艦載激光武器對(duì)典型無(wú)人機(jī)蜂群目標(biāo)毀傷距離研究

楊劍波,宗思光,陳利斐

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院,湖北 武漢 430033)

1 引 言

當(dāng)前海上作戰(zhàn)環(huán)境日益復(fù)雜,作戰(zhàn)模式、理念隨著武器迭代而推陳出新,高超音速武器、反艦導(dǎo)彈、制導(dǎo)炸彈、小型快艇、小型無(wú)人機(jī)及蜂群、“低慢小”目標(biāo)等新型目標(biāo)的出現(xiàn),使得傳統(tǒng)武器很難滿足防空反導(dǎo)、近區(qū)防衛(wèi)及信息攻防等職能使命需求,艦載高能激光武器、微波武器和電磁炮等新概念武器應(yīng)運(yùn)而生。世界各軍事強(qiáng)國(guó)均在花大氣力投入研究,搶占該領(lǐng)域制高點(diǎn),掌握軍事主動(dòng)權(quán)。尤其是近年來(lái),美國(guó)洛馬公司、諾格公司、雷錫恩公司等軍工巨頭,均積極參與到海軍艦載激光武器的研發(fā)工作,成效顯著,加速了激光武器向?qū)崙?zhàn)化應(yīng)用推進(jìn)[1]。

激光武器是一種以高能量密度激光束作用于來(lái)襲威脅目標(biāo)上,使目標(biāo)被摧毀或受到干擾而失效的作戰(zhàn)武器。相較陸基、空基激光武器系統(tǒng)而言,因作戰(zhàn)環(huán)境的不同,海基激光武器作戰(zhàn)應(yīng)用亦有其特點(diǎn)。主要體現(xiàn)在執(zhí)行任務(wù)多樣性,艦載平臺(tái)適裝性和作戰(zhàn)環(huán)境適用性等方面?，F(xiàn)役的大型水面艦艇能為激光武器提供足夠的電源功率、安裝空間和制冷能力,海上良好的通視性方便了激光武器的作戰(zhàn)使用,海上環(huán)境特點(diǎn)為抑制激光的熱暈效應(yīng)起到了天然冷卻劑作用,海上相對(duì)較弱的大氣湍流更有利于激光束的傳輸,這些客觀因素推動(dòng)了激光武器艦載化。

目前艦載激光武器的理論研究主要集中在對(duì)外軍的艦載激光武器試驗(yàn)和進(jìn)展情況進(jìn)行總結(jié)梳理啟示,提出對(duì)艦載激光武器的軍事需求和使命任務(wù),分析攔截各類目標(biāo)的技術(shù)指標(biāo),或是進(jìn)行體系貢獻(xiàn)率的計(jì)算,對(duì)攔截各類目標(biāo)的毀傷距離計(jì)算方面研究相對(duì)較少。本文研究的是艦載激光武器對(duì)典型無(wú)人機(jī)蜂群目標(biāo)的毀傷距離,而激光武器屬于“點(diǎn)”殺傷武器,一次出光只能照射毀傷一個(gè)目標(biāo),所以艦載激光武器的毀傷距離研究主要針對(duì)單個(gè)無(wú)人機(jī)目標(biāo),此數(shù)據(jù)同樣適用于無(wú)人機(jī)蜂群目標(biāo)(即以點(diǎn)概面),該數(shù)據(jù)能在未來(lái)海戰(zhàn)中為艦艇指揮員對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境研判、武器選擇等方面提供輔助決策的作用。

2 無(wú)人機(jī)目標(biāo)激光易損性分析

激光武器對(duì)無(wú)人機(jī)的毀傷方式分為兩類,一類是硬毀傷,通過(guò)毀傷無(wú)人機(jī)關(guān)鍵部件達(dá)到喪失作戰(zhàn)能力的目的。例如激光輻照機(jī)翼、機(jī)身等部位,使得結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度下降,影響飛行能力；照射油箱、發(fā)動(dòng)機(jī)或機(jī)載導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部等易燃易爆部位,產(chǎn)生大爆炸,毀傷機(jī)體。另一類是軟毀傷,即對(duì)光電偵察載荷、天線或機(jī)身內(nèi)部電子元器件等部件進(jìn)行激光輻照,使得光學(xué)器件致眩、致盲及任務(wù)載荷失效,致使無(wú)人機(jī)喪失偵察、導(dǎo)航等任務(wù)效能。

無(wú)人機(jī)機(jī)身、機(jī)翼等部位為了保證力學(xué)載荷、減重效益和成型工藝,大量采用由結(jié)構(gòu)蒙皮材料組成復(fù)合結(jié)構(gòu)材料,主要有玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂+纖維紙/環(huán)氧樹(shù)脂蜂窩芯+玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合蒙皮,以及碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂+纖維紙/環(huán)氧樹(shù)脂蜂窩芯+碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)構(gòu)復(fù)合蒙皮,兩者被激光照射,達(dá)到毀傷閾值時(shí),會(huì)發(fā)生不同程度的燒蝕穿孔,產(chǎn)生兩種后果,其一是對(duì)機(jī)身內(nèi)部電子元器件進(jìn)行輻照毀傷,其二是影響機(jī)身結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度及氣動(dòng)性能,使無(wú)人機(jī)喪失作戰(zhàn)能力或達(dá)到毀傷目的。表1為無(wú)人機(jī)組成材料激光毀傷閾值[2]。

表1 無(wú)人機(jī)材料激光毀傷閾值Tab.1 Laser destruction threshold of UAV materials

3 典型無(wú)人機(jī)蜂群目標(biāo)選取

近年來(lái),隨著美空軍接連發(fā)布《空軍未來(lái)作戰(zhàn)概念》(2015年)、《2016-2036年小型無(wú)人飛行器系統(tǒng)飛行規(guī)劃》(2016年)和《2030年科技戰(zhàn)略》(2019年)[3],及無(wú)人機(jī)蜂群在實(shí)戰(zhàn)中的運(yùn)用(俄羅斯駐敘利亞防空部隊(duì)遭遇13架無(wú)人機(jī)集群襲擊事件,沙特東北部阿布蓋格煉油廠和胡賴斯油田遭受18架無(wú)人機(jī)襲擊事件)[4],使得蜂群作戰(zhàn)的概念及作戰(zhàn)效果得到了驗(yàn)證和推廣,各國(guó)均加大了無(wú)人機(jī)蜂群領(lǐng)域的研究力度。

美國(guó)在無(wú)人機(jī)蜂群作戰(zhàn)領(lǐng)域獨(dú)樹(shù)一幟,尤其是以美國(guó)戰(zhàn)略能力辦公室(SOC)、美國(guó)海軍研究局(ONR)和美國(guó)國(guó)防預(yù)先研究計(jì)劃局(DARPA)牽頭研究,形成了以十克級(jí)(“CICADA”項(xiàng)目)、百克級(jí)(“Perdix”項(xiàng)目)、公斤級(jí)(“LOCUST”項(xiàng)目)、十公斤級(jí)、百公斤級(jí)(“Gremlins”項(xiàng)目)等平臺(tái)為基礎(chǔ)的作戰(zhàn)系統(tǒng)序列[5]。表2為美軍典型無(wú)人機(jī)蜂群平臺(tái)及基本性能參數(shù)表[6]。

表2 美軍典型無(wú)人機(jī)蜂群平臺(tái)及基本性能參數(shù)表Tab.2 Bee colony platform and basic performance parameters of typical U.S.UAV

以上三種型號(hào)無(wú)人機(jī)蜂群,主要承擔(dān)戰(zhàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)收集、集群攻擊等任務(wù),“小精靈”項(xiàng)目于2020年10月的第三次飛行測(cè)試中驗(yàn)證了自主編隊(duì)飛行能力,但9次空中對(duì)接試驗(yàn)均以失敗告終,空中回收技術(shù)還未成熟[7]。“郊狼”無(wú)人機(jī)能夠攜帶0.9 kg戰(zhàn)斗部進(jìn)行察打一體自殺式作戰(zhàn)?！盎疑靳嚒睙o(wú)人機(jī)屬于微型無(wú)人機(jī)范疇,主要執(zhí)行近距精準(zhǔn)偵察任務(wù)?；谝陨戏治?根據(jù)激光武器作戰(zhàn)使命,選取“郊狼”無(wú)人機(jī)作為典型目標(biāo),選取其相關(guān)參數(shù)進(jìn)行后續(xù)建模仿真。

選取“郊狼”無(wú)人機(jī)主要是為了獲取其飛行速度及高度等相關(guān)參數(shù),尤其是對(duì)于不同飛行速度的無(wú)人機(jī)目標(biāo),艦載激光武器的毀傷距離不同。本文研究的是對(duì)“郊狼”無(wú)人機(jī)蜂群的毀傷距離,如研究對(duì)蜂群目標(biāo)的毀傷能力,還需考慮艦載激光武器系統(tǒng)的各個(gè)方面,包括轉(zhuǎn)火時(shí)間、響應(yīng)時(shí)間等其他因素。

4 仿真模型建立

激光武器毀傷距離主要由照射到目標(biāo)上的激光功率密度、能量密度(照射時(shí)間)和目標(biāo)的破壞閾值所決定。目前普遍使用公式(1)來(lái)簡(jiǎn)化推算激光毀傷。

(1)

式中,Ir(t)為激光上靶功率密度；a是常數(shù)；D是發(fā)射望遠(yuǎn)鏡直徑；P是激光發(fā)射功率；η是大氣透過(guò)率；λ是激光波長(zhǎng)；β是發(fā)射光束質(zhì)量；L是目標(biāo)距離。

從公式(1)中可以看出考慮因素過(guò)于理想化,忽略了氣象環(huán)境、激光武器本身自帶的誤差、大氣傳輸?shù)认嚓P(guān)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性及影響。因此需要構(gòu)建一套相對(duì)較為全面的艦載激光武器反無(wú)人機(jī)毀傷模型。

依據(jù)激光武器系統(tǒng)涉及激光器系統(tǒng)、光束傳輸系統(tǒng)、大氣光學(xué)系統(tǒng)、目標(biāo)捕獲跟蹤系統(tǒng)(ATP)、目標(biāo)強(qiáng)激光毀傷系統(tǒng)等關(guān)鍵部分,仿真主要從氣象環(huán)境參數(shù)、激光武器系統(tǒng)平臺(tái)及目標(biāo)特性參數(shù)、目標(biāo)等效模擬、大氣傳輸模型、上靶光斑面積模擬、上靶能量密度模擬和毀傷概率模擬七模塊進(jìn)行[8]。圖1為艦載激光武器毀傷無(wú)人機(jī)仿真運(yùn)行圖。

圖1 艦載激光武器毀傷無(wú)人機(jī)仿真運(yùn)行圖Fig.1 Simulation diagram of shipborne laser weapon damaging UAV

第一步對(duì)氣象環(huán)境參數(shù)、激光武器系統(tǒng)平臺(tái)及目標(biāo)特性參數(shù)(包括目標(biāo)部位的毀傷閾值)進(jìn)行設(shè)定；其次對(duì)目標(biāo)進(jìn)行空間坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換,方便計(jì)算各型角度和空間距離[9]；第三步根據(jù)大氣傳輸模型、上靶光斑面積模型和上靶能量密度模型,結(jié)合無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)及角度,采用蒙特卡洛仿真模擬跟瞄誤差與射擊誤差,得到激光上靶功率/能量密度,最后與毀傷閾值進(jìn)行比對(duì),計(jì)算出激光毀傷距離及毀傷概率。相關(guān)模塊具體內(nèi)容介紹如下。

4.1 大氣傳輸模型

大氣傳輸模型主要考慮大氣衰減和大氣湍流兩個(gè)方面。

在不考慮大氣熱暈效應(yīng)等非線性效應(yīng)的條件下,在水平傳輸情形下,大氣透過(guò)率T為:

(2)

斜率傳輸情形下,大氣透過(guò)率T為:

(3)

其中:

(4)

式中,V為大氣能見(jiàn)度；R為激光武器與目標(biāo)的距離；K是常數(shù),取決于大氣氣溶膠類型,在海洋環(huán)境下取K=4.543；λ為激光波長(zhǎng)；θ為天頂角；q為修正因子。

(5)

式中,h為目標(biāo)實(shí)時(shí)高度。

4.2 上靶光斑面積模型

激光經(jīng)過(guò)大氣傳輸,會(huì)在遠(yuǎn)場(chǎng)形成光斑,遠(yuǎn)場(chǎng)光斑半徑r1為:

(6)

式中,β為激光經(jīng)過(guò)大氣湍流后的光束質(zhì)量；D為激光發(fā)射口徑；λ為激光波長(zhǎng)；R為激光武器與目標(biāo)的距離。

激光照射目標(biāo)分為兩種情況,一是迎頭打擊,即激光束與目標(biāo)夾角小于30°；另一種是側(cè)向打擊,即夾角大于30°。兩者的光束投影面積不同,與激光武器的高低角、方位角、目標(biāo)高低角、目標(biāo)方位角和目標(biāo)俯沖角有關(guān)。

由于激光武器瞄準(zhǔn)誤差及射擊誤差導(dǎo)致遠(yuǎn)場(chǎng)光斑中心與目標(biāo)靶點(diǎn)中心不重合,產(chǎn)生距離dt,靶標(biāo)等效半徑為r2,則光斑重疊面積S為:

(7)

其中:

(8)

式中,dt為光斑中心與目標(biāo)靶點(diǎn)中心距離；r2為靶標(biāo)等效半徑；S為光斑重疊面積；r1為遠(yuǎn)場(chǎng)光斑半徑。

計(jì)算過(guò)程中,考慮激光武器系統(tǒng)的跟瞄誤差和射擊誤差,兩者均服從正態(tài)分布的均值為0,均方差為σ的隨機(jī)數(shù),利用蒙特卡洛仿真,隨機(jī)生成新的光斑中心[6]。

4.3 上靶能量密度模型

經(jīng)過(guò)傳輸后激光上靶功率密度Ir(t)為:

(9)

式中,P0為激光發(fā)射功率；T為輻照時(shí)間；A為遠(yuǎn)場(chǎng)光斑面積。

上靶能量密度E為:

(10)

式中,S為光斑重疊面積；r2為靶標(biāo)等效半徑。

4.4 毀傷概率模型

根據(jù)激光武器毀傷模型判斷是否有效毀傷:

E0(kJ/cm2)=Pr0(W/cm2)×T(s)

(11)

(12)

式中,Pr為激光上靶功率密度；Pr0為材料功率密度閾值；E0為材料毀傷能量密度閾值；E為激光上靶能量密度；T為輻照時(shí)間。

公式(2)～(4)中,K的賦值取決于激光武器所處工作環(huán)境的大氣氣溶膠類型,鄉(xiāng)村環(huán)境K取值2.828,城市環(huán)境K取值3.132,海洋環(huán)境K取值4.453,沙漠環(huán)境K取值2.496。大氣能見(jiàn)度V在海洋環(huán)境中更有實(shí)際意義,在陸地環(huán)境中,會(huì)有建筑、高山等遮蔽物阻擋,影響激光的傳輸；在海面上,良好的通視性方便了激光武器的作戰(zhàn)使用,海上環(huán)境特點(diǎn)為抑制激光的熱暈效應(yīng)起到了天然冷卻劑作用,海上相對(duì)較弱的大氣湍流更有利于激光束的傳輸。該模型仿真輸出條件差異主要體現(xiàn)在仿真環(huán)境的不同。

5 仿真結(jié)果分析

假定某艦載激光武器的性能參數(shù)為:波長(zhǎng)為1.06 μm,發(fā)射光束質(zhì)量為3,發(fā)射望遠(yuǎn)鏡直徑0.3 m,平均發(fā)射功率為30 kW,50 kW和100 kW三檔,跟蹤誤差及射擊誤差均為10 μrad；選取“郊狼”無(wú)人機(jī)為目標(biāo)無(wú)人機(jī),速度為110 km/h,初始飛行高度為2 km和3 km兩檔,靶標(biāo)等效半徑0.01 m；設(shè)定能見(jiàn)度為5 km,15 km和25 km三檔。考慮系統(tǒng)的跟瞄誤差與射擊誤差,進(jìn)行100次蒙特卡洛仿真,計(jì)算概率毀傷距離。圖2為能見(jiàn)度為15 km,初始高度2 km,毀傷閾值200×5 kJ/cm2情況下,不同功率對(duì)無(wú)人機(jī)目標(biāo)概率毀傷距離圖。圖3為激光功率50 kW,初始高度2 km,毀傷閾值200×5 kJ/cm2情況下,不同能見(jiàn)度對(duì)無(wú)人機(jī)目標(biāo)概率毀傷距離圖。表3為艦載激光武器對(duì)“郊狼”無(wú)人機(jī)目標(biāo)概率毀傷距離匯總表。

圖2 不同功率下概率毀傷距離圖Fig.2 Probability destruction distance diagram under differert power

圖3 不同能見(jiàn)距下概率毀傷距離圖Fig.3 Probability destruction distance diagram under differert visibility distance

可以發(fā)現(xiàn)表3中部分?jǐn)?shù)據(jù),尤其是100 kW功率對(duì)應(yīng)部分,有些毀傷距離已經(jīng)超過(guò)了5 km。這些數(shù)據(jù)的出現(xiàn)是為了表3數(shù)據(jù)的完整性,適當(dāng)調(diào)整了這部分?jǐn)?shù)據(jù)的無(wú)人機(jī)初始距離,以致能出現(xiàn)概率毀傷距離。表3中毀傷距離數(shù)據(jù)若是小于5 km的,其初始距離均為5 km；若大于等于5 km的,則理解為適當(dāng)調(diào)整了初始距離。

表3 艦載激光武器對(duì)“郊狼”無(wú)人機(jī)目標(biāo)概率毀傷距離匯總表Tab.3 Summary of probability destruction distance of shipborne laser weapon to Coyote UAV target

在無(wú)人機(jī)易損性分析中,簡(jiǎn)要介紹了激光毀傷機(jī)理,激光主要還是通過(guò)能量累積達(dá)到材料的毀傷閾值能量,造成材料毀傷。在仿真過(guò)程中,以玻璃纖維材料毀傷閾值能量為200×5 kJ/cm2為例,把目標(biāo)0.01 s運(yùn)動(dòng)作為一個(gè)點(diǎn),按每一個(gè)起算點(diǎn)后每5 s為一個(gè)界定,需要500個(gè)目標(biāo)點(diǎn)能量密度相加,但是隨著目標(biāo)的飛行,距離越近,遠(yuǎn)場(chǎng)功率越強(qiáng),實(shí)際上并不需要500個(gè)點(diǎn)(即5 s)就能滿足毀傷閾值,這個(gè)起算點(diǎn)也滿足毀傷條件。

激光指向性特別好,理論上講毀傷概率要么是1,要么就是0,但是由于瞄準(zhǔn)誤差及射擊誤差等客觀因素存在,導(dǎo)致靶上光斑重合面積會(huì)隨機(jī)抖動(dòng),無(wú)法對(duì)瞄準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行持續(xù)且準(zhǔn)確的輻照,使得上靶能量發(fā)散明顯,無(wú)法在規(guī)定時(shí)間內(nèi)達(dá)到毀傷閾值,即無(wú)法對(duì)目標(biāo)材料造成毀傷,就出現(xiàn)了概率毀傷這種情況,但由于激光的精準(zhǔn)性,概率毀傷距離范圍偏差不大。

毀傷概率為0,意味著這個(gè)距離不能造成激光毀傷；毀傷概率為0～1,此狀態(tài)下,激光可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行毀傷,但不能保證效果；毀傷概率為1,意味著這個(gè)距離,能100 %毀傷目標(biāo)。單從毀傷單目標(biāo)而言,可從毀傷概率0～1的距離開(kāi)始照射,但對(duì)于無(wú)人機(jī)蜂群目標(biāo)而言,優(yōu)先選擇距離在毀傷概率為1的距離以內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行照射,這樣能保證毀傷有效性。

從圖2可得出,在能見(jiàn)度、初始高度及目標(biāo)毀傷閾值一定的情況下,有效毀傷距離(概率為1)隨著激光發(fā)射功率的提升而變遠(yuǎn)；從圖3可得出,在發(fā)射功率、初始高度及目標(biāo)毀傷閾值一定的情況下,有效毀傷距離隨著環(huán)境能見(jiàn)度的提升而變遠(yuǎn),因?yàn)樾拚蜃觪隨著能見(jiàn)度分段取值,使得能見(jiàn)度從5 km到15 km,15 km到25 km,這兩者的毀傷距離增長(zhǎng)比值,前者較大。

對(duì)于毀傷閾值為100×NkJ/cm2系列的材料,在相同能見(jiàn)度情況下,由于功率大小不同,導(dǎo)致遠(yuǎn)場(chǎng)功率密度不一,隨著激光束與目標(biāo)夾角的不同,即不同打擊狀態(tài)下激光投影面積不同,出現(xiàn)以下3種情況。

以薄鋁板材料能見(jiàn)度15 km為例,一是功率為30 kW 情況下,夾角大于30°,為側(cè)向打擊,高度2 km的毀傷距離大于高度3 km的毀傷距離；二是功率為50 kW情況下,夾角略大于30°,也為側(cè)向打擊,高度2 km和3 km的數(shù)據(jù)接近；三是功率為100 kW情況下,夾角小于30°,為迎頭打擊,高度2 km的毀傷距離小于高度3 km的毀傷距離。

6 結(jié) 語(yǔ)

美空軍助理部長(zhǎng)威爾·羅珀在美《空軍》雜志提到“蜂群作戰(zhàn)就是未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)的樣式”[11]。在未來(lái)海戰(zhàn)場(chǎng),無(wú)人機(jī)蜂群作戰(zhàn)樣式在戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知、有無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)方面將發(fā)揮重大作用。本文具體計(jì)算了艦載激光武器對(duì)“郊狼”無(wú)人機(jī)目標(biāo)的射表,得出了艦載激光武器在不同能見(jiàn)度、功率、高度、毀傷閾值情況下的毀傷數(shù)據(jù)。下一步,將圍繞優(yōu)化七個(gè)模塊的模型,添加艦艇在水面活動(dòng)狀態(tài)等因素,完善艦載激光武器對(duì)典型無(wú)人機(jī)蜂群目標(biāo)的射表研究。