车载固体战术激光武器系统

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车载固体战术激光武器系统钟鸣   （ 西南技术物理研究所   四川、成都610041）摘要：本文论述了发展战术激光武器系统的迫切性，分析了国内外固体战术激光武器发展的现状。提出了发展我国我国固体激光战术机动激光武器系统的比较现实的途径是发展大能量钕玻璃固体战术激光武器系统的论点。关键词：固体激光  战术激光武器  热容激光器  钕玻璃激光器1引言作为新概念武器之一的激光武器已经接近于实用化，这种全新概念的武器将会给未来战争产生重大的影响，对武器装备的体系结构带来巨大的变革。激光武器通过将电能、化学能等能量转换成光能，通过强激光与物质的作用，破坏目标。可用于保卫重要机构、指挥中心、通讯和动力中枢等重要目标。激光武器发射的“光弹”以每秒30万公里的光速飞行，比炮弹快40万倍，比导弹快10万倍，无需进行弹道和提前量的计算，瞬发即中。不存在普通武器射击时出现的巨大后坐力和噪声，既可提高射击命中率，又便于隐蔽自己。激光武器通过转动反射镜迅速变换射击方向，在短时间内可以拦截多个来袭目标，可在多种作战平台上使用，机动灵活。激光束可使坚硬目标烧蚀熔化，但又不像核武器爆炸那样产生大量的放射性污染，且其硬件可以重复使用，效费比高。因此，世界强国都在大力发展战术激光武器。固体战术激光武器是激光武器系统中的重要一员，具有重要地位和最具发展潜力。它能够打击多种目标，适于车载、舰载和机载，适用于陆军、海军和空军等多兵种，是一种新型、有效的野战防御武器系统。根据激光武器的特点，未来可以发展成为满足各军兵种不同使用需求的新型武器装备： （1）可以作为天基反导武器。激光武器可对敌方的空中目标实施闪电般的攻击，以摧毁对方的侦察卫星、预警卫星、通信卫星、气象卫星，甚至能将对方的洲际导弹摧毁在助推的上升阶段，实现对战略弹道导弹的打击能力。还可组建成为天对地、天对空、天对海的打击系统，攻击一切陆海空的点目标。（2）作为地基防空武器。以远距离雷达为侦察手段，在地平线以上范围消灭空中一切目标，包括飞机、弹道导弹、巡航导弹，甚至打击天基武器。可以有效地实现国土防空和反导，真正成为密不透风的天网。（3）可以成为飞机所携带的武器，作为争夺制空权的利器，成为导弹防御系统的一部分。一旦发现来袭导弹，通过跟踪、锁定目标，发射激光光束，可以击毁导弹，用于拦截助推段的战区弹道导弹，并有能力完成压制敌方防空、保护高价值空中资源、成像监视等任务。（4）为水面舰艇和陆上装甲车辆的反导和短距离防空武器，使反舰导弹、反坦克导弹的作用无效，也可成为短距离打击敌方舰艇和装甲车辆的武器。随着现代军事技术和航空技术的不断发展，现代战争对航空兵器的依赖程度越来越大，空袭已贯穿战争的始终。从海湾战争以来的几次高技术局部战争已经可以看出，空中威胁已不局限于歼击轰炸机、轰炸机、攻击机、武装直升机，空地导弹、战术弹道导弹、巡航导弹、精确制导弹药等也对地面部队构成强大的威胁；而且出现了空袭武器向多样化发展、空袭方式向多方向、多批次饱和攻击和小编队、多路同时攻击发展、向隐身、夜间攻击发展、向利用精确制导武器远距离攻击方向发展等趋势。伊拉克战争期间，美英联军的空军、海军、陆军都参与了空袭。参与空袭的主要装备有B-52、B-1，B-2轰炸机，F-117A隐身战斗机，F-15、F-16、“旋风”战斗机，A-10对地攻击机；舰载“战斧”巡航导弹、FA-18C“大黄蜂”战斗机、“鹞”式垂直起降战斗机；AH-64D“阿帕奇”、AH-1“超级眼镜蛇”武装直升机和多种无人侦察机。出动飞机3万架次（还不包括直升机），平均每天1400多架次。这些数据充分说明在现代战争中防空作战的艰巨性。在地面作战中，若没有有效的防空手段，再强大的陆军也无法保存自己，更不用说夺取作战胜利了。因此可以说，反空袭的对抗已成为现代战争的重头戏，直接影响着整个战役甚至战争的胜败。精确制导技术和武器的发展，使巡航导弹、战术空地导弹、战术弹道导弹、末制导空地导弹/炸弹/撒布器等的作战效能、毁伤能力大幅度提高，在空袭中越来越多地被大量应用。在海湾战争中，精确制导武器仅占总投弹量的7%，科索沃战争中则上升到30%，阿富汗战争中继续上升到60%。在伊拉克战争中，美英联军共投弹2.3万枚，其中70%，即16100枚是激光或红外制导的精确制导炸弹。因此，对付这些精确制导武器的攻击已成为现代防空系统的重要任务之一。面对日益严重的空中威胁，世界各国为了在现代战争中占据有利地位，无不大力发展、研制新型防空导弹、防空预警系统、防空指挥系统等，探索新的防空手段、研制新的防空武器。激光武器就是被各国关注的一种新概念防空武器。在现阶段对台军事斗争准备中以及与世界军事发达国家相比，我国的防空系统、防空能力还存在着相当大的差距。我国陆军现装备的野战防空和要地防空武器，仍然以高炮为主，导弹为辅；尚未装备弹炮一体的防空系统。面对未来可能出现的空袭和精确制导武器的攻击，仅仅凭借我军现有的装备将难以有效的对抗、难以有效地保护地面作战部队和重要的地面设施。因此，研制、发展、装备现代化的防空武器，建立有效的防御系统，是我军当前的急迫任务。而激光武器作为一种防空反导的杀手锏，理应受到我军的关注。激光武器作为一种有效的、可以起杀手锏作用的防空手段，在现阶段可以具有干扰、毁伤敌武器装备光电系统的能力，未来将发展成为具有毁伤各种飞行类目标金属蒙皮能力的武器装备，将成为最具有潜力的打击方法与手段。激光武器的发展必将对我军武器装备体系和格局产生重大的影响，是必须加快研制步伐、重点发展的领域。尽快开展激光武器的研制工作，对缩小与世界军事强国的差距，跟踪先进技术具有不可估量的作用。激光武器以光速将高能量激光发射到目标表面，通过毁伤导引头等关键部位；穿透飞行物壳体，将其击落；引爆战斗部、燃料，使其空中爆炸等，在转瞬之间完成毁伤任务，可以有效地对抗包括飞机、导弹、制导弹药在内的现有和即将出现的各种空中威胁，不仅可以实施迎头攻击，还可以完成横向攻击、追尾攻击等常规火炮、导弹难以实现的攻击。激光武器没有瞄准提前量的问题，因此反应快，还能有效地防御低空入侵的飞机、掠地飞行的巡航导弹、突然跃升的直升机等常规火炮、导弹难以对付的目标。特别是固体战术激光武器，可以装载在地面机动平台上，伴随地面机动部队作战；采用电激励，射击一次仅需25美分的费用；在一个射击周期中可以射击几千次；不需要弹药补给，可减小后勤负担；与化学激光武器相比，不产生危险的化学排放物，没有明显的特征信号，更加适合陆军应用。而且，激光武器不仅可以完成对空作战任务，也可以执行对地面目标的直接攻击任务，如可以直接毁伤坦克和地面堡垒的观察窗口，使其成为瞎子，丧失战斗力。此外，固体战术激光武器还可以装载在舰船上，作为海军防御反舰导弹、飞机攻击的武器；经过进一步发展和小型化，还可以装载在飞机上，执行空-空攻击、护尾自卫等任务。激光武器作为作为一种高科技代表的新型尖端武器，代表了一个国家的科技和军事装备水平，无论是在和平时期或在未来的战争中都具有一种威慑作用，是军事实力的重要体现之一。2 现有激光武器发展的技术体制激光武器是一种定向能武器，利用强大的定向发射的激光束直接毁伤目标或使之失效。主要根据作战用途分为战术激光武器和战略激光武器两大类。根据能量强弱常常在实际中分为强激光器和弱激光器。根据激光介质分为化学激光器、自由电子激光器、固体激光器、量子阱激光器、气体激光器、半导体激光器、光纤激光器等。战术激光武器多采用强激光器，按高能激光武器对激光器的要求——高平均功率、高亮度、高光束质量来评价，高能激光器主要有多种技术途径，包括以氟氘、氧碘为代表的化学激光器；正在发展的光纤激光器、Nd:GGG固体热容激光器；以及成熟的大能量钕玻璃激光器等。从技术上讲都是可行的，但各有千秋、发展进程也各不相同。2．1 化学激光器化学能激光器以氟氘、氧碘为代表，经过三十余年的发展已经比较成熟，并已证明是可行的，1997年10月，美国以中红外化学激光炮两次击中在轨道上运行的废弃卫星，宣告秘密试验激光武器完满成功。美国空军也正加紧准备机载激光武器(ABL)，ABL的目标是研制装在经过改造的波音747飞机上安装激光武器，用于从高空攻击敌方的战区弹道导弹和防御低空飞行的巡航导弹，还能压制敌方防空力量，攻击地面上尚未发射的敌方导弹及其控制雷达。ATL是美国近期酝酿开发的一种概念机载战术激光武器系统。ATL系统逐个与各目标交战并使之丧失战斗力。这些目标可能包括数量不等的导弹发射器、迫击炮系统、机关枪、光电器件、天线装置、车辆轮胎及武装士兵。2002年11月4日美军成功使用其和以色列最新研制的移动战术高能激光武器击中了一枚在空中高速飞行的炮弹。激光武器经过三十多年的研究，已经日趋成熟并将在今后战场上发挥越来越重要的作用。化学激光器技术较成熟，但其庞大的体积和重量以及化学物质的补充严重制约了其机动性能和单车车载的可能性，而且其化学物质存在潜在的危险性。与固体激光器技术相比，存在体积大、重量重，排放有毒化学物质等不足，在短时间内难以达到陆军机动作战的要求，目前主要适合舰载和地面固定防空应用。2．2 光纤激光器高功率光纤激光器巧妙地把光纤技术与激光原理有机地融为一体，铸造了21世纪最先进和最犀利的激光器。即使是在激光技术发达的国家，光纤激光器也是尖端、神秘和充满诱惑的代名词。特别是高功率应用，必须解决多光束相干合成的技术难题。国内光纤激光器的研究才刚刚开始，而且主要是基于小功率激光器的研究，并且材料主要靠进口，在技术成熟性和实际战术激光的应用方面，还有相当长的路要走。光纤激光器技术目前还不能满足战术激光武器系统的技术要求。2．3 固体激光器由于固体激光体使用电力作为动力源，而且体积足够小，因此它能够装备在战斗机、无人机、高机动性多用途轮式车甚至吉普车上，可以机动作战。近年来固体激光技术的快速提升，使得它有可能成为最早的机动性激光武器。目前固体激光武器的研究有两大主流，一是以美国为代表的Nd:GGG固体热容激光器路线，二是以俄罗斯为代表的大能量钕玻璃激光器路线。我们认为这两条技术途径各有优缺点。前者是近几年发展起来的专利技术，尽管Nd:GGG固体热容激光器性能十分优越，具有发展前景，但技术复杂，对基础技术要求非常高，涉及Nd:GGG晶体生长技术、二极管泵浦技术、微通道冷却技术等。这些技术在国内还刚刚起步，离应用至少还需10年时间。而后者则是一种非常成熟的常规技术，在我国从元器件到激光器本身都有能力研制，而且装备价格要比前者便宜得多。因此对于我国来说，目前Nd:GGG固体热容激光器的研究刚开始起步，依靠自己的力量在短时间内不可能研制出适合战术应用的热容激光器，美国对我国的严格技术封锁，也不可能从美国引进技术。大能量钕玻璃激光器的发展方面，俄罗斯一直走在前面，并且已形成装备。在该方面我国已经有一定的技术基础，其配套技术都有相应支持。例如，上海光机所有能力研制大尺寸的钕玻璃材料；上海光机所和南京741厂都有大功率闪光灯的技术储备，现南京741厂已开始试制大功率闪光灯；中国建筑科学研究院已申请民口配套研究课题，正在研制大能量激光器所需的漫反射材料和大尺寸紫外滤光管。在总体技术方面，早在1998年兵器工业集团已经就开始了与俄罗斯的合作，通过多年的技术谈判，了解了俄罗斯激光武器系统的发展思路， 2．3．1 固体激光器的分类（1） 按固体激光泵浦方式分类：固体激光主要有灯泵激光器和二极管泵浦激光器。(2)激光器按运转方式分有三种：A、通常所说的单次运行方式，每次点火的时间间隔很长。固体激光介质的热影响不予考虑，发射激光之后开始冷却。B、通常所说的稳态运行方式，这种方式是激光介质必须在泵浦的同时进行冷却。而且，激光束是在热冷却梯度存在的情况下进行传播的。C、热容运行方式，是介于前两种状况之间的一种方式。这种运行方式下，单次的次数快速增加，而废热被存储在激光介质里。因为激光器是在不存在热冷却梯度时出光，所以为激光介质所带来的应力特别小，而且光学畸变也变得很小。2．3．2 固体激光存在的问题和解决的途径（1）热容激光器向更高功率的途径不是通过传统的方法来增加单脉冲的能量，而是通过提高脉冲的重复率来实现。为此，必须被迫放弃玻璃作为激光介质而采用热容型晶体来代替，在热管理技术上采用先进而复杂的技术手段 （如高压气体、高压喷雾水泵、制冷系统、活性镜微通道技术、泵浦二极管基底的硅微通道板等），泵浦方式一般采用大功率半导体激光器泵浦。而这些都需要强大的综合国力、科学技术与工业基础的支持，而我国无论在晶体技术还是热容激光技术方面都是处于起步阶段，技术手段尚不具备，高功率半导体激光器更是极大受到技术和成本的限制。（2）传统大能量钕玻璃激光器对传统方法的钕玻璃激光器来说，向更高功率的途径，一是增加单脉冲的能量，二是通过热管理系统的改善有限地提高脉冲重复率，三是靠多路激光器集成进一步提高脉冲重复频率来实现。在大能量钕玻璃激光器的单脉冲输出能量已经达到较高水平（2000J）的前提下，后两种技术手段就成为向更高功率突破的有效途径。为此，俄罗斯采用了下述技术解决方案。 提高激光材料的性能，脉冲功率装置小型化； 将传统方法与热容技术相结合，改善热管理系统，采用急速加热的方式，将大部分热储存于Nd:Glass内，保证激光器能以1Hz、束散20-30μrad的变化率工作； 采用多路激光器集成技术实现输出功率的线性提高（对每个脉冲2000J 激光能量而言，10管集成，10Hz工作，输出可达20kW； 100管集成，100Hz工作，输出可达200kW）。2．4 我国发展车载战术激光武器的技术途径的选择综合上述分析，结合国内实际情况，我国开展战术激光武器的研究选择灯泵钕玻璃激光器的技术路线是切实可行的。而且从美俄的发展战术激光武器的历史来看，开始阶段都采用了灯泵钕玻璃激光器的技术途径。技术相对较成熟,配套技术国内都有相应支持。2．5 技术发展前景车载战术激光武器系统的发展是一个技术逐次更新、渐近发展的长期过程。从以上分析可以得出的结论是：发展我国我国固体激光战术机动激光武器系统的比较现实的途径是发展大能量钕玻璃固体战术激光武器系统。而且选择该技术途径的另一个优点，就是一旦热容激光器或光纤激光器发展成熟，就可以将激光器换上。并不存在大的改变。3 国外发展状况激光武器的强大威力和发展、应用潜力早已引起世界技术发达国家的关注，从20世纪60 年代起，就投入大量的人力、物力、资金开发激光武器的相关技术，研制激光武器。通过大量的实验，利用高能激光先后成功地击落了飞行靶机、反坦克导弹、火箭弹等目标，证实了激光武器的可行性，并研制出实验性激光武器系统，提供部队进行试验。目前，激光武器正在走出实验室，开始进入部队装备。在激光武器的发展中，美国和俄罗斯一直处于领先地位。3．1 美国固体战术激光武器系统的发展美国正在研制机载、舰载、车载的战术激光武器。20世纪90年代，美国与以色列合作发展以高能氟化氘激光器为基础的车载的化学激光武器。按照“鹦鹉螺”计划，1996年2月利用先进的红外化学激光器在白沙导弹靶场成功地摧毁了飞行中的BM－21 火箭。接着于1996年7月与TRW公司签订了8900万美元的战术高能激光先期概念技术演示的合同。战术高能激光先期概念技术演示器，射程为7～10km, 包括DF激光器、瞄准器－跟踪器和C3I单元，组装到8个集装箱中, 其C3I系统可全自动、半自动或在人工控制下运转。整个战术高能激光系统安装在6辆拖车上。捕获、跟踪、分类、识别、标示直至射击的全部交战过程仅用7s。2000年6月6日进行了可部署型激光武器系统的首次射击试验，击毁了“喀秋莎”火箭弹。2002财年的工作重点放在机动型战术高能激光武器系统的开发上，若资金充足，可望在2008年部署。估计，机动型战术高能激光武器系统的原型机价值3～6亿美元。考虑到化学激光武器的固有限制，美国陆军更倾向于发展固体激光武器。在陆军空间和导弹防御司令部主持下，1997年开始了固体热容激光器的研究。到2001年底为止已投资4600万美元，2002～2004年将再投资3870万美元。劳伦斯●利弗莫尔国家实验室已建造了闪光灯泵浦的10kW固体热容激光器装置。该装置能以20Hz的脉冲重复频率提供能量为500～640J的脉冲，需要1MW的输入功率。2001年8月该激光器已交付给白沙导弹靶场的高能激光系统试验设施，并在9月开始试验进行杀伤力研究。用作研究激光与物质相互作用机理的工具，为建造紧凑的高能激光武器系统铺设道路，最终目标是发展二极管泵浦固体激光器。下一步将建造机动演示器。2002年后期已建造按比例缩小型，2004年开始全尺寸型的实验室演示，2007年在高能激光系统试验设施进行车载试验。机动演示器以混合电驱动高机动性多用途轮式车为载体，采用100kW二极管泵浦固体热容激光器。美国海军计划研制固体激光武器，并将其融入未来的舰队。虽然美海军主要力量仍然在开发万瓦级的激光武器设备，但是这种设备体积太大，不能装在像浅海战斗舰这样的小型舰艇上。因此海军也正在开发固态激光武器，用以装备这些小型船只。用来对付反舰巡航导弹、无人驾驶飞行器、直升机、小型舰艇和其他威胁。   美国研制的10kW固体热容激光器试验装置和车载试验系统3．2 俄罗斯固体战术激光武器系统的发展俄罗斯对其激光武器的发展情况一直严格保密，在公开报道中几乎不透漏任何消息。通过我们到俄罗斯实地考察，与其科技人员交流，了解到俄罗斯一直在发展以高功率钕玻璃激光器为基础的固体激光武器。俄罗斯 “石榴石” 特种设计局等单位从20世纪60年代开始从事高能激光的研究，90年代开始进行固定和机动高能激光武器的研究，已研制出两代产品，并装备部队。目前，俄罗斯在固体战术激光武器相关技术领域已经具有相当的水平。在灯泵钕玻璃激光器方面，已研制出单脉冲能量达2000J的大能量钕玻璃激光器,在精确瞄准技术领域，瞄准精度已提高到秒级；在电源技术方面，新研制出的充电模块的各项指标都不低于美国的同类产品。在战术激光武器系统方面，俄罗斯的第一代车载固体激光武器系统是两管系统，采用2个2000J大能量钕玻璃激光器，手动跟踪，对3～5km的地面光电目标进行毁伤性打击，已经装备部队使用。陆军装备了车载激光武器系统，海军装备了舰载激光武器系统。第二代车载固体激光武器系统是在第一代车载固体激光武器系统的基础上增加了0.53µm和0.56µm两个波长，手动跟踪发展为自动跟踪。也已装备部队。俄罗斯在实验室已研制出64管系统，可以对目标实施硬毁伤。在实验中用该系统将150毫米长的钢柱击穿。   俄罗斯的车载固体激光武器系统（左为第一代车载固体激光武器系统；右为第二代车载固体激光武器系统） 俄罗斯64管激光实验装置 俄罗斯的实验室型64管固体激光武器系统击穿150毫米厚的钢柱3．3 美俄发展战术激光武器的技术途径比较从根本上讲，美俄发展战术激光武器的技术体制是一样的，最终都采用脉宽为百ms级，平均功率为百kW级的1.06μm激光与物质相互作用。只是各自的国情不同，采用的具体技术途径不同而已，下表比较了各自技术途径及其技术特点。美俄发展战术激光武器的技术途径比较                                    项目                                    美国技术及特点                                    俄罗斯技术及特点                                                    激光技术                                    中等能量、高频单个热容激光器                                    达到百kW级的平均功率                                    大能量、多通道激光器合成                                    达到百kW级的平均功率                                                    激光物质                                    Nd:GGG                                    制作复杂、价格昂贵                                    Nd:Glass                                    制作较简单、价格较低                                                    泵浦方式                                    二极管泵浦                                    价格昂贵、要求复杂的制冷系统和二极管微通道冷却技术                                    闪光灯泵浦                                    价格较低，采用蒸馏水冷却                                                    温度控制技术                                    热容技术                                    在发射激光时，激光物质不存在温度梯度，容易保证激光光束质量。在激光休息时（同时电池充电），强迫冷却激光物质                                    传统方式+加热控制                                    在发射激光前，加热冷却液至一定温度，消除热透镜的影响，提高光束质量。在激光休息时，冷却激光物质和冷却液。                                                    电源技术                                    充电电池电源技术                                    利用强大的技术优势，大大降低电源的体积和重量。                                    传统电源技术                                    体积重量较大，但能满足车载要求                        从上表对比可以看出，美国利用其雄厚的工业基础和强有力的军费支撑，走直接攻克技术难题的技术途径，而俄罗斯利用现有的技术条件和优势，采用迂回的技术途径。但是二者殊途同归。本文论述了发展战术激光武器系统的迫切性，描述了国内外固体战术激光武器发展的现状。提出了发展我国我国固体激光战术机动激光武器系统的比较现实的途径是发展大能量钕玻璃固体战术激光武器系统的论点。