算要求文件,2017年至2019年,美国防部导弹防御局共授予洛马公司、通用原子公司、波音公司总价值1.92亿美元合同,其中,1.14亿美元用于“低功率激光演示验证机”初步设计,7800万美元用于“低功率激光演示验证机”系统关键设计;还投资1.35亿美元,用于劳伦斯利弗莫尔国家实验室半导体泵浦碱金属蒸气激光器、麻省理工学院林肯实验室光纤组合激光器的研发。“低功率激光演示验证机” 已于2018财年四季度完成初步设计评审;2019财年四季度完成关键设计评审;计划于2020财年二季度、四季度分别开展第一阶段、第二阶段技术设计评审;从2021财年起,该项目将从导弹防御局转移到国防部研究与工程副部长办公室,与国防部研究与工程副部长办公室的“高能激光发展线路图”紧密结合。4、AH-64“阿帕奇”攻击直升机载激光吊舱2017年4月,美陆军“阿帕奇”项目管理办公室与美特种作战司令部、雷神公司合作,在新墨西哥州白沙导弹靶场开展AH-64 “阿帕奇”攻击直升机载激光吊舱射击试验,该试验是全集成的激光系统第一次在直升机上进行的射击试验。试验中,激光系统在1.4千米的倾斜距离范围内跟踪并利用激光束瞄准了固定目标,并在多个飞行姿态、高度、速度下射击目标。试验成果为:为“多光谱瞄准系统”(MTS)及高能激光器用于直升机攻击任务的可行性提供了可靠证据;验证了激光系统可对多个目标进行跟瞄;获取了振动、灰尘、旋翼下洗等复杂环境对激光束影响的数据。“阿帕奇”攻击直升机载激光吊舱是将雷神公司的改进型“多光谱瞄准系统”与激光器结合。“多光谱瞄准系统”由光电/红外传感器、激光指示器、激光照射系统组成,具备提供目标信息、态势感知和光束控制的能力。激光器的光束功率并未公布,根据2017年5月发布的美陆军2018财年研究、开发、试验与鉴定预算要求文件,“高能激光技术演示验证”项目2017财年计划集成并演示验证的激光器功率不超过50千瓦;结合雷神公司现有激光产品功率推测,“阿帕奇”攻击直升机载激光吊舱激光功率可能尚不超过50千瓦。 5、“大型飞机电激光器”(ELLA)与“高能液体激光区域防御系统”(HELLADS)“大型飞机电激光器”是美国防高级研究计划局(DARPA)与美空军研究实验室(AFRL)合作开发的机载高能激光器,主要是将美国防高级研究计划局主导研制的“高能液体激光区域防御系统”,集成到B-1B战略轰炸机上;而“高能液体激光区域防御系统”项目始终未开展机载射击试验。

“高能液体激光区域防御系统”项目研制周期为2002年至2015年,研发的激光器目标功率为150千瓦,目标体积小于3立方米,目标质量功率比小于5千克/千瓦,总投资3.18亿美元。2011年7月,美国防高级研究计划局授予通用原子航空系统公司合同,开展原型样机研制与地面试验;2015年5月,通用原子航空系统公司完成“高能液体激光区域防御系统”项目的实验室开发阶段,并运送至白沙导弹靶场;2016年1月开始开展一系列地面射击试验。根据美国防高级研究计划局2015财年、2016财年预算要求文件,“高能液体激光区域防御系统”原型样机在山顶试验点完成模拟空对低精确射击试验后,将保留在白沙导弹试验靶场,作为美陆军“高能激光系统试验设施” (HELSTF)的一部分。通用原子公司对“高能液体激光区域防御系统”的设计采用了分布式增益液体激光器,该激光器是固态和液态激光器的组合,利用冷却液为激光器降温,但要确保冷却液的折射率与固态激光器材料的折射率一致,以避免固液交界处的折射与反射。目前,通用原子公司与波音公司合作,正在研发250千瓦分布式增益液体激光器。二、以色列以色列正在开展长航时无人机载激光器。该国在激光拦截器技术方面已取得突破,研发的固态激光器能克服大气干扰,从远处瞄准目标并发射稳定光束。以色列国防部国防研究与发展局(DDR&D)与拉斐尔先进防务系统公司(主要负责研发地面激光武器)、埃尔比特系统公司(主要负责研发机载激光武器)合作,开展了三个并行的高能激光武器系统演示项目:集装箱式地面激光武器系统,用于填补“铁穹“防御系统的不足,增强四层防空系统能力;车载激光武器系统,用于保护地面机动部队,防御直接和间接威胁;长航时无人机载激光武器系统,用于对抗发射前或处于助推阶段的导弹。

目前,埃尔比特系统公司对激光器的研制,已从低效的闪光灯泵浦激光器过渡到二极管泵浦固体激光器,电光转换效率已从1%提高到35%;现有先进机载激光指示器,具备体积小、重量轻、功率低的特点,且可与无人机集成;现有长航时无人机包括“赫尔墨斯”900无人机,该无人机最大有效载荷为350千克,航时达36小时,飞行高度达9000米;长航时无人机载激光武器系统的初始验证工作可能先在有人机上进行,随后过渡至无人机,预计2021年底开展演示验证活动。三、俄罗斯俄罗斯是较早启动机载激光器研发的国家之一。以A-60飞机(以伊尔-76大型运输机为基本平台)为载体的“猎鹰-梯队”(Sokol-Echelon)激光器项目,早期用于致盲或眩目敌方卫星传感器,采用二氧化碳激光器;2009年,该项目激光器利用已知卫星上的角反射器,用激光照射了一颗轨道高度为1500千米的日本卫星,以测试激光器的指向系统;2016年,相关研发人员透露,A-60机载激光器可对抗敌方战斗机;2017年,项目主承包方“金刚石-安泰”防空集团透露,被要求研发既能实施电子干扰,又能直接摧毁在轨卫星的激光器;2020年,别里耶夫设计局发布激光武器载机设计专利,位于驾驶舱后方的水滴形整流罩内安装机载激光器。目前,尚无确切信息表明俄罗斯“猎鹰-梯队”项目采用的激光器类型,具体的性能指标、部署时间也未透露,但根据已有信息来看,“猎鹰-梯队”可能是多任务机载激光器。

早期“猎鹰-梯队”项目所用的飞机上的标志,标志上的“猎鹰-梯队”的激光束射向哈勃太空望远镜(美国太空评论网站图片)

2020年2月,别里耶夫设计局申请激光武器载机设计专利。图片标注处为水滴形整流罩,其内部安装机载激光器(英国简氏信息集团图片,作者标注)四、英国英国可能以正在研发的舰载激光武器“龙火”(Dragonfire)为基础,开发 “暴风”战斗机载激光武器。2017年,“龙火”激光器项目启动。欧洲导弹集团(MBDA)作为总承包商负责开发指挥与控制系统,英国奎奈蒂克公司(QinetiQ)负责开发光纤激光器,意大利列奥纳多公司英国分公司负责开发光束指向器。奎奈蒂克公司研发的光纤激光器,使用相干光束合成技术,利用相位锁定形成多个低功率激光源的相干组合,可增加射程,提高大气湍流中的靶激光功率密度;已公开构建并试验的相干合成激光器功率达50千瓦,锁相光束射程超2千米;采用可扩展的体系架构,可根据需要增加激光通路,提供适用于海陆空系统的方案。列奥纳多公司研发的光束指向器名为“快速转向反射镜”(FSM),采用低吸收涂层技术及特殊镜面结构,以保证不被激光束破坏;执行先“粗略跟踪”、后“精确跟踪”的光束指向步骤;反射镜与采用先进算法的高分辨率高帧率相机配合,使激光在目标移动、存在大气干扰的前提下,仍能精确跟瞄目标;此外,该公司还利用机载“狮头战神”(Miysis)定向红外对抗系统的研发经验,支持光束指向器的开发。

非相干合成光束的靶激光功率密度不如相干合成光束(英国奎奈蒂克公司图片,作者汉化)五、日本日本装备防卫厅电子系统研究中心已开展了高能激光系统的研究工作,主要包括化学氧碘激光器,光束指向器,但机载激光器的研制尚不成熟。根据日本装备防卫厅航空系统研究中心公布的下一代战斗机概念图,该机可能配备定向能武器。由于化学氧碘激光器体积大,功率质量比达80千克/千瓦,因此不太可能作为下一代战斗机载激光器的选项;考虑到日本在技术研发方向方面往往紧跟美欧,因此推测其下一代战斗机激光武器研究的重点会是固体激光器。

日本下一代战斗机概念图,该机可能配备定向能武器(日本装备防卫厅图片,作者汉化)六、几点看法一是,在研机载高能激光武器,由于光束功率不够高等原因,短时间内无法完全代替炸弹、导弹,但其功率可调、无声无痕打击等特点,可以作为传统武器的补充。 二是,“光速拦截”是机载激光武器相较于传统动力拦截武器的优势之一,但现有的激光技术只能使激光束以光速到达目标,可能还无法以光速对目标实施拦截。在目标点被摧毁前,激光束需要在目标点上停留一段时间,具体时间取决于光束功率、距离、大气条件、目标的性质等变量,因此,机载激光器要真正实现“光速拦截”,需在发射功率、持续精确瞄准等方面取得进一步发展。三是,由于研制机载激光武器面临小体积封装、克服振动等技术难题,因此,经费投入高、耗时长,美俄等国机载激光武器研制道路都较为曲折。可采用敏捷开发方式,先行部署最可行的机载激光武器,然后随功率、射程和效能的不断提高,对已部署激光器进行更新迭代。最初部署的激光器可用于试验或培训、收集用户使用反馈,以利于今后的改善策略。激光武器的敏捷迭代开发方式已有先例,美海军的“高能激光与集成光学眩目监视”(HELIOS)系统,最初交付时即为具有眩目能力的相对低功率激光器,后续可灵活升级到60千瓦以上;美国AC-130J机载高能激光器也有同样的发展之势。

 
关键词: 激光器 激光 功率


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