天基激光武器系統(tǒng)的發(fā)展

高明輝，鄭玉權(quán)，王志宏

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033)

1 引言

天基激光武器是以太空為基礎(chǔ)的尖端激光武器，通過激光武器對太空內(nèi)的有效載荷形成威脅和殺傷，被稱為“殺手”衛(wèi)星，也稱為激光作戰(zhàn)衛(wèi)星或天基激光武器系統(tǒng)。天基激光武器所在的衛(wèi)星軌道高，覆蓋地面范圍大，可以把地球作為攻擊目標。因為地球靜止軌道激光衛(wèi)星大約可以覆蓋42%的地球表面，如果采用近地軌道激光衛(wèi)星來實現(xiàn)全球覆蓋，就要相應增加衛(wèi)星的數(shù)量，但是由于近地軌道衛(wèi)星離目標比較近，激光武器的殺傷能力很大。早在20多年前，美國就已經(jīng)意識到天基激光武器對于發(fā)展強大軍事空間力量的重要性，1987年美國物理學會定向能研究小組已在《定向能武器的科學與技術(shù)》專題研究報告中研討了天基激光武器的可行性［1-3］。近20年來，美國一直在努力研發(fā)天基激光武器，內(nèi)容涵蓋了總體概念、關(guān)鍵技術(shù)以及子系統(tǒng)的工程化集成等。俄羅斯對天基激光武器也一直很重視，其單元關(guān)鍵技術(shù)研究也具有較高水平。美國先期的研究項目是采用“集成飛行實驗”(Integrated Flight Experiment，IFX)的方法，該方法分為三個階段，第一階段為“阿爾法”(Alpha)計劃，目的是驗證百萬瓦級柱型氟化氫化學激光器軌道飛行的技術(shù)可行性;第二階段是“大型光學演示實驗”(LODE)計劃，目的是驗證利用與自適應光學系統(tǒng)相耦合的輸出波檢測技術(shù)控制與瞄準激光束的精確性。LODE計劃還包含一項“大型先進反射鏡計劃”(LAMP)，用來驗證制造適于在空間使用的4 m直徑多塊拼接輕質(zhì)主反射鏡的可行性;第三階段是“金爪”(Talon Gold)計劃，目的是驗證捕獲、跟蹤與瞄準技術(shù)［4］。其中高風險的關(guān)鍵技術(shù)包括:大口徑發(fā)射望遠鏡、遠距離靶目標的捕獲跟蹤瞄準、激光器的光腔自動準直調(diào)節(jié)及光束波前控制、系統(tǒng)集成與自動控制等。針對關(guān)鍵技術(shù)提出的解決方案主要有:研發(fā)大推力發(fā)射系統(tǒng);分批多次發(fā)射;在軌組裝;研發(fā)可折疊展開的超輕型薄膜發(fā)射望遠鏡;研發(fā)短波長高能激光器;減少單次燃料攜帶量;增加后續(xù)補給與在軌維護。

國內(nèi)這方面的研究剛剛開始，也是從激光器的選擇和技術(shù)指標出發(fā)。對于化學激光器來說，因為它容易做到兆瓦級，且自帶能源，能量轉(zhuǎn)換效率較高，耗電較少，波長較短，光束質(zhì)量好［5］。由美國科研局設(shè)計的未來太空激光武器的技術(shù)參數(shù)為:波長為2.7 μm;激光介質(zhì)能連續(xù)發(fā)光200～500 s;功率為5～10 MW;傾斜角為40°;作用軌道高度為 800～1 000 km;航程為 4 000～12 000 km;一顆衛(wèi)星的覆蓋面積為地球表面積的1/10;發(fā)光直徑為0.3～1 m;最大射程為3 km;一次射擊時間為10 s;平均瞄準時間為1 s;質(zhì)量為35 000 kg;由20顆衛(wèi)星和10個軌道鏡組成整個激光作戰(zhàn)衛(wèi)星系統(tǒng)［6］。衛(wèi)星研制成本可根據(jù)美國軍用的歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行估算:已知單價為5～15萬美元/kg。天基激光武器星座由24顆衛(wèi)星組成，總質(zhì)量約為840 t(24×35 000 kg)，若按平均單價10萬美元/kg計，研制成本大約為840億美元。研制實戰(zhàn)型衛(wèi)星，需在完成演示器太空試驗的基礎(chǔ)上，增加10%的技術(shù)延伸費;發(fā)射成本按改進型一次性運載約5 650美元/kg計［7］?？偟目磥?，全部研制與發(fā)射成本總計約970億美元。目前我國的氟化氘(DF，波長～3.8 μm)與氧碘(COIL，波長1.3 μm)兩種化學激光器已發(fā)展到連續(xù)波功率P≈0.3 MW規(guī)模，光束質(zhì)量β＜5倍衍射極限。5～10萬瓦級的地基車載化學激光器已于2005年在我國新疆地區(qū)對斜距～600 km的低軌衛(wèi)星成功地進行了致盲實驗，其中發(fā)射望遠鏡口徑D～0.6 m，目前ATP跟蹤精度與瞄準精度＜5 μrad。美國為完成太空的霸主地位，完成了“天眼”系統(tǒng)，包括天基紅外系統(tǒng)(SBIRS)、空間跟蹤與監(jiān)視系統(tǒng)(STSS)、天基天空監(jiān)視系統(tǒng)(SBSS)、軌道深空成像儀(ODSI)，并于2010年9月發(fā)射SBSS。

2 天基激光系統(tǒng)組成

圖1 天基激光武器Fig.1 Space-based laser weapon

圖2 天基激光武器系統(tǒng)組成Fig.2 System composition of space-based laser weapon

3 激光攻擊目標的程度分析

激光武器摧毀空間目標具有速度快、攻擊空域廣的特點，利用激光的光效應和高能熱效應，直接照射衛(wèi)星可以破壞其光電探測器，從而破壞敵方的衛(wèi)星裝置［10］。激光作為攻擊武器，主要看它能夠在多遠距離范圍內(nèi)聚焦到一定的功率密度及能量密度。而所需的能量密度則取決于被打擊軍事衛(wèi)星的失效機制及相應的激光損傷閾值。原理如圖 3 所示［4］。

圖3 天基激光系統(tǒng)工作原理圖Fig.3 Operation princple configuration of space-based laser system

衛(wèi)星光學系統(tǒng)失效的能量密度閾值:Eoptic(～10－2～10－1J/cm2);衛(wèi)星熱控系統(tǒng)失效的能量密度閾值:Ethermal(J～10 J/cm2);衛(wèi)星供電系統(tǒng)失效的能量密度閾值:Eelect(～102J/cm2);衛(wèi)星材料結(jié)構(gòu)失效的能量密度閾值:Estruct(～103J/cm2)。

激光束的聚焦能力受限于:

式中，F(xiàn)p為焦斑峰值光強，F(xiàn)a為焦斑平均光強，P為激光輸出總功率，D為發(fā)射望遠鏡口徑，λ為激光波長，β為持續(xù)出光時間內(nèi)在靶面累積平均光束質(zhì)量(衍射極限倍數(shù))，ε為激光器輸出光環(huán)內(nèi)外徑之比。

4 關(guān)鍵技術(shù)的分析研究

對于任何載荷和平臺，首先應該攻關(guān)解決關(guān)鍵技術(shù)。目前的主要問題有:對于具有大口徑主鏡的發(fā)光裝置，即大型的激光裝置如何送入預定軌道，解決的主要辦法是研制能夠放到運載火箭的貨艙內(nèi)可折疊式主鏡，在太空激光武器進入預定軌道后可折疊式主鏡能夠自動打開。在太空向軌道上的太空激光武器補充化學介質(zhì)仍然是個關(guān)鍵問題，由于將來激光武器都是大功率的，主要使用的都是化學激光武器，所以沒有介質(zhì)就不能發(fā)生化學反應，也就不能產(chǎn)生激光［11-12］。由此就要考慮未來設(shè)計、制造的天基激光武器要節(jié)能，主要參數(shù)包括20 m的光學系統(tǒng)，1 μm激光波長和衍射極限光束，由此預計未來天基激光武器的某些創(chuàng)新技術(shù)將需要進行優(yōu)化設(shè)計，主要包括以下幾方面:

(1)高功率短波長激光器的研制;

(2)利用更先進的薄膜加工工藝制造大型輕質(zhì)光學系統(tǒng)的設(shè)計和研制;

約73%的學生對英語文化知識有所了解且認為有助于英語學習；約21%的受訪學生對英語文化知識不了解但覺得會有助于英語學習。隨機抽樣訪談中，部分愛看美劇英語的受訪學生表示通過看劇了解的文化背景知識讓他們在使用英語溝通交流時更有信心更有勇氣。

(3)采用新技術(shù)、新工藝實現(xiàn)高平均功率相位共軛技術(shù);

(4)采用各類先進的光閥技術(shù)或集成微機電裝置的新穎自適應光學系統(tǒng)的研制;

(5)采用新技術(shù)、新工藝實現(xiàn)光束成形與控制用的高精度相控陣二極管激光器的研制。

雖然有些技術(shù)目前還沒達到，但隨著技術(shù)的接續(xù)發(fā)展是可以突破的。所以做研究工作，既有目前應用的可行性，而且要有技術(shù)發(fā)展的前瞻性。目前天基激光武器的輸出功率規(guī)模主要受限于兩點:一是在一定外形尺寸限制下化學燃料的能流通量;二是在一定口徑限制和保持一定光束質(zhì)量的要求下高反射率腔鏡所能承受的激光功率［13-14］。未來節(jié)能型的激光武器使用的短波長激光器大致包括化學氧碘激光器(1.315 μm)、二極管泵浦固體激光器(1.06 μm)、氟化氫泛頻激光器(1.35 μm)和相控陣二極管激光器(0.8 μm)，其中最成熟適用的是 COIL激光器［15-17］。以目前的技術(shù)為基礎(chǔ)進行10年后的預測，總質(zhì)量～5 t的天基高性能化學激光器以1 MW的功率累積輸出100 s是有可能的(其中燃料質(zhì)量～2.5 t。天基激光武器的發(fā)射望遠鏡采用可折疊展開式輕質(zhì)鏡，預測10年后有可能使口徑達～10 m。目前我國已具備一定的自適應光學調(diào)整技術(shù)，但大口徑輕質(zhì)鏡的材料與工藝、折疊展開機構(gòu)、以及在天基軌道上展開后的面型檢測與調(diào)整判據(jù)等關(guān)鍵技術(shù)需要重點研發(fā)。

天基激光武器的ATP系統(tǒng)跟瞄精度預計在10年后≤0.5 μrad，對衛(wèi)星目標的探測距離≥5 000 km。

4.1 化學激光器的工作原理和種類

高能化學激光器的工作原理如圖4所示。

圖4 高能化學激光器的工作原理圖Fig.4 Operation princple configuration of high energy chemistry laser

短波長高能化學激光可分為兩類:一類為全氣相化學激光(AGCL)，另一類為氣液二相化學激光(LGCL)。目前主要應用在高能激光武器中比較成熟的化學激光器有:氟化氫泛頻激光器(HFOT)、化學氧碘激光器(SB-COIL)、全氣相碘激光(AGIL)以及固體激光(SSL)等。其中，固體激光(SSL)具有波長短(1.06 μm)、全固化、無化學燃料補給等優(yōu)點，但是在高功率時其電源系統(tǒng)和熱交換系統(tǒng)重量很大，天基儲能式高功率電源技術(shù)還不成熟，天基固體激光很難放大到十萬瓦級或兆瓦級。當前更被看好的兩種激光是HF泛頻激光(HFOT)和天基氧碘激光(SB-COIL)。HF泛頻激光(HFOT)因增益較低，且為多譜線輸出，采用穩(wěn)定腔高功率輸出時激光束發(fā)散角較大，采用常規(guī)非穩(wěn)腔時輸出功率較低，高亮度輸出需要特殊的非穩(wěn)腔設(shè)計;氧碘激光(COIL)在高功率輸出時仍可具有較好的光束質(zhì)量，目前技術(shù)較成熟，但包含氣液二相反應，須針對天基失重環(huán)境重新設(shè)計。英國《簡氏防務周刊》2008年曾報道:美國導彈防御局宣布，它與波音公司和諾思羅普-格魯曼公司合作，在加利福利亞州愛德華茲空軍基地完成了在改裝后的波音747-400F(YAL-1A)技術(shù)驗證機上，“氧碘化學激光器(COIL)”的首次機載反導激光武器測試［18-21］。全氣相碘激光(AGIL)兼有HF激光全氣相運行與COIL激光光束質(zhì)量較好的優(yōu)勢，但目前高功率放大技術(shù)還不成熟，有待進一步研發(fā)。

4.2 捕獲跟瞄(ATP)子系統(tǒng)工作原理

首先，通過衛(wèi)星軌道預報及雷達系統(tǒng)探測等手段，對靶目標的方位進行初步定位。然后，用廣角(7°)CCD相機搜索目標，將大口徑望遠鏡轉(zhuǎn)向并粗跟蹤目標，以窄視場(6')成像電視(CCD)閉環(huán)鎖定目標，以壓電陶瓷驅(qū)動快速傾斜鏡實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)，以重復脈沖照明激光束照亮精跟蹤視場內(nèi)靶目標，選取瞄準點并發(fā)射強激光束［5］。遠距離靶目標的捕獲跟蹤瞄準(ATP)是天基激光武器系統(tǒng)將激光束準確地定位于上千公里遠處米級尺寸目標的技術(shù)保證。ATP子系統(tǒng)需要解決的問題包括:

(1)對上千公里遠處目標的捕獲與識別(取決于目標自身亮度或其散射太陽光的亮度、與背景之間的對比度，避開日、月、地三大天體時，天基背景很黑暗)以及探測CCD的靈敏度等。

(2)天基平臺與目標相對運動過程中跟蹤瞄準光束抖動的抑制—慣性參照基準單元技術(shù)。

(3)激光武器系統(tǒng)光束波前像差的校正—光束凈化與自適應調(diào)整技術(shù)。

(4)大口徑發(fā)射望遠鏡通過聚焦成像原理將強激光束盡可能集中地會聚于靶面。

4.3 可展開薄膜發(fā)射望遠鏡

圖5 大口徑可折疊薄膜發(fā)射望遠鏡展開過程示意圖Fig.5 Expansion process configuration of large calibre deployable membrane launching telescope

對于天基激光武器系統(tǒng)來說，可展開薄膜發(fā)射望遠鏡的研制至關(guān)重要。因為激光的能量和作用距離通過該反射鏡來實現(xiàn)。大口徑可折疊薄膜發(fā)射望遠鏡展開過程如圖5所示。

編織石墨/環(huán)氧樹脂或者kevlar芳綸纖維薄膜主要的關(guān)鍵技術(shù)包括:大口徑非球面光學系統(tǒng)設(shè)計;離軸超薄反射鏡加工與檢測;超薄反射鏡制作材料的性能研究;多塊反射鏡的共相位調(diào)整與檢測;超薄反射鏡的主動光學調(diào)整與波面檢測;輕質(zhì)高強度反射鏡支撐結(jié)構(gòu);離軸超薄反射鏡的精密展開機構(gòu)和精密定位機構(gòu)(含精密鉸鏈、鎖定機構(gòu)與展開機構(gòu)等);激光束變形波面與超薄主鏡的面形匹配控制;超薄反射鏡的表面改性處理與強激光鍍膜技術(shù)研究;定位、展開結(jié)構(gòu)的精度測試裝置的研究，包括重復性、可靠性、位置精度等方面。針對這些關(guān)鍵技術(shù)開展相應的研究［22-25］。采用有限元分析的方法研究反射鏡支撐結(jié)構(gòu)的合理性。對于反射鏡面型的保持采用主動光學技術(shù);把分塊反射鏡的精密展開技術(shù)與鏡面共相位技術(shù)相結(jié)合來進行研究;對于大尺寸主鏡的共相位檢測與面形檢測采用精密裝調(diào)技術(shù)和計算機輔助技術(shù)確保超輕反射鏡的裝校和光學系統(tǒng)的波前檢測、波前分析;通過采用現(xiàn)代控制理論、經(jīng)典控制理論和計算機控制技術(shù)的結(jié)合，確保反射鏡定位、展開結(jié)構(gòu)的精度?？烧郫B薄膜發(fā)射望遠鏡展開后將采用自適應光學精細調(diào)整面形，示意圖如圖6所示。

圖6 可折疊薄膜發(fā)射望遠鏡展開后將采用自適應光學精細調(diào)整面形示意圖Fig.6 Precisely adjusting surface figure by adaptive optics after deployable membrane launching telescope expansion

圖7 美國空軍研究實驗室(AFRL)正在進行大口徑可折疊展開式薄膜發(fā)射望遠鏡研發(fā)Fig.7 Development of large calibre deployable membrane launching telescope in AFRL

美國空軍研究實驗室(AFRL)正在進行大口徑可折疊展開式薄膜發(fā)射望遠鏡研發(fā)，如圖7所示。

5 結(jié)束語

在未來戰(zhàn)爭中，反衛(wèi)星武器的發(fā)展非常重要，其中激光系統(tǒng)具有攻擊目標速度快、抗干擾性強、毀傷效率高等特點，作為天基反衛(wèi)星武器具有顯著優(yōu)勢，因此天基激光武器系統(tǒng)將成為其發(fā)展的重大項目之一。本文對天基激光武器系統(tǒng)組成、關(guān)鍵技術(shù)以及單項關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容進行了詳細介紹，特別是對高能激光器的工作原理以及系統(tǒng)的攻擊程度進行了細致的說明。開展此系統(tǒng)的研究對國防建設(shè)具有深遠的意義和重要的應用指導。

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