無人機(jī)機(jī)載激光武器的毀傷機(jī)理與任務(wù)需求分析

田惠義，黃哲軒

陸軍工程大學(xué)

激光武器和無人機(jī)系統(tǒng)具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。在未來戰(zhàn)爭中，激光武器和無人機(jī)系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用是發(fā)展趨勢之一?；诖?，本文介紹無人機(jī)機(jī)載激光武器系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)、毀傷機(jī)理，分析無人機(jī)機(jī)載激光武器可遂行的任務(wù)。

激光武器作戰(zhàn)隱蔽，效費(fèi)比高，具有很大的作戰(zhàn)潛力，受到許多國家的重視。美國、以色列、俄羅斯、德國等國家積極研究激光武器技術(shù)，取得了顯著的成果，尤其是大功率半導(dǎo)體激光器已進(jìn)入實(shí)用化階段，推動(dòng)了全電動(dòng)激光器的發(fā)展，較低發(fā)射成本的激光武器擁有了“無限彈艙”。今年7月，洛克希德-馬丁公司向美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室交付一套緊湊型激光武器系統(tǒng)，標(biāo)志著該公司激光武器的實(shí)戰(zhàn)化運(yùn)用越來越近，將在反防空導(dǎo)彈、反空空導(dǎo)彈任務(wù)中發(fā)揮作用。

無人機(jī)機(jī)載激光武器系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

相比于有人機(jī)機(jī)載激光武器系統(tǒng)，無人機(jī)機(jī)載激光武器系統(tǒng)具有獨(dú)特的優(yōu)勢，一是具有無人化作戰(zhàn)的特點(diǎn)，可支持長航時(shí)作戰(zhàn)，人員零傷亡；二是全電動(dòng)高能激光器可提供“無限彈艙”，不必?fù)?dān)心載彈量的問題，激光發(fā)射成本低（單次激光發(fā)射成本僅幾美元），作戰(zhàn)效能突出。

無人機(jī)機(jī)載激光武器的核心器件是高能激光器，這種激光器的功率至少超過20kW，才能形成戰(zhàn)斗力。同時(shí)，無人機(jī)受任務(wù)載荷重量的限制，對(duì)激光功率密度有著苛刻的要求。隨著全固態(tài)激光器的發(fā)展，激光器功率將取得突破，近幾年激光器有望達(dá)到裝機(jī)條件，實(shí)現(xiàn)軍事應(yīng)用。

高能激光武器的毀傷機(jī)理

高能激光武器的毀傷機(jī)理是，激光器發(fā)射的高能激光束照射到目標(biāo)，導(dǎo)致目標(biāo)部位的材料發(fā)生溫升、膨脹、熔化、汽化、電離等效應(yīng)，目標(biāo)從而失效。在不同功率密度的激光束作用下，材料發(fā)生的物理變化詳見表1。

表1 在不同功率密度的激光束作用下，材料發(fā)生的物理變化

在實(shí)戰(zhàn)中，激光武器須要將高能激光束聚焦在靶目標(biāo)上，且靶功率密度大于功率密度閾值。當(dāng)輻射量累積到一定程度后，激光武器才能毀傷目標(biāo)。一位學(xué)者總結(jié)的激光武器作戰(zhàn)效能E與主要參數(shù)間的關(guān)系為：

其中，a(λ)為靶目標(biāo)吸收率；τ(λ)為大氣透射率；P為激光器功率；D為系統(tǒng)發(fā)射口徑；?t為有效作用時(shí)間；λ為激光波長；β為全系統(tǒng)廣義光束質(zhì)量因子；L為激光作用距離；θa為激光武器系統(tǒng)到靶發(fā)散角。

由此可見，激光武器對(duì)目標(biāo)造成毀傷須要滿足兩個(gè)條件，一是激光功率密度大于目標(biāo)毀傷功率密度閾值；二是目標(biāo)吸收的能量大于目標(biāo)毀傷能量閾值。

激光束通過大氣傳輸一定距離后到達(dá)目標(biāo)表面，形成激光光斑，激光光斑的半徑為R：

其中，Rdiff、Rturb、Ratp、RTB分別為真空衍射、大氣湍流、光軸抖動(dòng)和大氣熱暈導(dǎo)致的光斑擴(kuò)展。因?yàn)闊o人機(jī)機(jī)載激光武器系統(tǒng)在稀薄大氣中工作，且激光器功率不高，因此熱暈效應(yīng)暫不考慮。此時(shí)，激光光斑的半徑R1為：

其中，D為系統(tǒng)發(fā)射口徑，λ為激光波長，r0為大氣相干長度，σ為跟瞄精度。 則照射到目標(biāo)的激光束的功率密度I與激光器功率P的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：

大氣透射率τ(λ)為：

其中，βext(λ)為消光系數(shù)，其與能見度V的關(guān)系為：

其中，能見度V的單位是km；激光波長λ的單位是μm。系數(shù)q可由經(jīng)驗(yàn)公式得到：

大氣相干長度r0為：

其中，k為波數(shù)；α為天頂角；Cn2(h)為大氣折射率在高度h上的結(jié)構(gòu)常數(shù)。

如果已知目標(biāo)毀傷功率密度閾值，以上公式可算出激光器功率和作用距離之間的關(guān)系。激光的毀傷形式主要分為損壞結(jié)構(gòu)的硬毀傷和與光電傳感器產(chǎn)生耦合的軟毀傷。對(duì)于不同的作戰(zhàn)任務(wù)和目標(biāo)，激光武器的毀傷機(jī)理也不同，因此目標(biāo)毀傷所需的激光功率密度也大為不同。根據(jù)激光武器的毀傷機(jī)理，無人機(jī)機(jī)載激光武器系統(tǒng)可遂行的任務(wù)主要分為反導(dǎo)彈、反無人機(jī)、干擾或致盲傳感器。

反導(dǎo)彈的毀傷機(jī)理

針對(duì)“飛毛腿”等導(dǎo)彈的鋼制殼體，激光束通過熱燒蝕效應(yīng)，致使鋼制殼體融化，達(dá)到毀傷目的。

一些學(xué)者對(duì)具有鋼制殼體的“飛毛腿”導(dǎo)彈進(jìn)行毀傷閾值仿真，估算出激光毀傷能量密度Em=3.28kJ/cm2，由此可得Im=3280W/cm2（tm=1s）或Im=1093W/cm2（tm=3s）。其中，Im是當(dāng)激光作用于導(dǎo)彈時(shí)的功率密度，tm是激光照射時(shí)間。

假設(shè)無人機(jī)機(jī)載高能激光器的光束質(zhì)量因子β為3；激光波長λ為1 ；發(fā)射口徑 為1m；跟瞄精度 為2urad；無人機(jī)飛行高度為4km；天頂角α為60°；大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)為2×10-15m-2/3；能見度V為40km。若機(jī)載激光武器對(duì)具有鋼制殼體的大型導(dǎo)彈進(jìn)行毀傷，毀傷功率密度為1000W/cm2(照射時(shí)間為3s)，則激光器功率與作用距離的對(duì)應(yīng)關(guān)系詳見圖1。

圖1顯示，當(dāng)激光器功率為50kW時(shí)，作用距離僅為1.7km；當(dāng)功率增大為300kW時(shí)，作用距離也只有2.9km?？紤]到激光器功率進(jìn)一步提升比較困難，使用者可延長照射時(shí)間，改善激光束質(zhì)量，增大發(fā)射口徑和使用長距離聚焦等方法來提升機(jī)載激光武器的毀傷效果。

圖1 當(dāng)毀傷功率密度為1000W/cm2時(shí)，激光器功率與作用距離的關(guān)系。

反無人機(jī)的毀傷機(jī)理

無人機(jī)機(jī)體使用大量碳纖維復(fù)合材料、塑料等非金屬材料。激光通過熱燒蝕效應(yīng)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行破壞，毀傷功率密度閾值范圍為100 ～200W/cm2（照射時(shí)間2s）。上述高能激光束對(duì)無人機(jī)目標(biāo)進(jìn)行照射，則激光器功率與作用距離的對(duì)應(yīng)關(guān)系詳見圖2。

由圖2可得，功率為50kW的激光器可對(duì)3.4km內(nèi)的無人機(jī)造成結(jié)構(gòu)性損壞；若功率增加到300kW，作用距離增加為5.7km。

圖2 當(dāng)毀傷功率密度為100W/cm2時(shí)，激光器功率與作用距離的關(guān)系。

干擾或致盲傳感器的機(jī)理

針對(duì)紅外制導(dǎo)空空導(dǎo)彈或無人機(jī)機(jī)載光電傳感器，高能激光可對(duì)光電傳感器造成飽和干擾或致盲，達(dá)到影響傳感器作戰(zhàn)的目的，此時(shí)毀傷功率密度為1W/cm2(照射時(shí)間1s)。上述激光束對(duì)目標(biāo)進(jìn)行照射，則激光器功率和作用距離的對(duì)應(yīng)關(guān)系見圖3。

由圖3可知，功率為50kW的激光器可對(duì)12.5km內(nèi)、帶有光電傳感器的目標(biāo)進(jìn)行干擾或致盲；若功率增加到300kW，則作用距離增加為20km。激光器的作戰(zhàn)距離已達(dá)到近程防空的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了良好的攔截效果，適合軍事應(yīng)用。

圖3 當(dāng)毀傷功率密度為1W/cm2時(shí)，激光器功率與作用距離的關(guān)系。

以上仿真計(jì)算只分析了激光器功率與作用距離的關(guān)系。在實(shí)戰(zhàn)中，發(fā)射口徑、天氣、激光束質(zhì)量和跟瞄誤差等因素也是影響激光武器作戰(zhàn)效能的關(guān)鍵因素。

任務(wù)需求和指標(biāo)分析

根據(jù)不同的作用目標(biāo)和作用距離，無人機(jī)機(jī)載激光武器系統(tǒng)可遂行以下作戰(zhàn)任務(wù)。

機(jī)動(dòng)近程防空

攜帶機(jī)載激光武器系統(tǒng)的無人機(jī)在部隊(duì)近程防空區(qū)低空巡邏，作戰(zhàn)半徑10km，采取干擾或致盲光電傳感器的方式，攔截射程范圍內(nèi)的紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈和無人機(jī)，可作為部隊(duì)近程防空體系中的補(bǔ)充手段。當(dāng)前無人機(jī)使用復(fù)合材料制成，在低空飛行，飛行速度慢，雷達(dá)系統(tǒng)難以及時(shí)探測到無人機(jī)。無人機(jī)機(jī)載激光武器系統(tǒng)可以發(fā)射激光束，對(duì)抵近目標(biāo)進(jìn)行快速干擾或攔截，攔截流程如下。

1.根據(jù)外部雷達(dá)提供的目標(biāo)坐標(biāo)信息，無人機(jī)機(jī)載激光武器系統(tǒng)發(fā)射信標(biāo)光，發(fā)現(xiàn)、識(shí)別目標(biāo)，粗跟蹤視場跟瞄目標(biāo)。

2.機(jī)載激光武器系統(tǒng)的精跟蹤系統(tǒng)修正跟瞄誤差，鎖定目標(biāo)。

3.激光測距系統(tǒng)實(shí)時(shí)測距，調(diào)整聚焦系統(tǒng)，激光武器發(fā)射高能激光束，激光束對(duì)目標(biāo)進(jìn)行干擾或攔截。

4.外部雷達(dá)和跟瞄系統(tǒng)評(píng)估目標(biāo)毀傷效果。

執(zhí)行機(jī)動(dòng)近程防空任務(wù)的無人機(jī)一般是戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)，例如RQ-5A“獵手”及改進(jìn)型MQ-5、RQ-7“影子”等無人機(jī)，這些無人機(jī)已裝備陸軍部隊(duì)。以MQ-5B“獵人”為例，其任務(wù)載荷重量為90kg，續(xù)航時(shí)間18h，巡航速度165km/h，若該型無人機(jī)搭載激光武器系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)階段激光器功率密度（50kg/kW）,若激光武器的作戰(zhàn)距離提升至10km，則激光器功率應(yīng)為20kW，此時(shí)激光器重量為1000kg。

地面或水面目標(biāo)精確毀傷

中空長航時(shí)無人機(jī)具有續(xù)航時(shí)間長等特點(diǎn)，搭載高能激光武器系統(tǒng)可對(duì)中遠(yuǎn)程裝甲部隊(duì)或水面目標(biāo)進(jìn)行精確毀傷。地面目標(biāo)或水面目標(biāo)移動(dòng)速度相對(duì)較慢，激光武器系統(tǒng)跟蹤難度不大，因此可適當(dāng)增加照射時(shí)間，提升毀傷效果。

當(dāng)執(zhí)行地面或水面目標(biāo)精確毀傷任務(wù)時(shí)，無人機(jī)飛行高度為3km，其作戰(zhàn)流程如下。

1.偵察衛(wèi)星或無人機(jī)發(fā)現(xiàn)敵方地面或水面部隊(duì)后，通過數(shù)據(jù)鏈將目標(biāo)的位置坐標(biāo)傳給無人機(jī)機(jī)載激光武器系統(tǒng)。

2.裝載激光武器系統(tǒng)的無人機(jī)利用機(jī)載紅外/光電吊艙和雷達(dá)，識(shí)別、跟蹤和鎖定目標(biāo)。

3.機(jī)載激光武器系統(tǒng)收到打擊指令后，發(fā)射高能激光束對(duì)目標(biāo)進(jìn)行毀傷。

4.無人機(jī)編隊(duì)利用光電傳感器或雷達(dá)對(duì)毀傷效果進(jìn)行評(píng)估。

MQ-1“捕 食 者”任 務(wù) 載 荷 重 量200kg，續(xù)航時(shí)間約24h（攜帶任務(wù)載荷時(shí)，續(xù)航時(shí)間為16h)，最大飛行速度220km/h，巡航速度130km/h。如果該型無人機(jī)搭載激光武器系統(tǒng)，根據(jù)仿真結(jié)果，當(dāng)作戰(zhàn)距離為3km時(shí)，激光器功率應(yīng)為340kW，此時(shí)激光器重量為16955kg（功率密度為50kg/kW）。

機(jī)動(dòng)中近程防空

作為反導(dǎo)系統(tǒng)的補(bǔ)充手段，中空長航時(shí)無人機(jī)機(jī)載激光武器系統(tǒng)在航母作戰(zhàn)中近程防區(qū)執(zhí)行反導(dǎo)任務(wù)，作戰(zhàn)半徑10 ～50km。中空長航時(shí)無人機(jī)能滿足長航時(shí)防空巡邏需求，減少了起降次數(shù)，提高了航母的空間利用率；激光武器具有“無限彈艙”的特性，解決了驅(qū)護(hù)艦載彈量有限的問題，可以有效應(yīng)對(duì)敵方飽和式打擊，緩解航母中近程防空體系的壓力。激光武器的反導(dǎo)流程如下。

1.搭載激光武器的無人機(jī)編隊(duì)在航母作戰(zhàn)中近程防區(qū)內(nèi)巡邏，作戰(zhàn)半徑10 ～50km。

2.當(dāng)外部雷達(dá)或傳感器獲取敵方導(dǎo)彈的位置信息后，無人機(jī)快速機(jī)動(dòng)到距離導(dǎo)彈預(yù)抵達(dá)位置10km處，對(duì)敵方導(dǎo)彈進(jìn)行跟蹤、鎖定、瞄準(zhǔn)。

3.激光測距系統(tǒng)實(shí)時(shí)測距，調(diào)整聚焦系統(tǒng)，機(jī)載激光武器發(fā)射高能激光束，激光束對(duì)目標(biāo)進(jìn)行毀傷。

4.無人機(jī)編隊(duì)利用光電傳感器或雷達(dá)對(duì)毀傷效果進(jìn)行評(píng)估。

機(jī)載激光武器的作戰(zhàn)距離要達(dá)到10km，激光器功率應(yīng)為512kW，對(duì)應(yīng)的激光器重量約為25000kg。現(xiàn)有艦載無人機(jī)如美國海軍RQ-8“火力偵察兵”和X-47艦載無人作戰(zhàn)飛機(jī)的任務(wù)載荷重量皆不符合要求，任務(wù)載荷重量或激光束質(zhì)量須要進(jìn)一步提升，機(jī)載激光武器才能在遂行中近程防區(qū)反導(dǎo)任務(wù)。

表2是無人機(jī)機(jī)載激光武器系統(tǒng)任務(wù)需求和部分指標(biāo)。根據(jù)激光器現(xiàn)有的功率密度（50kg/kW），現(xiàn)役無人機(jī)受任務(wù)載荷重量的限制，無法承載滿足作戰(zhàn)需求的激光器。若激光器功率密度降到5kg/kW，則MQ-5無人機(jī)可集成功率為20kW的激光器，干擾或致盲10km內(nèi)的光電傳感器目標(biāo)，對(duì)2.6km內(nèi)的無人機(jī)進(jìn)行硬毀傷；X-47B無人作戰(zhàn)飛機(jī)集成340kW激光器，可毀傷3km內(nèi)、具有鋼制殼體的目標(biāo)，毀傷5.7km內(nèi)的無人機(jī)；若遂行機(jī)動(dòng)中近程防空任務(wù)，激光器重量應(yīng)達(dá)到2500kg，而現(xiàn)役無人機(jī)任務(wù)載荷重量暫不符合要求，激光器性能有待改進(jìn)或無人機(jī)任務(wù)載荷重量須要增大。

表2 無人機(jī)機(jī)載激光武器系統(tǒng)的任務(wù)需求和部分指標(biāo)

展望

根據(jù)現(xiàn)有激光器技術(shù)，無人機(jī)機(jī)載激光武器系統(tǒng)的軍事化應(yīng)用任重而道遠(yuǎn)，激光器的功率密度須要降低到原來的十分之一。此外，無人機(jī)機(jī)載激光武器系統(tǒng)還須要解決光束控制、目標(biāo)探測瞄準(zhǔn)跟蹤（APT）、能源與熱管理等諸多問題。盡管困難重重，但無人機(jī)機(jī)載激光武器技術(shù)符合美軍戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)展方向，具備獨(dú)特的戰(zhàn)略地位。隨著激光器技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，尤其是液體冷卻激光器、光纖合成激光器和堿金屬蒸氣激光器的工程應(yīng)用，無人機(jī)機(jī)載激光武器系統(tǒng)有望在實(shí)戰(zhàn)中發(fā)揮重要作用。