艦載激光武器打擊無(wú)人機(jī)蜂群毀傷特性研究

王柏雄,宗思光,張 鑫

(1.海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院,湖北 武漢 430033;2.海軍航空大學(xué) 青島校區(qū),山東 青島 266041)

1 引 言

目前,各國(guó)的軍備競(jìng)爭(zhēng)非常激烈,新型武器裝備不斷走上軍事舞臺(tái),由此衍生出來的作戰(zhàn)樣式也越來越多,無(wú)人機(jī)裝備也應(yīng)運(yùn)而生,由于無(wú)人機(jī)在戰(zhàn)爭(zhēng)中存在諸多優(yōu)勢(shì),因此對(duì)于無(wú)人機(jī)的防御問題也成了各國(guó)廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)[1]。隨著我國(guó)海軍的不斷發(fā)展,水面艦艇編隊(duì)執(zhí)行的任務(wù)也越來越多樣化,因此,面臨的海上安全威脅也越來越大,隨著戰(zhàn)爭(zhēng)形勢(shì)的不斷演變,武器裝備的迅猛發(fā)展,現(xiàn)代化海戰(zhàn)中,水面艦艇面臨的空中威脅已經(jīng)不再是單純的導(dǎo)彈和精確制導(dǎo)的炮彈,無(wú)人機(jī)的投入量也越來越大[2-3]。小型無(wú)人機(jī)蜂群,無(wú)人小艇等“低慢小”目標(biāo)在戰(zhàn)爭(zhēng)和局部沖突中越來越多的投入到戰(zhàn)斗中,對(duì)我海上艦艇編隊(duì)造成了極大的威脅,艦艇編隊(duì)急需一種有效快速低費(fèi)效比的防御手段[4-6]。激光武器是用高能的激光對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精確射擊或者用于防御導(dǎo)彈等的武器,具有快速,靈活,精確和抗電磁干擾等優(yōu)異性能,隨著在實(shí)戰(zhàn)中的運(yùn)用,各國(guó)對(duì)激光武器重視度越來越高,由于性能優(yōu)越,各國(guó)廣泛將其應(yīng)用于車載,機(jī)載,艦載等方式[7]。通過研究艦載激光武器打擊無(wú)人機(jī)蜂群毀傷特性,為后續(xù)激光武器協(xié)同艦炮進(jìn)行打擊無(wú)人機(jī)方案的可行性提供數(shù)據(jù)支撐。

論文針對(duì)艦載激光武器反制無(wú)人機(jī)蜂群應(yīng)用背景,研究了艦載激光武器打擊無(wú)人機(jī)蜂群的毀傷理機(jī)理,分析了不同材料無(wú)人機(jī)的毀傷效果,結(jié)合無(wú)人機(jī)材料激光毀傷閾值,建立了激光武器打擊無(wú)人機(jī)蜂群作戰(zhàn)模型,計(jì)算了不同能見度、激光打擊功率條件下(10 kW、30 kW、50 kW)對(duì)無(wú)人機(jī)蜂群的有效打擊距離。對(duì)激光武器打擊無(wú)人機(jī)蜂群的作戰(zhàn)效能做出驗(yàn)證,通過仿真得到的數(shù)據(jù)來驗(yàn)證其有效性。為后續(xù)激光武器協(xié)同艦炮進(jìn)行打擊無(wú)人機(jī)方案的可行性提供數(shù)據(jù)支撐。

2 艦載激光武器打擊無(wú)人機(jī)蜂群毀傷理論分析

根據(jù)激光大氣傳輸方程,高能激光經(jīng)過空氣衰減后激光上靶功率密度prt計(jì)算公式[8]如下:

(1)

式中,P0為激光武器發(fā)射功率(已知);T為持續(xù)上靶時(shí)間(已知);A為目標(biāo)遠(yuǎn)場(chǎng)光斑面積。

上靶能量密度E為:

(2)

式中,S為激光光斑重疊的面積(計(jì)算得出);r2為靶標(biāo)等效半徑(仿真)。

激光經(jīng)過大氣傳輸,會(huì)在遠(yuǎn)場(chǎng)形成光斑,遠(yuǎn)場(chǎng)光斑r1半徑為:

(3)

式中,β為激光的光束質(zhì)量(已知);D為激光武器發(fā)射口徑(已知);λ為激光武器的波長(zhǎng)(已知);R為激光武器與目標(biāo)的距離。

因激光武器與來襲彈藥的相對(duì)態(tài)勢(shì)不同,在不同照射角度下激光武器的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑投射在目標(biāo)表面會(huì)發(fā)生形變,綜合考慮系統(tǒng)誤差和目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的影響,激光武器實(shí)際上靶區(qū)域?yàn)椴灰?guī)則圖形,被輻照的區(qū)域面積稱為激光光斑重疊的面積S,其大小由靶標(biāo)等效半徑r2決定。

(4)

式中,x計(jì)算方法如下,其中dt為激光光斑的中心到目標(biāo)等效靶點(diǎn)的距離:

(5)

最終激光武器對(duì)目標(biāo)的毀傷判定由激光上靶能量密度和激光上靶功率密度決定,當(dāng)以上兩個(gè)指標(biāo)大于目標(biāo)材料的毀傷閾值時(shí),判定可以毀傷:

(6)

式中,E0為目標(biāo)材料毀傷能量密度閾值;pr0為目標(biāo)材料毀傷功率密度閾值。

3 蜂群無(wú)人機(jī)激光易損性分析

3.1 無(wú)人機(jī)的激光毀傷機(jī)理

(1)光電設(shè)備的軟毀傷機(jī)理

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。光電設(shè)備致眩主要分為可見光和紅外兩類。對(duì)于可見光偵察設(shè)備,激光輻照探測(cè)器導(dǎo)致飽和效應(yīng),無(wú)法輸出正常圖像;對(duì)于紅外偵察設(shè)備,窗口材料吸收激光導(dǎo)致溫升,當(dāng)溫度上升到一定程度,窗口材料通過熱輻射致使光電設(shè)備發(fā)生光飽和效應(yīng),無(wú)法輸出正常圖像。無(wú)人機(jī)搭載的可見光傳感器、激光測(cè)距儀等光電設(shè)備波長(zhǎng)與固體激光武器波長(zhǎng)接近,容易實(shí)現(xiàn)致眩干擾。

(2)機(jī)翼/機(jī)身/設(shè)備艙的激光硬毀傷機(jī)理

激光硬毀傷即通過毀傷無(wú)人機(jī)關(guān)鍵部件達(dá)到使其喪失作戰(zhàn)能力的目的。例如機(jī)翼、機(jī)身等結(jié)構(gòu)件受激光輻照導(dǎo)致燃燒或結(jié)構(gòu)受損,使得無(wú)人機(jī)飛行失控墜毀;激光照射油箱、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;供電電路、控制器等設(shè)備受激光輻照后,因過熱而故障或死機(jī),導(dǎo)致無(wú)人機(jī)失去動(dòng)力或飛行失控墜毀;鋰電池在激光作用下甚至?xí)l(fā)生爆炸。已開展研究表明,機(jī)殼蒙皮是最易受激光武器攻擊的部位,根據(jù)材料種類與厚度不同,毀傷功率密度閾值約50～150 W/cm2。

3.2 對(duì)不同材料的無(wú)人機(jī)的毀傷效果分析

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)氧樹脂+纖維紙/環(huán)氧樹脂蜂窩芯+玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合蒙皮,以及碳纖維/環(huán)氧樹脂+纖維紙/環(huán)氧樹脂蜂窩芯+碳纖維/環(huán)氧樹脂結(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,進(jìn)而達(dá)到毀傷目的。無(wú)人機(jī)不同部位材料功能如表1所示。

表1 無(wú)人機(jī)組成結(jié)構(gòu)圖

對(duì)于不同的材料,由于其自身性能的不同,使用激光武器對(duì)其進(jìn)行打擊的時(shí)候,所用的打擊時(shí)間和激光武器發(fā)射激光的功率也各不相同,通過對(duì)不同材料的模擬仿真打擊實(shí)驗(yàn),記錄激光武器對(duì)于不同材料的打擊所使用的時(shí)間以及功率數(shù)據(jù),根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù),為后續(xù)激光武器在實(shí)戰(zhàn)中投入使用提供理論支撐。典型不同功率激光輻照無(wú)人機(jī)毀傷性能如表2所示[9-11]。

表2 不同功率激光對(duì)不同材料的毀傷時(shí)間表

4 艦載激光武器對(duì)無(wú)人機(jī)蜂群目標(biāo)作戰(zhàn)能力

4.1 艦載激光武器對(duì)無(wú)人機(jī)蜂群毀傷距離

激光武器打擊無(wú)人機(jī)的過程是:發(fā)射激光、激光傳輸、激光照射、激光灼燒[11]。因而打擊過程中的毀傷距離主要取決于激光武器的發(fā)射功率以及激光傳輸過程中的能量損耗。在進(jìn)行海上作戰(zhàn)的時(shí)候,不同的海上氣象水文環(huán)境對(duì)激光武器發(fā)射激光打擊無(wú)人機(jī)有一定的影響。本文以打擊小精靈無(wú)人機(jī)的碳纖維材料部位為例。對(duì)良好能見度(天空晴朗)情況和中等能見度(可見霾)情況進(jìn)行仿真模擬實(shí)驗(yàn),得出不同情況下激光武器對(duì)無(wú)人機(jī)的毀傷距離數(shù)據(jù)。激光武器的發(fā)射功率由發(fā)射端即可操控,因此屬于可控因素。因此,主要研究不同大氣環(huán)境條件下的激光傳輸損耗情況,得出毀傷距離數(shù)據(jù),為激光武器反制無(wú)人機(jī)工程應(yīng)用提供參考。

基于小精靈無(wú)人機(jī)的組成部位以及各部位所使用的材料,并通過多次數(shù)據(jù)仿真模擬,得出不同功率艦載激光武器對(duì)小精靈無(wú)人機(jī)在不同能見度情況下的毀傷距離匯總表如表3所示。

表3 激光武器對(duì)小精靈無(wú)人機(jī)不同部位在不同能見度情況下的毀傷距離

通過仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,可以得到以下結(jié)論:激光發(fā)射功率越高,激光武器對(duì)無(wú)人機(jī)毀傷距離越遠(yuǎn);氣象能見度將極大的影響激光武器的作戰(zhàn)效能,能見度越低,激光武器對(duì)無(wú)人機(jī)毀傷距離越近,在使用激光武器反制無(wú)人機(jī)蜂群時(shí),必須考慮氣象能見度的影響;激光武器對(duì)無(wú)人機(jī)不同部位打擊毀傷距離不同,其中針對(duì)光電傳感器的打擊毀傷距離最遠(yuǎn),因碳纖維材料抗激光輻照閾值高,激光對(duì)覆蓋碳纖維材料的機(jī)身打擊最難,毀傷距離近。

4.2 艦載激光武器打擊能力評(píng)估分析

實(shí)戰(zhàn)中,激光武器對(duì)無(wú)人機(jī)的毀傷效果受制于多種因素。本文以小精靈無(wú)人機(jī)為例,給出無(wú)人機(jī)的飛行高度,飛行速度,無(wú)人機(jī)使用材料的毀傷閾值,通過找到無(wú)人機(jī)的易損傷部位,查找數(shù)據(jù)得到易損傷材料的毀傷輻射時(shí)間T1,評(píng)估分析激光武器對(duì)無(wú)人機(jī)的毀傷距離以及毀傷架次,此為特定激光功率、氣象能見度下的激光武器打擊無(wú)人機(jī)蜂群的作戰(zhàn)效能。評(píng)估示意圖如圖1所示。

圖1 激光武器對(duì)無(wú)人機(jī)的毀傷效能計(jì)算流程

研究激光武器反無(wú)人機(jī)蜂群目標(biāo)作戰(zhàn)時(shí),激光武器對(duì)于無(wú)人機(jī)蜂群的最大毀傷距離至關(guān)重要,它決定著激光武器的開火時(shí)間。以來襲10架次小精靈無(wú)人機(jī)為例,無(wú)人機(jī)初始高度為2000 m,飛行速度為30 m/s,氣象能見度為15 km能,激光波長(zhǎng)為1064 nm,采用脈沖光進(jìn)行照射。選取典型的激光發(fā)射功率30 kW、50 kW,對(duì)無(wú)人機(jī)的碳纖維材料進(jìn)行照射毀傷的最大毀傷距離仿真圖,如圖2所示。

圖2 不同激光功率下激光武器對(duì)無(wú)人機(jī)的毀傷距離

當(dāng)激光發(fā)射功率為30 kW時(shí),激光武器對(duì)小精靈無(wú)人機(jī)蜂群碳纖維蒙皮的最大毀傷距離為1547 m,根據(jù)材料激光毀傷閾值可知,碳纖維材料的毀傷照射時(shí)間為10 s,在此時(shí)間內(nèi),剩余無(wú)人機(jī)蜂群向前推進(jìn)300 m,由事先制定好的毀傷概率模型可以得出,在此條件下激光武器可以有效毀傷5架小精靈無(wú)人機(jī),因此,此條件下激光武器的毀傷概率為50 %。

當(dāng)激光發(fā)射功率為50 kW時(shí),激光武器對(duì)小精靈無(wú)人機(jī)蜂群碳纖維蒙皮的最大毀傷距離為1911 m,根據(jù)材料激光毀傷閾值可知,碳纖維材料的毀傷照射時(shí)間為10 s,在此時(shí)間內(nèi),剩余無(wú)人機(jī)蜂群向前推進(jìn)300 m,由事先制定好的毀傷概率模型可以得出,在此條件下激光武器可以有效毀傷6架小精靈無(wú)人機(jī),因此,此條件下激光武器的毀傷概率為60 %。

5 總 結(jié)

論文以激光武器打擊無(wú)人機(jī)蜂群軍事需求為牽引,對(duì)艦載激光武器打擊無(wú)人機(jī)蜂群進(jìn)行毀傷理論分析,對(duì)不同材料的無(wú)人機(jī)的毀傷效果分析,結(jié)合無(wú)人機(jī)的材料激光毀傷閾值,建立激光武器打擊無(wú)人機(jī)蜂群作戰(zhàn)模型,計(jì)算在不同激光功率條件下(10 kW、30 kW、50 kW)對(duì)無(wú)人機(jī)蜂群的有效打擊距離,得到:良好能見度(10～20 km)情況下激光武器對(duì)無(wú)人機(jī)蜂群的有效毀傷距離為1547 m;中等能見度(4～10 km)情況下毀傷距離研究,激光武器對(duì)無(wú)人機(jī)蜂群的有效毀傷距離為1160 m。對(duì)激光武器打擊無(wú)人機(jī)蜂群的作戰(zhàn)效能做出驗(yàn)證,通過仿真得到的數(shù)據(jù)來驗(yàn)證其有效性,得到此條件下不同激光功率條件下激光武器最大毀傷架次,研究成果可為激光武器反制無(wú)人機(jī)方案設(shè)置提供理論支撐。