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0431-81702023
光学工程
美国海军舰载高能激光武器

摘 要 舰载高能激光武器作为一种新概念武器,以其响应速度快、机动性好、打击精度高、发射成本低等优点受到了各国海军的关注,成为舰艇反导防御的首选装备。分析了美国海军研制的中红外先进化学激光器“/ 海石”光束定向器、固态激光武器的系统结构特点,介绍了美国海军极为看好并大力发展的自由电子激光武器的一种设计方案。

关键词 舰载激光武器;中红外先进化学激光器;自由电子激光器;固体激光器

1 引言 

     反舰导弹是对舰作战的一种有效武器,在短短几十年里性能有了巨大的提高,常规反导武器的反导能力越来越受到挑战,水面舰艇对抗反舰导弹攻击的困难程度也不断增加。在迫切需求一种强有力的舰艇反导武器的情况下,舰载高能激光武器进入了人们的视线。激光武器用辐射实现对目标的毁伤,作战形 式 也 被 称 为 “ 发 现 即 杀 伤 ” (shoot-while-look)。在对付性能优越的导弹方面,它必将在更短反应时间内,更有效地提高对抗饱和打击的可靠性。虽然舰载激光武器的发展只有几十年,但已经取得很大进步,必将改变现代海战的面貌。

2 美国海军几种主要的舰载高能激光武器系统的特点分析

      世界上第一台激光器诞生以来,美国就开始着手研发军事用途的激光武器,美国在战术高能激光武器,尤其是在舰载高能激光武器领域,研究成果相当丰硕,在多项关键技术方面取得了突破。

2.1 中红外先进化学激光器“海/ 石”光束定向器[1~3]

2.1.1 简介

     1977 年,美国海军开始实施 “海石”(SeaLite)计划,其目的就是建造更接近实用的舰载高能激光武器。1983 年初,美军在白沙导弹靶场建立了高能激光武器系统实验装置 (high energy laser systems test facility,HELSTF),作为舰载高能激光武器的试验平台。图 1 中为 HELSTF 的两套重要设备中红外先进化学激光器 (MIRACL)和 “海石”光束定向器(SLBD)。

      HELSTF 这套实验装置使用一台兆瓦级连续波 DF 化学激光器 MIRACL。MIRACL 的光学谐振腔长 9m,光束面积为 324cm2,在 3.6 耀4.0mm 波段之间大约分布 10 条受激发射谱线,连续输出功率为 2.2MW,是美国最大的高功率激光器。“海石”光束定向器发射镜是直径 1.8m 的凹面镜。在 1980 年实现首次实现受激发射之后的十年间,其受激发射时间已经累 积 超 过 3000s,证明了它可靠的运转能力。

     以 MIRACL/SLBD 为 基 础 的舰载高能激光武器系统是模块化的,主要部件有:激光器、压力恢复系统、燃料供给装置、光束定向器。如图 2,3 所示。按计划,美海军准备将 MIRACL/SLBD 系统安装在军舰上进行海上试验。但冷战结束后,美海军作战重点从远洋转移到沿海区域,作战环境发生了巨大变化 。 另 外 , 美 海军研究 认 为 ,MIRACL 高能激光器的 3.8mm 波长激光在沿海环境下热晕效应较严重,应该找到一种热晕效应较小的波长。经过研究,美海军最终倾向于选择 1.6mm 的最佳波长[4]。于 1995 年宣布放弃“海石”计划,而启动高能自由电子激光武器计划。

 

     此外,与其他各类激光器相比,自由电子激光器同时具有波长可调、输出功率强和效率高这三大特点,这成为美海军选中自由电子激光器的又一原因。

2.2 自由电子激光器

2.2.1 发展状况[5~7]

     美国海军对自由电子激光器的性能要求是:输出功率 1MW;波长 1耀2mm(标称值 1.6mm);有效利用率 95豫以上;功率可调等。

     美国海军考虑了环形和直线形两种自由电子激光器,较倾向于使用直线形结构。虽然直线形的结构较长(见图 4),而且对输入到摆动器的电子束质量要求较高,但便于获得较高的输出功率。电子束能量必须达到 80耀100MeV、峰值电流达到 600A 时,才有可能获得所要求的 1.6滋m 兆瓦级功率输出。为此,美海军计划选用超导射频直线加速器,其性能要求是:工作频率为 700MHz,加速梯度为 12MeV/m。

     1999 年托马斯·杰斐逊国家实验室将自由电子激光器的输出功率提高到创记录的 1kW,2001 年又提高到 2kW。2004 年 7 月,研究人员用他们最新的激光器才产生了功率 10 倍于早期 FEL 的激光,即平均功率 10kW 的红外激光。 2005 年 6 月,自由电子激光器又获得了 25kW 的红外激光,但距离兆瓦级目标相去甚远。由图 5、6 及表 1 可见升级前后的自由电子激光器结构及性能参数变化。

2.2.2 舰载高能自由电子激光武器新设计理念[8,9]

2.2.2.1 Sea Archer 濒 海 战 斗 舰 (Littoral Combat Ship)

     Sea Archer 是美国海军研究生院一年一度的总体舰船系统工程 (total ship system engineering, TSSE)科目 2001 年度的设计(图 7)。 Sea Archer 的设计中包含了美海军极为看好的自由电子激光武器系统。

     Sea Archer 长 181m,排水量 13,500 t,航速可达 60 节。可作为一种轻型航空母舰,携带无人驾驶战斗飞行器、无人驾驶飞行器及直升机。为满足自身防御需求,在提出的一种分层防御概念中,自由电子激光武器被用于内层防御 (约 5km 范围内)。该武器系统需求功率为 1.5MW,输出波长 1mm,体积为 12m伊4m伊2m,预期重量为 55 t,具有两部光束定向器,其火力以最优化角度覆盖舰体。该武器系统从舰艇的能量存储设备获取能量,在对电容器组的一次充电完成后可同时与 10 个目标交战。据估计,武器系统的能量可在 75s 内从舰载能量系统得到补给。如果自由电子激光可以得到 10 MW 的舰载功率补给,那么它可以连续波模式工作。

 

2.2.2.2 Sea Archer FEL 参数(表 2)

     该 系 统 要 求 具 有 1.5MW 功率,工作波长为 1mm,以减小热晕及大气衰减的影响。完整的自由电子激光系统设计包括注入器、超导射频线性加速器、弯曲磁铁、摆动器、光学腔以及束流收集器,还包括电容能量存储器、功率调节单元、冷却设备等支持系统部件。

2.2.2.3 高能激光器系统具体设计

     海军舰载应用要求紧凑型的矩形激光器模块。整个系统将被安置在船体中部,以减小光束传输系统模块的弯曲效应,如图 8 所示。该兆瓦级自由电子激光器设计规格大小及各个模块如图 9、10 所示。整个激光器系统估计约重 40t,价值 6000 万美元。

     电子束以 7MeV 的能量注入线性加速器,超导射频线性加速器使电子束能量在 6.7m 的路径上增加到 100MeV。随后,电子束由一系列弯曲磁铁扭转进入摆动器。摆动器提取效率约为 2豫并最终产生 1.5MW 的激光。第二组弯曲磁铁将使剩余电子束由摆动器转运至加速器。激光束从光学谐振腔出射后经过一系列镜片组织进入船体两侧的光束定向器中。

 

     光 束 定 向 器 被 安 置 在 Sea Archer 的左右舷的中段。这样,船体弯曲的影响就会减小到最低。由图 11、12 可见,光束定向器被安置在底座上,具备 180毅火力范围,并且由自动防护盖保护,交战时防护盖可自行打开。

     该两轴系统可以控制 1.5MW 激光束输出,其出射镜半径约为 0.3m,比理论计算出的 0.13m 要大,多余的出射镜外环用作跟踪系统。这一技术已经应用到 MIRACL 项目中的“海石”光束定向器中。该光束定向器照射在目标上的光斑半径为 0.1m。同时,高功率密度的反射镜将使用自适应光学系统,以减少大气湍流效应和由于船体颤动引起的光束波动。

      光束定向器顶部还安装有独立的红外照相机,工作波长范围为 3耀5滋m,用于目标探测和对光束定向器进行指示,使光束定向器处于交火状态时可跟踪多个目标。

      Sea Archer 自由电子激光武器系统仍然只是概念上的设计,还没有真正的系统付之建造及舰载应用。当前许多系统不是体积过大就是功率太低而不能直接部署,一些部件仍需要改进。

2.3 固态激光武器

     在加紧研制自由电子激光器的同时,美国海军还在开发一种被称为“一次性模块式高能激光器 (EMHEL)”的固态激光武器,用以装备小型船只进行自卫或对付反舰巡航导弹、无人驾驶飞行器、小型舰艇和其他威胁。

      固态激光武器主要特点是结构紧凑、成本低、用途广泛、适应性强,被称为是“一种革命性的设计方法”。据称,EMHEL 是一种使用一个或多个激光模块组成的激光阵列。每个模块中包含一个单发激光武器,单次发射时的峰值能量为 10kJ。如果该系统多个模块连续发射,则可以在不到一秒钟的时间内穿透 15cm 厚的钢板。这些模块装配在一起,既可单发,也可齐发。

     每个模块约 1m 长,重 1~2kg。在 1m2 的面积上可以排列大约 120 个模块。EMHEL 激光器的设计方案之一就是将 84 个模块装入“标准-3”导弹弹头中,可执行战区弹道导弹防御任务,还可以安装在小型海军作战舰艇上,防御敌方舰艇和反舰巡航导弹的进攻。另一个用途就是装在小型水面战舰上,用于自卫,对付小艇等。

3 讨论

     从总体上看,美国海军曾大力研发的 MIRACL 终因战场环境变化及使用条件的限制而搁浅。虽然高能自由电子激光器的前途比较乐观,但研究尚处于起步阶段。有关专家认为,研制出符合沿海作战要求的 1.6滋m 兆瓦级自由电子激光器会遇到许多高难度的物理、工程和系统问题。至于舰载固体激光武器,相关的信息则较少,其研究进展很难预测。

      随着全电舰艇时代的降临,电力驱动舰艇的研制成为舰载自由电子激光武器和固态激光武器迅速发展的催化剂。为了将来能够使用这种高能激光武器,美国海军已经计划在包括下一代航母(CVN 21),电驱动驱逐舰(DDX)在内的几种新型战舰上安装大功率的发电设备,为自由电子激光武器提供强大的电力保障。通过电力来调整电动自由电子激光器,可使其施行从目标认定到攻击的多种不同任务。

      高能激光武器系统装备舰艇,必然遇到除技术发展难题外的资金问题。舰载自由电子激光武器计划从概念定义以来已经得到了大约 5000 万美元的经费,并希望在 2006 财年得到 1400 万美元经费支持。与此同时,美国空军、陆军的高能激光武器研究计划也正如火如荼地进行着,海军的高能激光武器项目能否得到雄厚的资金支持现在看来还不敢保证。舰载激光武器走向实战前途未卜。

      处于系统水平级的高能激光武器具有许多吸引人的特点,诸如武器性能、作战准备、后勤保障以及寿命周期内的管理。虽然其致命性方面比现存动能武器系统较弱,但它的性能弥补了后者的缺陷,而且也为海军舰艇提供了前所未有的超高分辨率光学监控支持。尽管如此,到目前为止,还没有一种完全成形的舰载激光武器出现。任何一种武器系统都不能在任何环境下满足所有舰艇自身防御的需要,也不能在任何一段很短的时间内替代所有其它的舰载武器系统[10]。


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