國外高能激光系統(tǒng)試驗(yàn)與評價技術(shù)發(fā)展及啟示

(湖北航天技術(shù)研究院 總體設(shè)計(jì)所，武漢 430040)

0 引言

高能激光系統(tǒng)作為一種采用光能代替?zhèn)鹘y(tǒng)化學(xué)能和機(jī)械能實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)有效毀傷的新型軍事裝備，具有速度快、精度高、抗電磁干擾、可重復(fù)使用、單發(fā)效費(fèi)比高等優(yōu)點(diǎn)，在光電對抗、主動照明和末端防御等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值。近年來，各國高能激光系統(tǒng)研究的主攻方向已由化學(xué)激光體制轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w激光體制，并圍繞陸、海、空、天各平臺應(yīng)用需求開展研制部署[1-4]。

伴隨著高能激光系統(tǒng)逐漸從技術(shù)攻關(guān)階段發(fā)展至實(shí)戰(zhàn)化部署階段，試驗(yàn)與評價技術(shù)的重要性也日益提升。目前，國際上高能激光系統(tǒng)試驗(yàn)與評價技術(shù)研究主要圍繞系統(tǒng)集成性、使用性和綜合效能驗(yàn)證等方面展開。

本文首先介紹了美國高能激光系統(tǒng)發(fā)展歷程，針對當(dāng)前高能激光系統(tǒng)試驗(yàn)與評價需求及發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了分析綜述，得出了美國高能激光系統(tǒng)試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展趨勢，并從中給出了我國高能激光系統(tǒng)試驗(yàn)與評價技術(shù)發(fā)展的啟示。

1 高能激光系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

自1960年激光問世時起，美國就一直致力于推動高能激光系統(tǒng)武器化應(yīng)用。在經(jīng)歷了幾十年發(fā)展后，美國高能激光系統(tǒng)研究處于領(lǐng)先地位，并已在海、陸、空各平臺上開展了性能驗(yàn)證[5-8]，如圖1所示。

圖1 美國海陸空各平臺高能激光系統(tǒng)

艦載激光系統(tǒng)方面，美國海軍已完成了海軍激光武器系統(tǒng)(Laser Weapon System，LaWS)等系統(tǒng)的綜合集成驗(yàn)證，在海上環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)、武裝小艇等目標(biāo)摧毀[9-11]。2014年，美軍將30 kW功率等級的LaWS系統(tǒng)部署在“龐塞”號船塢登陸艦，充分驗(yàn)證了激光系統(tǒng)在強(qiáng)風(fēng)、高溫、潮濕等惡劣海洋環(huán)境下的作戰(zhàn)性能。2015年，美軍圍繞艦船自防御需求，啟動了激光武器系統(tǒng)驗(yàn)證機(jī)(Laser Weapon System Demonstrator，LWSD)項(xiàng)目，在LaWS系統(tǒng)基礎(chǔ)上解決包括激光功率、光束質(zhì)量、激光導(dǎo)光結(jié)構(gòu)以及激光系統(tǒng)其他相關(guān)的物理結(jié)構(gòu)和光學(xué)設(shè)計(jì)等問題，使激光功率達(dá)到150 kW。2018年，美國海軍授予洛·馬公司一份價值1.5億美元的合同，計(jì)劃在2020年前研制兩套太陽神(HELIOS)艦載激光系統(tǒng)(60～100 kW等級)，其中一套將裝備于阿利伯克級驅(qū)逐艦、另一套交付新墨西哥州白沙靶場。2019年，針對船塢急需反制無人機(jī)的作戰(zhàn)需求，美國海軍啟動具備干擾和致盲功能的海軍光學(xué)致盲干擾(Optical Dazzling Interdictor, Navy，ODIN)項(xiàng)目，計(jì)劃安裝到1艘水面艦船上進(jìn)行測試。

車載激光系統(tǒng)方面，美國陸軍基于車載平臺開展了多輪系統(tǒng)集成、演示驗(yàn)證以及光源升級工作。2013年，(High Energy Laser Mobile Demonstrator，HEL-MD)激光系統(tǒng)用10 kW光纖激光器在測試過程中成功摧毀了數(shù)架無人機(jī)以及多達(dá)90枚迫擊炮彈。同年在白沙靶場完成了70多次迫擊炮彈和無人機(jī)的打靶試驗(yàn)。2017年，美軍將洛·馬公司研制的6萬瓦級光譜合成激光器集成到重型戰(zhàn)術(shù)卡車上，并于2018年在白沙靶場進(jìn)行演示驗(yàn)證，成功擊毀火箭彈和迫擊炮彈。2018年，美國陸軍啟動了基于中型卡車的10萬瓦高能激光戰(zhàn)術(shù)車輛演示器(High Energy Laser Tactical Vehicle Demonstrator，HEL-TVD)計(jì)劃，預(yù)計(jì)2022年在白沙靶場進(jìn)行測試。

機(jī)載激光系統(tǒng)方面，美國空軍已完成了機(jī)載激光系統(tǒng)(Airborne Laser，ABL)、先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)激光系統(tǒng)(Airborne Tactical Laser，ATL)等項(xiàng)目的系統(tǒng)集成與演示驗(yàn)證試驗(yàn)。2009年至2010年，美國空軍ABL系統(tǒng)以波音747-400F為平臺進(jìn)行了3次反導(dǎo)攔截試驗(yàn)，包括固體和液體燃料彈道導(dǎo)彈，有效攔截距離40千米。2017年，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室授予了洛馬公司150 kW級的自保護(hù)激光演示系統(tǒng)(Self-Protect High Energy Laser Demonstrator，SHiELD)項(xiàng)目，用于提升戰(zhàn)斗機(jī)對地空和空空導(dǎo)彈的自衛(wèi)能力。2019年4月，美國空軍和洛馬公司在白沙導(dǎo)彈靶場利用SHiELD系統(tǒng)地面測試替代品的激光系統(tǒng)演示器成功擊落了多枚飛行中的空射導(dǎo)彈，并預(yù)計(jì)在2021年具備機(jī)載吊艙式激光系統(tǒng)樣機(jī)飛行測試條件。

圖2 SHiELD系統(tǒng)地面測試演示器

目前，美國戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用高能激光系統(tǒng)研究已實(shí)現(xiàn)了由技術(shù)驗(yàn)證向?qū)崙?zhàn)化部署的轉(zhuǎn)變。美國海軍研究室發(fā)展規(guī)劃顯示，美海軍高能激光系統(tǒng)實(shí)戰(zhàn)化部署可分為3個階段，如表1所示。針對現(xiàn)役艦船的反無人機(jī)、反水面船只、偵查致盲和末端防御需求，在2017年前后完成60～100 kW功率等級高能激光系統(tǒng)研制與驗(yàn)證；針對未來艦船的互防反艦導(dǎo)彈需求，在2022年完成300～500 kW功率等級的高能激光系統(tǒng)研究；針對綜合電力系統(tǒng)艦船平臺、航空母艦等艦船的自防反艦導(dǎo)彈、反彈道導(dǎo)彈需求，在2025年完成大于1 MW功率等級的高能激光系統(tǒng)研制與演示驗(yàn)證。

表1 美海軍高能激光系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃

2 高能激光系統(tǒng)試驗(yàn)與評價技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 美軍裝備試驗(yàn)管理規(guī)劃與試驗(yàn)評價思路

為保證高能激光裝備能夠滿足實(shí)戰(zhàn)需求，美國國防部試驗(yàn)資源管理中心從軍事需求、技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)等角度綜合考慮，依托三項(xiàng)主要計(jì)劃來推動試驗(yàn)與評價技術(shù)的發(fā)展，如表2所示[12]：1991年設(shè)立的試驗(yàn)與評價核心投資計(jì)劃(Central Test and Evaluation Investment Program，CTEIP)，以發(fā)展或提升多平臺通用測試能力為目標(biāo)，年度預(yù)算1.4億美元/年，對應(yīng)技術(shù)成熟度為6～9級；2002年設(shè)立的試驗(yàn)與評價/科學(xué)與技術(shù)計(jì)劃(Test and Evaluation/Science and Technology，T&E/S&T)，以發(fā)展高能激光系統(tǒng)測試技術(shù)為目標(biāo)，年度預(yù)算0.95億美元/年，對應(yīng)技術(shù)成熟度為3～6級；2007年設(shè)立的聯(lián)合任務(wù)環(huán)境試驗(yàn)?zāi)芰τ?jì)劃(Joint Mission Environment Test Capability，JMETC)，以提供聯(lián)合測試基礎(chǔ)設(shè)施為目標(biāo)，年度預(yù)算0.19億美元/年。

表2 美國高能激光試驗(yàn)驗(yàn)證計(jì)劃

經(jīng)過多年發(fā)展，美軍裝備試驗(yàn)評價方式已從傳統(tǒng)的“分階段”試驗(yàn)和“分類型”試驗(yàn)變?yōu)榛谀芰π枨蟮囊惑w化試驗(yàn)評價，不再單純考核裝備的技術(shù)指標(biāo)，而是轉(zhuǎn)向考核裝備的作戰(zhàn)效能是否能夠滿足作戰(zhàn)任務(wù)的需要，在研發(fā)設(shè)計(jì)之初就考慮試驗(yàn)因素，實(shí)現(xiàn)研制試驗(yàn)評價到作戰(zhàn)試驗(yàn)評價的無縫集成[13]。具體到高能激光系統(tǒng)試驗(yàn)評價技術(shù)方面，美軍已經(jīng)形成了“核心技術(shù)攻關(guān)+系統(tǒng)驗(yàn)證+平臺試用”并行推進(jìn)的發(fā)展思路，在以實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用為目標(biāo)對核心技術(shù)持續(xù)攻關(guān)的同時，依托已建成的系統(tǒng)試驗(yàn)平臺對高能激光系統(tǒng)能力進(jìn)行充分驗(yàn)證，再將通過驗(yàn)證的系統(tǒng)裝載到海、陸、空平臺上，檢驗(yàn)實(shí)際使用效能，從而不斷促進(jìn)高能激光系統(tǒng)實(shí)用化。

2.2 美國高能激光系統(tǒng)試驗(yàn)評價能力現(xiàn)狀

美國軍方及武器生產(chǎn)商的多家機(jī)構(gòu)長期致力于高能激光系統(tǒng)試驗(yàn)與評價技術(shù)研究，主要研究內(nèi)容涵蓋先進(jìn)高功率激光源驗(yàn)證技術(shù)、超高精度光束控制與測試技術(shù)、激光系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)、激光效能測試技術(shù)和激光系統(tǒng)集成驗(yàn)證技術(shù)等多個方面，并建設(shè)了一系列高能激光系統(tǒng)測試試驗(yàn)平臺，能夠支持開展海、陸、空多種平臺激光裝備的集成測試與演示驗(yàn)證試驗(yàn)。其中，以位于新墨西哥州的白沙導(dǎo)彈靶場最為著名，如圖3所示。

圖3 白沙導(dǎo)彈靶場高能激光系統(tǒng)試驗(yàn)場及其測試中心

白沙靶場內(nèi)的高能激光系統(tǒng)試驗(yàn)場是美國國家級高能激光研究、開發(fā)、試驗(yàn)與評價組織，是美國陸軍空間與導(dǎo)彈防御司令部定向能武器的主要試驗(yàn)場，同時也是海陸空三軍高能激光方向的研究、開發(fā)、試驗(yàn)與評價中心。高能激光系統(tǒng)試驗(yàn)場的核心區(qū)域?yàn)闇y試中心，主要由激光測試及演示平臺、脈沖激光易損性測試系統(tǒng)、目標(biāo)反射率測量系統(tǒng)、目標(biāo)輻照度測量系統(tǒng)、真空試驗(yàn)系統(tǒng)、效能試驗(yàn)區(qū)和危險測試區(qū)等七部分組成，具備滿足多層次、多類型試驗(yàn)需求的能力，包括高能激光性能參數(shù)測試試驗(yàn)、靜動態(tài)目標(biāo)易損性試驗(yàn)、大氣傳輸試驗(yàn)、材料效能評估試驗(yàn)、軍事破壞性試驗(yàn)、爆炸目標(biāo)安全性試驗(yàn)和模擬環(huán)境下的激光殺傷力試驗(yàn)等，如表3所示。

表3 高能激光試驗(yàn)場測試中心各部分功能

綜合至今公開的報道，白沙靶場已完成過包括ABL系統(tǒng)在內(nèi)的化學(xué)體制高能激光系統(tǒng)集成測試，和基于光纖激光體的艦載、車載和直升機(jī)平臺系統(tǒng)集成與試驗(yàn)，具備了兆瓦功率等級、1.5 m發(fā)射口徑系統(tǒng)試驗(yàn)評價能力，光譜合成、空間功率合成光纖激光系統(tǒng)測試試驗(yàn)?zāi)芰?，并且能夠支持開展針對車輛、無人機(jī)、迫擊炮彈、火箭彈和彈道導(dǎo)彈等目標(biāo)的全系統(tǒng)級動態(tài)打擊試驗(yàn)。此外，美軍在白沙靶場正逐步建成針對光纖體制機(jī)載激光系統(tǒng)的集成測試與試驗(yàn)評價能力，以確保在2021前完成SHiELD系統(tǒng)的集成與演示驗(yàn)證工作。

3 高能激光系統(tǒng)試驗(yàn)評價技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著美軍各類高能激光系統(tǒng)研究的不斷推進(jìn)，相關(guān)試驗(yàn)與評價技術(shù)也越來越成熟，并體現(xiàn)出三大發(fā)展趨勢：1)以實(shí)戰(zhàn)化為出發(fā)點(diǎn)，面向激光武器實(shí)際應(yīng)用需求設(shè)計(jì)試驗(yàn)測試項(xiàng)目，考核平臺適用性；2)試驗(yàn)鑒定與工程研制逐漸一體化，在設(shè)計(jì)之初就考慮測試試驗(yàn)因素；3)激光系統(tǒng)測試目標(biāo)逐步由技術(shù)驗(yàn)證測試轉(zhuǎn)變?yōu)樵囼?yàn)鑒定測試。

3.1 面向?qū)崙?zhàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)內(nèi)容

面向?qū)崙?zhàn)應(yīng)用需求設(shè)計(jì)試驗(yàn)內(nèi)容已逐步成為美軍高能激光裝備鑒定評價過程中的常態(tài)。以LaWS艦載激光系統(tǒng)為例，如圖4所示，系統(tǒng)集成完成后，美軍首先于2009年在加州中國湖海軍空戰(zhàn)中心開展了陸基試驗(yàn)，驗(yàn)證了LaWS在靜止平臺上的全系統(tǒng)動態(tài)打擊能力；2010年，LaWS在加州圣尼古拉斯島開展了岸基打靶試驗(yàn)，首次驗(yàn)證了高能激光系統(tǒng)在海風(fēng)、大氣吸收、大氣散射、大氣湍流等海洋環(huán)境因素影響下對無人機(jī)、小艇等目標(biāo)的毀傷效果；2011年，LaWS在波托馬克河試驗(yàn)場的海洋環(huán)境中開展了動平臺弱光跟蹤試驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)在海洋移動平臺上的動態(tài)跟蹤能力；2012年，LaWS系統(tǒng)被安裝在“杜威”號(阿利伯克級)驅(qū)逐艦前方甲板上，進(jìn)行了一年多的海試，充分驗(yàn)證了系統(tǒng)在艦船環(huán)境下的使用性能；2013年，LaWS在龐塞號兩棲戰(zhàn)艦上正式服役，編號為AN/SEQ-3；2014年， AN/SEQ-3在中東海域(波斯灣)對艦載激光器的作戰(zhàn)性能進(jìn)行了多輪實(shí)戰(zhàn)射擊試驗(yàn)，完成了實(shí)際作戰(zhàn)環(huán)境下的全系統(tǒng)性能考核。在一系列的測試和認(rèn)證步驟之后，LaWS成為了美國所有軍事部門部署的第一個完全批準(zhǔn)的高能激光系統(tǒng)。

圖4 LaWS系統(tǒng)研制部署過程

3.2 試驗(yàn)評價與工程研制一體化

試驗(yàn)評價與工程研制一體化的核心是在進(jìn)行高能激光系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)之初，就綜合考慮測試試驗(yàn)因素，將試驗(yàn)評價貫穿高能激光裝備研制的全過程[14-15]。美軍將裝備試驗(yàn)評價分為研制試驗(yàn)評價和作戰(zhàn)試驗(yàn)評價兩大類，如圖5所示：研制試驗(yàn)評價通過“試驗(yàn)-分析-改進(jìn)-試驗(yàn)”的過程全面收集產(chǎn)品數(shù)據(jù)，建立產(chǎn)品性能數(shù)據(jù)庫，改進(jìn)仿真模型，并通過仿真分析方法進(jìn)一步指導(dǎo)技術(shù)方案的優(yōu)化；作戰(zhàn)試驗(yàn)評價從方案分析和技術(shù)攻關(guān)階段開始，基于研制模型及模型參數(shù)來進(jìn)行早期作戰(zhàn)仿真評估；在系統(tǒng)研制與演示驗(yàn)證階段，根據(jù)現(xiàn)有性能數(shù)據(jù)庫對裝備潛在效能進(jìn)行評價，以詳細(xì)規(guī)劃和設(shè)計(jì)作戰(zhàn)試驗(yàn)評價計(jì)劃；在生產(chǎn)與部署階段的全速率生產(chǎn)之前，模擬近實(shí)戰(zhàn)環(huán)境條件，通過現(xiàn)場試驗(yàn)對評估武器裝備的作戰(zhàn)效能和作戰(zhàn)適用性；在使用保障階段進(jìn)行的后續(xù)作戰(zhàn)試驗(yàn)評價，主要是改進(jìn)評價方法、糾正裝備缺陷，并對裝備作戰(zhàn)效能、作戰(zhàn)適用性及質(zhì)量穩(wěn)定性等進(jìn)行全面評價。

圖5 美軍高能激光系統(tǒng)各研制階段的試驗(yàn)鑒定

3.3 技術(shù)驗(yàn)證測試向試驗(yàn)鑒定測試的轉(zhuǎn)變

隨著高能激光系統(tǒng)研究從關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段發(fā)展為實(shí)戰(zhàn)化部署階段，試驗(yàn)測試目標(biāo)也開始由技術(shù)驗(yàn)證測試轉(zhuǎn)變?yōu)樵囼?yàn)鑒定測試。早期研究階段，美軍開展技術(shù)驗(yàn)證測試的目標(biāo)是獲取高能激光系統(tǒng)綜合性能指標(biāo)，用來驗(yàn)證技術(shù)攻關(guān)的完成情況，并為建模仿真、方案設(shè)計(jì)和系統(tǒng)研制的優(yōu)化迭代提供數(shù)據(jù)支撐，主要包括系統(tǒng)閉環(huán)性測試、出光能力測試、捕獲跟蹤瞄準(zhǔn)能力測試和毀傷能力測試等。進(jìn)入試驗(yàn)鑒定測試階段后，高能激光系統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)不再是單純的性能指標(biāo)測試，而是針對高能激光裝備在預(yù)期戰(zhàn)場環(huán)境下的全系統(tǒng)作戰(zhàn)效能和作戰(zhàn)適用性進(jìn)行試驗(yàn)與評價，并以此作為鑒定高能激光裝備合格與否的標(biāo)準(zhǔn)。其中，作戰(zhàn)效能評價重點(diǎn)考核激光裝備在預(yù)期戰(zhàn)場環(huán)境下完成預(yù)期作戰(zhàn)任務(wù)的能力，例如高能激光系統(tǒng)與目標(biāo)指示雷達(dá)等外部探測設(shè)備的信息對接匹配能力，不同湍流強(qiáng)度、天光背景條件下對各種類型機(jī)動目標(biāo)的動態(tài)跟蹤打擊能力等，作戰(zhàn)適應(yīng)性評價重點(diǎn)考核激光裝備在作戰(zhàn)使用過程中的可靠性成都，例如車載、艦載、機(jī)載平臺下高能激光系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性和性能穩(wěn)定性等，如圖6所示。

圖6 高能激光系統(tǒng)作戰(zhàn)效能驗(yàn)證

4 發(fā)展啟示

綜合分析美軍試驗(yàn)評價技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢可知，美國高能激光系統(tǒng)試驗(yàn)的目的已從技術(shù)驗(yàn)證測試轉(zhuǎn)變?yōu)樵囼?yàn)鑒定測試，以實(shí)戰(zhàn)需求為出發(fā)點(diǎn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)內(nèi)容，通過將試驗(yàn)鑒定貫穿整個裝備研制過程的方法，保障高能激光系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能和平臺適應(yīng)性。相對而言，近些年國內(nèi)高能激光技術(shù)發(fā)展迅速，為更好推動我國高能激光裝備應(yīng)用，搶占先機(jī)，可以充分借鑒國外先進(jìn)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合自身特點(diǎn)，重點(diǎn)開展3個方面的能力建設(shè)：

1)加速推進(jìn)高能激光系統(tǒng)集成驗(yàn)證與測試方法研究，并構(gòu)建出一套完整的試驗(yàn)驗(yàn)證與測試方法體系；

2)加快推進(jìn)高能激光系統(tǒng)效能評價與驗(yàn)證方法研究，建設(shè)激光裝備的數(shù)字化驗(yàn)證能力，構(gòu)建激光系統(tǒng)效能數(shù)據(jù)庫；

3)加速推動試驗(yàn)鑒定能力建設(shè)，在滿足高能激光系統(tǒng)技術(shù)攻關(guān)要求的同時，著眼于激光裝備應(yīng)用部署需要，建成能夠滿足全系統(tǒng)研制和試驗(yàn)評價需求的集成、測試和效能驗(yàn)證平臺，為我國高能激光系統(tǒng)的實(shí)戰(zhàn)化應(yīng)用提供有力支撐。