美海军舰载激光武器发展

美国作为世界上首屈一指的军事强国,其新概念武器的发展一直处于全球领先地位,其中包括舰载高能激光武器。基于激光武器本身的特点,及其战略与军事需求的影响,美军海基激光武器相较陆基和空基平台的激光武器发展更快。自从20 世纪60 年代世界上第一台激光器诞生以来,美国就开始研发军事用途的激光武器。美国在舰载高能激光武器领域的研发工作已经进行了数十年,在多项关键技术上取得了突破。

发展沿革
按照技术路线和成熟度,美国海军舰载激光武器大致可分为两个大的阶段。第一阶段是从1960年首台激光武器诞生开始至2000年左右的气动和化学激光武器时代;第二阶段是从上世纪80年代开始兴起的固态激光武器和自由电子激光武器时代。

第一阶段:气动和化学激光武器
项目的早期,美国海军致力于发展当时技术最成熟的CO2气动激光器系统。虽然早期研制的气动二氧化碳激光武器达到了武器级水平。但是几次演示试验结果均不理想。二氧化碳激光需要大口径的主镜,机动困难,高精度跟踪难,最后海军终止了该项目的研究工作。
之后,美海军转而研制化学激光武器。1973年,美国TRW公司首次研制出氟化氢和氟化氘激光器,这种新的激光器被称作“海军化学激光器”(NACL),首台样机发出了功率为100千瓦的激光束。1977年,美国海军开始了海光计划,目的在于开发武器级激光器,即,激光器的功率达到2兆瓦。1980年9月海光计划的激光器——中红外先进化学激光器(MIRACL)首次进行试验。在试验中,MIRACL发出了3.8微米的红外波,功率达到2.2兆瓦。海光计划的另一个成果——激光束定向器(SLBD)于1984年交付。随后三年的时间内,激光器与光束定向器完成了系统集成。在1989年的试验中,该激光武器系统成功地摧毁了超音速巡航的破坏者(Vandal)导弹和亚音速飞行的靶机。

第二阶段:固态和自由电子激光武器
化学激光器有一定的危险性,其功能和威力存在较大的局限性;此外激光武器发射时带来的热晕效应一直无法解决。到了20 世纪90 年代,美海军把注意力转向了固体激光技术和自由电子激光技术,包括:光纤固体激光器; 板条固体激光器; 自由电子激光器。
光纤固体激光器使用柔韧的光纤材料作为介质,该技术广泛应用于工业切割和焊接金属,功能强大,技术成熟。美海军在此基础上开发了激光武器系统和战术激光系统。2014 年12 月10 日,部署在军舰庞塞号上的光纤固体激光武器系统成功地进行了演示试验。试验显示,该激光武器系统在较为恶劣的天气条件下也能很好地完成使命,各方面的表现令人满意。
板条固态激光武器的工作介质是由合成结晶材料构成的片状板条。美军正在开发军事用途的板条固体激光器,应运而生的海上激光演示系统就是一种供示范和演示的激光原型机,美军通过一系列试验测试了海上激光演示系统在海洋环境中跟踪和击毁小型舰艇的能力。
自由电子激光从出现至今经历了20年,尚处于发展的初期阶段,技术还不成熟,但性能优异。自由电子激光器能够改变自身波长以避免受大气传输的影响,这一优势使得它特别适合海洋环境作战,自由电子激光功率可达到兆瓦级,功率强劲,有对付洲际弹道导弹的潜能潜能。但是目前的自由电子激光器体积过于庞大,造价高昂,极大地限制了其使用范围。自由电子激光器能否充分发挥其优异特性而走向实用,最终将取决于器件能否小型化。美海军已经研制出处于实验室环境阶段的14.7 kW的自由电子激光器。尽管如此,美海军还是决定集中精力发展技术成熟的固体激光武器系统,而把自由电子激光技术作为一项长期目标进行研究。

关键技术

1、高功率高质量波束
激光武器依靠能量积累对目标进行毁伤,当前的试验波束功率在100kW级,应对无人机和小船取得了明显的效果,但是应对反舰巡航导弹、反舰弹道导弹尤其是超高音速导弹,功率则需要到500kW甚至1000kW。
另外一个关键要素是波束质量,虽然单模块的光束质量较高,但需要注意到LAWS和MLD均采用了合成技术,光束质量不可避免的下降;在波束功率及发射单元相同的情况下,到靶功率密度和波束质量的平方成反比,相对于功率参数而言,功率密度是形成有效毁伤的更直接的参数。

2、跟瞄发射系统舰用化其一就是在舰船摇摆和振动的情况下保持足够精确的动态指向精度;其二就是光学系统对海洋盐雾等的环境适应性,比如发射窗口对腐蚀和污染的保护等;其三就是跟瞄发射系统作为甲板面设备的紧凑化、可靠性、维修性、环境适应性等工程化问题。

3、电源和散热技术
当前的固体激光器大约只有30%的电光转换效率,比如150kW的激光武器,需求电源功率约500kW,工作体制是短暂和间歇性,从整船配电来讲,系统匹配性和经济型欠优,因此储能及电源管理技术是一个需要考虑的问题;另外,剩余70%的能量基本以热能形式产生,高效的散热系统也必不可缺。

4、大气传输补偿技术
大气湍流、潮湿和雾霾的大气条件导致激光束发散和扭曲变形,降低效能;另外,随着激光波束功率的提升,热晕效应也会明显。远程激光传输一般采用自适应补偿技术,但会系统的复杂性和成本急剧增加,近程防御武器是否需要补偿或采用何种新的补偿技术尚需进一步通过试验综合论证。

5、舰艇的适装性适装性主要有两方面的内容:一是激光武器系统与现有舰艇作战系统、火力控制及信息的融合和对接;二是跟瞄发射系统、激光器系统、电源、散热系统在现有舰艇的整体结构布局及安装,体积和重量是主要的约束。

发展路线
总体上看,美海基激光武器的发展还不成熟,距武器化仍有很长的道路要走。美国海军现在主要以固体激光器主要为主要方向,定位于舰艇近程防御。另外,由于“自由电子激光器”(FEL)非常适合在海上特殊作战环境中使用,美国海军对自由电子激光器情有独钟。但自由电子激光器的研制并不顺利,由于其技术极为复杂,到目前为止,其实验室样机输出功率仅达到14千瓦,远低于期望的100千瓦。美国海军决定暂缓该计划,把精力先集中到固体激光器上。
2015年7月,美国海军发布固体激光武器研究指南,以100~150kW为目标,在2018年开展工程化样机的海上试验,主要用于有效拦截无人机和小船。随后进一步增大至200~300kW,可以对抗某些反舰巡航导弹,甚至几百千瓦到1MW,将可以对付更多的反舰巡航导弹及反舰弹道导弹。2015年10月,诺·格公司在此次指南竞争中胜出,开始启动激光武器系统演示验证程序(LWSD)。

美海军舰载激光武器发展

根据实际发展状况,在2020~2021年这一阶段,美国海军将生产型激光武器系统的激光功率从试验型的30千瓦增加一倍左右。本阶段固体激光器的激光武器系统安装后主要用于实现对抗小型无人机和小艇等非常规威胁,以及对反舰导弹的光电对抗。
根据美国海军2011年公布的计划,DDG1000和伯克III等新一代战舰可以提供更高的供电能力,未来将装备功率更大的激光武器系统,激光束功率将达到300~500千瓦,其供电要求也将会提高到2.5兆瓦,具备拦截反舰导弹的能力。
美国海军还计划2025年后装备激光束功率1兆瓦级别的高能激光武器,从而全面具备拦截从反舰巡航导弹到使用再入机动弹头的反舰弹道导弹的能力。

典型系统
目前,美国海军正在平行推进中的有3个激光项目:一是“固体激光器技术成熟化”(SSL-TM)系统,目标是在两栖舰、驱逐舰上安装功率150千瓦的激光武器;二是“高能激光和一体化光学炫目监视”(HELIOS)系统,计划发展60千瓦激光武器,将在2021年安装至“阿利·伯克”级驱逐舰;三是“海军光学炫目干扰”(ODIN)系统,也将安装至驱逐舰。

1、“固体激光器技术成熟化”(SSL-TM)系统美国海军曾于2019年10月中旬开始从加利福尼亚州雷东多海滩的诺斯罗普?格鲁门公司向圣迭戈的海军基地运送强大的新型激光武器SSL-TM。在圣迭戈,工人们在“波特兰”号两栖攻击舰上安装150千瓦的激光器。舰上人员从2019年底开始测试这种新武器。
据报道,2019年美国海军“波特兰”号两栖船坞登陆舰(USSPortland  LPD 27)在太平洋上进行了高能激光武器的试射。在试射1秒过后,在红外光学仪器下,激光束从红白色向蓝白色转变,显然这时候激光发射器的功率进一步加强,光线也更加刺眼。显然这是一种武器级的激光发射器,场面非常科幻。
“波特兰”号安装的SSL-TM的激光武器系统,有望为美国海军提供一种“功率高达150千瓦的舰载激光武器,它将提高对小型船只和无人机的作战效能”。而美军最终目的是将其用于打击反舰导弹,特别是应对中俄高超声速反舰导弹的打击。
诺格公司是根据与海军合同为5300万美元的“固态激光技术成熟”(SSL-TM)计划建造激光器,该计划于2015年启动。SSL-TM以及洛克希德?马丁公司的相关成果产生的威力和射程设计足以保护船只免受无人机、小型船只、巡航导弹甚至弹道导弹的攻击。
美媒USNI解释道,美国海军打算将SSL-TM作为一种学习经验。军方选择“波特兰”号作为武器平台是因为这艘排水量为25000吨的舰只拥有足够的空间和备用电力来有效地支撑诺格公司这台拖车大小的激光器。

2、“高能激光和一体化光学炫目监视”

(HELIOS)系统2014年美海军曾在“庞塞”号登陆舰测试过30千瓦的SEQ-3激光系统。该激光武器系统自2012年起已经在DDG105号驱逐舰上进行了一年多的海试,并在三次实验中分别各击落了1架无人机。HELIOS正是在此基础上发展而来的。
据美国海军少将Boxall披露,阿利?伯克级驱逐舰普雷贝尔号将在2021年用HELIOS取代目前使用的系统。它将成为美国海军导弹驱逐舰部署更大规模舰载激光的第一次。目前,洛克希德?马丁公司的HELIOS拥有60kW的激光器,但它可以被提升到150kW。
激光将与现有的宙斯盾战斗系统集成,并最终为该系统提供高保真度传感器数据。与雷达不同的是,激光提供了更好的近距离目标数据,而雷达则会随着物体跟雷达距离的缩小而降低。据HELIOS项目主管Brandon Shelton在采访时披露,该激光系统将在结构上集成到普雷贝尔号驱逐舰上,包括与舰上电力系统的集成。系统集成目前计划在今年晚些时候开始,完成时间大约在2020年夏天。
洛?马公司获得的这份合同内容包括执行“海军水面激光武器系统(Surface Navy Laser Weapon System,SNLWS)”项目增量1阶段的任务,并研发高能激光及集成光学杀伤监视系统(HELIOS)。根据合同,洛?马公司将研制并于2020年交付2台测试样机,其中一台样机将用于地面测试,另一台则将安装至“阿利?伯克”Flight IIA型驱逐舰上。这一阶段研发工作将于2020年4月结束,总合同累计价值预计将达到9.428亿美元。
HELIOS具有远程情报监视和侦察能力。虽然洛马没有说明细节,但我们可以推测,激光武器/炫光的瞄准系统可能具有高清晰度,高功率的数字放大率,允许装备它的舰艇能够更为准确地识别出附近的威胁。已经部署在美国海军战舰上的许多武器,包括密集阵近距离武器系统和滚动机体导弹(RAM),具有与HELIOS系统类似的攻击小型船只和无人机的能力,同时它们还能攻击更大,更快的飞机和导弹,其射程相差也并不大,那么HELIOS优势在哪呢?其最大优势就是:像HELIOS这样的激光武器,从最浅层来看,它能够使用驱逐舰的机载发电系统发射理论上无限数量的激光,这一点就是许多弹道武器完全无法比拟的;而密集阵的连续射击时间限制为20至30秒,装备在Mk.49导弹发射系统上的RAM仅能发射21枚导弹。
60千瓦的HELIOS比SSL-TM耗电更少,海军计划从2021年开始在驱逐舰上安装小型激光炮,“奥丁”将作为更强大的HELIOS激光器的概念验证。HELIOS是美国海军目前最为重要的激光炮,是美国海军“海军水面舰队激光武器系统”(SNLWS)增量1计划的一部分。不同于以往的激光炮,HELIOS将“伯克IIA”的宙斯盾整合在一起,除了可以使用高能激光击毁来袭小艇外,还可以充当激光指示器,为舰上其它武器指示目标。

3、“海军光学炫目干扰”(ODIN)系统“ODIN”是一种低功率激光拦截系统,曾用名为LPM(低功率模块),主要用于致盲来袭目标的光电和红外传感器,从而拦截无人机以及依赖光学/红外制导的武器,此外还能在近距离上对抗某些舰载观瞄系统(反轻型舰艇)。“奥丁”由美国海军研究办公室主导研发,目前尚未透露任何具体数据,对外公开称这是满足水面舰队的需求而研发的一款反ISR(情报监视侦察)武器。
据美国媒体披露,“奥丁”是一种低功率激光武器,通过向敌方光电和红外传感器发射调制“眩目”激光束,让其“失明”。作用方式类似“定向红外对抗”(DIRCM)系统防御热寻的导弹的方式,从概念上属于“软杀伤”。据称,“奥丁”激光武器能够对抗各种带有光电/红外传感器的舰艇或飞行器,以及巡航导弹甚至弹道导弹。
目前,海军舰艇普遍装备了各种电子对抗系统及诱饵弹等,能够有效对抗雷达制导的武器。但新一代的反舰导弹越来越多使用被动红外/热成像制导,或者是雷达/红外混合制导,大大提高了反电子干扰能力。“奥丁”可以补充海军主要战舰上现有的主动和被动自卫武器组合。目前战舰防御包括SM-6、SM-3、SM-2、改进型“海麻雀”和“拉姆”地对空导弹、雷达制导舰炮、“努尔卡”诱饵以及SLQ-32和SLQ-59雷达干扰机。
许多被动防御系统设计用于干扰反舰导弹的雷达制导。但是,越来越多的中俄导弹也采用红外制导,而雷达对抗对其毫无用处。“奥丁”可以致盲这些导弹,在它们进行攻击时,使其偏离航道或坠入大海。[体系工程]

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