高能激光武器的毁伤机理及飞行器防御途径分析

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高能激光武器的毁伤机理及飞行器防御途径分析
高能激光武器是发射激光束直接毁伤军事目标的新概念武器。近几年来，美国高能激光武器的研制取得了突破性进展，其机载激光器即将投入实战。据预测，从2006年到2025年间，美国的机载、车载、舰载、地基、天基五大类平台的高能激光武器将陆续进入实战部署阶段，主要用于毁伤导弹、飞机、卫星等空中目标。高能激光武器以光速传输电磁能，导弹、飞机、卫星等超音速运动目标与光速相比近似于静止目标，因此在毁伤目标时无需计算提前量，瞬间即中。高能激光武器主要依靠红外探测器捕捉、跟踪目标，作战过程不受电磁波干扰，防御方难以利用电磁干扰手段降低其命中目标的概率。高能激光武器发射时无后坐力，转移火力快，可在360°范围内调整火力，击中一个目标后只需调整一下角度即可攻击另一个目标，从而能在短时间内大批毁伤空中目标。不难看出，高能激光武器投入实战后，将导致毁伤空中目标方式的革命性变革，人们将不得不面对这一严酷的现实。搞清高能激光武器对空中目标的毁伤机理，对于防御激光武器是非常重要的。高能激光武器的破坏效应主要有热烧蚀破坏效应、激波破坏效应和辐射破坏效应。本文将对这三大破坏效应的毁伤机理进行初步分析，并探讨相应的防御途径或措施。
　　
　　热烧蚀破坏效应
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　　激光照射到目标上后，目标材料物质的电子由于吸收光能产生碰撞而转化为热能，使材料的温度由表及里迅速升高，当达到一定温度时材料被熔融甚至气化，由此形成的蒸气以极高的速度向外膨胀喷溅，同时冲刷带走熔融材料液滴或固态颗粒，从而在材料上造成凹坑甚至穿孔，这种效应称为热烧蚀破坏效应。热烧蚀破坏效应是激光武器最重要的毁伤手段。
  [: h# B+ Z$ B; i1 \3 ?) I　　1?热烧蚀破坏效应的特性
　　实验表明，热烧蚀破坏效应与激光光源参数、外界环境参数和材料物质参数密切相关。
　　激光光源参数包括激光波长、功率密度、激光作用时间、激光束的时空结构(脉冲或连续波)等；外界环境可以是真空环境、各种大气环境和人工设计的具有易反射或易吸收功能的各种环境；材料物质的参数既包括材料的比热系数、热传导系数、热扩散系数、熔点等热物理性能参数，也包括材料的弹性模量、屈服强度、拉伸断裂强度等力学性能参数。这些参数的不同，将导致激光对材料的热烧蚀破坏效应的不同。1998年12月，南京理工大学通过精密的计算和严格试验完成了《激光武器的毁伤机理与防护技术》报告。根据这个技术报告，可以对激光的热烧蚀效应总结出以下若干重要结论：
3 p5 d! s- {) d/ L! i8 P: D　　(1)在激光对材料的热烧蚀破坏过程中，材料表面温度与激光作用时间的平方根成正比，即激光对材料作用的时间越长，材料表面的温度越高。对于给定能量的脉冲激光，当增加功率密度时，缩短脉冲持续时间，则加热时间必然缩短，而材料表面的温度将会升高。也就是说，使用峰值功率高、持续时间短的脉冲激光可以更有效地对材料表面加热。但是，高功率脉冲激光与材料作用时，材料表面产生的等离子体的屏蔽作用对激光的烧蚀效果又有负面影响。
& d* h% _0 g; g　　(2)激光对材料的热烧蚀破坏阈值既可用能量密度阈值描述，也可用功率密度阈值描述。在矩形短脉冲情况下，激光对给定材料破坏的能量密度阈值是一个常数，而功率密度阈值与脉宽成反比；在矩形长脉冲情况下，激光对给定材料的破坏能量密度阈值与脉宽的平方根成正比，而功率密度阈值与脉宽的平方根成反比。也就是说，短脉冲激光主要靠达到功率密度阈值对材料产生烧蚀破坏，长脉冲激光主要靠达到能量密度阈值对材料产生烧蚀破坏。
# k0 h7 s& ?5 \9 \$ o; L　　(3)不同的物质材料对激光的吸收能力和反射能力各不相同，反映这种能力的物理概念是材料对激光的吸收系数与反射系数。根据能量守恒定律，激光不能穿透的材料的反射系数与吸收系数之和为100％。激光对材料的热烧蚀破坏能力，与材料对激光的反射系数成反比，与材料对激光的吸收系数成正比。
　　(4)对于熔点相同的两种材料，当照射激光功率较小时，热传导系数较大的材料被烧熔所需时间较长，热传导系数较小的材料被烧熔所需时间较短；随着入射激光功率的逐步增大，材料在激光的作用下进行热传导的时间逐步缩短，两种材料被烧熔所需时间逐步接近；当辐射激光功率足够大时，材料在激光作用下来不及进行热量传导，两种材料被烧熔所需时间达到一致。
　　(5)如果材料参数与激光脉冲的参数合适，在材料表面气化时，还有可能使材料深部温度高于表面温度，这时材料内部因热过载而形成高温进而产生高压，当达到阈值时便会发生热爆炸，从而提高激光穿孔的破坏效率。
　　2?热烧蚀效应对飞行器的毁伤方式
( c* H4 ?# _2 G　　高能激光武器的热烧蚀效应对导弹、飞机、卫星等飞行器的破坏主要表现为直接烧蚀破坏、结构力学破坏和对光电器件的破坏。
　　导弹、飞机、卫星的壳体一般都是熔点在1500°C左右的合金材料，功率2～3MW的脉冲高能激光只要在其壳体表面某固定部位辐照3～5s，就容易被烧蚀熔融甚至气化，使目标内部的燃料燃烧爆炸或元器件损伤遭毁。这种破坏称为直接烧蚀破坏。
5 D6 }4 N5 R  ^8 d2 J+ y/ E　　当辐照的激光功率较低时，目标所吸收的激光能量虽使材料表面局部温度升高，但低于熔点，这时虽然不能烧熔材料，但是能改变材料的物理和力学性能，如使屈服强度、拉伸强度下降。这种现象称为软化效应。实际上，即使功率较大的激光照射目标时，目标也是在熔融之前产生软化效应而遭毁的。因此，激光武器不一定非要把导弹、飞机、卫星等的壳体表面烧出洞来才能毁伤目标，而可以通过软化效应造成其壳体材料抗拉抗压强度下降，使其在自身应力的作用下遭毁。特别是导弹设计的准则是尽量减小结构重量，以保证必要的有效载荷，因此在进行结构设计时不可能留有很大的余量，从而使导弹壳体材料产生软化效应时，在其飞行气动应力的作用下就很容易变形甚至解体。这种使目标外壳变形或解体毁伤目标的情景称为结构力学破坏。
　　当激光作用于光电器件使其温度升高时，会严重影响光电器件的技术性能而使其失效。例如对于光电探测器，温度过高、光照过强就会大大影响其成像质量，甚至根本无法工作。这种情况就是对光电器件的破坏。
　　3?飞行器防御热烧蚀破坏的途径
　　美国研制的激光武器发射的都是主要依靠功率密度阈值毁伤目标的短脉冲高能激光，如机载激光器、天基激光武器的发射功率为2～3MW，舰载激光器和地基激光器的发射功率最终将达到兆瓦，车载激光武器“鹦鹉螺”的发射功率为500kW，均为纳秒级脉宽和微米级波长，每次发射持续时间为3～6s。激光辐射到空中目标上后，需要在其某固定部位稳定一定的时间以积累起足够的能量，才能将目标烧毁。根据前面的分析我们知道，在如此强大的高功率脉冲激光的辐照下，增大目标材料的热传导系数对于防御激光的热烧蚀毁伤是没有意义的，防御方应该从以下几个方面着眼：
　　(1)飞行器应该滚动飞行。导弹弹体旋转飞行，卫星在轨道上滚动飞行，飞机在遭遇激光照射时立即作不规则的翻滚飞行，使激光不能盯住空中目标的某个固定部位积累能量，可以延长被激光烧毁的时间，有效地防御热烧蚀破坏。
　　(2)飞行器壳体可采用抗激光结构设计技术。美国研究了一种用于卫星、飞机、导弹等飞行器抗激光烧蚀破坏的保护性壳体结构。以导弹为例，其抗激光防护结构不会使导弹的总成本和总重量增加太多。这种抗激光烧蚀结构有两层防热层，中间夹一层抗激光烧蚀阻挡层，三层粘结在一起，固联到导弹壳体的外表面。图1为早期导弹的壳体结构(称1结构)，图2为现代导弹的壳体结构(称2结构)，图3为抗激光导弹壳体设计结构(称3结构)。1结构包括金属壳体(11)，燃料密封衬套(12)。在2结构中，23为外包层，21为玻璃纤维复合材料的导弹壳体结构件，22为燃料密封衬套。3结构即为抗激光烧蚀结构，导弹壳体包含一层玻璃纤维构件31，燃料密封衬套32，而33、34、35的作用是抗激光烧蚀，其中33、35是防热层，可以是软木复合材料(软木酚醛、软木环氧树脂、软木腈橡胶)，厚度可在0?1～1cm之间选择；34是烧蚀阻挡层，一般由浸渍重金属、树脂的碳纤维织物构成。实验证明，这种结构具有很强的抗激光烧蚀性能。
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　　(3)应用抗激光物质涂层技术增大飞行器壳体对激光的反射系数。实验证明，激光波长在1～10μm之间时，各类纯金属都有90％以上的反射系数；激光波长降至0?25μm以下时，大多数纯金属的反射系数迅速下降，例如铜可降至0?1以下。金属温度升高后，反射系数下降，吸收系数上升。金属表面是否光滑可影响其对激光的反射与吸收；表面粗糙的，其吸收系数会上升。固体材料对激光的吸收和反射性质与材料的纯度有关，杂质含量高的材料，吸收系数也较大。美国研制的激光武器的波长在1?315～3?8μm之间，如果用纯金属作为飞行器的壳体材料，应该有高达90％以上的激光反射率。但是，由于综合考虑对壳体材料的要求，不可能用纯金属，而多采用合金，加上目标在大气层内飞行中的摩擦或在外层空间接受日光的照射，其外表的温度通常很高，因而目标表层对激光的反射系数下降，吸收系数上升。因此，需要在其表面应用抗激光物质涂层技术，选择激光反射系数大的材料涂于目标壳体的表面，并应用工艺和技术手段增加壳体表面的光滑度。据称美国通用电气公司已生产了一种十分有效的抗激光涂层材料。这种材料的结构是由许多很薄的可以反射激光的石墨层组成的，每层石墨如同镜子一般,可以将大部分激光能量反射掉，保护飞行器不受热损伤。
　　(4)飞行器的电子器件部位应采取抗烧蚀措施。导弹、飞机、卫星的各个部位易被激光损伤的程度是不均等的。相对于壳体而言，导弹的导引头整流罩、飞机雷达的天线罩、飞机驾驶舱的玻璃罩、卫星上各类传感器的光学薄膜等窗口部位，是易被激光损伤的薄弱部位。对这些薄弱部位进行特殊的技术处理，例如用透光、透波性好，激光反射系数大，耐高温的材料充当保护层等等，可以有效地增强这些薄弱部位的抗烧蚀能力。
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3 v! @% {8 }1 I2 _　　激波破坏效应
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　　激波破坏效应是脉冲高能激光特有的物理效应。脉冲高能激光辐照功率达到峰值时，会在靶材表面形成一个烧蚀等离子层。该等离子层迅速向外喷射，施于靶面一个冲击压力，该压力称作烧蚀压力。靶面的这一烧蚀压力的冲击加载导致一个激波向靶内传播，称作压缩加载波。随着激光功率的下降，又会向靶内传播一个稀疏卸载波。由于稀疏卸载波很快赶上前面的压缩加载波，两者叠加的结果便形成了三角形剖面的激波。该激波到达靶材后自由面时发生反射，转换为拉伸波。一旦拉伸力达到一定值时，便会引起拉伸损伤，即断裂破坏。这就是激光的激波破坏效应。
　　激波引发材料断裂的许多数据是在飞板碰撞实验中取得的。飞板碰撞实验表明，激波动力学损伤与应力持续时间有关，长脉冲激光比短脉冲激光造成损伤的应力要低。材料损伤不是瞬时的，有一个时间积累的过程。材料的损伤通常要经历三个不同的阶段，即微小孔洞的成核阶段、增长阶段和汇合阶段。当拉伸应力大于某一临界值时，微小孔洞开始成核。随着激波应力与材料表面继续作用，微小孔洞不断增长。当时间的积累达到一定的阈值时，微小孔洞的汇合得以完成，于是发生了断裂损伤。
" z" A. X, w" ?/ f: v　　激波在靶材内传播时，靶材断裂的厚度与激光波长、脉宽、强度、脉冲形状、烧蚀压力和靶材材料参数、靶材厚度有关。实验表明，在给定的激光参数和靶材材料参数条件下，断裂厚度随靶材厚度的增加而增加。其原因是：靶材越厚，传播到靶材后表面的激波就越弱，达到断裂损伤的应力累积的时间就越长，因而断裂片就越厚。当靶材厚到一定程度时，传播到靶材后表面的激波变得太弱，便不会发生断裂。不致产生断裂损伤的靶材厚度称为断裂阈值。在激光烧蚀压力为65GPa、波长为0?308μm、脉宽为2ns、激光强度为8×1011W/cm2的情况下，铝材的断裂阈值为1250μm。如果将激光参数调整为烧蚀压力50GPa、波长0?308μm、脉宽2?5ns、激光强度6×1011W/cm2，铝材的断裂阈值为1175μm。这表明铝材的断裂阈值随着脉冲激光强度的变弱而降低。一般认为，这个结论具有普遍意义。
　　导弹、飞机、卫星壳体金属材料的厚度远远大于其断裂阈值，因此不会受到激波破坏效应的损伤。只有飞行器的光电探测器件窗口等近似于裸露的极薄保护壳体，才是易受激波破坏效应损伤的部位。这些部位抗激光激波破坏的技术措施有很多，适当加厚这些部位保护层材料的厚度，对材料的弹性模量、屈服强度、拉伸断裂强度等力学性能参数进行筛选比较，选择具有抗激波破坏优势的材料充作保护层材料等等，都会收到一定的效果。但前提是不能影响这些部位功能的正常发挥。
　　
　　辐射破坏效应
　　
　　材料表面因激光照射气化而生成等离子体，等离子体一方面对激光起屏蔽作用，另一方面又能够辐射紫外线和X射线，对目标造成损伤，这就是激光的辐射破坏效应。
% Z! Y7 P( O0 k4 p0 b/ }- B. c+ G　　紫外线和X射线与光、热和无线电波一样，在本质上都是电磁辐射。紫外线的波长范围为60～4000埃(1埃=10－4μm)，X射线的波长范围为1～0?01埃，均为不可见光谱。
& j% S  l# H; B9 o8 C: K! D9 {) h　　紫外线有一定的穿透能力，可以使照相底片感光，使磷光和荧光物质发光，能穿透大气层，但不易穿透玻璃。适当照射紫外线可以起到消毒作用，但照射强度过大，会对人体特别是对眼睛造成伤害。实验证明，波长3000埃的紫外线能被角膜的表层吸收，可以引起类似于雪盲的症状；波长3000～4000埃的紫外线能被水晶体吸收，由于光化学作用的结果，引起类似于白内障的症状。因此，紫外线的主要破坏作用是激光致盲。飞行员可以佩戴玻璃眼镜进行防护。
　　X射线是德国科学家伦琴在1895年发现的。他发现这种射线穿透力很强，能穿透玻璃、木板和肌肉等，也能穿透黑纸使里面包着的底片感光，还能使涂有氰酸钡的纸板闪烁浅绿色的荧光，但对骨头难以穿透。伦琴用这种射线拍下他夫人手骨的照片。X射线在光谱中能量最高，可从几十兆电子伏特到几百兆电子伏特。X射线对飞行器的破坏作用以各类卫星最为严重，这是因为：
0 X* d8 G3 I( x) j　　(1)X射线因辐射引起的化学变化能产生光解作用，使物质发生暂时性或永久性色泽变化。
　　(2)X射线可以使感光材料曝光。
　　这两个特性对照相侦察卫星有严重影响。如果照相侦察卫星的透明玻璃在光解作用下色泽变污甚至不透明，或者其储存的照相胶片被X射线穿透曝光，卫星也就基本上失去了作用。
8 l+ z, z5 \! V7 M　　(3)X射线可使气体、液体及固体物质电离，从而改变其电学性质。
　　这个特性对通信卫星有重要影响。如果X射线穿透通信卫星，使卫星内部的电子元器件发生电离现象，改变了原有的电学性质，这颗通信卫星也就基本上报废了。
　　(4)X射线能造成永久性物理损伤，如固体材料的破裂、孔洞、剥落等，这种作用能使标准样品老化而影响使用寿命。
0 R# A8 ?5 g+ }" J- c+ F' e　　这个特性由于是在较长时间照射或照射后较长时间出现的，所以对导弹、飞机基本没有影响，主要是会显著缩短各类军事卫星的服役寿命。
　　对X射线的防御，可以根据其不易穿透骨头的特点，将骨粉压制成防护层衬于卫星的内表面，从而起到阻隔的作用。
　　从以上对激光武器杀伤破坏机理的三个主要破坏效应的分析中可以得出结论：热烧蚀破坏效应是激光对导弹、飞机、卫星等空中目标毁伤的主要手段，激波破坏效应只对飞行器上很薄的金属壳体部位构成物理性损伤威胁，辐射破坏效应只对滞留空中时间较长的卫星构成多方面的严重威胁。不同飞行器防御高能激光武器的毁伤，应根据激光的破坏机理采取不同的相应措施。
　　

木子仁清

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