中小型无人机防御激光武器的技术途径分析

徐明兴，林冰轩，陈志刚，王文正，沈雁鸣

(中国空气动力研究与发展中心，四川 绵阳 621000)

0 引言

高能激光武器作为一种颠覆性武器，一直受到各军事强国的关注，其利用高能激光束的热效应、力学破坏特性、辐射破坏特性等直接对目标产生杀伤，属于定向能武器的一种[1]。高能激光武器的研制始于20世纪六七十年代，随着相关技术的不断进步，近几年高能激光武器系统日渐完善，能力接近实战化应用。受激光作用距离、能量密度等限制，在未来相当长一段时期内，中小型无人机将成为高能激光武器的重要作战对象，有必要对中小型无人机对抗高能激光武器的策略和关键技术进行分析，有针对性地提前开展相关技术的研究，以提高中小型无人机的战场生存力。

1 中小型无人机与高能激光武器的对抗

按部署平台分类，高能激光武器可以分为天基、地基、机载、舰载、车载等类别；按激光发射类型分类，可以分为化学激光器、固体激光器、自由电子激光器等[2]。化学激光器利用氧碘、氟化氘等进行化学反应释放能量来激励工作物质，从而产生激光，其优点是输出功率较大，可达数百千瓦以上，主要应用于打击洲际导弹、卫星等战略目标，是一种发展较早的激光武器。但由于存在体积质量较大、难以集成化、发射次数有限、排放有毒气体等问题，化学激光器的研究近些年已经逐步停滞[3]。固体激光器是近几年高能激光武器发展的重点，其使用掺入少量激活离子的玻璃、晶体或透明陶瓷作为工作介质，具有体积小、使用方便、光束质量好、电力驱动等优点[4]。随着技术不断进步，固体激光器的输出功率不断提高，以光纤激光器为例，多模光纤激光器的输出功率已达100 kW量级，初步满足了武器化需要。

历经几十年的开发，美国固体激光武器技术日趋成熟，在高能固体光源、光束控制、系统集成等方面技术已经取得一定突破。2009年，美军机载激光武器系统(airborne laser,ABL)项目成功完成了一次模拟拦截试验，利用一束低能激光对模拟的助推段导弹目标进行了聚焦和定向；2012年7月，美国海军激光武器系统(laser weapon system,LaWS)在驱逐舰前甲板上成功击落3架无人机目标[5]。2019年12月，美国海军LPD-27波特兰号船坞登陆舰出海测试由诺思罗普格鲁曼公司研发的最新激光武器系统，其发射的激光束功率达到150 kW，可对小型船只和无人机进行打击。世界其他各军事强国也开展了大量高能激光武器研究，德国莱茵金属公司2012年底，使用一种50 kW的高能激光器击落了 2 km 以外的无人机，演示了目标探测—跟踪—击毁的完整作战流程。中国久远高新技术装备公司研制的低空卫士系列激光拦截系统，输出功率可达30 kW，可用于防御无人机等“低小慢”目标。总的来说，现有高能激光技术和样机系统的能力十分接近于战术层面应用需求，已步入实战前“最后一公里”的阶段。

根据近十年来世界各国高能激光武器的发展态势，研判下一步高能激光武器主要有以下发展趋势。一是重点发展以光纤激光器为代表的固体战术激光武器，其具有体积小、集成度高、复杂环境适应能力强的特点，能够加快激光武器的实战化发展；二是激光武器的作战样式以反无人机为主，兼顾火箭弹、炮弹等[6]。受限于输出功率、光束质量、大气衰减等限制，目前激光武器的有效射程普遍在10 km以内，该区域正是近程防御作战时，飞行高度在5 km以下的中小型无人机的主要活动区域。在可预见的未来，中小型无人机和高能激光武器的竞争和对抗将日趋激烈，有必要提前开展中小型无人机对抗激光武器的相关技术研究。

2 高能激光武器特性分析

2.1 高能激光武器组成及工作原理

高能激光武器主要由侦察指挥系统、精密跟踪系统、高能激光器和光束定向器等构成[7]，其中光束定向器包括大口径发射分系统和自适应光学分系统(校正激光大气畸变)。侦察指挥系统利用雷达、红外、激光等探测设备，搜索和捕获敌方目标，获取目标的速度、相对位置等有用信息，并综合上一级指挥系统发送来的其他信息和作战指令，进行目标分配和坐标转换，输送给精密跟踪系统。精密跟踪系统捕获并锁定目标后，引导光束使信标光束和杀伤光束瞄准目标，最终完成目标摧毁和杀伤效果判定。高能激光器是激光武器的核心，负责产生高能激光束，其功率和性能的高低直接影响到对目标的杀伤效果。激光武器的组成和工作原理示意图如图1所示。

图1 高能激光武器的组成原理Fig.1 Composition principle of high powered laser weapon

2.2 高能激光武器毁伤机理

高能激光武器的毁伤直接取决于到达无人机的激光强度、照射时间、材料本身特性等因素。到达无人机的激光强度主要受激光器功率、大气传输衰减、光斑半径、光束质量等影响，到达无人机的激光功率估算公式为

P=(1-α)LP0，

(1)

式中：P为到达无人机功率；α为大气衰减系数；L为激光器到无人机的距离；P0为激光束初始功率。

无人机上的光斑半径估算公式为

(2)

式中:r为光斑半径;β为光束质量因子，通常情况下β>1;λ为激光波长;D为发射望远镜主镜的直径。

到达无人机的激光单位面积能量密度为

(3)

强激光照射无人机，发生毁伤的条件为

E=QT≥Eth，

(4)

式中:T为激光照射时间;E为无人机单位面积接收总能量;Eth为机体材料发生破坏的能量阈值[8]。

高能激光对无人机的破坏形式因材料体系的不同会有很大的差异。对于金属材料，当高能激光束作用于其表面时，材料将立刻被加热，随后熔融、气化，发生毁伤破坏。对于高分子材料，在高能激光辐照区域，聚合物迅速温升、熔化、发生分子解离，即产生热烧蚀或热冲击毁伤效应，并且在辐照结束烧蚀损伤会继续加剧。对复合材料，在高能激光作用下，其外表面发生烧蚀热解，同时出现剥离破坏现象，进而导致复合材料力学性能显著降低[9]。

2.3 高能激光武器特性分析

相比传统武器，高能激光武器抗电磁干扰能力强，攻击时无需提前量、命中精度高、发射过程无后坐力、作战灵活、可快速转换攻击目标、使用电力驱动、连续战斗能力强、作战效费比高[10]。虽然具备很多优势，但高能激光武器也存在一些缺点和不足。

(1) 激光传输容易受到云层、烟雾等遮蔽。与可见光类似，浓云、雨雾、烟幕等对激光传输的遮蔽效果非常明显。以烟幕为例，当高能激光入射到烟幕中时，烟幕中的悬浮粒子会吸收和散射激光，使其产生衰减，最后能够有效照射到目标的激光能量将大大降低。

(2) 受大气衰减和光束质量的影响，有效作用距离受限。激光在大气中传输会有衰减，随着距离增加，照射到目标上的能量越来越小。同时，距离增加，光束光斑面积增大，单位面积能量密度降低。为了有效实现杀伤，在目标上的激光光斑能量密度必须达到一定阈值。受此约束，目前典型的战术型固体激光武器的有效作用距离在5 km左右，不超过10 km。

(3) 需要激光持续对准目标才能实现烧蚀，毁伤过程需要一定时间。受激光输出功率等限制，要实现对目标的毁伤，一般需要激光持续对准特定区域数秒钟。以某典型激光器为例[11]，对于壁厚为10 mm的战斗部，辐照时间需要3.18 s；对于壁厚为15 mm的战斗部，辐照时间远大于5 s。较长的毁伤时间对跟踪瞄准系统提出了更高要求，同时增加了作战过程的不确定性。

(4) 精密跟踪瞄准系统易受到干扰。高能激光武器普遍采用“边看边打”的攻击模式，攻击过程对精密跟踪瞄准系统极为依赖。跟踪瞄准系统的核心是光电探测设备，对光电探测设备进行干扰的电子对抗技术已经相对比较完善，通过干扰精密跟踪瞄准设备即可实现对高能激光武器的有效攻击。

3 关键技术途径分析

通过对高能激光武器特性分析与研究，面对高能激光武器带来的威胁，中小型无人机可采用以下策略进行对抗：

(1) 关键部件的防激光毁伤冗余设计

为了使无人机在受到强激光攻击后，不致于丧失飞行能力，可以对无人机的关键部件采用防激光冗余设计。支撑无人机基本飞行能力的关键部件主要有传感器(包括惯组、导航等)、动力、机翼、舵面、飞控等。冗余设计在传统飞机上已有应用，例如广泛采用的余度技术，即采用多套系统执行相同任务来提高系统可靠性。近年来，新发展的分布式推进、多舵面技术为提高无人机生存能力提供了新的技术路径。分布式推进布置多台发动机或螺旋桨，使飞机获得更大升阻比、更好的飞行性能。如果进一步优化设计，再同时设置多个动力源，将极大地提高无人机生存能力。多舵面技术在飞翼布局形式的飞机上已经广泛采用，其通过设计多组舵面(多于3组)实现舵面冗余，在部分舵面发生毁伤、失效或故障时，可以通过重构的方式，实现控制。

(2) 抗强激光的结构加固

通过加固机体结构来提高对强激光照射的抵抗能力，可以实现无人机对强激光的有效对抗。进行结构加固可以采用设计夹层、喷涂抗激光涂料等方式实现。设计夹层是指在重要防护部位设置夹层结构，一种典型的夹层结构由2个防热层夹住一个抗激光辐射层，隔热层由酚醛树脂、环氧树脂等构成，抗激光辐射层由浸渍树脂的碳纤维和粉末钨等构成[12]。喷涂抗激光涂料也是一种研究较多的结构加固方式，按照与激光作用原理的不同，抗激光涂料可分为高反射型、抗热烧蚀型等类型。高反射型涂料能够将大部分入射激光反射出去，降低涂层上的能量积累，实现对无人机的保护，目前可用的高反射型涂料有等离子体喷涂金属涂层、陶瓷涂层等不同类型。抗热烧蚀型涂层提高了涂料本身被激光破坏的能量阈值，使涂料可以吸收更多的激光能量，C/SiC陶瓷基复合材料、片状石墨增强钡酚醛树脂基复合材料等不同类型的抗热烧蚀涂料正在开展研究。

(3) 抗激光毁伤的机动飞行策略

受照射到无人机上的激光功率限制，要实现毁伤，需要强激光对同一位置持续照射一定时间，该时间往往以秒计。无人机被强激光锁定照射后，如果能够进行一定的机动飞行，使激光光斑无法对同一位置形成持续照射，可以实现对高能激光有效对抗。要实现这一目的，需研究的关键技术主要有2个：一是对强激光照射的被动告警技术，该技术属于电子对抗技术的范畴，在无人机被强激光照射后，通过告警装置，迅速对激光源进行侦搜、分析、处理和告警，是开展主动对抗的基础；二是合理的机动飞行策略，在收到告警信息后，无人机要进行合理的机动规避，机动飞行策略要根据飞行条件、任务情况、无人机性能综合考量。

(4) 蜂群无人机

蜂群无人机借鉴了蜜蜂的群体活动生物学原理，蜂群中每个无人机，通过与周围无人机的简单交流，能够保持一定的队形，可以向蜂群中心靠拢，也可以朝着一个方向移动，同时单个无人机之间保持一定的距离。蜂群无人机的特点是，群体中单个无人机是完全分散式的，没有中心控制，不会因为单一个体或者几个个体出现不确定的状况而影响全局。同时，整个无人机蜂群具有良好的群智能，即通过个体间简单的一些行为就能够解决较为复杂的问题，执行较为复杂的任务。蜂群无人机的这种组织特点，使原来依靠单架或几架无人机完成的任务，分散到整个蜂群无人机共同完成。当遭遇高能激光武器攻击时，通过蜂群无人机大范围、多方向、多架次的进攻，一方面会导致激光武器捕获与跟踪忙乱，形成“饱和”攻击效应，降低激光武器作战效能；另一方面即使部分无人机被击毁或击伤，也不影响整个蜂群完成作战任务，变相提高了无人机的作战能力。

(5) 对激光武器探测系统进行主动干扰

高能激光武器要实现对无人机的毁伤，必须利用探测装置和跟瞄设备，对目标进行探测和瞄准。若使用电子对抗设备，对高能激光武器的探测、瞄准系统主动进行干扰，使其“看不见、打不准”，可以有效降低其作战能力。针对雷达类型的探测、跟瞄装置，可加装自卫式干扰机或拖拽式诱饵；针对红外类型的设备，可采取加装红外干扰机、红外诱饵、释放红外烟幕等措施；而对于激光类型的设备，可采用通过发射、转发激光对光电设备进行欺骗的激光干扰机，或者反向发射激光进行致盲等措施。总的来说，针对探测、跟瞄设备的电子对抗技术已经发展较为成熟，只需根据高能激光武器的特点，对相关技术进行适当改进，应当可以实现对高能激光武器的有效对抗。

(6) 增强无人机隐身性能

探测并发现目标是强激光武器进行攻击的先决条件，如果增强无人机的隐身性能，降低被探测的几率或缩短被探测的距离，无疑能够提高无人机对抗高能激光武器的生存能力。无人机隐身技术主要包括雷达隐身、红外隐身、声隐身和视觉隐身等。雷达隐身的目的是降低无人机雷达散射面积，实现方法有隐身外形设计、使用吸波材料等[13]。红外隐身的主要目的是降低无人机的热辐射特性，减小其被红外成像设备发现的概率。对无人机来说，发动机及喷管是主要的红外辐射源，可以通过优化喷管外形、隔热与冷却等技术实现红外隐身。声隐身和视觉隐身是近年来新发展的隐身技术，通过降低飞行噪声，或变色、烟幕、伪装等视觉手段[14]，降低无人机被探测发现的概率。

(7) 强激光毁伤条件下的故障重构控制

受到强激光的攻击，无人机可能出现机体、机翼、舵面等损伤，损伤并不意味着无人机完全丧失飞行能力，只要在气动上还具备飞行的条件，配合合理的控制系统，有可能使无人机继续作战或安全返回。故障重构控制将无人机损伤作为故障的一种，通过对损伤情况的在线诊断，实时优化飞行控制器，实现损伤情况下的安全飞行。故障重构控制一般可以分为故障检测与隔离(FDI)、容错控制(FTC)两部分[15]，FDI的主要功能是在故障发生时报警，以及确定故障源，其设计方法有很多，如观测器法、等价空间法及参数估计等。FTC的主要功能是根据故障情况，优化控制器，设计方法有鲁棒控制、神经网络、自适应控制等[16]。随着无人机技术的发展，尤其是部件冗余设计的增多，故障重构控制技术已经愈发成熟。针对强激光毁伤这一特定条件，研究毁伤情况下，无人机的气动、结构等特性，完善相应的故障重构策略，最终可以实现无人机受损伤后继续飞行。

(8) 利用云层、雨雾或主动布烟进行遮蔽

由于固有的传输特性所致，激光极易受到云层或烟幕等遮蔽。无人机在与高能激光武器的对抗过程中，可以主动利用云层、雨雾或烟幕的遮蔽效应，将无人机藏在遮蔽物后面，实现“打不到”的目的。云层、雨雾、烟幕等根据其浓度、厚度、粒子大小等对激光传输的影响不同，但总的来说，反射和散射作用是影响传输功率的主要因素。以烟幕为例，0.63 m厚的雾油烟可将波长1.06 μm的激光能量衰减到1%[17]。目前，人工布烟和无人机航路规划等技术已经较为成熟，将这些技术与无人机对抗高能激光武器的需求进行对接，并结合智能化技术，提高无人机的智能自主水平，实现对高能激光的主动遮蔽防护是可行的。

(9) 装备体系综合对抗

现代战争既不是单一作战力量、作战单元之间的对抗，也不是单一作战要素之间的对抗，而是诸军兵种作战要素融为一体的装备体系与另一体系的对抗。在装备体系对抗中，通过对不同作战要素的合理配置，可以取得比单一武器平台对抗高得多的作战效能。以对抗高能激光武器为例，对其指挥控制系统进行干扰或破坏，使其丧失预警、探测、监视、指挥、通信等能力，无法接受其他远程探测系统发送来的信息，最终只能依靠自身探测设备进行作战，即可有效地降低其作战能力。

4 结束语

高能激光武器发展迅速，已经迈入实战化使用的“最后一公里”，可能会颠覆现有防空作战模式。中小型无人机作为高能激光武器的主要作战对手，其与高能激光武器的对抗将日趋激烈。本文针对这一问题，提出了如下对抗策略：①关键部件冗余设计；②抗强激光的结构加固；③抗激光毁伤的机动飞行策略；④蜂群无人机；⑤对激光武器探测系统进行主动干扰；⑥增强无人机隐身性能；⑦强激光毁伤条件下的故障重构控制；⑧利用云层、雨雾或主动布烟进行遮蔽；⑨装备体系综合对抗。围绕这些对抗策略开展研究，完善具体技术细节，实现部分技术的推广应用，必将有效提高中小型无人机在高能激光武器威胁下的生存能力。