激光武器怎样才能击落导弹和运载火箭？
引子
在120年前的1898年 ， 英格兰作家赫伯特·乔治·威尔斯（H.G.Wells）写了一部小说《世界大战》 ， 书中描述了一种叫“死光”的武器 ， 被它照射到的目标会立刻燃烧并被摧毁 。 后来 ， 爱因斯坦发现原子可以受激发射光子产生激光 ， 又之后 ， 科学家们造出了激光器 ， 这证明了威尔斯小说里的东西并不仅仅是幻想 。
自1960年代以来 ， 高能激光器在科学家和军火商的努力下一直在不断发展 ， 各种以瞬间摧毁目标为目的的定向能试验层出不穷 ， 由陆地到海洋到天空再到太空 ， 激光武器越做越小巧 ， 与此同时它的功率却在不断增大 。
2020年5月16日 ， 美国海军发布消息称 ， 他们利用一台安装在“波特兰”号两栖运输舰(LPD-27,USSPortland)上的固态激光武器摧毁了一架低空飞行的无人机 。
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激光武器击落无人机
由于“波特兰”号上的激光器光束功率达150kW ， 有朋友对此表示担忧 ， 询问当初长征7号运载火箭发射的过程中这艘美国军舰的位置 ， 运载火箭会不会被激光击伤 。 我们今天就来分析一下舰载激光武器击毁运载火箭的可能性 。
什么是激光？
大多数物质由原子组成 ， 原子核的外层包围着电子云 ， 每一个电子都有自己固定的能级（基态） 。 当原子接收到外界能量（光子或声子）时 ， 能量会将电子往更高的能级推 ， 这时候原子就处于高能量的激发态 。 处于激发态的原子是不稳定的 ， 它会趋向于回到原来的基态 ， 这时候跃迁到高能级的电子会向下衰减 ， 同时向外发射一个光子 。 我们看到的大部分光就是电子“自激发射”产生出来的光子 ， 这些光子的方向和相位都是随机的 ， 所以灯泡在点亮之后四面八方都有光 。
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电子自激发射产生光子
但是有些材料 ， 比如红宝石或一定比例的氦氖混合气体等等 ， 当它们受到一定频率光子照射时会激发出光子 ， 而这些光子会在材料内部反射的过程中去激发其它原子 ， 从而产生越来越多同样频率同样相位的光子 ， 给它的照射能量越大 ， 材料被激发产生的光子就越多 。 这些光子的频率相同、波形相同、相位也相同 ， 所以它们的能量会叠加而不是损耗 。 当这些光子在材料两端平行的反射镜之间来回反射后 ， 出来时就形成了颜色单一、并且能量与方向性都极强的激光 。
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激光的产生
激光的能量取决于你输入给材料的能量 ， 通常情况下这个能量的转化效率是10%（90%变成了热能） ， 也就是说你要想得到150kW功率的激光束 ， 需要的输入功率大约是1500kW ， 它就是一电老虎 。
【激光武器怎样才能击落导弹和运载火箭？】激光的杀伤力
由于所有被激发出来的光子都沿着同一个方向发射出来 ， 它的能量非常集中 ， 也因此而获得杀伤力 。
激光的杀伤力与光束的能量相关 。 一般而言 ， 辐射功率不超过1毫瓦的II级激光可以使人眼感觉不舒服 ， 但不至于造成损伤；而辐射功率在1~5mW的IIIA级中等功率激光器 ， 类似于指示用的激光笔那种 ， 就能对人的视网膜造成永久性灼伤；而指星笔属于IIIB级 ， 它的光束可以点燃火柴或纸张；那些辐射功率大于500mW的就属于IV级大功率激光器了 ， 它能轻易烧焦你的皮肤 。
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指星笔能灼伤视网膜
如果光束的功率更高 ， 达到20~50W ， 我们可以利用它在30米开外截断手臂粗细的树枝 。 即便如此 ， 这样的激光器在军事上的用途仍然十分有限 ， 或许你能利用它击毁附近的大疆无人机 ， 更多的事情它就干不了了 。
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大功率激光束能截断树枝
对于军用的激光器 ， 除了眩目等软杀伤要求外 ， 通常都希望有更强大的杀伤力 ， 它要能击毁一两公里范围内的无人机 ， 还要能击落炮弹、导弹甚至摧毁飞机、舰船和卫星 。 所以军用激光器要求至少有100kW以上的发射功率 ， 以便在最短时间内摧毁目标 。
有朋友可能会说 ， 激光切割机只需要10kW功率就能快速切割5厘米厚的碳钢板 ， 难道100kW的激光还不够射穿飞机和导弹薄薄的蒙皮吗？这区别真的挺大 ， 因为激光切割机在切割钢板时 ， 激光头几乎是挨着钢板表面 ， 而激光武器的目标在几千米甚至几百千米之外 。
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激光切割厚钢板
雾霾防激光
如果你经常关注军事节目 ， 对“局座”张召忠一定不陌生 ， 真正使局座声名显赫的并不是他屡测不准的伊拉克战局 ， 而是他“海带缠潜艇 ， 雾霾防激光”的名言 。 平心而论 ， “海带缠潜艇”是网友对张将军的误会 ， 他原本是讲沿海养殖海带的尼龙绳有可能会缠住潜艇的螺旋桨 。 但“雾霾防激光”却是真正有科学道理的 。 激光武器在空气中最大的敌人正是空气本身 ， 若是水汽重一些 ， 激光武器的作用将大打折扣 ， 碰到雾霾基本就瞎了 。
这到底是为什么呢？因为空气受热时产生一种“热光晕”的现象 。
春夏时节 ， 如果你抬眼看天 ， 有时会发现在太阳周围的空气中出现一个亮亮的光圈 ， 这便是日晕 。 日晕是阳光通过卷层云时 ， 云层中的冰晶和水气使光线发生折射 ， 于是在太阳周围产生晕轮 。
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日晕
不需要冰晶折射 ， 大功率激光在穿过空气时就因为光热效应而剧烈加热光路中的气体分子 ， 气体分子吸收激光辐射的能量 ， 同时因为体积膨胀而产生凹透镜一样的效果 。 因为透镜的折射率与密度成正比 ， 所以原本聚拢在一起的激光束被空气扩散成一个大大的光斑 ， 同时由于空气是流动的 ， 在风的作用下空气透镜还会发生不规律的热变形 ， 使光斑偏离原来的目标 。
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高能激光束在空气中的散射与偏转
激光对空气的加热量取决于激光的功率以及空气分子吸收激光波长的强度 ， 为了克服热光晕的影响增加激光的功率 ， 就意味着空气对激光的散射和弯曲更强烈 。 并且随着距离、空气中水气和雾霾的增加而变得无解 。 雾霾的颗粒物在激光加热下会气化为等离子体 ， 这会加剧空气的局部湍流并引起形变 ， 激光迅速发散成为一大号手电筒 。
机载激光武器的流产
作为导弹防御计划的一个组成部分 ， 2004年美国将一架波音747-400F飞机改装成了空中激光试验平台 ， 平台被命名为YAL-1A 。 YAL-1A里安装了一套兆瓦级（1000kW）化学氧碘激光器 ， 美国军方希望利用它在助推上升阶段就摧毁弹道导弹 。
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YAL-1A
一般而言 ， 为了便于之后的变轨 ， 弹道导弹或运载火箭在发射的上升段会尽量保持稳定 ， 这为激光的远距离瞄准以及聚焦创造了有利条件 。 为了补偿大气的畸变 ， 747飞机上还专门安装了相应的设备和计算机系统 。 然而多次试验的结果证明 ， 这架飞机强大的激光器只能在几十公里的距离内烧穿战术导弹的燃料箱 ， 实战中飞得这么近完全就是自杀；而要想离得更远一点 ， 激光的功率需要至少再增加20~30倍 ， 这在飞机上又完全做不到 。 2012年计划失败 ， YAL-1A飞机被拆解 。
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正在被拆毁的YAL-1A平台
天基平台是激光武器的未来
既然大气层严重限制了激光武器打击远距离目标 ， 并且你不能通过单纯提高发射功率来解决问题 ， 那么将发射平台搬离大气层 ， 放到太空之上就成为一个合理的选择 。
几乎所有的弹道导弹都需要飞出大气层 ， 或者至少在空气稀薄的卡门线附近飞行以获得更高的速度；与之对应 ， 激光在离开大气层之后也能非常好地保持光线的准直 ， 这使得它能以小得多的功率烧穿导弹的外壳 ， 这对拦截运载火箭也同样有效 。
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天基激光武器平台想象图
要想将YAL-1A那样庞大笨重的化学激光系统搬到太空是件困难的事情 ， 化学激光武器的优势是功率强大 ， 缺点是你得经常给它添加燃料 ， 目前是否存在一种仅使用光伏供电的武器级固体激光器我们还不清楚 。
天基平台的另一项挑战是 ， 太空激光武器自身处于高速运动之中 ， 而它的目标同样也在高速运动 ， 在这种情况下你要想在几千公里之遥将激光束持续聚焦导弹上的某一个点 ， 这是件十分困难的事情 ， 除非你在天空部署许多件这样的武器 ， 或者你拥有X-37B那样的空天飞机 ， 它可以提前机动到火箭发射轨道的附近埋伏并发动攻击 。
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X-37B
X-37B目前还处于高度保密状态 ， 它能用激光攻击运载火箭吗？这或许是个永远的迷 。 目前已知的是X-37BOTV-5已于2019年10月27日降落 ， 最后一架X-37BOTV-6发射时间是2020年5月17日 ， 因此它与长征火箭的最近两次发射失败之间没有关系 。
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