激光武器关键技术探讨与展望|163

点击进入，招募ing......

转载自“新光电”微信公众平台
作者：韩耀锋，西安应用光学研究所

引言

在中远距离上，激光武器可以通过致盲光电传感器或使导引头整流罩炸裂等手段，破坏精确制导武器的导引头和气动外形，最终使其偏离预定航迹。在近距离上，激光武器可以提前引爆来袭导弹的战斗部或烧毁其壳体，达到防御来袭导弹的目的。因此，激光武器可有效地对抗和拦截各类精确制导武器，是现役反导武器系统的有力补充。本文详细介绍了国外几种典型的激光武器系统，简述了激光武器的发展历史和现状。对激光武器各组成部分的关键技术进行了分析，并展望了激光武器的发展趋势。

激光武器分类及发展历程

1.1激光武器分类

根据输出功率大小和用途的不同，激光武器可分为干扰/致盲型激光武器、战术激光武器、战区激光武器和战略激光武器等几种类型【1】。

干扰/致盲型激光武器：输出平均功率≤10kW或峰值功率达100kW的激光武器。其特点是频率可调谐，有简单的对抗措施。通常配备于车辆、舰船、飞机等平台或由人员携带，用于对敌方光电侦察观瞄设备、光电制导导弹、作战人员等实施干扰与致盲性软杀伤。

战术激光武器：输出平均功率≥20kW或脉冲能量≥30kJ的激光武器（依据美国国防部定义）。要求激光束持续地聚焦在目标上，通过热作用破坏、力学破坏和辐射破坏等实现对目标的打击。作战对象是各种光电设备、飞机、导弹、舰艇等。以地面车辆或舰艇为平台，用于执行中近距离的区域防空、反导防御等作战任务。

战区防御型激光武器：输出激光平均功率≥104kW，用于执行对弹道导弹实施助推阶段的拦截任务，其射程通常大于100km。

战略防御型激光武器：输出功率107～109W，用于拦截与摧毁100km～1000km距离上的敌方战略弹道导弹。攻击500km～2000km距离上的侦察卫星、太空飞行器等目标。

1.2激光武器发展历程

从70年代开始，美国的陆、海、空军以战术应用为主，并行开展了各自的激光武器发展计划，取得了一定的进展，并演示验证了这些激光武器的破坏能力；80年代，随着星球大战计划的实施，美国把激光武器的发展重点转向战略应用，经过10年的发展证明，战略激光武器由于目标过高而难以实现；90年代，随着苏联的解体和冷战的结束，美国激光武器的发展逐步由战略型转变为战术型【2】。研发的重点由基于高能化学激光器的激光武器转变为高能固体战术激光武器。

激光武器的发展经历了战术应用，到战区/战略应用，再到战术应用的几个阶段。时至今日，激光武器的发展已历时30多年，美国先后启动天基激光武器（SBL）计划、空基机载激光武器ALL、ABL，地基反卫星激光武器、拦截反舰导弹舰载激光武器计划等战略型激光武器。其中，SBL采用兆瓦级HF激光器，ALL和ABL分别采用二氧化碳和氧碘化学激光器【3】，而地基、舰载中红外化学DF激光武器都因光源的选择和作战目标的转移等原因被搁浅，无后续研制计划；而以固体薄片激光器（车载HELMD系统）和光纤激光器（舰载LaWS系统）为光源的激光武器技术取得了重大进展，并逐步向实战化迈进。

激光武器组成及作战流程

2.1系统组成

如下图1所示，激光武器系统一般由外部预警及目标远程粗引导、外部供电、指挥控制分系统、高功率激光分系统、光束整形发射分系统、探测跟踪引导分系统等组成。其中，外部预警及目标远程粗引导由各种预警设备和搜索雷达组成，主要功能是给系统提供目标远程探测和粗跟踪，引导光电探测跟踪引导分系统跟踪目标；外部供电由供电配电设备和配套设备组成，用于对整个激光武器系统提供电能输送和供给；高能激光分系统由激光驱动电源、热管理系统、高功率激光器及光束合成等组成，用于产生毁伤来袭目标的激光功率；光束整形发射分系统由精确瞄准单元、光束发射控制单元组成，用于对毁伤激光光束进行准直和空间聚焦控制；光电探测跟踪引导分系统由伺服跟踪瞄准单元、红外成像跟踪设备、电视捕获跟踪设备、激光测距设备、视频处理单元等组成，用于对目标实施精确跟踪和瞄准，为系统计算目标烧灼点，引导激光光束实施攻击。

2.2 作战流程

首先，外部预警设备对来袭目标进行威胁告警，搜索雷达捕获威胁目标，并将威胁目标信息数据传送给指挥控制分系统；指挥控制分系统通过目标分配与坐标变换，引导光电探测跟踪引导分系统捕获并锁定目标，光电探测跟踪引导分系统控制光束控制发射分系统使发射望远镜对准目标；当目标处于适当位置时，指挥控制分系统启动高能激光器，高能激光器发出光束，经光束控制发射分系统射向威胁目标，对威胁目标进行干扰式或摧毁式打击。

国外典型激光武器系统

除美国之外，德国、俄罗斯、以色列等国也在大力发展激光武器系统以应对不同的作战需求。在此，对美国车载HELMD、舰载LaWS、防空反导ADAM，欧洲导弹集团德国公司40kW激光武器、德国莱茵金属公司50kW激光武器、俄罗斯固体激光武器等典型系统作简要分析和总结。

3.1 国外典型系统

3.1. 1美国车载HELMD

由美国陆军与波音公司联合研制【4】，采用固体薄片激光技术体制。如下图1所示，初期高能激光技术演示（HELTD）项目将光束控制系统（BCS）集成在奥什科什战车上，其低功率测试已于2011年在白沙靶场完成，验证了系统捕获、跟踪、对移动目标发射的能力。2012年将10kW薄片激光器集成到该系统，称为高能激光移动演示（HELMD），进行对抗RAM目标的低功率水平测试，主要是为了降低未来高功率激光集成的风险。波音公司希望该武器系统于2018年完成并准备生产，届时激光功率将从10kW升级到100kW。

3.1.2 美国舰载LaWS

由雷声公司研制【5】，是美军激光反导（火箭弹、深管炮弹、迫击炮弹）计划中，密集阵火炮的远期替代装备，安装在20毫米加特林火炮侧面，为舰艇提供应对空中小型飞机和水面小艇的防御能力。系统采用光纤激光技术体制，输出总功率33kW。2010年7月，该系统在海上试验中成功击落4架距离为3.2km的BQM-147A型无人机。该试验标志着光纤激光武器较好地解决了海上环境对激光衰减的影响，进一步加快了光纤激光武器作为近程防御武器的研制速度。同时，雷声公司正计划将LaWS系统输出功率提升到50kW，用于对付15km以外的空中导弹目标。图2给出了安装在美军"庞塞"号登陆舰上的LaWS系统外形及打击水面小艇的试验图。

图2 LaWS激光武器系统及其打击水面小艇的试验图

3.1.3美国防空反导ADAM

由洛克希德·马丁公司研制【6】，系统采用光纤激光器技术体制，其原型机的输出功率为10kW，升级改进后的激光输出功率30kW。2013年，美国国防部再次为洛·马公司的该项目进行注资，目标是在实现输出功率60kW的机载激光武器吊舱的基础上，研制规模可变的100kW级光纤激光武器系统。图4给出的是ADAM光电跟踪瞄准系统（左）及其击落1.6km火箭弹的试验图（右）。

图3 洛马公司ADAM光束控制系统及其击落1.6km火箭弹试验

3.1.4 MBDA德国公司激光武器

欧洲导弹集团（MBDA）德国公司研制【7】，采用光纤激光技术体制，其原型机的输出激光总功率为10kW，改进后的激光输出功率为40kW。2011年，系统10kW原型机成功测试了反火箭弹、反炮弹、反无人机等目标的性能。2012年10月，升级版40kW进行了导弹拦截的实验测试，成功击毁了2km距离上的制导弹药。40kW系统的发射光学系统口径 600mm，同样采用两反射镜系统，共用4支IPG公司10kW单模光纤激光器，各束激光通过同一光学系统的不同孔径后聚焦到目标处，也同样使用快速反射镜调整各束激光的发射方向，以消除大气湍流、光束出射方向漂移等的影响。图4给出了10kW原型机和40kW升级版样机激光发射部分外形图。

图4 德国10kW激光武器原型机和40kW升级版光学发射天线

3.1.5 德国莱茵金属公司50kW激光武器

由德国莱茵金属公司研制【8】，采用光纤激光技术体制。如下图5所示，系统采用模块化设计思路，由两个平台，五个发射模块组成。每个模块由10kW光纤激光器和一台口径200mm的发射光学系统构成，系统总输出功率50kW。2012年，系统将五个激光发射模块的输出光束同时聚焦到同一目标，成功击落了1km外的飞行靶机。这种模块化设计具有可以通过增加发射模块或平台数量提高总输出功率的优点，该公司计划将系统输出总功率进一步提高至100kW。

图5 德国莱茵金属公司模块化激光武器系统

3.1.6 俄罗斯车载固体激光武器

由俄罗斯石榴石特种设计局研制【9】，采用钕玻璃固体激光技术体制。如下图6所示，俄罗斯固体激光武器已完成两代产品研制，并装备部队使用。第一代车载固体激光武器系统是两管系统，采用钕玻璃激光器，手动跟踪，可对3～5km的地面光电目标进行毁伤性打击。第二代升级型系统将手动跟踪发展为自动跟踪，系统具备对目标的硬毁伤能力，系统也已装备部队使用。

图6 俄罗斯第一代（左）和第二代（右）车载激光武器

3.2 国外激光武器现状启示

纵观国外激光武器系统技术发展现状，战术型激光武器已经步入实用化验证阶段。目前国外固体激光武器功率水平均处于万瓦级，最高达到5万瓦；技术途径多采用激光非相干合成；毁伤能力已实现远距离摧毁光电目标，2～3km毁伤无人机，数百米毁伤炮弹。

从技术途径上分析，前期各国均同时通过不同项目推动不同体制的激光武器发展和竞争，其技术体制呈现多样化、循序渐进、系列化和动态发展趋势。但近年来，随着单模光纤激光器输出功率、系统跟瞄精度等的提升，且光纤激光器在光电效率、光束质量、体积、重量、冷却及后勤保障方面的明显优势，国外加大了以光纤激光器作为光源的激光武器系统研制步伐，催生了如上所述，以美国和德国为主的多个典型激光武器系统。

关键技术及展望

激光武器系统研制所涉及的关键技术包括高功率激光器及光束合成、激光驱动电源及热管理、光束整形与发射、高精度伺服跟踪与瞄准、破坏杀伤机理等。

4.1 关键技术

4.1.1高功率激光器及光束合成

高功率激光器是激光武器系统的核心，研制电光效率高、光束质量好、体积小、重量轻、冷却及后勤保障简单便捷的高功率激光器，是实现激光武器的关键，也是世界各国长期探索研究的目标之一。从目前高功率激光器的种类来看，化学激光器虽然能产生兆瓦级的输出，但存在体积大、重量高、释放有毒的化学尾气、一次加注燃料发射次数有限、后勤负担重、系统集成困难等问题。气体激光器也由于体积庞大、难维护等问题不被看好。

光纤激光器以较高的电光效率、好的光束质量、小体积和重量被认为是激光武器的最优选光源。目前，光纤激光器单纤功率最高为10kW，光束质量M2≤2，为了满足激光武器输出功率要求，高效的光束功率合成技术也是基于光纤激光器的激光武器的关键技术。光束合成的常用技术主要有相干合成与非相干合成两种。相干合成需要严格控制合成光束偏振态及相位差，在现有光纤激光器锁相控制技术现状条件下，结合光束合成技术工程实现难度和可行性方面原因，光束多采用非相干合成方式。

4.1.2激光驱动电源及热管理

激光驱动电源主要是为激光器光源提供电能驱动和泵浦电功率，并对激光器进行有序控制和管理。主要由高效率发电电机技术、激光电源恒流充电控制技术、高密度储能技术、高压触发放电技术等。驱动电源需要足够的储能，以满足长时间的高功率输出；较高的能量转换效率；高效的快速充放电能力；工作稳定性好，具有过流过压保护功能；具有足够高的单位储能密度。此外，还要考虑电源与系统其他部分的电磁兼容性问题。

热管理是及时有效地将激光器和驱动电源产生的多余热量排出系统，保证激光器及其驱动电源能够长时间连续稳定地工作。研究水冷和风冷等多种致冷方法相结合的散热技术，开展微结构制冷设计，是热管理必须考虑的问题。

总之，激光驱动电源及热管理的关键是减小系统体积、重量、提高效率。

4.1.3高功率激光测试评价技术

大量的实验证明，除了激光输出功率和能量外，光束质量的好坏决定着激光武器毁伤目标的能力。因此，在激光武器研制过程中，针对高功率激光器参数、发射系统出口处激光参数、远场目标上激光参数等的测试和评价技术也是系统研究的关键技术之一。

4.1.4光束整形与发射

激光武器对目标的杀伤不仅取决于系统输出功率和系统瞄准精度，还与到达目标上的光束质量密切相关。光束整形与发射是激光武器的重要硬件，是与激光器匹配的重要部件。它包括发射光束整形发射天线和自适应光束控制两大内容。

光束整形发射天线用于把激光束发射到远场，并汇聚到目标上，形成功率密度尽可能高的光斑，以最短的时间内破坏目标。为此，必须采用主镜直径足够大的发射望远镜，并根据目标距离调节发射天线次镜，以起到调焦的作用。光束整形与发射天线主要有反射式和透射式两种，基于激光损伤和热效应的问题，高能激光武器系统多采用反射式反射天线，反射式光束整形与发射天线通常采用同轴和离轴两种方式。

自适应光束控制主要由波前探测器、波前校正器和波前控制器三部分组成。其功能是实时探测光学系统加工和装调误差、光学系统随环境温度和重力变化产生变形、光学元件的热变形以及大气湍流、热晕噪声的动态波前误差等，并利用波前校正器件进行实时校正，从而提高到达目标上光束的质量。

4.1.5高精度伺服跟踪与瞄准

伺服跟踪与瞄准是发射高能激光束的重要前提，对于高速移动目标，激光束不仅要瞄得准，也要使光斑锁定在目标某一固定部位，且要保持一定时间，才能有效摧毁目标。为了避免或修正环境扰动的影响，高精度伺服跟踪与瞄准需有机组合惯性姿态基准、速率陀螺、无线电测量、各种光电传感器、快速反射镜(FSM)等硬件手段。

4.1.6 破坏杀伤机理

研制激光武器系统的主要目的是，在存在物理和战术的限制下，以最小的技术代价摧毁来袭目标。因此，破坏杀伤机理的研究在激光武器研制过程中十分重要。激光辐照目标后，可能在目标上产生的物理及化学效应，使目标的某些部位受到暂时或永久性损伤。针对具体目标，用能量最节省的方式对目标进行最大限度的破坏，是激光武器破坏杀伤机理研究要解决的问题。

4.2 发展趋势及未来研究

近年来，固体激光武器在其各个关键技术领域取得了大量的研究成果，激光器输出功率、高效的激光驱动电源、大型反射镜制造、自适应光学、目标高精度跟综瞄准等技术水平都取得了大幅提高。这些技术水平的提升，加快了激光武器系统中单项技术和系统集成技术的工程化研究进程。展望国外战术激光武器的未来发展，其发展趋势和未来研究呈现出以下几个特点：

（1）固体激光器技术将占主导地位

随着固体薄片激光器输出及合成功率的提升，伴随单模10kW光纤激光器技术的逐渐成熟，固体激光器特别是光纤激光器以其体积小、重量轻、光束质量好等优势，将成为激光武器的最优选光源。

（2）进一步提升目标跟踪瞄准精度

激光武器对来袭目标的攻击，不仅要求激光术瞄得准，而且要求激光束能在目标上锁定一定时间。也即目标跟踪瞄准精度越高，系统损伤目标的能力越强。为此，在现有高精度跟踪瞄准技术水平的基础上，采用速率陀螺作为惯性速率回路（保持系统视轴稳定）、快速控制反射镜(消除系统扰动，抵消低频大气抖动，提高系统跟踪瞄准精度，保持激光指向的稳定，实现瞄准光轴与视轴的动态平行)、全数字化伺服控制系统（发挥数字系统可编程的灵活性、根据试验结果调整控制参数，实现复杂的信号处理）等技术手段，进一步提高目标跟踪瞄准精度。

（3）深入光束控制技术研究

大气湍流引起激光束相位畸变是激光武器系统致命的弱点，必须采用如自适应光学技术的光学控制技术进行补偿。但由于激光大气传输影响因素的复杂性，光束控制技术是近后一段时间内需要深入研究的内容。

（4）加大破坏杀伤机理研究

从激光毁伤物质的热作用破坏、力学破坏和辐射破坏三种机理出发，研究针对不同的目标的新型毁伤机理。实现能量最节省的方式对目标进行最大限度的破坏，优化指导激光武器系统设计。

（5）小型化、模块化、智能化

针对多军兵种的应用需求，激光武器系统的发展应朝着小型化、模块化、智能化的方向发展。针对现代战争的特点，研制不同功率级别、不同功能模块的激光武器是激光武器早日形成战斗力，真正实现反导防御系统有力补充的必要环节。

结束语

各种精确制导武器以其极高的末制导精度、更强的机动性、更快的速度、更小的目标特征已成为现代战争的主要威胁。主要由火炮、导弹、弹炮结合武器系统构成的我军现役近程反导武器系统难以有足够的反应时间，拦截并摧毁这些制导武器。因此，在现役反导武器系统的基础上，必须积极发展新的反导防御体系。

随着激光武器各关键技术的不断发展与提升，其实现近距离硬毁伤目标的能力已提至实际日程上来，激光武器距离实战也越来越近。因此，将激光武器作为末端防御拦截系统的有利补充，会更大地发挥和提升近程反导武器系统的作战的效率。

参考文献

[1] 吕明春, 梁红卫等，高能激光武器及其技术发展[J]，激光杂志，2008，29（1）：1-3.

[2] 刘晓明，葛悦涛等，高能激光武器的发展分析[J]，战术导弹技术，2014，第1期：5－9.

[3] 姬寒珊，秦致远等，国外激光武器发展的经验与前景[J]，激光与光电子学进展，2006，43（5）：14－18.

[4]Dr. Michael Lavan，Mr. John Wachs，Directed Energy TechnologyOverview，SMDC/ ARSTRAT public release approval casenumber 1199, 2, June 2011.

[5] RonaldO'Rourke，NavyShipboard Lasers for Surface, Air, andMissile Defense: Background and Issuesfor Congress，June 12, 2015.

[6] LockheedMartin Demonstrates New Ground-Based Laser System In Tests Against Rockets AndUnmanned Aerial System，SUNNYVALE, Calif., Nov. 27, 2012 /PRNewswire/ -- Lockheed Martin[NYSE: LMT].

[7] BerndMohring，High-EnergyLaser Activities at MBDA Germany[J]，Laser Technologyfor Defense and Security IX，2013，Proc. of SPIE Vol. 8733 873304-1-9.

[8] K.Ludewigt，50kW Laser Weapon Demonstrator of Rheinmetall Waffe Munition[J]，Technologies for Optical Countermeasures X; and High-Power Lasers2013: Technology and Systems，2013，Proc. of SPIE Vol. 8898 88980N-1-N-7.

[9]钟鸣，车载固体战术激光武器系统，专家论坛，2005，第2期.

其他：未来战争 |大国博弈 | 贸易战 | 国际新秩序 | 习近平 | 马化腾 | 马斯克 | DARPA | 兰德研究报告 | 潘建伟 | 梅宏 | 吴曼青 | 李德毅 | 施一公 | 金一南 | 顾建一 | 卢秉恒 | 邬江兴 | 王凤岭 | 邬贺铨 | 沈昌祥 | 名家言论 |国防建设 | 外军动态其他主题文章陆续整理中，敬请期待······

激光武器关键技术探讨与展望

热搜

热门跟贴