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欧阳龙|新四大发明：激光炮距离实用化还有多远？

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欧阳龙|新四大发明：激光炮距离实用化还有多远？


5月 ， 美国海军LPD-27“波特兰”号两栖船坞登陆舰在夏威夷海域 ， 进行了舰载150千瓦固体激光炮的首次测试 ， 成功击落1架无人机?????????????????????????????????????????????????????????????? 。该激光炮的功率 ， 较2014～2017年间 ， 美国海军测试的AN/SEQ-3 (XN-1)型激光炮的功率 ， 足足提高了5倍之多?????????????????????????????????????????????????????????????? 。此外 ， 洛克希德·马丁公司于今年3月赢得一份合同 ， 将在LCS-9“小岩城”号滨海战斗舰上加装1门150千瓦级的激光炮?????????????????????????????????????????????????????????????? 。
无独有偶 ， 美国空军此前也曾宣布 ， 将于2021年将激光炮装在F-35B战斗机上 。这种激光炮也可作为备选武器 ， 以吊舱的形式挂载在AC-130、B-2轰炸机和其他型号的战斗机上 。看起来 ， 曾广受关注、被认为将“改变战争形态与规则”的激光炮 ， 已经距离实用化不远了 。事实果真如此吗？
孜孜以求
激光炮是通过激光束所含能量对目标实施硬摧毁的高精尖武器 。所谓激光 ， 是原子受激辐射后发出的光 。简单地说 ， 在组成物质的原子中 ， 有不同数量的电子分布在不同的能级上 。电子吸收能量后 ， 从低能级跃迁到高能级 ， 再从高能级回落到低能级时 ， 对外释放大量光子 ， 形成光子束 ， 这就是激光 。形成激光的光子光学特性高度一致 。因此激光相比普通光源单色性、方向性好 ， 亮度更高 。

激光理论是由爱因斯坦于1917年前后提出来的 。但直到1960年 ， 人类才制成首台红宝石激光器 ， 发出了首束激光 。激光光束的发散度极小 ， 大约在0.001弧度左右 ， 极为接近于平行 。而且由于定向发光 ， 大量光子集中在一个极小的空间范围内射出 ， 因此激光的能量密度极高 。与此同时 ， 激光的波长分布范围非常窄 ， 导致其颜色纯度远超过任何一种单色光源 。激光的这些特性 ， 为它赢得了“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”的美誉 ， 并与原子能、半导体、计算机并称为20世纪“新四大发明” 。
因为激光的这些特质 ， 其问世后不久 ， 不仅广泛用于医疗和工业领域 ， 在军事领域也倍受重视 。在越南战争期间 ， 激光测距、激光干扰、激光制导等一系列技术都迅速发展起来 。但无论是美国还是苏联 ， 都不满足于让激光在军事领域仅仅处于辅助和从属地位 ， 它们致力于利用激光的一系列独一无二的特点 ， 研发出新型硬杀伤武器——激光炮 。
激光炮名为炮 ， 实际上与传统火炮并无多少相通之处 。激光发射时没有后坐力 ， 激光束以光速笔直地射出去 ， 照射快速移动目标时既无需取提前量 ， 也不需要考虑弹道弯曲的问题 。激光产生与能量转换机理也与传统火炮迥异 ， 这一切都决定了激光炮的构造、瞄准与使用均与传统火炮不同 。它的杀伤机理 ， 是通过高能激光束照射目标 ， 在其表面积聚能量 ， 导致局部温度骤增 ， 从而降低其局部结构强度 。如果目标本身是高速运动的 ， 局部结构强度的大幅度降低 ， 意味着它很容易在气动作用下解体坠毁 。之所以仍然称其为“炮” ， 只是一种旨在暗示其威力的、约定成俗的称谓 。

和一般武器不同的是 ， 激光炮研发之初 ， 就是战略级别的项目 。按其载体不同 ， 可分为陆基、海基、空基、天基这四大类 。其作战目标最初都是敌方发射的弹道导弹 ， 或是卫星这样的战略目标 。
以美国空军为例 ， 他们于1976年启动了ALL机载激光炮的研发 。它本质上是一款波长为10.6微米的二氧化碳激光器 ， 使用NKC-135飞机作为载体 。到1979年 ， ALL机载激光炮的输出功率已达456千瓦 ， 并可持续8秒 ， 能在1 000米以外的目标上实现100瓦/平方厘米的能量密度 。到1987年该项目下马时 ， ALL机载激光炮已经解决了对运动目标实施高精度跟踪、高能激光持续输出等一系列工程难题 ， 在试验中共计击落过5枚AIM-9B“响尾蛇”空空导弹和1架BQM-34A“火蜂”靶机 。
一向秉持“你有 ， 我也要有”理念的苏联 ， 在探悉美国在紧锣密鼓研发ALL机载激光炮项目后 ， 也启动了类似的A-60反导/反卫星机载激光炮项目 。该项目的核心也是研发一款波长为10.6微米的二氧化碳激光器 ， 只不过载机平台改为伊尔-76MD 。非但如此 ， 苏联还启动了代号为“西徐亚人” D的天基激光炮计划 ， 并造出了样机 。
冷战结束后 ， 在世上已无对手的美国 ， 并未像西欧各国那样削减军备 ， 取消或放缓尖端武器研发计划 ， 尽情享受“冷战红利” ， 而是企图永远保持对他国的绝对技术优势 。作为美国国家弹道导弹防御计划的重要组成部分 ， 美国空军于1994年启动了ABL机载激光炮项目 ， 计划于2008年投入实战部署 。该型激光炮由改装过的波音747-400F货机作为载体 ， 旨在寻找、跟踪和击毁处于助推段的敌方弹道导弹 。其广域态势感知系统由安装在飞机头部、尾部和机身两侧的6个红外探测器组成 ， 用于全方位探测弹道导弹助推段火箭发动机所喷出的明亮尾焰 。不过 ， 该项目在历经16年研发 ， 耗资超过50亿美元后黯然下马 。因为试验表明 ， 它最多只能摧毁80千米外处于助推段的弹道导弹 ， 和最低限度的杀伤距离指标167千米仍相距甚远 ， 就更别奢谈雄心勃勃的400千米杀伤距离这一终极目标了 。
本世纪初 ， 美国甚至考虑过在近地轨道上部署24座激光炮台 ， 用于执行战区反导任务的计划 ， 因技术和资金原因而未能通过国会审核 。不过 ， ATL先进战术激光炮这样难度看来要低得多 ， 费用也不似无底洞的计划 ， 于2000年获得国会通过 ， 得以正式启动 。该项目通过在改装后的C-130运输机上安装100千瓦级别的二氧化碳激光炮 ， 主要用于攻击地面目标 。

除此之外 ， 美国在启动“联合攻击战斗机”计划时 ， 曾明确提出要为其预留安装战术激光炮的空间 。这个机载战术激光炮项目虽然很低调 ， 外界目前所能掌握的信息少之又少 ， 但从美国空军曾表态 ， F-35B将于2021年试验性安装战术激光炮来看 ， 美国空军对该项目极为重视 ， 一直在不遗余力支持其研发工作 。
困难重重
任务武器都有其优点 ， 亦有其不足 ， 激光武器也不例外?????????????????????????????????????????????????????????????? 。空气所含水份、大气中的颗粒状悬浮物、以及气流 ， 都能对激光束所含能量产生吸收或折射效应 ， 导致其能量衰减或激光束抖动 。因此激光炮要想全天候作战 ， 是极为不容易的 。
激光炮的威力 ， 取决于照射到目标上的激光束功率密度 。它主要受到激光输出功率、激光光束质量、大气衰减、大气湍流、大气非线性效应、光学系统像有效期、窗口附面层像差等因素的影响 。当高能激光通过大气传输时 ， 会因大气湍流产生波前畸变 ， 引起着靶光斑扩散与漂移 ， 从而造成激光束着靶功率密度下降 。加大激光输出功率 ， 能有效解决这一问题 。但激光输出功率过大 ， 会产生大气击穿和热晕等非线性效应 ， 使着靶的激光束质量变差 ， 从而影响毁伤效果 。作为激光炮的核心部件 ， 激光发生器本质上是一种极为精密的光学仪器 。光学元件材料不均匀性、加工精度等因素带来的误差 ， 由重力、坚固压力等因素带来的装配误差 ， 以及激光放大器中泵浦不均匀性和激光介质被辐照后的热效应等 ， 均会导致光束质量下降 。如果是机载激光炮 ， 载机飞行过程中产生的气动加热 ， 会引起激光发射窗口附面层像差 ， 继而造成激光波前的畸变 ， 从而导致激光束质量下降 。要解决以上问题 ， 就必须发展强激光自适应光学技术 ， 对种种干扰予以有效补偿 ， 从而保证较高的着靶功率密度 。

激光炮所要对付的 ， 多为运动目标 。从扩大控制范围 ， 提高作战灵活性角度出发 ， 激光炮也多为机动部署 。在“动对动”的情况下 ， 尤其是要对付像弹道导弹那样的快速目标时 ， 要想将激光束会聚至目标易损部位 ， 实现对目标的有效毁伤 ， 对目标的跟踪精度必须达到微弧度甚至亚微弧度级别 ， 因此需要采用高性能的光电跟踪传感器、复合轴跟踪环架、复合控制与共轴跟踪等技术综合保证系统的精度指标 。无论是天基、空基还是海基平台 ， 振动是难免的 。要在振动环境下要达到亚微弧度的跟瞄精度 ， 并在一定时间内让激光束稳定保持在目标固定位置上 ， 这个难度可真不小 。
机动部署的激光炮与目标之间处于高速相对运动状态 ， 相对距离不断变化 ， 这就要求激光束控制发射分系统应具有激光束腰调节功能 ， 以保证毁伤激光的束腰始终位于目标表面 ， 实现最佳光斑聚集 ， 这对于束腰调节机构的设计要求极高 。激光束控制发射分系统还必须具备较强的光学膜系抗损伤能力 ， 极高的反射率 ， 以及极低的温度膨胀系数 ， 方能让激光炮能够有效作战 。
此外 ， 激光炮研发时 ， 需要综合考虑承载平台所能提供的空间、载重、供电、散热等约束条件 ， 保障激光炮能高效稳定工作 ， 并减少激光炮对平台的影响 。这就需要对激光炮的体积、重量、能源供应、散热设计等方面实施系统优化 。对于机载激光炮而言 ， 最好能与承载平台进行一体化设计 ，
如果说以上困难 ， 都能在研发过程中逐一解决的话 ， 激光炮的功率重量比 ， 或者说功率体积比 ， 是妨碍其实用化的最大一道坎 。
化学激光炮是美国早期重点研究的方案 ， 其激光输出功率大 ， 可达兆瓦级 。然而由于体积庞大 ， 燃料更换缓慢 ， 战场环境适应性差 ， 其实用性受到了极大的限制 。以ABL机载激光炮为例 ， 它采用兆瓦级连续氧碘化学激光器 ， 由6个互联模块组成 ， 每个模块重达3吨 。加上与之配套的仪器、设备及操控系统 ， 也就只有波音747-400F货机这样的大型飞机能承载得起 。但美军经过评估后认为 ， ABL的输出功率还要再提升20～30倍 ， 才能满足400千米距离上的反导拦截需求 。即便造出功率达标的激光炮 ， 也没飞机能承载得起 。而苏联研发的“西徐亚人” D天基化学能激光炮 ， 整个系统长57米 ， 直径超过4.87米 ， 总重超过95吨 。苏联拥有的庞大运载火箭家族中 ， 只有1987年才出现的“能源”号火箭才能胜任它的发射任务 。

为解决单位功率问题 ， 美国海军甚至还提出用氢弹的装药氘和氚来激发激光 。其聚变后产生的能量固然可观 ， 但实现可控核聚变的梦想在可以预见的未来都难以实现 。更有甚者 ， 美国在上世纪80年代提出“星球大战”计划时 ， 甚至提出过直接用核弹来激发X射线频段激光的疯狂设想 。其具体结构是 ， 在激光炮中央安装1枚核弹 ， 四周是几十根激光棒 ， 每根激光棒瞄准1个目标 。核弹爆炸时产生的X射线打在激光棒上 ， 激光棒受激励发出X射线激光 ， 用它摧毁目标 。
很显然 ， 这些试图解决激光炮单位功率的方案 ， 不仅成本高得惊人 ， 而且污染也太骇人 ， 并无实用性 。
柳暗花明
真正让激光炮驶上实用化快车道的 ， 是半导体和光纤激光技术的飞速进步 。
半导体激光器虽然单个功率难以做大 ， 但有了光纤合成阵列技术的加成 ， 可以让成千上万个半导体激光器同时工作 ， 用光纤合成出一个大功率激光束 。新兴的、具有优异光束质量的高功率光纤激光器 ， 由泵浦源、增益介质和光学谐腔构成 。它具有电光转化效率高（超过30%）、高功重比、高可靠性、功率可调范围大、环境适应能力强等一系列优点 ， 最令人欣喜的是 ， 这类激光器可直接使用电能作为系统输入能源 ， 可极大简化系统构成 ， 在与机动载具一体化设计方面具有无以伦比的优势 ， 是当今各国实用型激光炮的主攻技术路径 。
以美国的“亚瑟王神剑”激光炮项目为例 ， 它旨在通过激光相控阵天线技术与低功率激光器相结合 ， 产生高能激光束 。其目标是开发一种只相当于高能化学激光炮系统重量十分之一 ， 更紧凑且可扩展的激光炮 。2014年 ， 该项目已成功实现了由3组光纤激光器（每组为7个光纤激光器）组成的21束光学相控阵（每组面积10平方厘米 ， 每束均由光纤激光放大器驱动） 。这种低功率阵列激光炮已经在实验中精准击中7千米外的目标 ， 并计划将输出功率提升至100千瓦 。

根据公开资料 ， 美国海军主导的LaWS光纤激光炮 ， 目前已经开始装舰试验 。该激光炮目前输出功率已达数十千瓦 ， 目标是100千瓦 ， 能够拦截10多千米外的小型无人机 。美国海军研发的MK-38-TLS反小艇激光炮 ， 功率只有10千瓦级 ， 连续照射目标10秒左右 ， 就能让无人自杀小艇丧失威胁 。这个级别的激光炮对输入能量的功率需求 ， 对军舰来说并无压力 。
相关研究表明 ， 激光炮要想胜任军舰末端反导需求 ， 输出功率最少也得50千瓦 。如果考虑到这类作战多是对付掠海飞行的来袭导弹 ， 而海面上空气湿度极大 ， 会对激光束产生较大的削弱时 ， 用于军舰末端反导的激光炮输出功率应该在100千瓦以上 。而要有效对付20千米外的各种导弹 ， 激光炮的输出功率只怕不能低于300千瓦了 。至于想远距离摧毁弹道导弹之类的高超音速武器 ， 激光炮的输出功率恐怕至少也应当在1 000千瓦以上 。
哪怕是有半导体和光纤激光技术的加成 ， 激光炮的高功率也意味着更大的体积和重量 ， 更高的能源输入需求 ， 更高的成本 ， 以及更差的适装性 。其中尤以空基激光炮受限更大 。这不仅仅是指空基平台所能为激光炮提供的安装空间和能源供应都是有限的 ， 也指为向机载激光炮提供足够的能源供应 ， 无论是采用超高电压 ， 还是超高电流 ， 对于空间狭小、金属构件与金属设备密度极大的空基平台而言 ， 都要付出极大代价方能确保平台安全 。
【欧阳龙|新四大发明：激光炮距离实用化还有多远？】世上有矛就有盾 ， 面对激光炮的威胁 ， 来袭导弹可采用加固结构、采用更耐高温的结构材料、弹体表面涂覆吸热涂料或是覆设镜面反射涂层 ， 以及弹体滚转等技术手段予以对抗 。对于无人或有人飞行器而言 ， 虽说飞行途中连续滚转这招难以实现 ， 但其他技术对抗手段都可加以应用 。


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