战术机载激光武器

伊炜伟,屈长虹,任国光

(中国久远高新技术装备公司,北京 100094)

1 引 言

美国空军长期以来就希望把激光武器装上飞机,执行目前由老式的火炮和导弹完成的各种任务,大大提高空军的作战效率、精度和速度,以使美国战机比敌方战机具有极大的优势。激光与常规武器的组合将导致在20～25年内作战空间的彻底转变。对空军来说激光武器的重要性表现在:

· 致命性—激光武器能提供以光速对付各种威胁和与多目标交战的能力。

· 持续性—采用电激光器,只要有电力供应就具有几乎无限的弹仓。而电力可由飞机发电机产生并仅需燃油,这就使战机能长期在空中巡弋。

· 高机动性—战术机载激光武器比车载系统更加机动,所以我们认为未来的高机动型战术激光武器很可能是一种空射型激光武器。

· 低空防御能力—有利于防御地面作战难以对付的一些目标,如贴地和掠海巡航导弹。

· 隐蔽性—激光既无声又无光,不易被敌方发现。

· 作战效费比高—每发激光的成本非常低,有能力颠倒不公平的成本方程。

在21世纪初,空军曾大力研发和演示了先进战术激光武器(ATL),它是将一台密封型化学氧碘激光器装上AC-130武装直升机。尽管它解决了不向外排有害废气的问题,同时重量与体积有所减小。但采用沸石(硅酸铝钾盐)吸附废气仍然存在重量和体积过大的问题,从而限制了弹仓和输出功率的提高。并且技术复杂和仍需大量的危险化学品作燃料。

在20世纪90年代末,美国各军种都先后放弃了化学激光器,激光武器的光源转向了电驱动的固体激光器。最近固体激光器(SSL)技术在性能和成熟度两方面都取得了重大进展,现已能在适合可部署平台的紧凑系统中提供武器级的功率。美、德、以等国已开发和试验了多种数万瓦功率的激光武器样机[1],特别是美国海军已在波斯湾巡弋的庞塞号军舰上部署了第一台作战的战术激光武器[2]。今天激光武器终于证明具有足够的成熟度能集成进空中平台,有可能在下10年执行防御和进攻性任务。这些进展促使空军更加关注机载激光项目。

美国空军特种作战司令部(AFSOC)司令Brad Heithold中将说:“保护我们的战机越来越困难,五年内如果我无所作为,那么我能部署它们的区域将继续缩减”[3]。目前美国空军正在采取双管齐下的方针,一方面AFSOC计划在2020年在武装直升机AC-130J上用激光武器取代20或30 mm机关炮,并进行演示试验,它将以最小的附带破坏摧毁地面和空中目标。另一方面空军研究实验室(AFRL)正在实施自卫高能激光演示器(SHIELD)计划,研发小型战术激光器装备战斗机,用以防御地-空、空-空导弹和机载目标。

空军的战术机载激光(TABL)武器计划都还未选定所用的高能激光器。虽然美国各军种的联合高功率固体激光器计划已研发成功并试验了100 kW的晶体板条和陶瓷板条Nd∶YAG激光器,而且它们的技术也比较成熟。但它们的光束质量、体积和重量、热管理等问题仍很突出,要想把这种尺寸、重量和功耗的激光器装上飞机非常困难。从精选增益介质和优化结构设计的技术发展趋势来看,TABL光源的候选者可能是一些最近发展的先进SSL:高能液体激光器(实际上是一种液冷SSL)、光纤合成激光器和平面波导激光器。

2 先进战术激光武器的经验教训

ATL系统是美国国防部发展的TABL武器,2001年被国防部定为两项先期概念演示项目之一。其目的是将密封型化学氧碘激光器集成进武装直升机,执行致命和非致命作战任务。ATL的最终目标是用300 kW的激光器装备武装直升机AC-130和倾转旋翼机V-22。在先期概念技术演示中将采用一台25 kW的激光器,演示从5～15 km的距离攻击地面目标[4]。其平台是改装的NC-130H大力神试验台。2010年8月进行的试验击坏了一辆静止的闲置车辆,2010年9月ATL在试验中成功地跟踪并与一架遥控的飞行目标交战。

从研发与试验ATL获得的经验教训:

· 激光器必须小型化—ATL的固有缺陷是由于采用沸石吸收激光器排出的废气,也存在重量和体积过大的问题,这限制了弹仓和输出功率的提高。激光器模块重12000磅。

· 射程太短—对作战目标而言,ATL还缺乏足够的功率和射程。

· 弹仓十分有限—飞机发射5～6次激光后必须返回基地重新加载,不论从火力的观点还是从技术的观点来看,这是不能接受的。

· 光束稳定性—在研发与试验中证明束控和空气动力学抖动是机载激光计划的绊脚石,空气动力学抖动将引起炮塔振动,这是ATL计划的限制因素。

3 空军加速发展战术机载激光武器

3.1 概述

吸取ATL的经验教训,空军认为采用电激光器可能是一个解决办法。SSL比化学激光器小得多,功率密度约小30倍[5]；而且具有几乎无限的弹仓,只要有电力供应,它就能快速地与多个目标交战；特别是它减轻了与潜在的危险化学品和在飞机上安装化学激光器带来的与大量垂直悬挂有关的一些可靠性问题。

目前空军正计划在2020年将SSL集成进AC-130,并进行外场演示试验,较长期的目标是研发小型激光器装备战斗机用于自卫。空军也将继续追逐把高能激光器集成进像轰炸机这样的大型飞机内用于自卫,它也可以部署在空中加油机上用于自卫,以及在易受攻击的加油飞行期间保护系链飞机。与其他军种的类似计划相比,空军TABL计划的战术和技术障碍所面临的挑战要严峻得多。在技术上地基、舰载甚至是车载比起机载特别是战斗机要容易得多,毕竟它们对激光器的大小和重量的要求要宽松得多。能够装入飞机的战术激光系统的功率密度应在5 kg/kW以下,而体积不大于3 m3。从战术上讲,陆军、海军陆战队和海军的激光武器主要用于防御,而空军的激光武器更多一些攻击性。

空军认为30 kW的激光器能在几千米的距离拒止、破坏或摧毁无人机、火箭弹、大炮炮弹、迫击炮弹,100 kW激光器能用于飞机自卫,300 kW激光器则能在较远距离摧毁敌方飞机和地面目标。综合几个政府机构和工业集团对反各类目标所需激光功率的研究[6],几十千瓦能用于反无人机和某些小艇；100 kW能用于反火箭弹等弹丸,以及有更大能力反无人机和快速小艇；300 kW能反有人驾驶飞机和某些导弹,以及在远距离击落各种弹丸和无人机。美国和德国的大量实弹射击证明30～50 kW的激光器能击落2～3 km处的上述各种弹丸和无人机。与战区、战略机载激光武器不同,TABL是在云层下面作战,用于导弹防御的最佳作战高度是10000 ft,它也可以降至2500 ft作战,低于2500 ft由于大气稠密,激光的有限射程很短。而攻击地面目标则属低空作战,必须考虑大气的影响。

TABL面临的技术挑战是小型化、功率和射击精度。激光器必须大幅度减小尺寸和重量才能装入战术飞机,而且它必须足够小才能不影响战机的速度和敏捷。问题不仅仅是小型化,射击精度也是至关重要的,特别是高速飞行的战机,其射击精度将面临振动、气动力学和极端湍流干扰等许多技术挑战。为了克服这些障碍,空军正在借助于其他军种类似的计划,如海军的30 kW激光武器系统和陆军的高能激光机动演示器。同时空军也在开展束控与航空效应的研究和发展计划,解决激光战斗机特有的束控问题,AFRL定向能局首席工程师乐观地认为这些挑战能在5年内克服。

3.2 激光武装直升机

武装直升机由于有较大的体积和重量限额,所以飞得较慢,同时它的目标集也似乎处在较近的距离。AFSCO认为需要采用新的办法提高飞得又慢又低的武装直升机的生存能力。关键是引入高能激光武器,通过击毁敌方的地对空、空对空导弹和机载目标,AC-130不仅能保护自己,而且还能保护整个特种作战混编攻击机群,并能精确攻击地面目标。AFSCO已制定了一个计划,将激光武器集成进AC-130,使之具有进攻与防御的能力,并确定在2020年在外场进行演示试验[7]。

AFSOC计划在AC-130上采用180～200 kW的激光器执行进攻与防御任务。执行进攻任务是比较容易的,因为它只涉及到在飞机的一侧安装一台光束定向器,用激光就像用一门炮那样击落目标。若用于防御就还需在飞机周围安装多个传感器,用于探测目标。自卫反导任务能很容易转变成执行精确打击任务,因为这两种任务对系统的要求是相当一致的,不同之处在于所用的传感器和指挥控制性能。反导任务是用红外传感器在背景中寻找目标,它是快速反应的高度自动化过程。而超精确打击任务是在杂乱的地面反射中用可见光相机侦查现场,确定目标的位置,这是一个以操作者的作用为主的慢过程。

装备激光器的AC-130作战目标甚多,作为进攻目标包括使机动车辆、船舶和地面飞机失能,使敌方的关键系统失效,如指挥车、发电系统和通信系统。作为防御目标包括地-空导弹、空-空导弹和机载系统。用作反地-空和空-空导弹的自卫武器,它已超越了目前在武装直升机能实现的大型飞机红外对抗系统,因为它将烧毁而不是致盲或干扰来袭导弹上的传感器,有着高束质且输出功率大于150 kW的激光武器可以击落包括雷达或光束导引的导弹。事实上激光对付大多数先进导弹特别有效,为了提高命中精度,大多数精确制导武器都采用了光学或光-电传感器,它们使用的材料对激光特别敏感,破坏阈值仅为10～100 W/cm2,是易损部件。TABL也能破坏导弹的雷达和光学头罩,造成导弹空气动力学失衡而坠落或使制导系统无法获得目标的形状、大小和距离等信息而脱靶。头罩的破坏阈值为102～103W/cm2。

天气冷下来的时候，周小羽还在读书。但现在的他已经将一天的里很多时间放在了弹棉花上。这句话的意思是说，周小羽读书不行，弹棉花倒真的学会了。现在的他就经常呆在那间罩满棉花絮絮的屋子里。

目前完成AFSOC任务所需的性能还未详细说明,初期的激光器输出功率应在100～150 kW。AFSOC司令希望激光器重量不超过5000磅,这基本上是武装直升机现有一门炮的重量。AFSOC对AC-130能提供激光器所需的空间、重量和功率十分自信。空军科学顾问委员会最近的研究表明,利用目前最先进的技术,采用板条激光器提供合适的大小,重量和功率有可能完成演示[8]。旋转炮塔在飞机上的布局也将关系到激光的杀伤力,炮塔可安装在飞机的一侧对付空-空导弹,这是30 mm激光炮在武装直升机中的位置,也可以安装在机腹对付地-空导弹。AFSOC似乎更乐意撤除30 mm炮,将炮塔装在机弦侧面[9]。

3.3 激光战斗机

空军自己的研究计划重点是战斗机,它们组成了美国空军战机的90%,激光战斗机可为空军在效率、精度以及交战速度方面提供显著优势。AFRL正在实施SHIELD计划,它设计用于中距离防御,但计划将来也具有进攻能力。SHIELD将研发一台更加紧凑的中等功率激光武器系统,并将其集成进与战斗机兼容的吊舱内,用于保护战斗机免遭导弹的攻击。研发工作已于2015年开始,计划在2021年演示验证激光武器在相关飞行环境中用于反地-空和空-空导弹的有效性。演示实验也考虑了与地面目标交战,可能包括传感器、通信设备和其他易损的高价值系统。SHIELD计划将同时独立开展三方面的研究工作:提升下一代紧凑环境的激光器(LANCE),激光吊舱研究与发展(LPRD)及束控和航空效应研究与发展(BARD) 。

LANCE的目标是通过研发,设计、制造、交付一种可靠和坚固耐用的大功率激光器,同时具有优良的光束质量和紧凑的设计,并将其集成进气动结构中。它将为第五代、第六代战机寻求小型激光器,由于AC-130J满载为82 t,而F-15满载仅40 t,因此战斗机对激光器的要求更加苛刻。要求重量低于1500磅,体积能装入标准的600加仑外油箱,激光功率为几万或10万瓦。通用原子公司的高能液体激光器可能是主要的候选者,它的第三代产品已获得突破并通过了政府的验收试验,功率密度达到5 kg/kW,而且正在为空军研发第四代产品。

激光器并不集成进战斗机,而是采用吊舱式激光武器概念,它将由各种战术飞机和无人机携带执行反导和对地攻击任务。吊舱是独立的系统,它包括激光器和束控系统,以及功率系统和冷却系统,并保护激光器免遭严酷的外部环境的影响。LPRL将开发吊舱、热管理系统、锂电池和冷却系统,吊舱的空气动力学结构将使它能处理高达超音速的高速气流。LPRL是SHIELD计划最严峻的挑战之一,将激光器集成进吊舱受尺寸、重量、功率和拖曳的限制[10]。吊舱将替换F-15的600加仑外油箱,当燃油吊舱换成激光吊舱,将加重整个飞机。这必将影响到战机的性能。储存和散热也增加了集成的风险。

2016年12月15日波音公司在SHIELD计划中被授予了9000万美元的合同,用以开发高能激光吊舱和集成系统[11]。波音公司将开发一种带有光束控制系统的吊舱,它能以亚音速直到超音速飞行,同时能向高能激光器提供所需的功率和冷却。作为这一计划的一部分,LPRD项目打算解决吊舱功率、热和系统控制,以及分两个阶段设计气动吊舱。该计划的第一阶段将实现激光射击目标的低功率演示,接着是高功率吊舱的作战测试。

束控系统是激光战斗机的关键部件,它直接关系到激光武器的射击精度。执行精确打击,必须要有高精度的跟瞄技术。BARD是一项保持用于超声气流环境中现代束控系统持续发展的工作,其工作重点是表征围绕炮塔的气流特性,了解飞机炮塔边界层的气流干扰,研究束控技术对付湍流或热晕产生的有害大气密度梯度。发展自适应光学技术对大气畸变进行校正与补偿,使之能精确聚焦到目标上[12]。2016年8月AFRL授予诺格公司3900万美元合同,研发吊舱式电激光武器的束控系统。诺格公司工作的重点是解决适航性、阻力和高振动性能的问题,并组装一套馈送激光的光学元件,它能向任何方向发射激光。

激光战斗机面临的挑战还包括炮塔,它不能影响喷气机的空气动力学特性,甚至是一个小的隆起物都将引起飞机减速。炮塔研究独立于BARD,它面临的主要问题包括补偿在边界层产生的极端湍流,确保激光能在近声速飞行的平台上向任何方向发射激光。如果不补偿大气扰动,激光束只能打击正前方的目标,这将严重影响作战效能。幸运的是洛马公司、国防高级研究计划局(DARPA)和AFRL已在2014年演示验证了束控炮塔的能力[13],他们研发的“航空自适应气动光学束控”炮塔经过近60次飞行试验,证明能提供360°的覆盖。它采用自适应光学并结合空气动力学和气流控制技术补偿了从飞机机身突出的炮塔引起的极端湍流效应,从而实现了全方位的射击,这在世界上独一无二,如图1所示。

图1 航空自适应气动光学束控炮塔及试验飞机

4 战术机载激光武器光源的选择

4.1 先进固体激光器

美国三军的联合高功率固体激光器计划的重点是研制100 kW的晶体和陶瓷板条激光器[14],并于2009年进行了演示验证。但这些激光器由于尺寸、重量和功耗(SWaP)问题,使其难以集成进对尺寸和重量敏感的战术平台。因此战术激光武器下一步的重大挑战是小型轻量化。战场用高功率激光器的电-光效率决定了SWaP,激光的光束质量决定了激光武器的杀伤力。

美三军联合研制成功的100 kW SSL是Nd∶YAG板条激光器,其效率低(19%)、热负载高,且不利于散热导致重量和体积大及光束质量不够好(2.9 DL)。光学增益介质的种类和几何形状,决定了激光器的效率和光束质量,需要寻求将产生的废热降至最低和将废热从增益介质中有效排除的方法。Nd∶YAG的热管理系统占激光器总重的45%,关键是增益介质Nd,它的量子亏损是24%,Nd∶YAG产生的百分比热量是40%。而Yb∶YAG增益介质具有优良的物理和光学特性,特别是Yb量子亏损仅为8%,Yb∶YAG产生的百分比热量仅为11%,光-光效率高达60%以上。而且Yb∶YAG有较宽的发射带和荧光寿命时间,使它的激光性能、成本和可靠性都明显优于Nd∶YAG,因此Yb∶YAG激光器效率更高、结构更紧凑,更适合用于小型空中平台。增益介质的形状采用板条不利于散热,特别是横向温度梯度高,严重影响了光束质量。目前美国军方正在研发便于散热的三种增益介质形状的先进SSL:光纤合成激光器、平面波导激光器和薄片激光器。为了大幅度降低激光器的尺寸和重量,美国军方也在大力发展高能液体激光器和碱金属蒸气激光器。

4.2 高能液体激光器

这里所指高能液体激光器实质上是一种液冷SSL,它源于通用原子(GA)公司为军方研发的“高能液体激光区域防御系统(HELLADS)”。DARPA一直在推动能集成进战术平台的小型激光武器,在其支持下GA从2003年开始实施HELLADS计划,其目的是研发一台150 kW的激光器,其大小和重量比目前相当功率的激光器小10倍,具体指标是功率密度5 kg/kW,体积2～3 m3。它被设计用于反火箭弹、火炮炮弹、迫击炮弹；反有人机与无人机；反巡航导弹；防御地-空和空-空导弹。HELLADS是新一代战术激光武器的代表,它可能对防御产生革命性的影响和向空军战机提供重大的战术优势。

HELLADS综合了固体激光器的高储能密度和液体激光器热管理的特点,它采用两套75 kW的固体薄片激光放大器模块组成一个150 kW的激光谐振腔,而固体激光增益薄片则浸泡在冷却液中[15]。薄的盘状增益介质可以看作是一维的结构,因此表面积/体积比很大,又加之用流动液体冷却,所以热管理非常有效。薄片一个表面冷却,另一表面进行激光功率提取。由于薄片介质的直径远大于厚度,热传导的距离非常短，不会产生大的横向温度梯度。另外,通过薄片表面提取激光功率,激光束平行于冷却液的流动方向,大大降低了热透镜效应使横向温度梯度和光束传播截面上的相位畸变最小化。因此薄片激光器能非常有效地清除激光增益介质中产生的废热,在获得高功率激光输出的同时保持高的光束质量。

在研发过程中,激光器输出功率、尺寸和重量取得进展,但转换效率不高。为了将效率提高到30%以上,研究人员重新设计和建造了一个新型的高效分布式增益介质激光器，如图2所示。一串厚度为毫米量级的介质薄片固定在谐振腔中,冷却液从上至下,通过分流后均匀地流过薄片介质之间的区域并带走热量,而抽运光与冷却方向垂直入射到增益介质表面。GA在保持现有的光束质量和轻重量优点的情况下,改变了激光增益介质、抽运二极管和重新设计了激光头。改用量子亏损更小的增益介质可提高转换效率,而采用目前世界上最高亮度的二极管抽运使激光器的性能得到了全面的提升。除激光器外,GA也研发了世界上最高亮度的二极管、紧凑的蓄电池和冷却系统。

图2 分布式薄片增益激光器的示意图

HELLADS在2015年4月取得重大突破,完成了美国政府的验收试验程序,从2016年1月起在白沙导弹靶场针对各种目标进行实弹打靶试验,为期一年半。这个被称为第三代的高能激光器在许多性能上都得到了改善,输出功率达到150 kW；电-光效率明显提高；改善了光束质量,进一步减小了尺寸和重量,功率密度达到5 kg/kW,尺寸仅为1.3 m×0.4 m×0.5 m[16]。激光器由紧凑的锂离子电池供电,可部署在战术平台上。事实上这个系统已创造了电驱动激光器最高输出功率的世界纪录,同时功耗低,并能在30 s内始终保持高的光束质量,这足以摧毁众多的战术目标。

GA公司已展示了第三代战术激光武器模块,如图3所示,它包括高功率密度锂离子电池、液体冷却系统、一个或多个激光器单元,以及在光束进入定向器之前用于净化和稳定光束的光学部件。每个激光器单元能产生75 kW光束,可组合多单元激光器产生150～300 kW的光束,而不需要像光纤激光器那样的光束合成 。第三代HEL是完全独立的系统,激光器、功率系统和热管理系统能装入大致长12 ft、宽4 ft、高2 ft的箱子里[17]。目前GA公司正致力于研发更加紧凑的第四代HEL,准备在2020年将其集成进AC-130。GA也期望将其装备本公司正在研发的载重1300 kg的捕食者C型无人机。

HELLADS也并非没有问题,按照液冷分布式薄片增益介质的设计,冷却液应包含在激光光路之中,由于冷却液的透明度和冷却液与固体增益介质的折射率不完全匹配将造成激光损耗,而液体的热光系数远远大于固体增益介质的热光系数,很小的温度变化将引起较大的激光波前畸变造成光束质量下降。从第三代HEL验收后国防部给国会的报告[18],以及文献[19]指出第三代HEL的光束质量比海军的30 kW激光武器系统好三倍。我们推测光束质量并未达标。而且目前输出功率较低,液体流动热管理在更高功率情况下能否保证优良的光束质量还不确定。另外,HELLADS也会面临集成和坚固性的严峻挑战。

4.3 光纤激光器

光纤激光器是先进的SSL,它具有无以伦比的独特优势,与板条和薄片固体激光器相比,光纤激光器在效率、束质、体积、重量、坚固性和冷却方面都具有明显的优势。在过去10年里,光纤激光器技术迅速提高,在坚固的“全光纤”体系结构里实现了高功率运行,它已成为激光武器的主要光源之一。光纤激光器不仅电-光转换效率高(40%),而且光束质量达到了近衍射极限(1.1 DL)。光纤的其他特性包括细长的一维结构使其散热性能好；结构简单、体积小、质量轻；坚固性好能工作在极端的温度、振动和冲击这样的恶劣作战环境中。但光纤激光器的功率受限于非线性效应、热效应和光学损伤,将单模光纤激光器的输出功率限制在10 kW。因此要获得激光武器所需功率的主要途径是将大量的光纤激光束合成为单一的高功率、高束质光束。光束合成的目标不仅要提高功率,而且还要保持高的光束质量。

目前许多光束合成的概念是基于光束的非相干合成、光谱合成和相干合成。非相干合成的体系结构最为简单很易实现,但光束质量差,严重限制了激光的射程和杀伤力。海军装舰的激光武器系统使用了六个5.5 kW的IPG标准单模光纤激光器模块,通过几何光束耦合方式合成为功率为33 kW的单束光,光束质量差(BQ=17),限制了激光器的性能。相干合成不仅能提高功率而且能提高亮度,这直接关系到激光武器的杀伤力,特别适用于中远程激光武器系统,我们在另一篇文章中详细评述了相干合成技术在战区和战略机载激光武器中的应用[20]。但相干合成的相控要对各单束激光的光程差进行远低于1 μm波长的紧密匹配和综合控制所有各单束激光相干合成的众多参量,技术最为复杂,不易实现。我们的数值模拟证明对低功率的短程(<5 km)应用没有必要。光谱合成虽然也属于非相干合成,但它能获得近衍射极限的光束。而与相干合成相比,它能提供最高的桶中功率效率,因为相控阵的问题在于旁瓣,而在旁瓣里的功率不会沉积到靶上。另外光谱合成不需要锁相,技术较易实现,因此得到了广泛的应用。光谱合成的问题是功率定标受可用光源光谱宽度、激光增益带宽以及功率和热耗散的限制[21],但就本文涉及到的功率这些限制并不存在。

随着光纤激光器功率的不断提高,目前在光束合成技术中大多采用MOPA结构的光纤放大器 。MOPA单路光源的单光栅光谱合成技术由于采用反射式衍射光栅,具有高光束质量和热管理优点已成为光谱合成技术的发展趋势。洛马公司的光谱合成技术就采用了多层介质膜光栅作为色散元件,将大量波长稍有不同的光纤激光器的输出光束,以不同的角度入射到光栅上,通过精确调整每个光束的工作波长和入射角数值,使所有的反射光束在空间叠加而成为单一光束。洛马公司利用光束合成光纤阵列和独特的光谱合成技术,在2014年1月演示试验了一台30 kW的光纤激光器,达到了同时具有优良束质和高电-光转换效率的最高输出功率,而且所消耗的电能仅是其他SSL的50%[22]。光谱合成的关键是研制高品质的色散元件,随着大阵元光纤激光器的发展对衍射光栅的偏振特性,能承受的功率密度,镀膜带宽和膜系,衍射效率都提出了很高的要求。特别是由于光栅的损耗较大容易受热变形,因此必须研发用于高功率情况下的超低损耗、高衍射率光栅。这台30 kW光纤激光器的关键就是在光谱合成中采用了新研发的“极高功率超低损耗色散元件”(EXUDE)[23],它利用具有多达一百多层超低损耗介质膜的衍射光栅,成功地将100个300 W的光纤激光器的输出合成为单一的30 kW光束,合成效率超过90%。2015年,该公司使用模块化的30 kW光纤激光武器(雅典娜),在一英里外的距离使一辆卡车失能。

从2014年4月洛马公司又开始生产60 kW模块化高功率激光系统[24],准备用於陆军的车载激光武器和空军的AC-130武装直升机。目前洛马公司已经完成了60 kW级光谱合成光纤激光器的设计、开发和演示验证,在2017年3月的测试中,洛马公司的激光器产生了一束58 kW的光束,光束质量达到近衍射极限,电光转换效率超过43%[25],它创造了这种激光器的世界记录。洛马公司满足了激光系统所有的合同可交付成果,计划于2017年5月交付美国陆军空间和导弹防御司令部/陆军战略司令部,这是朝向实用激光武器系统前进的一个重要里程碑。

洛马公司采用的技术路线是另外开发和集成2 kW的光纤激光器模块,再通过光谱合成器将多个模块的输出光束合成为60 kW的单一光束。技术重点是提高激光器的效率和光束质量,减小体积和重量。60 kW系统的另一特点是采用了模块化设计,这有利于功率定标、冷却和包装,同时也降低了全系统故障的可能性。功率定标有两条路径可选,其一是增加光纤激光通道的数量,其二是提高每个光纤激光通道的功率。洛马公司已经证明60 kW激光器足够轻和小,十分可靠,可以部署在战术车辆或其他平台上,用于陆地、海上和空中防御。洛马公司已在2017年4月向美国海军建议,为其提供类似(甚至性能更好)的舰载激光武器系统用于反无人机和高速小艇。由于舰艇对激光器尺寸和重量的要求相对宽松,因此可装备尺寸和重量更大的激光武器,功率可达到100 kW甚至是200 kW。

高亮度高功率抽运模块是研发高功率激光器的关键部件,高能激光二极管阵列的开发可以显著改善激光器的效率、功率和小型化。最近DARPA将开展高效的超小型激光集成装置(EUCLID)计划,开发紧凑的光纤激光二极管模块,以便减小高能激光武器的尺寸和重量[26]。这种模块适用于各种有人和无人战斗机与战术车辆上的高功率激光武器,对于这类军事平台,光纤激光器阵列是领先的候选者。EUCLID计划的目标是开发至少650 W连续波输出功率的二极管抽运模块,抽运组件的输出功率至少3900 W,电光转换效率至少58%到60%。对二极管抽运模块来说,每瓦的体积小于0.31 cm3,每瓦的重量小于0.31 g。而就抽运组件而言,每瓦的体积小于0.5 cm3,每瓦的重量小于0.43 g。另外这些组件应能全功率持续工作超过100 h,而功率下降不超过5%,并且应该能够在可替换的高功率光纤放大器中与其他相同的模块紧密地封装在一起。

4.4 平面波导激光器

美国海军正在实施地基防空机动定向能(GBAD-DE-OTM,简称GBAD)计划,旨在开发能装在悍马、联合轻型战术车辆或其他地面战术车辆上的反无人机激光武器,用以提高海军陆战队的低空防御能力,它与陆军车载激光武器计划的最大差别是能在行进中发射激光。GBAD要求激光器的最低输出功率为25 kW,激光武器重量低于1134 kg,其大小能装入代替悍马的联合轻型战术车辆上。激光器持续发射时间120 s[27]。为实现这一目标,最关键的技术是雷神公司享有专利权的平面波导(PWG)技术。它的增益介质几何形状提供了一种以光学模式的形式储存光学能量的可能性,这就能够实现具有高光学增益、低激光阈值和小面积的光源。与其他SSL相比,平面波导激光器在泵浦耦合、散热和增益介质制备等方面都具有独特的优势。而从结构上相比,PWG具有在一个坚固、紧凑、高效的系统中实现武器级功率和优良束质的最大潜力。

雷神公司的PWG采用单孔径设计,仅用单个长30 cm的直尺状PWG就能产生足以摧毁小型飞机的激光功率。30 kW 平面波导激光武器系统的研发包括高束质的主振荡器、平面波导放大器、高效率抽运二极管 、坚固轻型的光束定向器、改进的光束控制、校正波前的自适应光学系统以及远程光学。与此同时雷神也开展了小型轻量化设计及分析,要使激光器的功率密度达到3.1 kg/kW。PWG的体系结构可以定标放大,若采用多个相同的PWG时就能获得更高的输出功率而不需光束合成,雷神公司认为它可能定标到兆瓦。雷神公司的方案解决了在一个小型、轻量、坚固的部件中产生高功率激光的问题,它也适用于机载平台。在2010年的演示中它将四架无人机从天空中击落。截止到2012年,单个PWG能产生25 kW的平均输出功率,光束质量1.2 DL,电-光效率35%。

PWG的结构如图4所示,它是一个高纵横比的夹心型结构,由低折射率的包层包围着高折射率的激活介质芯子。PWG可以看成是一根一维的光纤,纤芯一般厚50～200 μm,雷神公司采用了厚度为200 μm的Yb∶YAG增益介质,内包层是无渗杂的YAG晶体。其中薄横轴是导引轴,而宽横轴是非导引轴。导引结构可以获得高的抽运吸收效率,而高纵横比可以提供大的表面积/体积比,这有利于冷却和承受高的功率负载。当纵横比达到100∶1或更高时,100 kW的PWG的长度仅有30 cm[28]。信号束在PWG纤芯中的引导传输,消除了热透镜效应,这就可以获得较宽的输出功率范围,而且光学畸变小。在PWG里的高功率密度(～1MW/cm2)下,能获得非常有效的功率提取。如果是低数值孔径的设计,PWG还能获得很高的增益,同时放大的自发发射很低。PWG结构的重要特点是即使在武器级激光功率时,增益介质的热畸变也很小。

其实PWG的结构就是从锯齿形板条随着纵横比的增大而自然演变过来的,因此随着板条制造能力的提升,就能在武器级激光所需的板条尺寸里获得100∶1或更高的纵横比(200∶1),目前板条的制造能力也支持制造出100 kW级的PWG部件。当然与纵横比10∶1的板条激光器相比,在大纵横比情况下必须考虑光束的传输和校正问题。因为沿波导方向的光束质量较好,但由于宽度较大,沿宽度方向的光束质量难以保证。

图4 平面波导激光器示意图

PWG系统采用了MOPA结构,主振荡器是一个200 W的单模光纤激光器,它采用非稳腔导致光束稳定性好和结构紧凑,提供了非常稳定的近衍射极限光束作为放大器的种子光。PWG的高增益特性,允许使用一个适中功率的主振荡源就能获得非常高的输出功率。通过这种途径,可以将1 kW的主振荡器输出功率直接放大到30 kW以上的输出功率[29]。

5 结束语

先进SSL的迅速发展,目前已能在空中平台的紧凑系统中提供武器级的功率,有可能在下10年中执行防御和进攻任务。AFSOC的激光武装直升机计划要求在2020年将激光武器集成进AC-130J进行演示试验,期望过高,恐难实现。而AFRL的激光战斗机计划只要求在2021年用机载低功率激光演示验证反导的有效性,这是一个比较谨慎的计划。

美国军方研发并试验了100 kW的晶体板条和陶瓷板条Nd∶YAG激光器,但它们的光束质量、体积和重量、热管理问题仍很突出,难于集成进空中平台。从精选增益介质和优化结构设计的技术发展趋势来看,TABL光源的候选者可能是一些最近发展的先进SSL:高能液体激光器、光纤激光器和平面波导激光器。高能液体激光器已获得高束质的150 kW输出功率,功率密度达5 kg/kW,尺寸仅为1.3 m×0.4 m×0.5 m,初步满足TABL的要求,目前正在研发更加紧凑的第四代HEL,可能成为首选。

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