美國(guó)運(yùn)輸機(jī)機(jī)載激光系統(tǒng)研制進(jìn)展

易亨瑜，鎖興文，易欣儀，齊 予，張 凱

(1.中國(guó)工程物理研究院 應(yīng)用電子學(xué)研究所，綿陽(yáng) 621900；2.中國(guó)軍事科學(xué)院 國(guó)防科技創(chuàng)新研究院，北京 100071；3.復(fù)旦大學(xué) 化學(xué)系，上海 200438)

引 言

美國(guó)空軍和美國(guó)特種作戰(zhàn)司令部(Special Operations Command，SOCOM)下屬的第4代武裝運(yùn)輸機(jī)AC-130J是“大力士”運(yùn)輸機(jī)C-130經(jīng)過(guò)多次武器升級(jí)后的對(duì)地攻擊飛行器，執(zhí)行近距離空中支援以及武裝防御等任務(wù)。目前現(xiàn)役飛機(jī)上僅安裝了低功率光電對(duì)抗和紅外對(duì)抗裝置，當(dāng)發(fā)現(xiàn)敵方導(dǎo)彈時(shí)，通過(guò)釋放紅外誘餌彈，實(shí)現(xiàn)防御目的。但是隨著導(dǎo)彈制導(dǎo)技術(shù)的進(jìn)步，導(dǎo)引頭能區(qū)分戰(zhàn)斗機(jī)引擎和紅外誘餌等不同波段的信號(hào)，因此一旦導(dǎo)彈鎖定飛機(jī)，飛機(jī)的成活率就大大降低；另外紅外誘餌彈的采購(gòu)每年都要花費(fèi)大量經(jīng)費(fèi)[1]。

為了提高戰(zhàn)斗機(jī)的生存能力和作戰(zhàn)能力，2015財(cái)年(financial year,FY),空軍首先啟動(dòng)機(jī)載“自防御高能激光演示器”(self-protect high energy laser demonstrator，SHIELD)計(jì)劃，用于中等距離的導(dǎo)彈防御。之后SOCOM也倡議了運(yùn)輸機(jī)的“機(jī)載高能激光計(jì)劃”(airborne high energy laser,AHEL)[2-5]，典型作戰(zhàn)目標(biāo)擴(kuò)大為導(dǎo)彈、火箭彈、地面目標(biāo)等。

國(guó)外機(jī)載激光武器的發(fā)展，已有較多文獻(xiàn)[6-16]報(bào)道，而關(guān)于運(yùn)輸機(jī)機(jī)載激光武器詳細(xì)的系統(tǒng)集成、技術(shù)挑戰(zhàn)、研制進(jìn)展等，這方面文獻(xiàn)相對(duì)較少。本文中將介紹美國(guó)運(yùn)輸機(jī)機(jī)載激光武器計(jì)劃，分析其面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，梳理近年來(lái)的研制進(jìn)展。

1 立項(xiàng)背景

“幽靈騎士”AC-130J(見(jiàn)圖1)是AC-130U空中炮艇的升級(jí)，2016年正式服役，其開(kāi)發(fā)目的是支持地面部隊(duì)在海外的應(yīng)急行動(dòng)。它最大航程為4071.6km，配備電-光和紅外雙傳感器、30mm和50mm口徑加農(nóng)炮、全天候合成孔徑雷達(dá)以及格里芬導(dǎo)彈、鷹獅導(dǎo)彈、地獄之火導(dǎo)彈等精確打擊套件(precision strike package，PSP)。傳感器允許武裝運(yùn)輸機(jī)能夠在任何天氣中辨別地面的友軍目標(biāo)。

圖1 AC-130J發(fā)射誘餌彈誤導(dǎo)敵方導(dǎo)彈

相對(duì)于戰(zhàn)斗機(jī)，武裝運(yùn)輸機(jī)體積和重量較大、飛行速度較慢，同時(shí)又離作戰(zhàn)目標(biāo)較近，無(wú)法防御地面強(qiáng)大的防空火力。因此空軍特種作戰(zhàn)司令部(Air Force Special Operations Command，AFSOC)認(rèn)為必須采用新的辦法提高飛得又慢又低的武裝運(yùn)輸機(jī)的生存能力，其中的關(guān)鍵就是引入高能激光武器，擊毀敵方的地對(duì)空、空-空導(dǎo)彈和機(jī)載目標(biāo)。這樣AC-130J不僅能保護(hù)自己，而且還能保護(hù)整個(gè)特種作戰(zhàn)混編攻擊機(jī)群，并能精確攻擊地面目標(biāo)，使機(jī)動(dòng)車(chē)輛、船舶和地面飛機(jī)失能，使敵方的關(guān)鍵系統(tǒng)失效，如指揮車(chē)、發(fā)電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和雷達(dá)系統(tǒng)等(見(jiàn)圖2)。

SOCOM是運(yùn)輸機(jī)載激光武器的主要倡議單位，其首長(zhǎng)約瑟翰·佛特爾中將2016-03-01在簽署呈報(bào)國(guó)會(huì)防御委員會(huì)的記錄中，詳細(xì)闡述了AC-130激光運(yùn)輸機(jī)的多種優(yōu)勢(shì)，指明了AHEL武器 “極具軍事價(jià)值”。另外空軍也對(duì)此非常關(guān)注，將其作為戰(zhàn)斗機(jī)載激光武器研制的技術(shù)儲(chǔ)備。AFSOC前任司令官布萊德利·海瑟爾徳中將、現(xiàn)任司令官布拉德·韋伯中將，都非常關(guān)注AC-130J機(jī)載激光武器研制項(xiàng)目。

圖2 a—AC-130J作戰(zhàn)概念 b—攻擊敵方相控陣?yán)走_(dá)的作戰(zhàn)設(shè)想

激光武器的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于能夠熔化或者焚燒敵方目標(biāo)的能力，并且不會(huì)導(dǎo)致爆炸，不會(huì)暴露其所在方位；其次激光武器擁強(qiáng)大的彈倉(cāng)深度，只需要依靠1加侖燃料就可獲得數(shù)以千計(jì)的發(fā)射次數(shù)，遠(yuǎn)比單一用途武器如炸彈或?qū)椄鼮楸阋撕陀行?；另外，激光武器在破壞敵軍通信、人質(zhì)救援任務(wù)、城市作戰(zhàn)環(huán)境、靜默打擊中凸顯優(yōu)勢(shì)。海瑟爾徳中將十分看重激光武器的無(wú)聲攻擊能力。

2 研制計(jì)劃

2.1 機(jī)載高能激光計(jì)劃

AFSOC制定了機(jī)載高能激光(AHEL)計(jì)劃，將激光武器集成進(jìn)AC-130J飛機(jī)中，使之具有進(jìn)攻與防御的能力，并準(zhǔn)備2020年在外場(chǎng)進(jìn)行演示試驗(yàn)。2015年,AFSOC對(duì)國(guó)防工業(yè)界發(fā)布一項(xiàng)“挑戰(zhàn)書(shū)”——在這一個(gè)10年結(jié)束之前在武裝運(yùn)輸機(jī)AC-130上安裝電力驅(qū)動(dòng)的高能激光器[17]。

2.1.1 計(jì)劃目標(biāo) 運(yùn)輸機(jī)載激光武器的研制，得到了國(guó)防部辦公室和SOCOM的經(jīng)費(fèi)支持，以及空軍的技術(shù)支持。SOCOM計(jì)劃在AC-130飛機(jī)上集成一臺(tái)200kW的激光武器，擁有對(duì)數(shù)英里之外目標(biāo)的高精度的靜默摧毀能力。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，2016年，美國(guó)空軍要求國(guó)會(huì)提供1.2億美元的資金，首先研制出一套60kW激光樣機(jī)，其次定標(biāo)放大150kW以上，最終達(dá)到200kW的目標(biāo)[18]。另外AFSOC表示，一架武裝運(yùn)輸機(jī)AC-130W已被批準(zhǔn)退役，來(lái)支持這項(xiàng)工作的開(kāi)發(fā)和測(cè)試。原計(jì)劃在2017財(cái)年啟動(dòng)，并在2020年開(kāi)展飛行試驗(yàn)，其演示內(nèi)容將是輕研發(fā)、重實(shí)戰(zhàn)能力。采用快速樣機(jī)方法，將多個(gè)成熟的激光子系統(tǒng)(例如光束發(fā)射、激光器、熱管理和電力)進(jìn)行快速集成，開(kāi)發(fā)出一個(gè)武器樣機(jī)組，用于作戰(zhàn)評(píng)估，并引導(dǎo)出未來(lái)需求。其中高能激光組件將能夠進(jìn)行模塊化升級(jí)，并與PSP系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)縫集成。

2.1.2 研制經(jīng)費(fèi) 2016-03- 18《內(nèi)部防御》報(bào)道，SOCOM向國(guó)會(huì)申請(qǐng)2017財(cái)年追加2千萬(wàn)經(jīng)費(fèi)，啟動(dòng)AHEL計(jì)劃。之后打算在2018和2019財(cái)年各申請(qǐng)4千萬(wàn)經(jīng)費(fèi)，投入AHEL計(jì)劃的研發(fā)工作。由于國(guó)會(huì)并不充分了解AHEL計(jì)劃的作戰(zhàn)的效益與技術(shù)的成熟度，在一定程度推遲了立項(xiàng)和削減了申報(bào)經(jīng)費(fèi)。

美國(guó)國(guó)防部辦公室為了支持激光運(yùn)輸機(jī)的研制計(jì)劃，于2018財(cái)年專(zhuān)門(mén)在PE 0603699D8Z(新興能力)計(jì)劃中，臨時(shí)設(shè)立了713/高能激光器專(zhuān)項(xiàng)，經(jīng)費(fèi)為1400萬(wàn)，啟動(dòng)AHEL計(jì)劃的風(fēng)險(xiǎn)降低研究。

SOCOM從2018財(cái)年開(kāi)始，在研發(fā)類(lèi)預(yù)算的SF100航空系統(tǒng)高級(jí)開(kāi)發(fā)計(jì)劃中，專(zhuān)門(mén)設(shè)立了PSP高能激光器專(zhuān)項(xiàng)，用于在AC-130平臺(tái)上高能激光武器演示。另外在采購(gòu)類(lèi)預(yù)算的1202PSP計(jì)劃中，從2020財(cái)年開(kāi)始，也有部分經(jīng)費(fèi)用于AC-130機(jī)載高能激光武器的研制。其經(jīng)費(fèi)如表1所示。

表1 SOCOM預(yù)算的AHEL計(jì)劃研制經(jīng)費(fèi)/百萬(wàn)美元

2.2 技術(shù)挑戰(zhàn)

2.2.1 空間重量 雖然高能激光武器已經(jīng)安裝到海軍艦艇、陸軍重型卡車(chē)和波音747大型飛機(jī)上，但AFSOC承認(rèn)，將其安裝在像AC-130運(yùn)輸機(jī)這類(lèi)空間較小的飛機(jī)上，仍處于研究階段，不過(guò)這并沒(méi)有阻止AFSOC自2015年以來(lái)就追求該武器技術(shù)。

從技術(shù)層面來(lái)講，要把一臺(tái)激光武器安裝在地面基地、一艘海軍戰(zhàn)艦或者甚至一臺(tái)陸軍車(chē)輛上，都會(huì)比安裝在一架飛機(jī)上容易得多，因?yàn)轱w機(jī)上每寸空間都很重要，并且在飛行中每個(gè)部件都會(huì)振動(dòng)。目前世界上第1臺(tái)正式服役的激光武器，是安裝在排水量達(dá)到將近17000t的美國(guó)“龐塞號(hào)”軍艦[19]上。相比之下，AC-130J滿負(fù)荷時(shí)重量為82t。

為使飛機(jī)能夠承載激光武器，大量的研發(fā)工作還須開(kāi)展，包括飛機(jī)的尺寸、重量、動(dòng)力方面的工程設(shè)計(jì)。而對(duì)于現(xiàn)有激光技術(shù)而言，如何設(shè)計(jì)一個(gè)足夠小型化、能夠裝載到快速移動(dòng)的運(yùn)輸機(jī)上的可移動(dòng)作戰(zhàn)光源仍舊是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。空軍對(duì)安裝在AC-130武裝運(yùn)輸機(jī)上高能激光系統(tǒng)的重量和體積都有嚴(yán)格限制。重量大約在2268kg以下，為一輛牧羊人吉普車(chē)的重量；并且激光器在2017年服役的AC-130J上占據(jù)的空間不要超過(guò)一挺機(jī)關(guān)炮的位置。

2.2.2 電力問(wèn)題 隨著高能固體激光器的小型化，機(jī)載激光武器的作戰(zhàn)光源逐漸由化學(xué)激光器，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏︱?qū)動(dòng)的固體激光器。隨著激光輸出功率的提高，固體激光器將需要越來(lái)越多的電力，并產(chǎn)生更多的廢熱。因此高能固體激光器的運(yùn)行，將加劇了飛機(jī)電力的消耗，會(huì)帶來(lái)用電量和熱載荷的大幅增加且波動(dòng)劇烈，而飛機(jī)發(fā)電容量和熱管理能力有限。為機(jī)上激光系統(tǒng)提供足夠的電力以及如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)冷卻，逐漸成為一項(xiàng)越來(lái)越大的技術(shù)挑戰(zhàn)，因此如何高效管理飛機(jī)電力成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。AC-130上的4臺(tái)勞斯萊斯T56-A-15引擎，每臺(tái)都能產(chǎn)生3.9MW的電力，其余量足夠維持200kW激光武器的運(yùn)行。

2.2.3 航空光學(xué)效應(yīng) 機(jī)載光束發(fā)射轉(zhuǎn)塔在設(shè)計(jì)上突出在氣流中。由于孔徑上激發(fā)的非穩(wěn)定沖擊氣流，將導(dǎo)致在尾場(chǎng)出現(xiàn)強(qiáng)烈的航空光學(xué)畸變。這些畸變降低了目標(biāo)上的功率密度(即減弱了激光定向能系統(tǒng)的毀傷能力)，并限制了定向能對(duì)前場(chǎng)目標(biāo)的打擊能力。

為削弱和調(diào)制發(fā)射塔周?chē)拇蟪叨韧牧鹘Y(jié)構(gòu)，需要采用優(yōu)化尾場(chǎng)指向角的流體控制策略，同時(shí)采用自適應(yīng)光學(xué)同步流場(chǎng)控制技術(shù)。在地面實(shí)驗(yàn)中，可利用風(fēng)洞試驗(yàn)，驗(yàn)證穩(wěn)定和周期性流體的控制技術(shù)性能，并通過(guò)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)校正；在飛行實(shí)驗(yàn)中，還需在發(fā)射塔上集成流體控制裝置。

在AHEL樣機(jī)中負(fù)責(zé)光束控制的MZA公司，曾參加機(jī)載航空光學(xué)實(shí)驗(yàn)室(Airborne Aero-Optics Laboratory，AAOL)、機(jī)載激光(airborne laser，ABL)武器等系統(tǒng)的研制，長(zhǎng)期以來(lái)，一直被視為在大氣傳輸和自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)領(lǐng)域中波動(dòng)光學(xué)建模的專(zhuān)家。以前機(jī)載激光計(jì)劃的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，為AHEL樣機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)降低研究奠定了基礎(chǔ)(見(jiàn)圖3a)。另外洛·馬公司、國(guó)防先進(jìn)研究計(jì)劃局和空軍研究實(shí)驗(yàn)室已在2015年演示驗(yàn)證了超音速機(jī)載發(fā)射塔的性能，完成了近60次飛行測(cè)試，驗(yàn)證了機(jī)載激光發(fā)射塔可在接近超音速的條件下實(shí)現(xiàn)向任何方向的射擊(見(jiàn)圖3b)。公司研制的發(fā)射塔采用自適應(yīng)光學(xué)并結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)和氣流控制技術(shù)，解決了突出的發(fā)射塔在飛機(jī)尾部引起的極端湍流效應(yīng)，從而能夠360°控制高能激光束的發(fā)射，實(shí)現(xiàn)了全方位的光束發(fā)射，突破了超音速的限制。試驗(yàn)結(jié)果將被美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究計(jì)劃局和空軍研究實(shí)驗(yàn)室采納，來(lái)制定未來(lái)高速飛行器上機(jī)載激光武器系統(tǒng)的技術(shù)要求。洛·馬公司的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)AC-130運(yùn)輸機(jī)上安裝激光武器的計(jì)劃，將有一定參考價(jià)值。

圖3 a—AAOL機(jī)載發(fā)射塔 b—洛·馬公司的機(jī)載激光發(fā)射試驗(yàn)

2.2.4 機(jī)械振動(dòng) 機(jī)載平臺(tái)的氣動(dòng)-機(jī)械抖動(dòng)問(wèn)題對(duì)光束控制的需求，也是AHEL計(jì)劃的難點(diǎn)。氣動(dòng)流場(chǎng)將使發(fā)射塔產(chǎn)生抖動(dòng)，機(jī)身的振動(dòng)將導(dǎo)致光學(xué)鏈路上光束的漂移，都將使輸出光斑產(chǎn)生彌漫現(xiàn)象，從而降低了光束質(zhì)量，甚至破壞光束系統(tǒng)自身。核心是研制出激光武器系統(tǒng)的機(jī)載隔振平臺(tái)，并發(fā)展平臺(tái)之間光學(xué)鏈路中光束的穩(wěn)定技術(shù)。借鑒AAOL、ABL和先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)激光(advanced tactics laser，ATL)武器等機(jī)載激光計(jì)劃的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，這方面的光束控制技術(shù)將不再是AHEL項(xiàng)目面臨的最大挑戰(zhàn)。

ABL、ATL計(jì)劃雖然已經(jīng)下馬，在過(guò)去幾年的激光打靶演示中，發(fā)展了激光在大氣層中精確打擊目標(biāo)的武器系統(tǒng)能力，掌握了航空環(huán)境下光束的控制技術(shù)，驗(yàn)證了大氣層中使用激光武器的可行性，為后續(xù)的機(jī)載激光武器的研制提供了寶貴的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。美國(guó)軍方由此而獲得了機(jī)載激光器、航空光束控制等領(lǐng)域的技術(shù)積累和試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)發(fā)展機(jī)載激光武器打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及性能

3.1 激光武器系統(tǒng)

經(jīng)過(guò)前期的研究，SOCOM于2019年6月披露了AHEL樣機(jī)的系統(tǒng)架構(gòu)，如圖4所示。

圖4 AC-130上60kW激光武器樣機(jī)的系統(tǒng)架構(gòu)

可以看到，AHEL樣機(jī)包括了總控裝置、火控裝置、束控和發(fā)射裝置、激光器及其電源、熱管理等子系統(tǒng)，其中束控裝置將含有變形鏡、快反鏡等自適應(yīng)光束元件。

3.2 作戰(zhàn)光源

2016年,海瑟爾徳中將向突防網(wǎng)(breaking defense net)透露，目前有好幾家公司同時(shí)在研制激光武器，“我們一直關(guān)注著他們的進(jìn)展”，“現(xiàn)在技術(shù)已經(jīng)成熟，可以在AC-130上應(yīng)用激光武器”。

3.2.1 對(duì)作戰(zhàn)光源的要求 在初期的AHEL樣機(jī)中，激光器輸出功率為60kW。根據(jù)AC-130的搭載能力，激光器重量不超過(guò)約2268kg，這基本上是武裝運(yùn)輸機(jī)現(xiàn)有30mm口徑機(jī)關(guān)炮的重量。表2中為60kW樣機(jī)的設(shè)計(jì)要求。

表2 60kW樣機(jī)的設(shè)計(jì)要求

3.2.2 候選光源 如圖5a所示，通用原子公司在HELLADS計(jì)劃和RELI計(jì)劃支持下，采用分布式增益液體激光技術(shù)，2015年研制出的第3代激光器模塊，實(shí)現(xiàn)了75kW的高質(zhì)量光束輸出，重量功率比達(dá)到4kg/kW、體積為1.3m×0.4m×0.5m，光束質(zhì)量β<2、電光效率接近30%；采用緊湊的鋰離子電池提供電力，能持續(xù)運(yùn)行30s以上。通過(guò)2個(gè)模塊的串聯(lián)可實(shí)現(xiàn)150kW的激光輸出，光束質(zhì)量下降為β=4[20]。作為最早的候選作戰(zhàn)光源，通用原子公司響應(yīng)海瑟爾徳中將的號(hào)召，正在研制更為緊湊的第4代高能激光模塊。

圖5 a—通用原子公司的高能液體激光器 b—洛·馬公司的光譜合成光纖激光器

如圖5b所示，洛·馬公司在RELI計(jì)劃和陸軍車(chē)載激光計(jì)劃下，2017年3月研制出60kW光譜合成的光纖激光器，其電光效率達(dá)到了43%[21]，估計(jì)光束質(zhì)量β≈1、體積功率比為10kg/kW，也成為AHEL計(jì)劃作戰(zhàn)光源的備用選項(xiàng)之一。

由于洛·馬公司的光纖激光器效率高達(dá)40%，受到空軍機(jī)載武器專(zhuān)家的關(guān)注。在40%的激光效率下，60kW激光器需要150kW電力，150kW激光器需要375kW電力，大大緩解了飛機(jī)的電力供應(yīng)，有助于激光功率的進(jìn)一步提升；另外采用高能量密度的電池和超級(jí)電容器，還將有助于降低激光武器的重量和成本。最終60kW樣機(jī)選擇了洛·馬公司的光纖激光器。

3.3 發(fā)射塔

激光發(fā)射塔可布置在戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)身側(cè)面，或者布置在機(jī)腹。不同的布置，將決定激光武器的作戰(zhàn)方式，最終影響其作戰(zhàn)能力。發(fā)射塔安裝在機(jī)身側(cè)面，激光武器的使用方式是向左轉(zhuǎn)向時(shí)“開(kāi)火”，即飛機(jī)向左側(cè)傾斜、轉(zhuǎn)彎并向目標(biāo)持續(xù)照射。這種方式，比較適合于空對(duì)地戰(zhàn)，或可用于空-空導(dǎo)彈的防御。如果戰(zhàn)斗機(jī)的防御重點(diǎn)是地-空導(dǎo)彈，那么將可能會(huì)將發(fā)射塔安裝在機(jī)腹，使用更為方便。另外不同的安裝方式，導(dǎo)致的空氣湍流不同，所需的流場(chǎng)控制技術(shù)可能會(huì)有差別。

空軍科學(xué)咨詢(xún)委員會(huì)(Air Force Scientific Advisory Board，AFSAB)開(kāi)展了一項(xiàng)研究，對(duì)比考察了激光器在飛機(jī)腹部的安裝位置與其在飛機(jī)側(cè)面替換原30mm口徑機(jī)關(guān)炮的安裝位置。AFSAB的研究發(fā)現(xiàn)，由于飛機(jī)自身將遮攔激光器的有效發(fā)射半球，側(cè)面安裝方式將限制激光器能夠打擊的范圍。激光發(fā)射半球上方的一半?yún)^(qū)域，對(duì)于地-空導(dǎo)彈的防御，基本上無(wú)用。而機(jī)腹安裝的發(fā)射塔，在防御地-空導(dǎo)彈有完全的發(fā)射角度。因此激光武器發(fā)射塔安裝在武裝運(yùn)輸機(jī)的腹部，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，將提供更多的進(jìn)攻和防御能力；但是腹部安裝發(fā)射塔將需要更多經(jīng)費(fèi)、更多時(shí)間來(lái)研發(fā)。而飛機(jī)側(cè)面安裝的結(jié)構(gòu)，對(duì)現(xiàn)有飛機(jī)的修改較少。

圖6 a—AC-130激光運(yùn)輸機(jī)的側(cè)面攻擊示意圖 b—ATL機(jī)載激光武器系統(tǒng)

AFSOC權(quán)衡了武裝運(yùn)輸機(jī)的激光武器打擊能力與安裝方式，為了更快速地將激光武器部署在飛機(jī)上，已經(jīng)達(dá)成共識(shí)，移除機(jī)身側(cè)面的30mm炮、并將在此處安裝激光武器作為首選。將激光器安裝在AC-130J運(yùn)輸機(jī)的側(cè)面，能形成低成本的、能快速部署的攻擊能力(見(jiàn)圖6)?！盀榱私档脱菔驹囼?yàn)成本，AFSOC正在考慮的是將發(fā)射塔安裝在現(xiàn)有的側(cè)孔中，而這是目前機(jī)關(guān)炮所在的位置”，AFSAB主席維爾納·達(dá)姆說(shuō)?！斑@仍然會(huì)讓我們學(xué)到很多關(guān)于如何在AFSOC任務(wù)中使用激光器的經(jīng)驗(yàn)，雖然這種安裝方式在演示試驗(yàn)中并不像機(jī)腹安裝方式那么有用”(見(jiàn)圖7)。

圖7 AC-130機(jī)載激光武器安裝示意圖

3.4 毀傷能力

作戰(zhàn)中，高能激光對(duì)目標(biāo)的破壞，主要是激光束產(chǎn)生的熱使目標(biāo)加熱、燒蝕、熔化、誘導(dǎo)爆炸、燃燒或致盲。目標(biāo)材料的破壞閾值常用功率密度作為判定指標(biāo)。對(duì)于激光器輸出功率為P、發(fā)射口徑為D、射程為L(zhǎng)，激光波長(zhǎng)為λ、光束質(zhì)量為β的平面聚焦束和高斯聚焦束，激光在目標(biāo)上的遠(yuǎn)場(chǎng)功率密度W可統(tǒng)一為：

(1)

式中,r為光斑半徑,不同大氣環(huán)境的大氣透過(guò)率η取值不同?？梢钥吹?，激光器輸出功率越大，沉淀在目標(biāo)上的功率密度也大；另外激光波長(zhǎng)越短、光束質(zhì)量越好，則激光的打擊能力越強(qiáng)。事實(shí)上激光對(duì)付大多數(shù)先進(jìn)導(dǎo)彈特別有效，為了提高命中精度，大多數(shù)精確制導(dǎo)武器都采用了光學(xué)或光電傳感器，它們使用的材料對(duì)激光特別敏感，破壞閾值僅為10W/cm2～100W/cm2，是易損部件。AHEL也能破壞導(dǎo)彈的雷達(dá)和光學(xué)頭罩(頭罩的破壞閾值102W/cm2～103W/cm2)，造成導(dǎo)彈空氣動(dòng)力學(xué)失衡而墜落或使制導(dǎo)系統(tǒng)無(wú)法獲得目標(biāo)的形狀、大小和距離等信息而脫靶。

針對(duì)目前公布的AHEL樣機(jī)參量，取發(fā)射口徑D=30cm，激光器出口光束質(zhì)量β=1。考慮到大氣湍流影響，假設(shè)經(jīng)激光束大氣傳輸?shù)竭_(dá)目標(biāo)上時(shí)β=5。計(jì)算可得AHEL樣機(jī)的毀傷能力：能夠毀傷6.4km射程內(nèi)導(dǎo)彈的光-電傳感器，破壞2km范圍內(nèi)導(dǎo)彈的光學(xué)頭罩。

4 研制進(jìn)展

4.1 時(shí)間表

AHEL計(jì)劃將開(kāi)展可行性研究、系統(tǒng)架構(gòu)開(kāi)發(fā)，啟動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)降低研究，根據(jù)“最佳”子系統(tǒng)提議，進(jìn)行子系統(tǒng)采購(gòu)，開(kāi)展60kW樣機(jī)地面集成和飛機(jī)集成，最后進(jìn)行演示試驗(yàn)和評(píng)估。目標(biāo)是基于AC-130J的擴(kuò)展性，展示精確的機(jī)載激光武器系統(tǒng)，能夠針對(duì)復(fù)雜環(huán)境和地形進(jìn)行攻擊。圖8是AC-130高能激光器研制進(jìn)度表。圖中，PDR為初級(jí)設(shè)計(jì)評(píng)審，CDR為關(guān)鍵設(shè)計(jì)評(píng)審。

圖8 AC-130高能激光器進(jìn)度表

4.2 技術(shù)進(jìn)展

4.2.1 可行性研究 根據(jù)空軍部長(zhǎng)和空軍參謀長(zhǎng)的要求，空軍科學(xué)顧問(wèn)委員會(huì)研究小組開(kāi)展了AC-130J機(jī)載激光武器的可行性研究，評(píng)估機(jī)載激光技術(shù)的當(dāng)前狀態(tài)，并確定系統(tǒng)尺寸、重量、電力需求、熱管理、航空光學(xué)效應(yīng)、對(duì)飛機(jī)性能影響等集成問(wèn)題。研究小組的目的是檢查武裝運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)行和戰(zhàn)術(shù)，以確定激光武裝運(yùn)輸機(jī)可能發(fā)揮作用的潛在進(jìn)攻和防御情景，并確定可能限制激光武器應(yīng)用的運(yùn)行、后勤和維護(hù)等方面的需求。此外，小組還要評(píng)估對(duì)激光武器的潛在缺陷和敵方可能采取的對(duì)抗措施。最終于2017-06-07專(zhuān)家小組認(rèn)為：加裝激光器的武裝運(yùn)輸機(jī)具有潛在的可行性；建議空軍將武裝運(yùn)輸機(jī)未來(lái)的激光武器系統(tǒng)技術(shù)納入其激光武器路線圖，將技術(shù)投資集中在研發(fā)可部署的激光武裝運(yùn)輸機(jī)上；在AHEL樣機(jī)研制中可以設(shè)立多個(gè)里程碑。

4.2.2 風(fēng)險(xiǎn)降低研究 國(guó)防部辦公室于2018財(cái)年啟動(dòng)AHEL計(jì)劃的風(fēng)險(xiǎn)降低研究。研究?jī)?nèi)容包括對(duì)現(xiàn)有激光控制設(shè)備的現(xiàn)代化、診斷組件的開(kāi)發(fā)、飛機(jī)隔振結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造、在模擬飛機(jī)環(huán)境中測(cè)量激光性能、飛機(jī)光學(xué)窗口安裝和整流罩的開(kāi)發(fā)，以及對(duì)現(xiàn)有AC-130作戰(zhàn)管理系統(tǒng)的修改，以支持激光武器作戰(zhàn)。為AHEL戰(zhàn)術(shù)樣機(jī)設(shè)計(jì)提供的信息有助于提前確定主要AHEL子系統(tǒng)所需的工程設(shè)計(jì)更改。2019財(cái)年繼續(xù)利用2018財(cái)年的資金，開(kāi)展工作，在成功進(jìn)行地面風(fēng)險(xiǎn)降低測(cè)試后，后續(xù)工作由SOCOM接收，繼續(xù)樣機(jī)開(kāi)發(fā)和機(jī)載試驗(yàn)。

4.2.3 系統(tǒng)集成測(cè)試 2018財(cái)年啟動(dòng)AC-130J飛機(jī)的系統(tǒng)架構(gòu)、可行性設(shè)計(jì)、接口控制文檔和風(fēng)險(xiǎn)降低等開(kāi)發(fā)。2019財(cái)年繼續(xù)進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)的開(kāi)發(fā)，采購(gòu)光束發(fā)射子系統(tǒng)和激光器子系統(tǒng)，編寫(xiě)接口控制文檔，完成AC-130J飛機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)降低工作。2020財(cái)年接收已訂購(gòu)的部件，開(kāi)始將部件組裝成武器系統(tǒng)；完成長(zhǎng)周期主要器件開(kāi)發(fā)所需的采購(gòu)。2021財(cái)年在系統(tǒng)集成后，將對(duì)已組裝的子系統(tǒng)進(jìn)行地面測(cè)試和飛行測(cè)試。

4.3 研制團(tuán)隊(duì)

AHEL計(jì)劃將采用“政府主導(dǎo)、多家公司參與，共同完成AHEL系統(tǒng)的專(zhuān)業(yè)技術(shù)和組件”。為方便將來(lái)的系統(tǒng)修改/升級(jí)，海軍海面作戰(zhàn)中心達(dá)爾格倫分部作為政府領(lǐng)導(dǎo)的系統(tǒng)集成商，獲得2017財(cái)年經(jīng)費(fèi)的30%，負(fù)責(zé)項(xiàng)目的成本、進(jìn)程安排以及最終性能；而空軍生存循環(huán)管理中心得到10%，其余60%的經(jīng)費(fèi)將流向各個(gè)合同商。

AHEL合同方的選擇在2017財(cái)年的第一季度和第二季度開(kāi)始。參與競(jìng)爭(zhēng)的有洛·馬公司、通用原子公司、諾·格公司、波音公司、雷神公司以及L-3通信公司。根據(jù)國(guó)防部軍械技術(shù)聯(lián)盟的建議進(jìn)行AHEL樣機(jī)“最佳”子系統(tǒng)的購(gòu)買(mǎi)，另外還將充分利用國(guó)防部擁有的資源和設(shè)施、國(guó)防部定向能社團(tuán)的測(cè)試硬件等，并要求AFSOC提供飛機(jī)、機(jī)組人員和維修服務(wù)。據(jù)報(bào)道，AFSOC已考慮列出4架～5架武裝運(yùn)輸機(jī)作為平臺(tái)目標(biāo)清單。

在AC130機(jī)載激光武器研制中，海軍水面作戰(zhàn)中心達(dá)爾格倫分部負(fù)責(zé)樣機(jī)集成、電力和飛機(jī)隔振結(jié)構(gòu)、風(fēng)險(xiǎn)控制、子系統(tǒng)裝配、熱管理子系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、集成和地面測(cè)試等大部分工作。另外，在2019財(cái)年引入MZA聯(lián)合公司開(kāi)發(fā)高功率激光光束發(fā)射器，2020財(cái)年引入洛馬公司阿庫(kù)萊特分公司開(kāi)發(fā)高功率激光器，2021財(cái)年引入通用技術(shù)服務(wù)公司開(kāi)發(fā)電池型抽運(yùn)電源，最終飛行測(cè)試/演示將由多方參與。

5 結(jié)束語(yǔ)

AC-130J 機(jī)載60kW高能激光系統(tǒng)是下一代武器，能夠在復(fù)雜環(huán)境中實(shí)施精確的隱秘打擊，不僅使AC-130飛機(jī)能防護(hù)運(yùn)輸機(jī)免受地-空導(dǎo)彈的襲擊，而且擁有摧毀數(shù)英里之外目標(biāo)的無(wú)聲攻擊能力，在城市環(huán)境、人質(zhì)解救和地面“軟”目標(biāo)破壞中凸顯優(yōu)勢(shì)。

運(yùn)輸機(jī)載激光武器的研制，得到了國(guó)防部辦公室和SOCOM的經(jīng)費(fèi)支持，以及空軍的技術(shù)支持。該項(xiàng)目預(yù)計(jì)在2018財(cái)年啟動(dòng)，并在2022年開(kāi)展飛行演示試驗(yàn)，其演示內(nèi)容將是輕研發(fā)、重實(shí)戰(zhàn)能力。在AHEL計(jì)劃演示2年后，SHIELD計(jì)劃也將開(kāi)展演示試驗(yàn)。

激光器將安裝在AC-130J運(yùn)輸機(jī)的側(cè)面，替換原30mm機(jī)關(guān)炮，而激光發(fā)射塔安裝在原30mm口徑的炮眼中，以形成低成本的、能快速部署的攻擊能力。從而能在試驗(yàn)中總結(jié)如何在AFSOC任務(wù)中使用激光器的作戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)、總結(jié)戰(zhàn)術(shù)方法，并不斷進(jìn)行修改和完善。通過(guò)分析可以看到，AHEL樣機(jī)在電力需求、系統(tǒng)冷卻等技術(shù)上幾乎不存在什么問(wèn)題，主要挑戰(zhàn)是如何克服航空光學(xué)效應(yīng)和機(jī)械振動(dòng)，確保激光的光束質(zhì)量。不過(guò)ALL,ABL和ATL等計(jì)劃的研究成果，為“激光武裝運(yùn)輸機(jī)”的研制，奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，降低研制風(fēng)險(xiǎn)。

目前60kW級(jí)AHEL樣機(jī)的毀傷能力，能夠毀傷6.4km射程內(nèi)導(dǎo)彈的光-電傳感器，破壞2km范圍內(nèi)導(dǎo)彈的光學(xué)頭罩。當(dāng)60kW激光樣機(jī)的研制成功后，將作戰(zhàn)光源將升級(jí)到150kW以上，最終達(dá)到200kW的目標(biāo)。為了進(jìn)一步提升激光射程或打擊能力，AC-130J運(yùn)輸機(jī)側(cè)面的開(kāi)孔可能將擴(kuò)大到60mm～80mm口徑，從而增大激光的發(fā)射口徑。