美國(guó)激光武器發(fā)展建設(shè)研究

李 偉,余志鋒,鄧曉智

(國(guó)防科技大學(xué)電子對(duì)抗學(xué)院,安徽 合肥 230031)

1 引 言

美國(guó)自20世紀(jì)60年代開始進(jìn)行激光武器的研發(fā),隨著國(guó)際形勢(shì)、科學(xué)技術(shù)以及作戰(zhàn)目標(biāo)的改變,美國(guó)激光武器先后經(jīng)歷了戰(zhàn)略激光武器、機(jī)載彈道導(dǎo)彈防御武器階段。進(jìn)入新世紀(jì),尤其是2015年后,材料科學(xué)、能量控制和微電子等技術(shù)不斷取得突破,激光武器的作戰(zhàn)性能得到極大的提高,加之局部戰(zhàn)爭(zhēng)和武裝沖突中無人機(jī)、火箭彈、小型船只等小型戰(zhàn)術(shù)武器的頻繁運(yùn)用,美軍迫切需要一種機(jī)動(dòng)靈活的低功率戰(zhàn)術(shù)激光武器取代大功率激光武器執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)[1]。

早在2000年,美國(guó)就成立了聯(lián)合高能激光技術(shù)辦公室,探索開發(fā)可供戰(zhàn)士在戰(zhàn)場(chǎng)上使用的激光武器系統(tǒng),《2017財(cái)年國(guó)防授權(quán)法案》中明確要求國(guó)防部改組成立聯(lián)合定向能轉(zhuǎn)化辦公室(HEL-JTO),加快美軍定向能能力的研發(fā)與部署,2019年更是任命專責(zé)官員負(fù)責(zé)定向能武器發(fā)展與演示驗(yàn)證,陸軍、海軍和空軍研究實(shí)驗(yàn)室相繼成立專門的定向能技術(shù)研發(fā)與采辦機(jī)構(gòu),民間智庫(kù)也相繼發(fā)布研究報(bào)告,對(duì)定向能武器開展研究。

目前,美國(guó)激光武器在技術(shù)研發(fā)、演示驗(yàn)證、實(shí)戰(zhàn)部署中處于世界領(lǐng)先地位,車載、艦載、機(jī)載等多種激光武器設(shè)備試驗(yàn)相繼獲得成功、陸續(xù)裝備部隊(duì),本文系統(tǒng)總結(jié)了美國(guó)激光武器的發(fā)展建設(shè)機(jī)制、技術(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)展和演示驗(yàn)證情況,并以此為基礎(chǔ),分析預(yù)測(cè)了未來一段時(shí)間美國(guó)激光武器的發(fā)展策略及發(fā)展趨勢(shì)。

2 發(fā)展建設(shè)機(jī)制

2.1 國(guó)家層面的頂層戰(zhàn)略規(guī)劃

《國(guó)防戰(zhàn)略》、《關(guān)鍵與新興技術(shù)國(guó)家戰(zhàn)略》等文件是美國(guó)高能激光武器發(fā)展的頂層戰(zhàn)略規(guī)劃,它明確高能激光武器在國(guó)防科技中的地位。例如,根據(jù)2018年《國(guó)防戰(zhàn)略》,美國(guó)防部將激光武器等定向能列為僅次于高超聲速技術(shù)的高優(yōu)先級(jí)研發(fā)項(xiàng)目之一,采取多種措施重點(diǎn)推進(jìn);2020年10月15日,美國(guó)發(fā)布《關(guān)鍵與新興技術(shù)國(guó)家戰(zhàn)略》,明確國(guó)防科技工作重點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域,強(qiáng)化科技資源投入,加快技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用。2022年2月,美國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)(NSTC)發(fā)布新版關(guān)鍵和新興技術(shù)清單,新增定向能技術(shù),將其作為核心技術(shù)大力發(fā)展。

2.2 組織層面的技術(shù)研發(fā)布局

2017年10月,美國(guó)成立定向能轉(zhuǎn)化辦公室,重點(diǎn)推進(jìn)激光武器等裝備轉(zhuǎn)化工作。國(guó)防部下設(shè)的空軍部、海軍部、陸軍部、導(dǎo)彈防御局和高能激光武器聯(lián)合技術(shù)辦公室等[2]都設(shè)有專門的基礎(chǔ)理論研究、技術(shù)成果轉(zhuǎn)化、武器試驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)構(gòu),各機(jī)構(gòu)彼此間相互配合,合作或各自開展激光武器研究項(xiàng)目。如反電子設(shè)備高功率微波先進(jìn)導(dǎo)彈(CHAMP)項(xiàng)目,由美太平洋司令部提出需求,空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)牽頭規(guī)劃建設(shè)和能力評(píng)估,波音公司作為主承包商提供機(jī)載平臺(tái)和系統(tǒng)集成,雷神公司負(fù)責(zé)研發(fā)高功率微波載荷。

2.3 軍種層面的發(fā)展路線圖

各軍種制定的發(fā)展路線圖是美國(guó)高能激光武器發(fā)展的詳細(xì)規(guī)劃,它明確一段時(shí)間內(nèi)定向能武器和技術(shù)發(fā)展的具體路徑,如《陸軍定向能武器計(jì)劃:背景和呈國(guó)會(huì)問題》(2018)、《美國(guó)空軍路線圖—激光武器》(2018)、《定向能2060—對(duì)美國(guó)防部未來40年定向能技術(shù)展望》(2021)等。如在《定向能2060》報(bào)告[3]中,分析了當(dāng)下定向能的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,預(yù)測(cè)了未來40年定向能技術(shù)發(fā)展水平和定向能武器應(yīng)用狀態(tài),并指出為了保障美未來的定向能能力,美需要制定短期、中期和長(zhǎng)期的國(guó)家戰(zhàn)略,同時(shí)應(yīng)該在尺寸、重量和功率(SWAP)、自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)、激光器研發(fā)、與C4lSR系統(tǒng)集成等激光武器技術(shù)上加大研究力度,進(jìn)而縮短定向能武器發(fā)現(xiàn)、鎖定、跟蹤、瞄準(zhǔn)、交戰(zhàn)和評(píng)估的目標(biāo)周期,實(shí)現(xiàn)真正意義上的“光速交戰(zhàn)”。

2.4 民間層面的智庫(kù)研究報(bào)告

作為美國(guó)國(guó)家安全議題領(lǐng)域的高端智庫(kù)“新美國(guó)安全中心”(CNAS)于2015年公布了《定向能武器前景與展望》報(bào)告,在其中為美國(guó)防部發(fā)展高能激光等定向能武器提供了多項(xiàng)建議:①制定并發(fā)布國(guó)防部范圍內(nèi)的定向能武器發(fā)展戰(zhàn)略計(jì)劃;②在國(guó)防部成立監(jiān)督機(jī)構(gòu);③提供充足的有效資源;④實(shí)戰(zhàn)部署最容易成功的系統(tǒng);⑤穩(wěn)扎穩(wěn)打,為長(zhǎng)遠(yuǎn)成功投資;⑥開展凈評(píng)估,并積極監(jiān)測(cè)國(guó)外定向能武器發(fā)展;⑦將定向能武器納入裝備整體體系中;⑧為定向能武器的快速應(yīng)用提供系統(tǒng)支撐。

3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 激光器開發(fā)方面

美軍從化學(xué)激光武器的探索中得出結(jié)論,化學(xué)激光武器雖能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的兆瓦級(jí)功率輸出,但體積質(zhì)量大、轉(zhuǎn)化效率低、機(jī)動(dòng)能力差、使用成本高的劣勢(shì)不適于車載、艦載和星載等小型平臺(tái),目前該類型激光武器正向小型化發(fā)展,呈現(xiàn)逐漸被固體激光器取代的趨勢(shì)。固態(tài)激光器作為新一代激光武器光源,采用全電工作,具有輸出功率大、能量高,體積小等優(yōu)點(diǎn)[4],尤其是光纖、板條激光器,性能尤為突出。美軍相繼展開的聯(lián)合高功率固體激光器(JHPSSL)、耐用電子激光器(RELI)、高能激光技術(shù)演示器(HELTD)都是針對(duì)固體激光器的研發(fā)。

3.2 光束控制系統(tǒng)方面

光束控制系統(tǒng)能夠在激光武器進(jìn)行射擊時(shí)修正主機(jī)平臺(tái)晃動(dòng)、大氣運(yùn)動(dòng)效應(yīng)(如云、雨、霧、空氣密度的變化)、大氣效應(yīng)(如熱暈、光束衍射、散射、大氣吸收、大氣湍流)對(duì)激光束穩(wěn)定傳輸?shù)挠绊?。“目?美軍已經(jīng)解決了近海面稠密大氣、超聲速飛行激波等條件下的光束自適應(yīng)控制問題[5]”,正在攻克激光高超聲速中的光束控制問題,相關(guān)項(xiàng)目包括先進(jìn)的定位和交戰(zhàn)光束控制(ABLE)、高能自適應(yīng)定向能系統(tǒng)(HADES)、SHiELD轉(zhuǎn)塔氣動(dòng)效應(yīng)研究(STRAFE)、光束控制和氣動(dòng)效應(yīng)研究和開發(fā)(BARD)項(xiàng)目等。

3.3 試驗(yàn)及測(cè)試方面

試驗(yàn)及測(cè)試是美國(guó)激光器研發(fā)的重點(diǎn)一環(huán),實(shí)驗(yàn)室測(cè)試能夠提供大氣補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)問題的解決方案,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試能夠?qū)ξ淦鞯膽?zhàn)技術(shù)性能進(jìn)行全面檢驗(yàn)。一方面,美國(guó)在白沙導(dǎo)彈靶場(chǎng)、中國(guó)湖等武器試驗(yàn)基地設(shè)置高能激光系統(tǒng)測(cè)試設(shè)施,進(jìn)行全面的武器能量測(cè)試,另一方面,各軍種也在各自的試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行激光武器的試驗(yàn)驗(yàn)證,如美空軍在阿諾德空軍基地開展定向能武器系統(tǒng)空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試,美陸軍通過建設(shè)定向能系統(tǒng)集成實(shí)驗(yàn)室,在尤馬試驗(yàn)場(chǎng)測(cè)試等手段,加速激光武器技術(shù)融入作戰(zhàn)系統(tǒng),美海軍“波特蘭”號(hào)在亞丁灣測(cè)試艦載高能激光武器等。

4 各軍種研發(fā)進(jìn)展情況

4.1 國(guó)防部下設(shè)機(jī)構(gòu)研發(fā)情況

美國(guó)防部是定向能技術(shù)發(fā)展的主要的論證、研發(fā)和采辦機(jī)構(gòu),其組織架構(gòu)完整,各下設(shè)部門任務(wù)分工明確,針對(duì)各自領(lǐng)域開展了專門的研究,其主要機(jī)構(gòu)開展的項(xiàng)目如表1所示。

表1 美國(guó)國(guó)防部各機(jī)構(gòu)激光武器研發(fā)情況

4.2 陸軍高能激光武器研發(fā)情況

陸軍激光項(xiàng)目繁雜、研究主體多、面臨的作戰(zhàn)環(huán)境也更加復(fù)雜,截至目前以開發(fā)出多種輸出功率的武器系統(tǒng)。2017～2021年,美陸軍計(jì)劃每年投入1700萬～3000萬美元分階段進(jìn)行機(jī)動(dòng)高功率固體激光器技術(shù)演示,以滿足高能激光武器的適應(yīng)性和功能要求[6]。根據(jù)美陸軍戰(zhàn)術(shù)激光武器相關(guān)演示項(xiàng)目,目前陸基車載激光武器已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)在數(shù)秒內(nèi)對(duì)付10 km范圍內(nèi)的如火箭彈、炮彈、無人機(jī)等戰(zhàn)術(shù)飛行目標(biāo),相關(guān)項(xiàng)目如表2所示。

表2 美國(guó)陸軍激光武器研發(fā)情況

4.3 海軍高能激光武器研發(fā)情況

美海軍2016年起逐步制定了激光發(fā)展規(guī)劃,2021年啟用新的定向能系統(tǒng)集成實(shí)驗(yàn)室等舉措加強(qiáng)激光武器研發(fā)。美軍艦載激光武器主要以固體激光器為主,用于艦艇近程防御。開展的重點(diǎn)項(xiàng)目有“海軍激光武器系統(tǒng)族”(NFLoS)和攔截反艦導(dǎo)彈用高能激光器(HELCAP)項(xiàng)目[7],二者共同為美軍未來艦載激光武器發(fā)展提供支撐。目前,美軍艦載激光武器已具備初始作戰(zhàn)能力,可實(shí)現(xiàn)近程(約4海里)消滅空中和水面目標(biāo)的能力,未來可消滅10海里內(nèi)的威脅目標(biāo),相關(guān)情況如表3所示。

表3 美國(guó)海軍激光武器研發(fā)情況

4.4 空軍高能激光武器研發(fā)情況

機(jī)載中程激光武器(ABL)和先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)激光武器系統(tǒng)項(xiàng)目(ATL)項(xiàng)目使得美空軍在高能激光器技術(shù)、大氣補(bǔ)償技術(shù)、抖動(dòng)控制等方面獲得了相當(dāng)多的技術(shù)積累。目前,美軍正在此基礎(chǔ)上進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)機(jī)載激光武器的研發(fā)工作[8]。當(dāng)前,圍繞武裝直升機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)載激光武器關(guān)鍵部件,如高能激光吊艙、集成系統(tǒng)、束控炮塔等都取得了一定的研發(fā)成果,相關(guān)項(xiàng)目如表4所示。

表4 美國(guó)空軍激光武器研發(fā)情況

4.5 太空軍高能激光武器研發(fā)情況

美國(guó)DARPA曾經(jīng)開展了“阿爾法”“大型光學(xué)演示實(shí)驗(yàn)”“金爪”等計(jì)劃,驗(yàn)證將天基激光武器系統(tǒng)搭載在大功率衛(wèi)星平臺(tái)上的可能。IFX計(jì)劃是21世紀(jì)美軍主要研發(fā)項(xiàng)目,預(yù)計(jì)2013年完成,項(xiàng)目計(jì)劃分為前中后三期,計(jì)劃將兆瓦級(jí)化學(xué)激光器衛(wèi)星發(fā)射至1300千米高空,攔截中段彈道導(dǎo)彈。目前,前中期工作已完成,現(xiàn)在正集中精力攻克關(guān)鍵技術(shù),準(zhǔn)備在2015年后研制天基演示器。美國(guó)科研局設(shè)想未來天基激光武器要想在軌運(yùn)行,需要達(dá)到激光波長(zhǎng)2.7 μm,功率5～10 MW,軌道高度為800～1000 km且能連續(xù)發(fā)光200～500 s。

5 未來展望

5.1 通過架構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高功率能量輸出

當(dāng)前,美國(guó)發(fā)展的激光光源中,化學(xué)激光器由于各種缺陷難以部署列裝進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用,自由電子激光器存在電光轉(zhuǎn)化效率低、后勤保障要求高等缺點(diǎn),板條和薄片激光器系統(tǒng)熱管理、大功率輸出難以保持高質(zhì)量光束的問題還未得到徹底解決,光纖激光器熱管理簡(jiǎn)單、電光效率高、單纖光束質(zhì)量高,美國(guó)在以固體光纖交給我為發(fā)展重點(diǎn)的基礎(chǔ)上,期望通過運(yùn)用系統(tǒng)觀念、體系架構(gòu)設(shè)計(jì),從光譜合成的角度提高激光武器輸出功率[9]。比如,2022年9月,洛克希德·馬丁公司向美國(guó)防部交付300 kW級(jí)HELSI激光器,就采用“光譜光束組合架構(gòu)”,將幾個(gè)不同波長(zhǎng)的激光發(fā)射器輸出疊加在一起,形成一個(gè)單一光束,是當(dāng)前輸出功率最高的實(shí)戰(zhàn)化強(qiáng)激光武器。

5.2 以艦載平臺(tái)為重點(diǎn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)防空反導(dǎo)能力突破

相比于空基和陸基平臺(tái),艦載平臺(tái)具有良好的適裝性,現(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,具有較好的信息保障能力,可根據(jù)任務(wù)需求靈活選擇激光器類型。艦載平臺(tái)良好的通視性也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)起到了天然冷卻劑用,海上相對(duì)較弱的大氣湍流更有利于激光束的傳輸。海軍激光武器系統(tǒng)(LaWs)是美國(guó)國(guó)防部首次部署并批準(zhǔn)用于作戰(zhàn)的激光武器,該型激光武器較好地彌補(bǔ)了艦艇防空反導(dǎo)體系的短板,為應(yīng)對(duì)低價(jià)值、非對(duì)稱目標(biāo)提供低成本、軟硬傷兼?zhèn)?、可持續(xù)作戰(zhàn)的隱蔽攻擊手段。美2023財(cái)年預(yù)算將劃撥3550萬美元作為激光武器系統(tǒng)族(NFLoS)專項(xiàng)資金,加快艦載激光武器發(fā)展。未來,在“弗吉尼亞”級(jí)攻擊核潛艇和下一代主力驅(qū)逐艦DDG(x)上裝備300～600 kW級(jí)的高能激光武器系統(tǒng)的計(jì)劃也將取得突破。預(yù)計(jì)2025年后,美海軍將實(shí)現(xiàn)裝備1 MW級(jí)的高能激光武器,具有應(yīng)對(duì)20 km范圍內(nèi)的光電傳感器、小型船只、炮彈、無人機(jī)、反艦導(dǎo)彈、彈道導(dǎo)彈襲擾的能力。

5.3 以戰(zhàn)術(shù)激光武器為階段重點(diǎn)逐步實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略突破

如果說冷戰(zhàn)期間“星球爭(zhēng)霸”中美國(guó)定向能武器的發(fā)展計(jì)劃是為了拖垮戰(zhàn)略對(duì)手蘇聯(lián),那么當(dāng)前美定向能武器的發(fā)展則更加強(qiáng)調(diào)實(shí)戰(zhàn),注重夯實(shí)基礎(chǔ)、穩(wěn)扎穩(wěn)打、不斷升級(jí),以戰(zhàn)術(shù)激光武器應(yīng)對(duì)靈活的戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)為基礎(chǔ),逐步提升能力,直至實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略突破[10]。根據(jù)美陸軍定向能武器發(fā)展路線圖,美陸軍激光武器階段發(fā)展目標(biāo)首先是降低武器系統(tǒng)重量,提高精度和功率,然后實(shí)現(xiàn)攔截?zé)o人機(jī)、炮彈等集群目標(biāo),最后實(shí)現(xiàn)摧毀來襲的巡航導(dǎo)彈、武裝直升機(jī)和攻擊機(jī)的能力。下一步計(jì)劃是發(fā)展100～250 kW與“毒刺”導(dǎo)彈組合的防空反導(dǎo)激光武器。陸軍計(jì)劃在2021財(cái)年裝備50～100 kW功率的大功率車載激光武器,2024年前實(shí)現(xiàn)300 kW樣機(jī)演示,力爭(zhēng)在2030年實(shí)現(xiàn)集成到綜合性武器的計(jì)劃,并適時(shí)發(fā)展旋翼機(jī)激光武器。

美機(jī)載激光武器采取先進(jìn)行運(yùn)輸機(jī)試驗(yàn)后對(duì)體積質(zhì)量縮減再裝配至戰(zhàn)斗機(jī),先進(jìn)行地面武器系統(tǒng)試驗(yàn)后再考慮進(jìn)行空中試驗(yàn)的思路進(jìn)行發(fā)展,最終的發(fā)展目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)斗機(jī)、直升機(jī)、無人機(jī)、AC-130、B-1B、C-130等大型平臺(tái)部署激光武器,執(zhí)行反恐作戰(zhàn)、攔截導(dǎo)彈、進(jìn)行空戰(zhàn)、對(duì)地攻擊、無人機(jī)搭載空地精確打擊等作戰(zhàn)任務(wù)。根據(jù)美空軍定向能武器發(fā)展路線圖,到2025年,第四代和第五代飛機(jī)將會(huì)裝備100 kW級(jí)高能激光器,具備可挫敗中等程度齊射地空導(dǎo)彈的飛機(jī)自我防衛(wèi)和空對(duì)空作戰(zhàn)能力,在中等距離范圍內(nèi),可擊毀來襲導(dǎo)彈和飛機(jī)、空對(duì)地作戰(zhàn)任務(wù)中精確攻擊中等程度的硬目標(biāo)。2029年以后,在F-35及第六代飛機(jī)上配備300 kW以上級(jí)別高能激光器,實(shí)現(xiàn)擊毀超視距的飛機(jī),擊落遠(yuǎn)距離飛行中的硬目標(biāo),擊毀地面硬目標(biāo)的能力。