平流層飛艇高能激光武器防御彈道導彈

車學科，聶萬勝，何炬恒

（裝備指揮技術學院，北京 101416）

彈道導彈技術在世界范圍的持續(xù)擴散，使彈道導彈成為最受關注的空中威脅之一，各國不斷加強彈道導彈防御技術研究，但是目前的反導系統(tǒng)僅能對付比較原始的洲際彈道導彈[1]，使用高能激光武器防御彈道導彈日益受到重視[2[。機載激光武器位于稠密大氣層內，大氣環(huán)境會對激光武器的作戰(zhàn)和使用效果產生直接影響，而平流層飛艇飛行于海拔20km以上的臨近空間，大氣稀薄，不存在云、雨等自然現象，非常適合激光傳播，有可能成為一種重要的空間攻防對抗平臺[3]，美國就希望其高空飛艇（HAA）裝備激光武器[4-5]，并將其用于彈道導彈防御。其優(yōu)勢在于能夠利用飛艇隱身和高度優(yōu)勢長時間部署于導彈發(fā)射點附近，可對彈道導彈發(fā)射進行實時監(jiān)控，同時擴大了彈道導彈攔截窗口，有利于建立防御彈道導彈的多層攔截體系。本文將研究平流層飛艇激光武器的可行性及其在自由段彈道導彈防御中的應用。

1 平流層飛艇高能激光武器

1.1 艇載激光武器

平流層飛艇搭載激光武器需要解決重量、體積和能源等三個關鍵問題。2009年，美國諾斯羅普·格魯曼公司聯合高功率固體激光器（JHPSSL）以 100kW的功率連續(xù)發(fā)射6h。該激光器由7個模塊組成（單模塊發(fā)射功率為15kW），總質量為1.2T（每個模塊質量181kg），單模塊體積為0.33×0.76×0.23m3，均在平流層飛艇的承受范圍之內（HAA載重1.8T）。

JHPSSL激光器光-電轉換效率約為20%，則系統(tǒng)總功率約為525kW。如果能量轉化效率進一步提高，那么系統(tǒng)總功率可進一步降低，比如日本 Ken-ichi Veda研究小組的固體激光器光-光轉換效率達到了53%[6]。美國HAA飛艇表面覆蓋有8200m2的太陽能電池薄膜，其太陽能電池轉化效率為8%[7]，這里以此為對象進行研究。當飛艇定點于東經 120°、北緯 25°高空時，其一年中上午7點、12點接收到的太陽功率隨飛艇軸線朝向角的變化曲線分別如圖1、圖2所示，計算結果與文獻[7]吻合較好，施紅等人也有類似計算結果[8]?？梢钥吹剑蟛糠謺r間內飛艇吸收的太陽能功率可滿足高能激光武器的能源需求。另外，美國國防部先進計劃研究局主持的“高能液體激光防空系統(tǒng)”(HELLADS)，設計目標為 150kW，激光器重量要求小于750kg（重量功率比小于5kg/kW），體積則在2m3以下。

綜上所述，隨著技術的進一步發(fā)展，高能激光武器將可直接應用于平流層飛艇。

圖1 一年上午7點吸收太陽能變化

圖2 一年上午12點吸收太陽能變化

1.2 平流層飛艇中繼反射激光

平流層飛艇應用高能激光武器的另一個可行性更高的方案是在飛艇上安裝中繼反射鏡，通過反射地基高能激光進行作戰(zhàn)，HAA即可能采取這種作戰(zhàn)方式[9]。它能夠利用相對成熟的地基高能激光技術，與單純地基高能激光武器系統(tǒng)相比具有兩個優(yōu)勢:

一是作戰(zhàn)半徑增大。高能激光攻擊空間目標時必須穿越大氣層，而大氣層中大量的氣體分子、雨霧、塵埃、大氣湍流等現象都會嚴重降低激光的透射率和光束質量，從而導致激光作戰(zhàn)半徑的降低。

圖3表示的是地面（0km）和臨近空間（20km）的激光透射率（波長1.06μm），可以看到從地面以不同仰角向空間射擊時激光透射率都要比臨近空間小得多，尤其是在地面平行射擊時，激光傳播21km后就衰減掉99%的能量，這里在計算大氣層衰減時僅考慮了分子散射，如果再考慮其它影響那么從地面攻擊空間目標的透射率將進一步降低，所以在臨近空間發(fā)射激光具有更大優(yōu)勢。

從圖3中還可以看到，從地面向上以90o射擊時也存在很大衰減。這是使用平流層飛艇反射地面激光所必須承受的損失。如果激光總是進行90o射擊，則使用反射鏡技術更復雜而且不存在優(yōu)勢，但是實際中攻擊空間目標時，激光武器不可能總是恰好位于目標星下點，也就不可能總是垂直射擊，否則就需要部署大量地基激光武器系統(tǒng)，經濟上難以承受，因此先將地面激光以90o傳播到臨近空間反射鏡上，經反射鏡反射后攻擊空間目標，總透射率會更高一些，作戰(zhàn)半徑相應增大。

圖3 地面與臨近空間激光在不同仰角下的透射率

二是作戰(zhàn)更靈活。激光直線傳播的特點使地基高能激光武器無法實現超視距作戰(zhàn)，尤其是攻擊低空目標時的有效作戰(zhàn)半徑非常小，平流層激光中繼飛艇通過連續(xù)多次反射地基激光，激光束以折線方式在臨近空間接力傳播，直至最終擊中目標為止（圖4為平流層激光中繼飛艇攔截彈道導彈彈頭示意圖）。這種作戰(zhàn)方式可增大地基高能激光武器的控制范圍，提高效費比，能夠解決攻擊遠洋區(qū)域上空天基平臺所需的基地問題以及艦載激光武器海面水汽強吸收問題。

激光在傳播過程中不斷擴散，平流層激光中繼飛艇每次反射時都可以對接受到的激光重新聚集，從而使最終到達目標表面的激光束具有足夠高的能量密度，當然聚焦程度需要根據激光器和目標的相對位置以及反射次數確定。同時，每次反射后的傳播距離不是太長，一定程度上降低了對光束控制系統(tǒng)的要求?？梢钥吹?，與一次直接射擊的情況相比，平流層飛艇中繼反射激光具有明顯優(yōu)勢。

圖4 平流層激光中繼飛艇反彈道導彈示意圖

2 作戰(zhàn)效能分析

攔截彈道導彈有3個階段:地面段、助推段和被動段（自由段、再入段）。本文討論自由段攔截，并且以艇載激光武器和最后一部中繼反射飛艇為研究對象，其中當激光發(fā)射功率低于100kW時為艇載激光武器，高于100kW時為中繼反射飛艇。彈道導彈爬升到稠密大氣層以上后會拋掉整流罩，因此自由段彈道導彈的彈頭完全裸露于外。彈頭一般由防熱層、殼體、裝填物、保險和解保裝置以及引爆系統(tǒng)等組成[9]。為了引爆彈頭，高能激光首先需要燒蝕掉外部防熱層和殼體，然后在裝藥上照射足夠時間以引爆目標。

2.1 激光功率傳輸模型

激光照射到目標上有兩個主要參數:一個是功率密度q，一個是光斑直徑d。目標材料不同，對激光功率的吸收效果不同，比如當用CO2激光（波長10.6μm）照射K9玻璃，其破壞閾值為2～3MW/m2，而用COIL激光照射，其破壞閾值則僅約為 0.1MW/m2。本文在計算中以激光傳輸的功率密度q為分析對象，不考慮目標對激光的吸收效果以及傳熱效應:

其中，q為目標上的功率密度，λ=1.06μm為激光波長，β=1.2為激光束衍射極限，D=1.5m為發(fā)射望遠鏡主鏡直徑，R為到目標的距離，P為輸出激光光束功率，τλ為大氣透射率[10]:

2.2 飛艇部署位置

當使用平流層激光飛艇攔截彈道導彈時，為保證自身安全，飛艇必須距離攔截對象一定距離，但又不能太遠，否則將導致激光傳輸功率太低而無法發(fā)揮作用，最好部署在彈道導彈星下點上以盡可能縮短傳輸距離。

圖5 160s發(fā)射時不同初始距離下激光傳輸的能量密度

圖6 300s發(fā)射時不同初始距離下激光傳輸的能量密度

彈道導彈助推段大約為 160～300s，攻擊自由段彈道導彈至少需要從160s以后開始計算。從160s和300s開始發(fā)射激光時，不同初始距離下激光傳輸的熱量密度如圖5和圖6所示（激光發(fā)射功率為50kW）?？梢钥吹?，160s開始發(fā)射時的最佳初始距離約為800km，300s開始發(fā)射時的最佳初始距離約為1000km，不過最高熱量密度已遠低于導彈標準破壞閾值，需要提高激光發(fā)射功率。由此可以認為，一般情況下，攔截自由段彈道導彈時，平流層飛艇高能激光武器距離導彈發(fā)射點的初始距離為800～1000km。

2.3 防熱層燒蝕

燒蝕式防熱技術是廣泛應用于中遠程彈頭防熱的有效方法。高馬赫數再入時，彈頭激波后的溫度迅速升高到 10000K以上，彈頭表面的熱流率為q = α（Te- Tw） ，其中 α≈2.1J/(m2·s·K)，當彈頭表面溫度TW=4000K時，熱流率約為12.6kW/m2，根據彈道導彈再入時間（見表1）可以推測彈頭表面防熱層抵抗該熱流率的時間為14s左右。

表1 不同射程彈道導彈的再入速度和時間

圖7給出了初始距離分別為800km和1000km時，導彈不同飛行時刻激光武器傳輸的功率密度?？梢钥吹?，當初始距離為 1000km、發(fā)射功率為 50kW 時，160～180s之間的功率密度為64.9～65.5kW/m2，假設由于材料的吸收特性使得實際傳輸到防熱層的熱流密度僅為80%即51.9～52.4kW/m2，這已經遠大于導彈的設計標準，當發(fā)射功率進一步提高、初始距離合理減小后，激光傳輸的功率密度會更高，考慮到一般彈道導彈的再入時間僅為十多秒（見表1），因此有理由相信短時間內激光完全可以將彈頭表面防熱層燒透，該時間與彈頭的具體構造有關，當表面防熱層受到損壞后彈頭再入時將會由于受到強烈氣動加熱而被燒毀。

圖7 防熱層接受的激光功率密度

2.4 隔熱層和蒙皮燒蝕

僅燒毀彈頭表面防熱層，彈頭仍有可能在攻擊目標點附近爆炸并造成傷害，因此有必要通過傳熱方式將自由段彈頭引爆。

彈頭密封艙內壁通常分布有不同類型的隔熱層，聚氨酯泡沫是最常用的隔熱材料，噴涂厚度一般為30～50mm，這里選擇為50mm。殼體蒙皮通常為加厚鋁合金材料，也可以采用鈦合金或者玻璃鋼，這里選擇鋁合金，厚度設定為4.0mm。

如果激光傳輸的熱量僅能燒壞隔熱層而無法燒蝕掉蒙皮，則傳輸到彈頭裝藥的熱量有可能無法引爆彈頭，因此為了能夠將足夠密度的熱量傳輸到彈頭裝藥上，需要將隔熱層與蒙皮均燒毀。由于蒙皮必須保持一定的結構強度，當其溫度升高到一定程度而軟化后，就會由于彈頭的高速運動以及加速度作用而遭到破壞。為研究方便，這里假設溫度升高到 315℃即可，同時假設160～180s之間激光用于燒蝕防熱層。

圖8 彈道導彈蒙皮燒蝕過程

圖9 隔熱層燒蝕過程

當初始距離為1000km時（射擊距離為647km），不同激光器發(fā)射功率下鋁合金蒙皮和隔熱層的燒蝕過程如圖8和圖9所示，燒穿鋁合金蒙皮需要大約6.4～68s，燒蝕隔熱層需要大約10.5～211.1s，在上述作戰(zhàn)條件下共需要大約16.9～279.1s的時間才能將彈頭外的防護結構燒蝕掉?？梢钥吹?，激光發(fā)射功率對作戰(zhàn)效果產生了明顯影響，對于艇載激光武器來說，其發(fā)射功率較?。赡艿陀?00kW），引爆自由段彈道導彈彈頭需要約200s，期間激光武器強烈的散熱（發(fā)射功率的4倍，約400kW）輻射出大量紅外信號，可導致飛艇暴露從而遭到攻擊，生存能力降低，考慮到其燒蝕彈道導彈彈頭防熱層所需時間約10s量級，因此艇載激光武器可通過燒蝕彈道導彈彈頭防熱層，使其在再入段氣動熱作用下自行燒毀，這樣的話其部署位置就不限于發(fā)射點附近，目標保護區(qū)域附近也可部署，從而還具有防空能力；對于平流層中繼激光飛艇來說，它可以利用大功率地基激光武器，即使多次反射以及在臨近空間的長距離傳播會造成一定影響，但是其最后一次反射時的功率完全可以達到兆瓦以上，能夠在短時間內（500kW時為10s量級）摧毀目標，有可能成為平流層飛艇激光武器的發(fā)展方向。2008年美國空軍科學技術顧問委員會同意繼續(xù)進行“空中激光炮艇”研究計劃，“空中中繼激光反射鏡系統(tǒng)”（ABMS）已完成空中懸停實驗[10]。

3 結論

高能激光武器有兩種可能的方法應用于平流層飛艇防御彈道導彈，其中艇載激光武器發(fā)射功率相對較小，以燒蝕彈頭防熱層使其在再入段氣動熱作用下自行燒毀為潛在應用模式，其優(yōu)勢在于機動性強，能夠在遠洋地區(qū)跟隨海軍艦隊，為其提供防空效果；中繼反射激光方式需要配合地基高能激光武器使用，發(fā)射功率高，可有效殺傷自由段彈道導彈，擴大彈道導彈攔截窗口，其缺點在于需要較多數量的平流層飛艇，作戰(zhàn)過程復雜，中間環(huán)節(jié)飛艇受損后可導致整個系統(tǒng)作戰(zhàn)能力迅速下降，此時就需要艇載激光武器為其提供防空能力。

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