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美国高能激光武器计划

发布时间:2019-11-28 19:24 来源:未知 编辑:admin

  洛马和格鲁曼正在联合进行高能激光武器的模型研究,目前高能激光器至今仍未实用化。

  美国是实际上激光武器最先进的国家,或许在冷战时期,苏联可以分享一下之一的称号,但在冷战结束将近20年后,凭借长时间大量投入的积累,美国激光武器无愧于世界第一的称号。激光武器按激光生成方法可以分为化学激光器,固体激光器,液体激光器和自由电子激光器等四种类型,它们各有特色,目前只有化学激光器达到了实战部署阶段,其他激光器还有待成熟。

  用激光做武器的设想,自其诞生起就五花八门。激光方向性强,亮度大,相干性好,具备了作为武器的良好基础。相比于传统的火药武器,激光这种定向能武器具有打击速度快,命中精度高,无后坐力无污染的优势。在热兵器进入制导武器时代后,激光武器更有使用费用低廉的优势,如反导作战中,原定的空基激光武器ABL每次射击仅需要1000美元左右的工质费用,这比高速拦截导弹动辄数百上千万美元的单价可谓天壤之别。

  在战场和商场上,最常见到的是小功率的激光致盲武器,直接摧毁目标的高能激光器则迟迟未能投入实用。这是因为高能激光摧毁目标,主要是通过照射目标后,短时间内目标表面材料强度下降甚至熔化气化形成穿孔,破坏目标结构来实现的。强激光束还可能引爆导弹的战斗部或是引燃飞机导弹等目标的燃料箱。无论哪种杀伤机理,都需要激光器有很高的功率和优秀的光束质量,保证激光照射到目标上时能有足够的功率密度实现杀伤效果。

  美国空军使用修改过的NKC-135作为载机,在空基激光实验室(ALL)计划中成功验证了高能激光器及跟踪系统和远射程。

  美国是高能激光武器领域的领跑者。1960年世界上诞生了第一台激光器,随后一系列研究指出可以通过对气体的快速加热或冷却产生激光。1966年开始了第一个高能气体动力激光器的研制工作,工质使用二氧化碳,氮气和水。1970年,连续输出功率达到了60千瓦之多,1973年,脉冲输出功率达到了400千瓦,尽管离实战需求还很远,但是输出功率的提高意味着高能激光器从工程上说是可行的。气体动力激光器后来被称为化学激光器,1973年美国空军使用二氧化碳化学激光器击落了靶机。

  1976年美国空军还进一步开展了他们的空基激光实验室(ALL)的计划,ALL使用修改过的NKC-135作为载机,编号55-2123,美国空军希望ALL能验证跟踪和摧毁空中目标的能力。ALL仍然使用二氧化碳激光器,波长10.6微米。据报道,1979年ALL项目的激光器输出功率已经达到了456千瓦并维持8秒,经过处理后从武器系统输出时也达到380千瓦,可在1公里外的目标上实现100瓦每平方厘米的能量密度。ALL项目进行了11年之久,在各次试验中,击落后5枚AIM-9B响尾蛇空空导弹和1架BQM-34A火峰靶机。ALL试验中,解决了激光武器实用化过程中的主要问题,如高能激光器,高精度跟踪系统和远射程。不过穿透大气湍流和大气的热不均匀问题没能得到解决,实际上到现在,这仍然是棘手的问题,后来星球大战计划遗留下来的空基激光武器(ABL)反导时飞行高度在平流层,很大程度上避开了这个问题。

  ABL计划使用波音747-400F飞机作为载机,装载功率更高的氧碘化学激光器,设计目的是能拦截同时发射的5-10枚弹道导弹。

  在发展ALL项目的同时,1977年美国空军发明了新的氧碘(COIL)化学激光器,它的能量转化效率达到20%作用,后来继续发展用于现在空基激光器(已经改名为ALTB)。氧碘激光器具有更大的功率,在体积,功率,重量和可靠性安全性上形成了一个平衡。在星球大战不切实际的高指标激光器难产,星球大战随后也终结的形势下,美国空军的ABL项目由于技术较为成熟而保留下来。

  1992年美国空军正式开始实施ABL计划,2001年美国弹道导弹防御局从美国空军接手项目管理权。ABL计划使用波音747-400F飞机作为载机,波音公司作为主承包商,激光器由TRW公司负责制造,激光波长为1.315微米,实战型飞机将达到2兆瓦的输出功率,实现前出部署,数百公里距离上助推段拦截弹道导弹的目标。美国计划一个战区部署7架ABL飞机,实战时5架飞机形成两条反导轨道,ABL系统设计能拦截一个或多个发射场同时发射的5~10枚弹道导弹。

  即使是技术较为成熟的ABL也因技术问题屡屡延期,2002年,ABL才进行了致命杀伤发射试验,2006年美国取消了原定的部署计划,增加试验期待进一步成熟后再行部署。ABL原型机YAL-1A的反导试验几经推迟,直到2010年2月才进行首次实弹打靶试验,但早在2009年美国国防部就取消了ABL的进一步发展,转向技术验证了。根据美国国防部长盖茨的说法,ABL系统还远未成熟,为了实现助推段和上升段拦截,需要的激光功率要比现有的ABL功率强20~30倍,同时部署ABL需要很高的费用。很明显,ABL还远不能满足实战要求。

  ABL的发展虽然以失败告终,但是化学激光器仍然是激光武器中最成熟的类型。同样是氧碘激光器的先进战术激光器(ATL)仍在继续发展。该项目由波音公司负责,预定由NC-130H平台搭载进行高能激光试验,2006年交付了ATL载机。2009年9月ATL进行了首次空对地高能激光打击,摧毁了一辆无人车辆,此前同年6月,ATL首次在空中发射激光。根据气候条件和各地环境的不同,ATL的有效射程区别很大,最好时能超过30公里,而最差时有效射程不足8公里。

  氧碘激光器也在美国陆军得到应用,上世纪90年代美国和以色列合作的战术高能激光器(THEL)和21世纪初的衍生型号机动战术高能激光器(MTHEL)都是验证。MTHEL是一种小型的车载激光器,用于击落飞机,近程导弹,火箭弹等各种炮弹。2000年和2001年的靶试中,MTHEL击落后20多枚火箭弹,不过2005年MTHEL的发展被终止。

  化学激光器虽然是最成熟的激光器,但是体积重量都很大,每次都需要额外补充化学工质,使用维护上都很麻烦。相比之下,固体激光器要好得多,目前美国空军和美国陆军战术激光器上的工作重点已经开始转移到固体激光器上,其中的核心项目联合高能固体激光器(JHPSSL)由高能激光联合技术办公室(HEL/JTO)与美国陆军,海军和空军联合研制。

  固体激光器前些年的发展速度也很快,2009年1月是实现了105千瓦的输出,达到了第三阶段100千瓦功率的目标。100千瓦功率一向被视为武器级高能激光的门槛,JHPSSL达到这一目标,预示着固体激光器距离实际的激光武器又近了一步。JHPSSL项目中达到105千瓦功率的诺斯罗普·格鲁曼公司的激光器由7个15千瓦的激光模块组成。

  激光模块基于诺斯罗普·格鲁曼公司2008年展示的FireStrike激光可替换单元(LRU),根据诺斯罗普·格鲁曼公司的资料说明,FireStrike激光模块性能相当不错,输出功率15千瓦光束质量达1.5倍衍射极限;启动也很快,从停机到全功率输出只需要0.5秒;可靠性也很好,其激光输出时间只受到输入能量和冷却系统的限制。在体积和重量上,宽深高原来分别为23/40/12英寸,2009的数据已经缩小到13/30/9英寸,FireStrike单个模块重量400磅/181千克。这样的体积重量和性能,已经具备实战能力。

  JHPSSL项目的成功和固体激光器的迅猛发展,为战术激光武器的发展提供了新的方向。比之传统化学激光器,固体激光器将走向小型化模块化和通用化,提高激光武器的的机动性和可靠性。固体激光器功率超过100千瓦,已经对化学激光器的ATL项目构成了竞争压力,诺斯罗普·格鲁曼公司认为FireStrike激光器未来可集成在从陆军高能激光器技术演示(HEL TD)到海军战舰自身防御以及海空军的先进攻击无人机与JSF战斗机上。

  作为主要项目的JHPSSL外,美国还开展了掺镱光纤固体激光器的工作。美国空军研究实验室主持,具体研制IPG 光子公司负责。掺镱光纤激光器具有效率高光束质量好的优势,此外散热特性也更好。2005年IPG 光子公司已经研制出17千瓦功率的掺镱光纤激光器,现在功率则已达到了50千瓦,但距离武器级高能激光器的需求仍然较远。波音公司用IPG 光子公司的掺镱光纤激光器取代复仇者防空系统上的毒刺导弹,整合为激光复仇者系统,可用于摧毁简易爆炸装置(IED)和未爆炸药(UXO),但激光复仇者系统的激光器功率只有1千瓦。

  液体激光器方面有国防部先进计划研究局(DARPA)主持的“高能液体激光防空系统”(HELLADS),目前由通用原子公司开发。这是一种紧凑型高能激光器,可由战术飞机或是地面车辆搭载。2006财年HELLADS系统得到了先进战术技术项目中的约2000万美元拨款。HELLADS设计目标150千瓦,重量要求小于750千克,体积在2立方米以下。这个指标比现有的化学激光器小得多,是高能激光武器小型化的另一个方向。2007年HELLADS项目第三阶段研制了15千瓦的输出功率,预计第四阶段到2010年将演示150千瓦输出功率。

  自由电子激光器(FEL)利用自由电子的受激辐射,把电子束的能量转换为激光。上世纪80年代星球大战计划计划使用大功率陆基自由电子激光器进行防御,TRW公司和波音公司为此展开竞争。最后由于成本技术和战略转向等原因取消,但仍为美国自由电子激光器的发展打下了基础。自由电子激光器具有可调谐性(从毫米波导紫外线)、高效率、高功率等特点,尤其是可调谐性很适合海军在不同环境下的作战需求,不过它需要大量电力对战舰的供电系统提出很高的要求。

  美国海军研究实验室(ONR)从1996年开始自由电子激光器的研制,2004年激光器功率已经到了10千瓦,2007年达到25千瓦。2009年根据报道,美国海军研究实验室分别和波音与雷锡恩公司签订合同,提供100千瓦级自由电子激光器的初步设计。未来100千瓦级自由电子激光器的完成将为迈向兆瓦级自由电子激光器铺平道路,自由电子激光器可能装备于新一代的战舰上,为美国海军提供全方位的防御能力。

  美国进行大功率激光束发射试验,大气扰动仍是现在激光武器发展面临的一大技术难题。

  尽管目前固体激光器,液体激光器和自由电子激光器都纷纷越过或是接近100千瓦这个高能激光武器的门槛,但从化学激光器的发展史看,它们转化为实际的高能激光武器还需要很长的时间。

  实际的高能激光武器除了激光功率和光束质量的障碍,还有系统集成的困难,仅仅是能量来源就困扰着开发者,如自由电子激光器就不得不和海军的全电战舰配套,但根据2011财年的30年造舰计划,2016年后的新一代战舰将使用伯克驱逐舰的舰体,这意味着全电系统的服役将推迟。

  高能激光武器使用自适应光学系统进行大气扰动补偿的效果也未能令人满意,即使是近距离都让美国人感到头疼,这也是ABL取消转为ALTB继续进行高能激光武器验证的重要原因。

  此外激光器的功率-体积比和功率-重量比仍然不足,这方面化学激光器最差,新的固体和液体激光器有很大提高,但仍存在体积重量过大的问题,更不要说自由电子激光器体积庞大。从美国陆军的规划看,即使JHPSSL在2009年就达到了100千瓦功率,但HEL TD仍然要等到2016年才达到决定点,成为现役则更为遥远,至于空军在JSF上装备激光武器,从JSF的进度看也是遥遥无期的事情。

  可以预见,类似上世纪80年代高能化学激光器的发展,我们在未来将不时看到各种高能激光武器的技术进步。但是未来10年内很难看到主战高能激光武器大规模服役的盛况,倒是激光复仇者这种适合摧毁IED的小型高能激光器可能在反恐战争中更早装备。

  当然,可以肯定,美国军方在激光武器方面的巨大投资将使得他们未来再次占有先机。

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