陆基激光防空武器的特点及应对目标分析*

季军亮，温玉涛，罗婷婷，肖宇

(1.空军工程大学 防空反导学院,陕西 西安 710051；2.火箭军工程大学,陕西 西安 710025; 3.中国人民解放军93792部队,河北 廊坊 065000)

0 引言

陆基激光防空武器是利用从地面定向发射的高能/高功率激光束，将空中目标毁伤或使其失效的定向能武器。按照用途激光武器可分为战术激光武器和战略激光武器两大类，根据杀伤效应又可分为软杀伤激光武器和硬杀伤激光武器2种。依据当前技术发展趋势预测和陆基激光防空武器任务属性，陆基激光防空武器当归属于战术激光武器，且具备软硬杀伤一体的特性。

1 杀伤机理

激光是指经受激辐射并放大而形成的光，是一种特殊的光，与普通光相比具有方向性好、单色性好、相干性好、能量集中等优势。陆基激光防空武器摧毁或杀伤空中来袭目标的基本原理，是在激光束的作用下使目标丧失作战功能。陆基激光防空武器的主要作战目标是各类飞机、导弹、炸弹等，这些目标的结构组成以及各组成部分的易损性差异明显，受激光束照射的毁伤阈值也有所区别。总体来说，可将目标部位分为软部件和硬部件两大类[1-3]。

软部件失效，指利用高功率激光束持续照射目标，使操作人员暂时性或永久性失明；使用强激光照射目标造成空中目标所搭载的光电传感器损坏或暂时性饱和，从而使人或目标光电设备暂时性或永久性失去作战能力。如使用数W至10W/cm2的功率密度持续照射目标光电探测器，可导致探测器元器件温度升高，致使调制信号减弱乃至消失，进而使目标光电探测传感器暂时丧失作战能力；使用几十W/cm2的功率密度持续照射目标，可使光电探测器出现元件脱落、崩裂等损毁现象，导致目标光电探测传感器永久性失效。

硬部件毁伤，硬部件包括导弹壳体材料、油箱、战斗部、燃料室等部位，破坏机理包括：①热破坏，含热熔融、气体穿孔或引爆其内部燃料发生热爆炸等；②力学破坏，脉冲激光会引起表面材料形成应力波，引起变形、断裂等；③热、力联合破坏。激光束对空中目标各部位的破坏阈值如表1所示。

2 武器组成及特点

基于激光武器特殊的杀伤机理，陆基激光防空武器也具有与常规地空导弹武器系统不同的结构组成，其杀伤机理和结构组成综合决定了陆基激光防空武器的鲜明特点。

2.1 陆基激光防空武器的组成

根据陆基激光防空武器杀伤机理，结合信息化条件下空袭作战特点，陆基激光防空武器主要由指挥控制子系统、若干光束发射/控制子系统、跟踪引导子系统以及用于情报保障的目标指示子系统[4-7]。

指挥控制子系统是陆基激光防空武器的“神经中枢”，确保武器系统各组成部分协调一致的工作，主要功用是接收上级指控系统发送的指令，规划阵地配置、制定作战预案，开展空中目标中长期数据收集和分析，统筹协调作战空域、频率等资源，收集、处理、显示空情信息，根据上级指令计算目标参数、光束大小、功率高低、照射目标部位和持续时间等射击诸元，并向跟踪引导子系统和光束发射/控制子系统下达指令，进行毁伤效果评估。

跟踪瞄准子系统根据外部预警信息目标指示或自主对目标进行搜索、识别、捕获、跟踪，连续测定目标空间参数，跟踪瞄准子系统。

光束发射/控制子系统主要用于产生激光、形成光束并进行光束控制、调节光源功率、根据跟踪瞄准信息随动调整光束指向，确定考虑大气吸收、散射、湍流、热晕效应的光束参数调整策略。

鉴于激光在大气中传播的“瞬时性”(3×106m/s)，为确保高功率激光束能准确照射于来袭目标的指定部位，跟踪瞄准子系统和光束发射/控制子系统应同平台一体化设计，并集成于同一运输车辆底盘上，如图1所示。

将集成跟踪瞄准子系统和光束发射/控制子系统的车辆，称为一个陆基激光防空武器作战基准单元，1套陆基激光防空武器含3～6个作战基准单元，1套陆基激光防空武器可同时对付3～6批来袭目标。

表1 激光束对空中目标各部位的破坏阈值Table 1 The damage threshold of laser beam to airborne targets

图1 跟踪瞄准子系统与光束发射/控制子系统一体化设计Fig.1 Integrated design of tracking and targeting subsystem and beam emission control subsystem

陆基激光防空武器可与常规地空导弹武器系统共享外部情报信息，外部情报信息通过指挥控制子系统向作战基准单元指示目标，陆基激光防空武器结构组成如图2所示。

图2 陆基激光防空武器结构组成Fig.2 Structural composition of land-based laser air defense weapon

2.2 陆基激光防空武器的特点

结合陆基激光防空武器系统的杀伤机理与结构组成，其主要有以下特点：

(1) 瞬时性

激光在大气中以3×108m/s的速度传播，对目标进行射击时几乎不需要时间上的提前量。以当前地空导弹武器系统最大杀伤区远界400 km为例，当目标以Ma为1.8(F-22最大飞行速度)的巡航速度直线飞行时(假定航路捷径为0)，使用陆基激光防空武器对其进行射击，光束自光源发射至到达目标约耗时0.001 3 s，在该时间内目标飞行距离约为0.8 m，而高功率激光束光斑直径一般在1 m左右，加之光束发射/控制子系统与跟踪瞄准子系统的实时随动。可以说一旦陆基激光防空武器发现捕获并准确跟踪目标，则目标几乎没有规避的可能[4,8-9]。

(2) 灵活性

由陆基激光防空武器的组成可知，系统可作战的最小配置为“指挥控制子系统+跟踪瞄准子系统&光束发射/控制子系统”，武器结构组成简单、车辆装备数量少，战场机动性强，且每个作战基准单元可独立对付一批目标，系统集成作战时内部关联度深，但依赖度不大，可根据不同的作战场景“按需整合”。另外，陆基激光防空武器可根据任务性质对应调整光源功率，以达成软硬不一的杀伤效果。陆基激光防空武器灵活性的特点，就决定了其作战使用方式的灵活性与多样性。

(3) 隐蔽性

由于陆基激光防空武器攻击的“瞬时性”及攻击过程的“静谧性”，与常规火力型地面防空装备相比，其对空射击时往往在“悄无声息”中进行，以至于来袭目标已遭重创还浑然不知，更无法确定激光来袭方向和阵地位置。陆基激光防空武器的这一特点，一方面可提升对空中目标的杀伤概率，大大增加对有人驾驶飞机相关人员的心理威慑，另一方面能有效隐蔽发射阵地，提升自身战场生存能力，从而达成保存自己与消灭敌人的统一。

(4) 持续性

激光的产生究其根源是能量，换句话说只要有充足的电能，“激光炮弹”就取之不尽、用之不竭，相对于常规防空装备的导弹和炮弹而言优势巨大，能够大幅度省却由于导弹/炮弹调运、装填等环节产生的时间损耗，有效缩短火力转移周期、增大武器系统对空火力密度。鉴于“激光炮弹”成本低廉，用以对付高价值的空中进袭目标将带来极高的效费比。

(5) 稳固性

现代防空战场用频设备类型多、设备频率范围广，战场电磁环境极其复杂，尤其是敌对方释放的有意干扰，可使己方用频设备作战效能大打折扣。陆基激光防空武器工作的频段为3×1013～3×1014Hz，该频率范围几乎不受任何电子战手段的影响，武器作战环境相对简单。

(6) 可控性

传统地面防空装备的毁伤方式均为火力硬杀伤，射击结果大多只有2种情况：击落摧毁或平安逃脱。而陆基激光防空武器由于可以对光源功率、光斑面积、照射时间和部位等进行适应性调节，因此可对来袭目标进行可控性毁伤。陆基激光防空武器的这一特点可在争议地区防空作战、威慑性空中封控、限制性防御打击等行动中充分发挥优势，这也是区别于常规防空装备革命性的发展升级。

陆基激光防空武器作为新机理、革命性的防空装备，有其超越传统的作战优势，但同时也存在固有的根源性不足。由于激光的传播介质是大气，因此激光束传播过程中受大气条件影响较大，尤其是多云、阴雨和雾霾等天候条件，对激光传输的影响十分明显。从这个意义上讲，陆基激光防空武器全天候作战能力“先天不足”。

3 应对目标分析

着眼未来激光技术发展，以实现100 kW以上功率输出的激光器研发使用为设定，开展陆基激光防空武器应对目标分析。

3.1 陆基激光防空武器战技术指标

结合陆基激光防空武器对空中目标的毁伤机理，这里将武器的战技术指标归集于陆基激光防空武器有效毁伤空中目标射程上，即在达成预定毁伤效果的前提下，陆基激光防空武器可达到的杀伤远界。

激光的有效作用距离主要由照射到目标上的激光功率密度、照射时间以及目标毁伤的能量阈值决定，其中激光功率密度由武器输出功率、光束质量以及大气传输等因素综合确定，计算公式为

q=aD2Pη/λ2β2L2,

(1)

式中:q为到达目标的激光功率密度;λ为激光波长；β为激光束质量因子；η为大气透射率；D为激光束发射主镜直径；L为空中目标到光束发射/控制子系统的距离;P为激光束在发射镜处的功率;a为常数。

这里设定激光波长为2 μm，η取常规大气透射率0.6，激光束发射主镜直径为1 m，P取功率值100 kW，激光质量因子取1，为确保取值的保守性常数a取0.8，照射时间t取值范围为5～8 s。则有

E=taD2Pη/λ2β2L2.

(2)

如果陆基激光防空武器需对来袭目标实现结构破坏性照射，则E取值为1 000 J/cm2,对应功率需求为125 W/cm2(10 s)～200 W/cm2(5 s)，根据式(1)可计算得到对目标实现结构性破坏的照射远界为77～98 km，武器照射近界取决于敌空袭兵器完成任务线，其照射高界与照射远界近似，照射低界取决于遮蔽物高度及来袭目标飞行高度。从这意义上讲，陆基激光防空武器应归属于中高空、中远程地面防空装备[8-14]。

需要特别说明的是，陆基激光防空武器的发射区与杀伤区的区别在于从照射目标开始至实现预期毁伤效果时间内目标的飞行距离。同时，由于陆基激光防空武器对目标射击的瞬时性，使得武器对目标的迎射杀伤区与尾射杀伤区基本无明显区别，其杀伤区近似为半球形,如图3所示。

图3c)中，vm为空中目标飞行速度，tz为激光束到达目标的时间与照射时间之和。

图3 陆基激光防空武器的发射区与杀伤区Fig.3 Emission zone and kill zone of land-based laser air defense weapon

3.2 陆基激光防空武器应对的空中目标

由陆基激光防空武器杀伤机理可知，武器对空中来袭目标的杀伤可分为软部件失效和硬部件毁伤两大类，进行陆基激光防空武器应对目标分析，可从两类杀伤机理所对应的目标类型展开。

3.2.1 软部件失效所对应的目标类型

从对操作人员损伤而言，陆基激光防空武器可抗击普通作战飞机、预警机、电子侦察飞机/支援干扰飞机等目标。就使目标携带的光电传感器失效而言，凡搭载光电传感器的空中目标均可成为陆基激光防空武器的抗击对象，如电子侦察机、使用光电导引头的空地导弹、精确制导炸弹等。由于预警机、电子侦察飞机/支援干扰飞机等空中目标作用距离可达数百公里，活动空域通常在防区外，因此陆基激光武器无法对防区外目标实施攻击。

3.2.2 硬部件毁伤所对应的目标类型

硬部件毁伤所对应的目标类型比较多，在陆基激光防空武器射程内的空中目标几乎都可成为其作战对象。但是由于陆基激光防空武器对跟踪瞄准精度要求高，且被照射部位须有一定的相对稳定性和照射时间综合累积性，因此，武器对高速飞行的高机动目标抗击毁伤效果相对较差。

通过以上分析，陆基激光防空武器抗击目标类型如下：

(1) 对于作战飞机损伤其机构，如穿孔、断裂、熔融甚至气化等，可使目标彻底丧失作战效能，也可根据任务需要实施致盲驾驶员、失效传感器等软杀伤。

(2) 由于预警机、电子侦察机、远距离支援干扰机等目标作战距离远，活动空域不在陆基激光防空武器杀伤区内，因此，以上3类目标不在陆基激光防空武器作战对象范围内。

(3) 陆基激光防空武器可对反辐射导弹/无人机、空地导弹、精制导炸弹和巡航导弹进行硬破坏性打击，也通过失效光电导引头降低空地导弹、精确制导炸弹作战效能。

(4) 对于末段飞行的弹道导弹而言，由于目标具有自旋属性，因此陆基激光防空武器对其作战效果并不十分明显。但鉴于陆基激光防空武器的射程较大，可通过增长照射时间的方式应对弹道导弹进袭。当弹道导弹的壳体被高能激光武器照射时，在其内部压力、空气动力、推力以及激光加热(材料性能热降低和热应力) 的联合作用下，壳体材料的某个部位因应力叠加、集中并超过材料的断裂强度而产生裂纹，这种裂纹会迅速扩大，导致压力贮箱的爆炸、导弹弹体折断与近乎解体，因此，高能激光武器在未熔穿弹道导弹壳体前，弹道导弹就已被摧毁。从这个意义上讲，陆基激光防空武器抗击弹道导弹具有一定的可行性，且受来袭导弹射程与再入速度影响不大[15]。

综合而言，陆基激光防空武器应对的目标包括作战飞机、反辐射无人机/导弹、空地导弹、精确制导炸弹和巡航导弹以及弹道导弹。

4 结束语

陆基激光防空武器以其在抗干扰、可控性、灵活性等方面的独特优势，越来越受到人们的关注。随着激光技术的快速发展，陆基激光防空武器相对于传统火力的优势将越来越明显，也必将引起防空领域的一场革命，预先开展陆基激光防空武器作战使用研究势在必行。文章在阐述陆基激光防空武器杀伤机理及结构组成的基础上，系统讨论了陆基激光防空武器的特点及其应对目标类型，以期为后续开展武器作战使用研究打下良好基础。