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光學工程
美國海軍艦載高能激光武器

摘 要 艦載高能激光武器作為一種新概念武器,以其響應速度快、機動性好、打擊精度高、發射成本低等優點受到了各國海軍的關注,成為艦艇反導防御的首選裝備。分析了美國海軍研制的中紅外先進化學激光器“/ 海石”光束定向器、固態激光武器的系統結構特點,介紹了美國海軍極為看好并大力發展的自由電子激光武器的一種設計方案。

關鍵詞 艦載激光武器;中紅外先進化學激光器;自由電子激光器;固體激光器

1 引言 

     反艦導彈是對艦作戰的一種有效武器,在短短幾十年里性能有了巨大的提高,常規反導武器的反導能力越來越受到挑戰,水面艦艇對抗反艦導彈攻擊的困難程度也不斷增加。在迫切需求一種強有力的艦艇反導武器的情況下,艦載高能激光武器進入了人們的視線。激光武器用輻射實現對目標的毀傷,作戰形 式 也 被 稱 為 “ 發 現 即 殺 傷 ” (shoot-while-look)。在對付性能優越的導彈方面,它必將在更短反應時間內,更有效地提高對抗飽和打擊的可靠性。雖然艦載激光武器的發展只有幾十年,但已經取得很大進步,必將改變現代海戰的面貌。

2 美國海軍幾種主要的艦載高能激光武器系統的特點分析

      世界上第一臺激光器誕生以來,美國就開始著手研發軍事用途的激光武器,美國在戰術高能激光武器,尤其是在艦載高能激光武器領域,研究成果相當豐碩,在多項關鍵技術方面取得了突破。

2.1 中紅外先進化學激光器“海/ 石”光束定向器[1~3]

2.1.1 簡介

     1977 年,美國海軍開始實施 “海石”(SeaLite)計劃,其目的就是建造更接近實用的艦載高能激光武器。1983 年初,美軍在白沙導彈靶場建立了高能激光武器系統實驗裝置 (high energy laser systems test facility,HELSTF),作為艦載高能激光武器的試驗平臺。圖 1 中為 HELSTF 的兩套重要設備中紅外先進化學激光器 (MIRACL)和 “海石”光束定向器(SLBD)。

      HELSTF 這套實驗裝置使用一臺兆瓦級連續波 DF 化學激光器 MIRACL。MIRACL 的光學諧振腔長 9m,光束面積為 324cm2,在 3.6 耀4.0mm 波段之間大約分布 10 條受激發射譜線,連續輸出功率為 2.2MW,是美國最大的高功率激光器。“海石”光束定向器發射鏡是直徑 1.8m 的凹面鏡。在 1980 年實現首次實現受激發射之后的十年間,其受激發射時間已經累 積 超 過 3000s,證明了它可靠的運轉能力。

     以 MIRACL/SLBD 為 基 礎 的艦載高能激光武器系統是模塊化的,主要部件有:激光器、壓力恢復系統、燃料供給裝置、光束定向器。如圖 2,3 所示。按計劃,美海軍準備將 MIRACL/SLBD 系統安裝在軍艦上進行海上試驗。但冷戰結束后,美海軍作戰重點從遠洋轉移到沿海區域,作戰環境發生了巨大變化 。 另 外 , 美 海軍研究 認 為 ,MIRACL 高能激光器的 3.8mm 波長激光在沿海環境下熱暈效應較嚴重,應該找到一種熱暈效應較小的波長。經過研究,美海軍最終傾向于選擇 1.6mm 的最佳波長[4]。于 1995 年宣布放棄“海石”計劃,而啟動高能自由電子激光武器計劃。

 

     此外,與其他各類激光器相比,自由電子激光器同時具有波長可調、輸出功率強和效率高這三大特點,這成為美海軍選中自由電子激光器的又一原因。

2.2 自由電子激光器

2.2.1 發展狀況[5~7]

     美國海軍對自由電子激光器的性能要求是:輸出功率 1MW;波長 1耀2mm(標稱值 1.6mm);有效利用率 95豫以上;功率可調等。

     美國海軍考慮了環形和直線形兩種自由電子激光器,較傾向于使用直線形結構。雖然直線形的結構較長(見圖 4),而且對輸入到擺動器的電子束質量要求較高,但便于獲得較高的輸出功率。電子束能量必須達到 80耀100MeV、峰值電流達到 600A 時,才有可能獲得所要求的 1.6滋m 兆瓦級功率輸出。為此,美海軍計劃選用超導射頻直線加速器,其性能要求是:工作頻率為 700MHz,加速梯度為 12MeV/m。

     1999 年托馬斯·杰斐遜國家實驗室將自由電子激光器的輸出功率提高到創記錄的 1kW,2001 年又提高到 2kW。2004 年 7 月,研究人員用他們最新的激光器才產生了功率 10 倍于早期 FEL 的激光,即平均功率 10kW 的紅外激光。 2005 年 6 月,自由電子激光器又獲得了 25kW 的紅外激光,但距離兆瓦級目標相去甚遠。由圖 5、6 及表 1 可見升級前后的自由電子激光器結構及性能參數變化。

2.2.2 艦載高能自由電子激光武器新設計理念[8,9]

2.2.2.1 Sea Archer 瀕 海 戰 斗 艦 (Littoral Combat Ship)

     Sea Archer 是美國海軍研究生院一年一度的總體艦船系統工程 (total ship system engineering, TSSE)科目 2001 年度的設計(圖 7)。 Sea Archer 的設計中包含了美海軍極為看好的自由電子激光武器系統。

     Sea Archer 長 181m,排水量 13,500 t,航速可達 60 節。可作為一種輕型航空母艦,攜帶無人駕駛戰斗飛行器、無人駕駛飛行器及直升機。為滿足自身防御需求,在提出的一種分層防御概念中,自由電子激光武器被用于內層防御 (約 5km 范圍內)。該武器系統需求功率為 1.5MW,輸出波長 1mm,體積為 12m伊4m伊2m,預期重量為 55 t,具有兩部光束定向器,其火力以最優化角度覆蓋艦體。該武器系統從艦艇的能量存儲設備獲取能量,在對電容器組的一次充電完成后可同時與 10 個目標交戰。據估計,武器系統的能量可在 75s 內從艦載能量系統得到補給。如果自由電子激光可以得到 10 MW 的艦載功率補給,那么它可以連續波模式工作。

 

2.2.2.2 Sea Archer FEL 參數(表 2)

     該 系 統 要 求 具 有 1.5MW 功率,工作波長為 1mm,以減小熱暈及大氣衰減的影響。完整的自由電子激光系統設計包括注入器、超導射頻線性加速器、彎曲磁鐵、擺動器、光學腔以及束流收集器,還包括電容能量存儲器、功率調節單元、冷卻設備等支持系統部件。

2.2.2.3 高能激光器系統具體設計

     海軍艦載應用要求緊湊型的矩形激光器模塊。整個系統將被安置在船體中部,以減小光束傳輸系統模塊的彎曲效應,如圖 8 所示。該兆瓦級自由電子激光器設計規格大小及各個模塊如圖 9、10 所示。整個激光器系統估計約重 40t,價值 6000 萬美元。

     電子束以 7MeV 的能量注入線性加速器,超導射頻線性加速器使電子束能量在 6.7m 的路徑上增加到 100MeV。隨后,電子束由一系列彎曲磁鐵扭轉進入擺動器。擺動器提取效率約為 2豫并最終產生 1.5MW 的激光。第二組彎曲磁鐵將使剩余電子束由擺動器轉運至加速器。激光束從光學諧振腔出射后經過一系列鏡片組織進入船體兩側的光束定向器中。

 

     光 束 定 向 器 被 安 置 在 Sea Archer 的左右舷的中段。這樣,船體彎曲的影響就會減小到最低。由圖 11、12 可見,光束定向器被安置在底座上,具備 180毅火力范圍,并且由自動防護蓋保護,交戰時防護蓋可自行打開。

     該兩軸系統可以控制 1.5MW 激光束輸出,其出射鏡半徑約為 0.3m,比理論計算出的 0.13m 要大,多余的出射鏡外環用作跟蹤系統。這一技術已經應用到 MIRACL 項目中的“海石”光束定向器中。該光束定向器照射在目標上的光斑半徑為 0.1m。同時,高功率密度的反射鏡將使用自適應光學系統,以減少大氣湍流效應和由于船體顫動引起的光束波動。

      光束定向器頂部還安裝有獨立的紅外照相機,工作波長范圍為 3耀5滋m,用于目標探測和對光束定向器進行指示,使光束定向器處于交火狀態時可跟蹤多個目標。

      Sea Archer 自由電子激光武器系統仍然只是概念上的設計,還沒有真正的系統付之建造及艦載應用。當前許多系統不是體積過大就是功率太低而不能直接部署,一些部件仍需要改進。

2.3 固態激光武器

     在加緊研制自由電子激光器的同時,美國海軍還在開發一種被稱為“一次性模塊式高能激光器 (EMHEL)”的固態激光武器,用以裝備小型船只進行自衛或對付反艦巡航導彈、無人駕駛飛行器、小型艦艇和其他威脅。

      固態激光武器主要特點是結構緊湊、成本低、用途廣泛、適應性強,被稱為是“一種革命性的設計方法”。據稱,EMHEL 是一種使用一個或多個激光模塊組成的激光陣列。每個模塊中包含一個單發激光武器,單次發射時的峰值能量為 10kJ。如果該系統多個模塊連續發射,則可以在不到一秒鐘的時間內穿透 15cm 厚的鋼板。這些模塊裝配在一起,既可單發,也可齊發。

     每個模塊約 1m 長,重 1~2kg。在 1m2 的面積上可以排列大約 120 個模塊。EMHEL 激光器的設計方案之一就是將 84 個模塊裝入“標準-3”導彈彈頭中,可執行戰區彈道導彈防御任務,還可以安裝在小型海軍作戰艦艇上,防御敵方艦艇和反艦巡航導彈的進攻。另一個用途就是裝在小型水面戰艦上,用于自衛,對付小艇等。

3 討論

     從總體上看,美國海軍曾大力研發的 MIRACL 終因戰場環境變化及使用條件的限制而擱淺。雖然高能自由電子激光器的前途比較樂觀,但研究尚處于起步階段。有關專家認為,研制出符合沿海作戰要求的 1.6滋m 兆瓦級自由電子激光器會遇到許多高難度的物理、工程和系統問題。至于艦載固體激光武器,相關的信息則較少,其研究進展很難預測。

      隨著全電艦艇時代的降臨,電力驅動艦艇的研制成為艦載自由電子激光武器和固態激光武器迅速發展的催化劑。為了將來能夠使用這種高能激光武器,美國海軍已經計劃在包括下一代航母(CVN 21),電驅動驅逐艦(DDX)在內的幾種新型戰艦上安裝大功率的發電設備,為自由電子激光武器提供強大的電力保障。通過電力來調整電動自由電子激光器,可使其施行從目標認定到攻擊的多種不同任務。

      高能激光武器系統裝備艦艇,必然遇到除技術發展難題外的資金問題。艦載自由電子激光武器計劃從概念定義以來已經得到了大約 5000 萬美元的經費,并希望在 2006 財年得到 1400 萬美元經費支持。與此同時,美國空軍、陸軍的高能激光武器研究計劃也正如火如荼地進行著,海軍的高能激光武器項目能否得到雄厚的資金支持現在看來還不敢保證。艦載激光武器走向實戰前途未卜。

      處于系統水平級的高能激光武器具有許多吸引人的特點,諸如武器性能、作戰準備、后勤保障以及壽命周期內的管理。雖然其致命性方面比現存動能武器系統較弱,但它的性能彌補了后者的缺陷,而且也為海軍艦艇提供了前所未有的超高分辨率光學監控支持。盡管如此,到目前為止,還沒有一種完全成形的艦載激光武器出現。任何一種武器系統都不能在任何環境下滿足所有艦艇自身防御的需要,也不能在任何一段很短的時間內替代所有其它的艦載武器系統[10]。


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