美國海軍新概念武器現(xiàn)狀和發(fā)展

付彩越

(中國船舶重工集團公司 第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

摘 要: 新概念武器一直是各國競相研究發(fā)展的方向。本文通過相關(guān)資料的解讀，總結(jié)美國海軍近期在固體激光武器、電磁軌道炮以及超高速制導(dǎo)炮彈的軍事需求、研究現(xiàn)狀及發(fā)展動向，可為我國相關(guān)武器的研究提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：激光武器；電磁炮；電磁軌道炮；超高速炮彈

中圖分類號：E92 文獻標識碼：A

文章編號： 1672 - 7619(2017)02 - 0151 - 04 doi：10.3404/j.issn.1672 - 7619.2017.02.030

美國海軍新概念武器現(xiàn)狀和發(fā)展

付彩越

(中國船舶重工集團公司 第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

摘 要: 新概念武器一直是各國競相研究發(fā)展的方向。本文通過相關(guān)資料的解讀，總結(jié)美國海軍近期在固體激光武器、電磁軌道炮以及超高速制導(dǎo)炮彈的軍事需求、研究現(xiàn)狀及發(fā)展動向，可為我國相關(guān)武器的研究提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：激光武器；電磁炮；電磁軌道炮；超高速炮彈

中圖分類號：E92 文獻標識碼：A

文章編號： 1672 - 7619(2017)02 - 0151 - 04 doi：10.3404/j.issn.1672 - 7619.2017.02.030

0 引 言

近些年美國海軍加快了固體激光武器、電磁軌道炮及超高速炮彈等新概念武器的研究，這些武器能夠有效地提高艦艇的自防御能力，改變水面艦艇戰(zhàn)術(shù)規(guī)則，甚至會給海軍水面作戰(zhàn)帶來革命性的變化。

1 軍事需求分析

盡管美軍水面艦艇安裝了大量自防御武器，比如“密集陣”系統(tǒng)、防空導(dǎo)彈等，但是一些專家分析認為，對于反艦導(dǎo)彈的飽和攻擊，仍會使艦隊受到巨大的傷害，2015 年美海軍艦隊進行了場景推演，航母編隊的防御能力十分令人擔憂。

1）提高抗飽和攻擊能力

應(yīng)對飽和攻擊及高速機動反艦導(dǎo)彈攻擊的有效途徑就是提高武器的攔截概率，激光武器幾乎沒有彈丸飛行時間，直接命中目標，當其到靶功率足夠時，其攔截概率非常高；電磁炮發(fā)射的超高速炮彈速度可達6～7 Ma，是傳統(tǒng)炮彈的 2～3 倍，大大縮短了交火時間，對來襲目標的攔截概率可以有較大的提高。

2）提高艦艇彈藥容量

彈藥容量是海軍當前防御武器的制約因素之一。巡洋艦有 122 組導(dǎo)彈發(fā)射單元，驅(qū)逐艦有 90 或 96 組單元，拋除“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈和反潛火箭彈，防空導(dǎo)彈只有幾十組，且在艦上不可補彈，攔截每枚敵方反艦導(dǎo)彈需要 1～2 組，之后必須退出補給。而激光武器采用電能，可反復(fù)發(fā)射；電磁炮的超高速炮彈能儲存幾百發(fā)，優(yōu)勢非常明顯。

3）打擊低價值目標的需要

美海軍研究院對“蜂群戰(zhàn)術(shù)”（多架低成本無人機）進行了數(shù)百次模擬推演，結(jié)果表明 30% 的概率可突破“宙斯盾”防空系統(tǒng)的防線，而這些無人機單價僅有 15 000美元。

4） 作戰(zhàn)費效比的問題

每枚防空導(dǎo)彈采購成本從 90 萬到幾百萬美元不等；激光武器每次射擊少于 1 美元，電磁炮的超高速炮彈大約 2.5 萬美元。

2 固體激光武器

美國海軍近十年著重于艦載固體激光武器的發(fā)展，其使命任務(wù)定位于 1 英里到幾英里的近程防御系統(tǒng)，可有效對抗小船和無人機，隨功率的增加，還可對抗巡航導(dǎo)彈和彈道導(dǎo)彈。

除了發(fā)射成本低和無彈藥庫限制的優(yōu)點外，還具有交火快速、對付機動目標能力強、精確打擊等優(yōu)點；缺點是直線打擊，受大氣影響大、不是全天候武器，點殺傷（對付飽和攻擊能力弱），具有附帶損害等。

2.1 現(xiàn)狀

2008 年 8 月，美國海軍研究辦公室（ONR）提出的海上激光武器演示計劃，有雷聲公司、波音公司和諾·格公司等多家積極參與。

雷聲公司開發(fā)的激光武器系統(tǒng)稱為 LAWS（Laser Weapon System），采用 6 套 5.5 kW 光纖激光器，BQ = 17，電光轉(zhuǎn)換效率 25%，空間合束，使用“密集陣”系統(tǒng)作為粗跟蹤系統(tǒng)。2009 年 6 月，在加利福尼亞南部中國湖成功擊毀了 5 架靶機。2010 年 5 月，在尼古拉斯島，通過海面，成功擊毀了 4 架靶機。2012 年 9月，安裝在“杜威”號（DDG-105）驅(qū)逐艦上，開展艦船平臺試驗。2014 年，LAWS 系統(tǒng)的激光功率進一步擴大到 100 kW，在“龐塞”號上開展了為期 1 年的試驗，測試了與艦船雷達系統(tǒng)和作戰(zhàn)系統(tǒng)的融合，在其中 12 次射擊測試中命中率為 100%。2014 年 12 月，海軍宣稱“龐塞”號上的 LAWS 是一個可用于實戰(zhàn)的系統(tǒng)，技術(shù)成熟度可達到 6。

BAE 系統(tǒng)公司以 MK38 Mod 2 型 25 mm 艦炮為跟瞄平臺，開發(fā)了戰(zhàn)術(shù)激光武器系統(tǒng)，稱為 MK38 TLS（Tactical Laser System）。該武器系統(tǒng)的主要作戰(zhàn)目標是小型艦船、無人機和空中目標；系統(tǒng)采用 IPG 公司單模光纖激光器，輸出功率為 10 kW，BQ = 2.1，電光轉(zhuǎn)換效率約 30%；激光發(fā)射模塊采用波音公司的“激光復(fù)仇者”。2011 年啟動，8 月在埃格林空軍基地開展了跟蹤試驗，2012 年底，完成了系統(tǒng)打靶試驗，2013 年初，該公司建議海軍及時開展海上試驗，并宣稱該系統(tǒng)適裝性很強，可以安裝在很多現(xiàn)役艦艇上。

諾·格公司于 2009 年 3 月完成了 MLD (Maritime Laser Demonstration)樣機方案，采用 7 個 15 kW 板條固體激光器模塊，合成為 105 kW，BQ = 3，電光轉(zhuǎn)換效率 20%～25%。2010 年 7 月，開展了海洋環(huán)境下小船跟瞄試驗。2011 年 4 月，MLD 安裝在海軍的自防御測試艦上（DD964），成功擊毀了小船靶標，技術(shù)成熟度為 5。諾·格公司稱，可以在 4 年內(nèi)完成工程樣機，并且激光功率可以擴大到 300 kW。

2.2 有待提高的主要技術(shù)

盡管高能激光武器系統(tǒng)在海洋環(huán)境中的試驗取得了很大進展，但圍繞著作戰(zhàn)效能、艦船平臺的融合以及工程化等方面還有許多事情要做。

1）高功率高質(zhì)量波束

激光武器依靠能量積累對目標進行毀傷，當前的試驗波束功率在 100 kW 級，應(yīng)對無人機和小船取得了明顯的效果，但是應(yīng)對反艦巡航導(dǎo)彈、反艦彈道導(dǎo)彈尤其是超高音速導(dǎo)彈，功率則需要到 500 kW 甚至1 000 kW。

另外一個關(guān)鍵要素是波束質(zhì)量，雖然單模塊的光束質(zhì)量較高，但需要注意到 LAWS 和 MLD 均采用了合成技術(shù)，光束質(zhì)量不可避免的下降；在波束功率及發(fā)射單元相同的情況下，到靶功率密度和波束質(zhì)量的平方成反比，相對于功率參數(shù)而言，功率密度是形成有效毀傷的更直接的參數(shù)。

2）跟瞄發(fā)射系統(tǒng)艦用化

其一就是在艦船搖擺和振動的情況下保持足夠精確的動態(tài)指向精度；其二就是光學系統(tǒng)對海洋鹽霧等的環(huán)境適應(yīng)性，比如發(fā)射窗口對腐蝕和污染的保護等；其三就是跟瞄發(fā)射系統(tǒng)作為甲板面設(shè)備的緊湊化、可靠性、維修性、環(huán)境適應(yīng)性等工程化問題。

3）電源和散熱技術(shù)

當前的固體激光器大約只有 30% 的電光轉(zhuǎn)換效率，比如 150 kW 的激光武器，需求電源功率約 500 kW，工作體制是短暫和間歇性，從整船配電來講，系統(tǒng)匹配性和經(jīng)濟型欠優(yōu)，因此儲能及電源管理技術(shù)是一個需要考慮的問題；另外，剩余 70% 的能量基本以熱能形式產(chǎn)生，高效的散熱系統(tǒng)也必不可缺。

4）大氣傳輸補償技術(shù)

大氣湍流、潮濕和霧霾的大氣條件導(dǎo)致激光束發(fā)散和扭曲變形，降低效能；另外，隨著激光波束功率的提升，熱暈效應(yīng)也會明顯。遠程激光傳輸一般采用自適應(yīng)補償技術(shù)，但會系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本急劇增加，近程防御武器是否需要補償或采用何種新的補償技術(shù)尚需進一步通過試驗綜合論證。

5）艦艇的適裝性

適裝性主要有 2 方面的內(nèi)容：一是激光武器系統(tǒng)與現(xiàn)有艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)、火力控制及信息的融合和對接；二是跟瞄發(fā)射系統(tǒng)、激光器系統(tǒng)、電源、散熱系統(tǒng)在現(xiàn)有艦艇的整體結(jié)構(gòu)布局及安裝，體積和重量是主要的約束。

2.3 發(fā)展路線

2015 年 7 月，美國海軍發(fā)布固體激光武器研究指南，以 100～150 kW 為目標，在 2018 年開展工程化樣機的海上試驗，主要用于有效攔截無人機和小船。隨后進一步增大至 200～300 kW，可以對抗某些反艦巡航導(dǎo)彈，甚至幾百千瓦到 1 MW，將可以對付更多的反艦巡航導(dǎo)彈及反艦彈道導(dǎo)彈，如表 1 所示。2015 年10 月，諾·格公司在此次指南競爭中勝出，開始啟動激光武器系統(tǒng)演示驗證程序（LWSD）。

表 1 美國海軍艦載激光武器發(fā)展路線Tab. 1 US Nary shipboard laser weapon development rout

3 電磁軌道炮和超高速炮彈

除了固體激光器，美國海軍從 2005 年起，還開展了電磁軌道炮和超高速炮彈的研發(fā)，電磁炮與傳統(tǒng)艦炮相比，主要有以下特點：一是初速高，可達 5.9～7.4 Ma；二是射程遠，32 MJ 射程可達 180 km，而MK45 Mod4 型 127 毫米艦炮最大射程只有 38 km；三是彈丸飛行時間短，射擊精度明顯提高；四是毀傷效果大，是現(xiàn)有火炮的 3～5 倍；五是無需發(fā)射藥和炸藥，安全性高，且可消除或減小炮口沖擊波，大大提高生存能力。因此電磁炮主要用于遠程火力支援，也可用于中程反導(dǎo)。

3.1 現(xiàn)狀

該項目由 BAE 系統(tǒng)公司和通用原子能公司 2 個團隊同時承擔，主要技術(shù)要求：炮口動能 20～32 MJ，射程 50～100 nmile。分 2 個階段完成，第 1 階段著重于電源和軌道技術(shù)的研究。2012 年，海軍進行了試驗評估，高功率脈沖電源技術(shù)、軌道抗燒蝕技術(shù)以及冷卻技術(shù)均取得了階段性成功；第 2 階段以 10 連發(fā)為目標。2015 年，完成了全比例復(fù)合身管試驗，結(jié)構(gòu)強度和工藝性得到了很好的證明，脈沖電源和冷卻系統(tǒng)的試驗亦取得成功，技術(shù)成熟度達到了 5 級。

超高速制導(dǎo)炮彈采用低阻力空氣動力學技術(shù)，速度高、機動性強；采用精確電子制導(dǎo)系統(tǒng)，可以有效攔截當前及未來的目標威脅，如圖 1 所示。長約 610 mm、重 12.7 kg；配裝不同的適配器，不但可以用于電磁炮，也可用于 127 mm 及 155 mm 等常規(guī)艦炮見圖2～圖 4。從 127 mm 艦炮發(fā)射時，彈丸速度仍可達到 1 000 m/s，而目前的神槍手半主動激光制導(dǎo)炮彈速度只有 620 m/s，可有效提高反艦導(dǎo)彈的攔截能力，大大擴充現(xiàn)役艦艇的對空及對海能力。超高速制導(dǎo)炮彈的作戰(zhàn)能力、射程等應(yīng)用如表 2 所示。

3.2 有待提高的主要技術(shù)

表 2 超高速制導(dǎo)炮彈的應(yīng)用Tab. 2 Application of hypervelocity guided projectile

電磁軌道炮和超高速炮彈存在的問題，主要涉及到身管壽命、超高速彈丸、電源系統(tǒng)及艦艇適裝性等。在 127 mm 或 155 mm 艦炮上裝備超高速炮彈還涉及到與現(xiàn)有武器系統(tǒng)的融合適配。

1）身管壽命以及和供彈系統(tǒng)的整合集成

軌道是電磁炮的關(guān)鍵技術(shù)之一，工作電流兆安級，還要經(jīng)受極大的瞬時熱流沖擊，造成導(dǎo)軌的嚴重燒蝕。發(fā)射質(zhì)量 20 kg, 初速 2 000 m/s 的軌道壽命大約有 100 發(fā)，而 155 mm 艦炮的身管壽命可達 3 000 發(fā)。同時對重量亦有嚴格的限制。軌道材料和侵蝕效果的實驗表明，侵蝕量最小的是使用鎢的導(dǎo)軌炮。但是鎢的價格昂貴，而且強度較差，目前，正對各種銅合金和碳化鎢等材料進行實驗。

2）電源系統(tǒng)的儲能密度及熱管理技術(shù)

由于電磁發(fā)射能源完全來源于電能，具備高儲能密度、大儲能量及快速充電特性的高功率脈沖電源是電磁炮走向工程應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。雖然近年來小型化脈沖電源已有了很大進步，但是樣機的重量接近 600 t，距離實用還有很大差距，美海軍設(shè)想的驅(qū)逐電磁炮的功率需求為 15～30 MW；同時，艦電必須能保證脈沖電源系統(tǒng)的快速再充電，使電磁導(dǎo)軌炮獲得較高的持續(xù)射速，從而滿足火力支援的需要，目前主要的研究方向是高儲能密度電容組方案。

對于連續(xù)發(fā)射的電磁炮而言, 系統(tǒng)的熱管理問題極為重要, 必須采用綜合性的散熱和冷卻技術(shù)措施, 實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)熱載荷的平衡。

3）超高速制導(dǎo)炮彈技術(shù)

電磁炮發(fā)射的炮彈組件由電樞、彈托和彈丸構(gòu)成。目前采用的固體電樞較好的控制了電流密度和溫度，在抗燒蝕上取得了一定進步，但彈丸組件與身管的匹配性還需進一步提高；同時內(nèi)部制導(dǎo)部件的抗過載能力（20 000～45 000 G）、超高速飛行時的熱結(jié)構(gòu)技術(shù)等尚需進一步研究。

4）艦船適裝性：研究解決電磁炮系統(tǒng)的電磁兼容性、發(fā)射聲場特性、全艦電力動態(tài)匹配技術(shù)等問題。

3.3 發(fā)展計劃

基于以上問題，海軍研究辦公室計劃集成一型新的戰(zhàn)術(shù)型原理樣機，2016 年在高速雙體船的直升機平臺上開展海上演示試驗。據(jù)參考文獻[4]，海軍計劃在2020-2025 年實現(xiàn)電磁炮的裝艦。

4 結(jié) 語

隨著技術(shù)的發(fā)展，美國海軍近些年加快了新概念武器的發(fā)展。艦載激光武器以固體激光器主要為主要方向，定位于艦艇近程防御；電磁軌道炮和超高速制導(dǎo)炮彈結(jié)合，定位于遠程精確打擊，同時兼顧中程導(dǎo)彈攔截。二者均以電能為能源，匹配全電力艦的發(fā)展趨勢，突出的優(yōu)點是彈容量大和作戰(zhàn)費效比高，會對未來的作戰(zhàn)模式帶來重要的影響，尤其是超高速炮彈適配現(xiàn)役艦炮，以極低的成本實現(xiàn)媲美導(dǎo)彈的遠程精確打擊；目前基本突破了關(guān)鍵技術(shù)樣機階段，開始著手工程化研究。

[1]ROWDEN T, GUMATAOTAO P, FANTA P. Distributed Lethality[M]. U.S. Naval Institute Proceedings, January 2015: 18-23.

[2]LASERS, RAILGUN N. Hypervelocity Projectile Ronald O’Rourke September 25, 2015.

[3]Navy Shipboard Lasers for Surface, Air, and Missile Defense Ronald O'Rourke June 12, 2015.

[4]BAE Systems, “Hypervelocity Projectile (HVP), ” 2014, accessed August 14, 2015, at http://www.baesystems.com/download/BAES_178505/hyper-velocity-projectile-hvpdatasheet

[5]LAGRONE S. Navy wants rail guns to fight ballistic and supersonic missiles says RFI[J]. USNI News, 2015 (5).

[6]張建革, 劉躍新, 路宏偉. 美國的艦載電磁炮研究[J].艦船科學技術(shù), 2009, 31(3): 154-159.

[7]衛(wèi)錦萍. 美軍電磁炮研究進展與技術(shù)重點[J]. 國外坦克, 2010 (1): 42-44.

US Navy new concept weapon status and development trend

FU Cai-yue
(The 713 Research Institute of CSIC, Zhengzhou 450015, China)

New concept weapon has been developed by many countries in the world, passing through analysis of related information, this paper summarizes US Navy’s military requirement, research status and development trend on solid laser weapon, electromagnetic rail-gun and super-speed guided cartridge, and this paper can provides some extent of reference for Chinese related weapon research work.

laser weapon；wlectromagnetic gun；electromagnetic rail-gun；super-speed guided cartridge

2016 - 04 - 18；

2016 - 10 - 17

付彩越(1973 - )，女，高級工程師，主要從事艦炮研究工作。