平流层飞艇高能激光武器防御弹道导弹

车学科，聂万胜，何炬恒

（装备指挥技术学院，北京 101416）

弹道导弹技术在世界范围的持续扩散，使弹道导弹成为最受关注的空中威胁之一，各国不断加强弹道导弹防御技术研究，但是目前的反导系统仅能对付比较原始的洲际弹道导弹[1]，使用高能激光武器防御弹道导弹日益受到重视[2[。机载激光武器位于稠密大气层内，大气环境会对激光武器的作战和使用效果产生直接影响，而平流层飞艇飞行于海拔20km以上的临近空间，大气稀薄，不存在云、雨等自然现象，非常适合激光传播，有可能成为一种重要的空间攻防对抗平台[3]，美国就希望其高空飞艇（HAA）装备激光武器[4-5]，并将其用于弹道导弹防御。其优势在于能够利用飞艇隐身和高度优势长时间部署于导弹发射点附近，可对弹道导弹发射进行实时监控，同时扩大了弹道导弹拦截窗口，有利于建立防御弹道导弹的多层拦截体系。本文将研究平流层飞艇激光武器的可行性及其在自由段弹道导弹防御中的应用。

1 平流层飞艇高能激光武器

1.1 艇载激光武器

平流层飞艇搭载激光武器需要解决重量、体积和能源等三个关键问题。2009年，美国诺斯罗普·格鲁曼公司联合高功率固体激光器（JHPSSL）以 100kW的功率连续发射6h。该激光器由7个模块组成（单模块发射功率为15kW），总质量为1.2T（每个模块质量181kg），单模块体积为0.33×0.76×0.23m3，均在平流层飞艇的承受范围之内（HAA载重1.8T）。

JHPSSL激光器光-电转换效率约为20%，则系统总功率约为525kW。如果能量转化效率进一步提高，那么系统总功率可进一步降低，比如日本 Ken-ichi Veda研究小组的固体激光器光-光转换效率达到了53%[6]。美国HAA飞艇表面覆盖有8200m2的太阳能电池薄膜，其太阳能电池转化效率为8%[7]，这里以此为对象进行研究。当飞艇定点于东经 120°、北纬 25°高空时，其一年中上午7点、12点接收到的太阳功率随飞艇轴线朝向角的变化曲线分别如图1、图2所示，计算结果与文献[7]吻合较好，施红等人也有类似计算结果[8]。可以看到，大部分时间内飞艇吸收的太阳能功率可满足高能激光武器的能源需求。另外，美国国防部先进计划研究局主持的“高能液体激光防空系统”(HELLADS)，设计目标为 150kW，激光器重量要求小于750kg（重量功率比小于5kg/kW），体积则在2m3以下。

综上所述，随着技术的进一步发展，高能激光武器将可直接应用于平流层飞艇。

图1 一年上午7点吸收太阳能变化

图2 一年上午12点吸收太阳能变化

1.2 平流层飞艇中继反射激光

平流层飞艇应用高能激光武器的另一个可行性更高的方案是在飞艇上安装中继反射镜，通过反射地基高能激光进行作战，HAA即可能采取这种作战方式[9]。它能够利用相对成熟的地基高能激光技术，与单纯地基高能激光武器系统相比具有两个优势:

一是作战半径增大。高能激光攻击空间目标时必须穿越大气层，而大气层中大量的气体分子、雨雾、尘埃、大气湍流等现象都会严重降低激光的透射率和光束质量，从而导致激光作战半径的降低。

图3表示的是地面（0km）和临近空间（20km）的激光透射率（波长1.06μm），可以看到从地面以不同仰角向空间射击时激光透射率都要比临近空间小得多，尤其是在地面平行射击时，激光传播21km后就衰减掉99%的能量，这里在计算大气层衰减时仅考虑了分子散射，如果再考虑其它影响那么从地面攻击空间目标的透射率将进一步降低，所以在临近空间发射激光具有更大优势。

从图3中还可以看到，从地面向上以90º射击时也存在很大衰减。这是使用平流层飞艇反射地面激光所必须承受的损失。如果激光总是进行90º射击，则使用反射镜技术更复杂而且不存在优势，但是实际中攻击空间目标时，激光武器不可能总是恰好位于目标星下点，也就不可能总是垂直射击，否则就需要部署大量地基激光武器系统，经济上难以承受，因此先将地面激光以90º传播到临近空间反射镜上，经反射镜反射后攻击空间目标，总透射率会更高一些，作战半径相应增大。

图3 地面与临近空间激光在不同仰角下的透射率

二是作战更灵活。激光直线传播的特点使地基高能激光武器无法实现超视距作战，尤其是攻击低空目标时的有效作战半径非常小，平流层激光中继飞艇通过连续多次反射地基激光，激光束以折线方式在临近空间接力传播，直至最终击中目标为止（图4为平流层激光中继飞艇拦截弹道导弹弹头示意图）。这种作战方式可增大地基高能激光武器的控制范围，提高效费比，能够解决攻击远洋区域上空天基平台所需的基地问题以及舰载激光武器海面水汽强吸收问题。

激光在传播过程中不断扩散，平流层激光中继飞艇每次反射时都可以对接受到的激光重新聚集，从而使最终到达目标表面的激光束具有足够高的能量密度，当然聚焦程度需要根据激光器和目标的相对位置以及反射次数确定。同时，每次反射后的传播距离不是太长，一定程度上降低了对光束控制系统的要求。可以看到，与一次直接射击的情况相比，平流层飞艇中继反射激光具有明显优势。

图4 平流层激光中继飞艇反弹道导弹示意图

2 作战效能分析

拦截弹道导弹有3个阶段:地面段、助推段和被动段（自由段、再入段）。本文讨论自由段拦截，并且以艇载激光武器和最后一部中继反射飞艇为研究对象，其中当激光发射功率低于100kW时为艇载激光武器，高于100kW时为中继反射飞艇。弹道导弹爬升到稠密大气层以上后会抛掉整流罩，因此自由段弹道导弹的弹头完全裸露于外。弹头一般由防热层、壳体、装填物、保险和解保装置以及引爆系统等组成[9]。为了引爆弹头，高能激光首先需要烧蚀掉外部防热层和壳体，然后在装药上照射足够时间以引爆目标。

2.1 激光功率传输模型

激光照射到目标上有两个主要参数:一个是功率密度q，一个是光斑直径d。目标材料不同，对激光功率的吸收效果不同，比如当用CO2激光（波长10.6μm）照射K9玻璃，其破坏阈值为2～3MW/m2，而用COIL激光照射，其破坏阈值则仅约为 0.1MW/m2。本文在计算中以激光传输的功率密度q为分析对象，不考虑目标对激光的吸收效果以及传热效应:

其中，q为目标上的功率密度，λ=1.06μm为激光波长，β=1.2为激光束衍射极限，D=1.5m为发射望远镜主镜直径，R为到目标的距离，P为输出激光光束功率，τλ为大气透射率[10]:

2.2 飞艇部署位置

当使用平流层激光飞艇拦截弹道导弹时，为保证自身安全，飞艇必须距离拦截对象一定距离，但又不能太远，否则将导致激光传输功率太低而无法发挥作用，最好部署在弹道导弹星下点上以尽可能缩短传输距离。

图5 160s发射时不同初始距离下激光传输的能量密度

图6 300s发射时不同初始距离下激光传输的能量密度

弹道导弹助推段大约为 160～300s，攻击自由段弹道导弹至少需要从160s以后开始计算。从160s和300s开始发射激光时，不同初始距离下激光传输的热量密度如图5和图6所示（激光发射功率为50kW）。可以看到，160s开始发射时的最佳初始距离约为800km，300s开始发射时的最佳初始距离约为1000km，不过最高热量密度已远低于导弹标准破坏阈值，需要提高激光发射功率。由此可以认为，一般情况下，拦截自由段弹道导弹时，平流层飞艇高能激光武器距离导弹发射点的初始距离为800～1000km。

2.3 防热层烧蚀

烧蚀式防热技术是广泛应用于中远程弹头防热的有效方法。高马赫数再入时，弹头激波后的温度迅速升高到 10000K以上，弹头表面的热流率为q = α（Te- Tw） ，其中 α≈2.1J/(m2·s·K)，当弹头表面温度TW=4000K时，热流率约为12.6kW/m2，根据弹道导弹再入时间（见表1）可以推测弹头表面防热层抵抗该热流率的时间为14s左右。

表1 不同射程弹道导弹的再入速度和时间

图7给出了初始距离分别为800km和1000km时，导弹不同飞行时刻激光武器传输的功率密度。可以看到，当初始距离为 1000km、发射功率为 50kW 时，160～180s之间的功率密度为64.9～65.5kW/m2，假设由于材料的吸收特性使得实际传输到防热层的热流密度仅为80%即51.9～52.4kW/m2，这已经远大于导弹的设计标准，当发射功率进一步提高、初始距离合理减小后，激光传输的功率密度会更高，考虑到一般弹道导弹的再入时间仅为十多秒（见表1），因此有理由相信短时间内激光完全可以将弹头表面防热层烧透，该时间与弹头的具体构造有关，当表面防热层受到损坏后弹头再入时将会由于受到强烈气动加热而被烧毁。

图7 防热层接受的激光功率密度

2.4 隔热层和蒙皮烧蚀

仅烧毁弹头表面防热层，弹头仍有可能在攻击目标点附近爆炸并造成伤害，因此有必要通过传热方式将自由段弹头引爆。

弹头密封舱内壁通常分布有不同类型的隔热层，聚氨酯泡沫是最常用的隔热材料，喷涂厚度一般为30～50mm，这里选择为50mm。壳体蒙皮通常为加厚铝合金材料，也可以采用钛合金或者玻璃钢，这里选择铝合金，厚度设定为4.0mm。

如果激光传输的热量仅能烧坏隔热层而无法烧蚀掉蒙皮，则传输到弹头装药的热量有可能无法引爆弹头，因此为了能够将足够密度的热量传输到弹头装药上，需要将隔热层与蒙皮均烧毁。由于蒙皮必须保持一定的结构强度，当其温度升高到一定程度而软化后，就会由于弹头的高速运动以及加速度作用而遭到破坏。为研究方便，这里假设温度升高到 315℃即可，同时假设160～180s之间激光用于烧蚀防热层。

图8 弹道导弹蒙皮烧蚀过程

图9 隔热层烧蚀过程

当初始距离为1000km时（射击距离为647km），不同激光器发射功率下铝合金蒙皮和隔热层的烧蚀过程如图8和图9所示，烧穿铝合金蒙皮需要大约6.4～68s，烧蚀隔热层需要大约10.5～211.1s，在上述作战条件下共需要大约16.9～279.1s的时间才能将弹头外的防护结构烧蚀掉。可以看到，激光发射功率对作战效果产生了明显影响，对于艇载激光武器来说，其发射功率较小（可能低于100kW），引爆自由段弹道导弹弹头需要约200s，期间激光武器强烈的散热（发射功率的4倍，约400kW）辐射出大量红外信号，可导致飞艇暴露从而遭到攻击，生存能力降低，考虑到其烧蚀弹道导弹弹头防热层所需时间约10s量级，因此艇载激光武器可通过烧蚀弹道导弹弹头防热层，使其在再入段气动热作用下自行烧毁，这样的话其部署位置就不限于发射点附近，目标保护区域附近也可部署，从而还具有防空能力；对于平流层中继激光飞艇来说，它可以利用大功率地基激光武器，即使多次反射以及在临近空间的长距离传播会造成一定影响，但是其最后一次反射时的功率完全可以达到兆瓦以上，能够在短时间内（500kW时为10s量级）摧毁目标，有可能成为平流层飞艇激光武器的发展方向。2008年美国空军科学技术顾问委员会同意继续进行“空中激光炮艇”研究计划，“空中中继激光反射镜系统”（ABMS）已完成空中悬停实验[10]。

3 结论

高能激光武器有两种可能的方法应用于平流层飞艇防御弹道导弹，其中艇载激光武器发射功率相对较小，以烧蚀弹头防热层使其在再入段气动热作用下自行烧毁为潜在应用模式，其优势在于机动性强，能够在远洋地区跟随海军舰队，为其提供防空效果；中继反射激光方式需要配合地基高能激光武器使用，发射功率高，可有效杀伤自由段弹道导弹，扩大弹道导弹拦截窗口，其缺点在于需要较多数量的平流层飞艇，作战过程复杂，中间环节飞艇受损后可导致整个系统作战能力迅速下降，此时就需要艇载激光武器为其提供防空能力。

[1]马峻声. 聚焦弹道导弹攻防技术的热点[J]. 航天电子对抗, 2006, 22(5):1-7.

[2]徐峰,李元龙. 反导拦截技术手段一瞥[J]. 国防科技工业, 2010(3):28-29.

[3]车学科, 聂万胜, 桂启山. 平流层飞艇空间控制作战样式分析[J]. 指控控制与仿真, 2010, 32(3):8-11.

[4]陈文英, 陈玲. 美军高空飞艇[J]. 江苏航空, 2007(3):15-17.

[5]袁 俊. 美军机载“先进战术激光武器”取得重要进展[J].中国航天, 2008(7):40-43.

[6]任国光,刘淑英. 下一代固体激光器:陶瓷激光器[J]. 激光与红外, 2008, 38(8):747-752.

[7]Haifeng Wang, Bifeng Song, Liankai Zuo. Effect of High-Altitude Airship's Attitude on Performance of its Energy System [J]. Aircraft, 2007, 44(6):2077-2079.

[8]施红,宋保银,姚秋萍. 平流层飞艇太阳能源系统研究[J].中国空间科学技术, 2009(1):26-31.

[9]薛成位.弹道导弹工程[M].北京:中国宇航出版社, 2002.

[10]刘淑英, 邵元培, 计世蕃. 用战术激光武器反巡航导弹[J]. 现代防御技术, 2001, 29(1):8-12.

[11]许春玉, 谢德林, 杨虎. 激光大气传输透过率的分析[J].光电工程, 1999, 26（增刊）:7-11.