基于激光武器的反无人机系统分析

胡义明

中国直升机设计研究所

近年来，随着无人机技术的不断发展与完善，低慢小无人机数量呈现爆发性增长趋势，大量低空无人机“黑飞”与滥用给公共安全带来了安全隐患。本文对国内外反低慢小无人机系统进行阐述和分析，并针对低慢小目标特性和现有反制技术，创新性提出无人直升机机载激光武器系统，为相关领域的研究者和设计人员提供参考。

大量容易操控的无人直升机、多旋翼无人机等飞行器的应用越来越广泛。无人机制造商不断升级技术和工艺，带动了无人机产业的飞速发展。与此同时，各类无人机违规甚至违法事件快速上升，给保密、安防和反恐等工作带来了新挑战，社会面临一系列新的无人机管理问题。低成本多旋翼无人机在复杂空间环境中低空飞行、悬停，采集图像、视频或音频回传地面控制站，并携带易燃易爆危险品对特定目标实施攻击，这是新形势下城市要地、飞行器、边防要塞、高价值军事平台、驻海外军事基地等目标面临的重要威胁。表1列出了近几年无人机入侵机场，对航空运营造成严重影响的事件。

为了进一步规范低空无人机的运行，确保公共安全，促进无人机产业有序发展，我国先后出台了一系列无人机运行的管理规定，明确了轻小型民用无人机的定义，规范了无人机在航路航线及终端区的运行，推行无人机实名制登记管理。

然而，如果没有技术手段提供支持，相关部门无法及时发现“黑飞”行为，无法对违规者和违法者进行识别、制止和惩处，法规的执行力度和威慑力将会大打折扣。同时，有明确目的的罪犯和恐怖分子会无视法规约束，使用无人机开展犯罪活动。因此，机场、政府和军事机构等重要单位和部门亟须一种能有效探测与识别无人机、反制无人机入侵的基本防御手段。

国内外反低慢小无人机系统的分类与分析

针对日趋严峻的无人机威胁，反无人机技术及其在各型装备上的应用渐成发展热点。目前，研究人员围绕反低慢小无人机的探测与防御关键技术开展了大量研究和工程实践，世界各国除了采用传统防空武器系统执行反无人机任务外，还大力推进电子战、网络战、无人机、激光武器等反无人机技术的研究。现对国内外现有的主要反低慢小无人机系统进行阐述和分析。

分类

（1）电子干扰装备

该系统向目标无人机定向发射大功率干扰射频信号，从而切断无人机与地面控制站之间的通信链路，迫使无人机降落、瘫痪甚至坠机。该类系统如图1所示。

图1 电子干扰型反无人机系统。

该类系统操作简单、成本低，但对环境要求较高，且对其他通新设备产生附加干扰等缺点，导致该系统无法满足安全防范的预期要求。

（2）毁伤与捕获型装备

该系统采用激光武器、地空导弹、攻击型无人机等多种装备，直接拦截、毁伤或捕获低空无人机，实现对非合作无人机目标的防御与压制。该类系统如图2所示。

图2 毁伤与抓捕型反无人机系统。

基于激光武器的反无人机系统具有反应时间短、辐射强度高、无污染、成本低等特点，但激光武器的功率密度会随作用距离的增大而衰减。

（3）探测与控制型装备

该系统利用光电、雷达等设备获取的多模式信息，识别和跟踪无人机目标，并利用电磁干扰、导航诱骗等手段对无人机进行反制。该类系统如图3所示。

图3 探测与控制型反无人机系统。

该系统集成度高、尺寸大、重量大、造价昂贵，对巡飞弹或具有智能控制功能的无人机无法实施有效压制。

分析

反无人机系统在要地防护、特种作战和信息对抗等军事领域具有重要的应用价值，是十分敏感的前沿研究领域，国外对其关键技术进行了严密封锁。对于探测、干扰、毁伤或导航诱骗等反无人机作战能力，多数现有反无人机系统仅具备其中一种能力，导致反无人机系统的环境适应性、目标打击距离与可打击目标种类等方面存在较大的作战局限性。

相比之下，激光武器系统可以解决时下其他无人机反制系统存在的如下问题。

一是动能武器成本较高，在城市环境中反无人机作战容易伤及无辜人员或给公众带来心理恐慌。

二是电子干扰、导航诱骗等手段具有附带损伤，对具有通信链路保护功能的无人机进行反制，效果差，更无法应对今后越来越多、采用人工智能图像识别技术自主飞行的智能无人机。

由此可见，基于激光武器的反无人机系统有望成为未来反制低慢小目标的重要手段。

国内外机载激光武器发展现状

无人机的大量使用给防空系统带来了严重挑战。在纳卡冲突中，阿塞拜疆军方利用巡飞弹摧毁了亚美尼亚军方部署的S-300远程地空导弹系统。面对无人机的攻击，先进昂贵的地空导弹出现了“大炮打蚊子”的窘境。不久的未来，无人机蜂群将冲锋上阵，凭借庞大的数量、机动性高和低成本等优势直接压垮防空系统。无人机蜂群的作战趋势必然催生出新的防空需求，即己方应迅速、精准地消灭敌方低成本无人机蜂群，而激光武器系统具有满足此需求的潜力。

2008年，波音公司开始为美军开发定向能武器系统（Directed Energy Systems），采用固体激光器作为定向能武器系统的激光源，并且将定向能武器系统的打击目标定位于追踪并摧毁RAMD目标，即火箭弹（Rockets）、火炮炮弹（Artilleries）、 迫击炮炮弹（Mortars）和无人机（Drones）。RAMD目标的共同特点是体积小、数量多。美军将激光武器的打击目标定位于RAMD，表明了美军对激光武器的认识达到了新的高度，发掘出激光武器较传统武器具有真正的优势，即光束杀伤速度快、精度高、成本低以及可多次发射。激光武器能以光束形式瞬间将能量传到小型RAMD目标上，而这些小目标通常不具有厚重的装甲，用相对较低功率的激光束就可将小目标毁伤，如果只毁坏小目标机载光电系统，所须的激光功率密度将更低。一套“通古斯卡”防空系统装备有8枚防空导弹，而激光武器只须要搭载平台就能不断射击。用导弹击落一架无人机须要10万美元，用激光武器击落一架无人机只须5美元的燃油费（供搭载平台正常运行的费用），后者是一种低成本无人机反制手段。

美军主要机载激光武器项目如表1所示。表格内容显示，美国正在大力发展机载激光武器，主要涉及高能激光器的光源系统、光束控制和发射系统以及供电控温集成系统三项内容。其中，高能激光器的小型化、轻量化光源系统技术最为关键。

表1 美军主要机载激光武器项目概况。

洛马公司近年的激光武器系统发展路线如图4所示。该公司高能激光武器系统采用了光谱组束光纤激光器，从2015年30kW的“雅典娜”（ATHENA）光纤激光武器，到2017年58kW的车载“激光反无人机系统”（HELTVD），再到2020年计划完成的150kW舰载“高能激光与集成光学眩目监视系统”（HELIOS），激光器的功率不断增大，但是该系统对平台载重量的需求也越来越高，激光器的搭载平台从战术卡车到导弹驱逐舰逐级增大。2017年，洛马公司在美国导弹防御局和美国空军研究实验室的资助下，启动了低功率激光验证器（LPLD）和机载高能激光分系统（LANCE）的研制工作，按计划于2020—2021年完成。

图4 洛马公司激光武器系统发展路线。

美国军方对机载高能激光武器系统的小型化需求，反映了其对高能激光武器系统理解的变化，从追求更高功率向追求更加实用转变，重点针对狭小空间的搭载平台，聚焦于激光出光效率提升，减小体积、重量和能耗，获得高可靠性高能激光武器系统。

而国内有关机载激光武器系统的报道相对较少。以“沉默猎手”车载激光武器系统为例（见图5），其典型工作方式是，整套系统固定，远程发射激光束。激光的毁伤性能取决于作用于靶面的激光功率密度，而激光的特点是，作用于靶面的激光功率密度随着作用距离的增大而衰减。同时，当作用距离＞1km时，大气湍流和热晕会严重降低激光束的质量，造成靶面激光光斑发散和散斑；而当作用距离＜1km时，大气的影响变得很小。

图5 “沉默猎手”激光武器系统。

激光远程传输将严重减小激光照射在靶面的功率密度。因此，机载激光武器系统迅速抵近目标，并在有效作用距离内实施空中打击，将是未来低慢小目标反制技术的发展趋势。

无人直升机机载激光武器系统

随着反无人机系统技术的不断成熟，各分系统将逐渐小型化，并最终融合成察打一体反无人机系统。此类系统集成度更高，融合了多种探测与反制技术，将有效提高反无人机作战的实时性和精确打击能力，是未来反无人机系统技术发展的重要方向。基于这一发展趋势，本文针对低慢小目标特性和现有反制技术现状，提出一种无人直升机机载激光武器系统，即无人直升机平台搭载轻小型激光器及光电吊舱，在探测系统的辅助下，执行低慢小目标打击任务。

无人直升机机载激光武器系统可以配置于各级指挥机构和武器平台，其作战管理系统主要由任务系统、指挥系统以及探测系统三部分组成，如图6所示。无人直升机机载激光武器系统工作时，雷达光电多模式探测车实时监测防御区域的动态，当可疑无人机出现时，探测车向指挥中心反馈，指挥中心通过移动式地面指挥控制车发送指令，无人直升机收到地面指挥控制车的作战任务后，判断目标是否在反制范围内，如在反制范围内，则向光电跟瞄吊舱发送瞄准指令，如超出反制范围，则选择追击并抵近目标。当光电吊舱瞄准目标后，激光器发射激光束，将目标击毁。

图6 无人直升机机载激光武器系统构成示意图。

无人直升机机载激光武器系统具有以下优势。

第一，无干扰。激光反制手段对通信设备无干扰，不会影响公民的日常通信需求。

第二，成本低。动能武器使用成本较高，应对低慢小无人机犹如“大炮打蚊子”，而且在城市环境中使用容易伤及无辜民众，给人们带来心理恐慌，而激光反制手段不存在这种问题。

第三，机动性高。无人直升机可垂直起降、空中悬停、巡航速度容易控制，可迅速主动出击并抵近目标，在轻小型激光器有效作用距离内实施空中打击。

第四，视野广。在城市环境中作战，无人直升机在空中无视线遮挡，应用场景更广泛。

第五，有效性高。采用激光直接毁伤无人机的机制，拦截率更高，而且高能激光“抵近毁伤”的新无人机反制模式大幅提高了激光武器系统的毁伤效果，并且一定程度上具备对雾、霾等恶劣天气的适应性。

无人直升机机载激光武器系统将充分发挥高能激光的效能，具有发射成本低、发射速度快、有效性高、隐蔽性强、易于集成光电系统等优势，未来有望广泛运用于陆海空多种平台。

为构建具备有效探测和打击低慢小目标能力的新反制手段，相关单位尚须深入研究和掌握无人直升机机载高能激光武器轻小化、跟踪瞄准发射、雷达与光电多模式探测与全系统集成、目标跟踪以及平台跟随目标机动飞行等关键技术。

美国陆军开展“黑鹰”无人直升机与空射无人机协同作战试验

美国陆军正在利用美国国防预研局“机组人员驾驶舱自动化系统”，对“黑鹰”直升机进行无人化改装。

在“项目融合”技术验证试验中，美国陆军测试了“黑鹰”自主补给能力。测试场景是，美国士兵被困，补给航线受到敌方防空武器的压制，执行物资补给任务的美国陆军飞行员面临危险。这时，携带2架阿里亚-I公司（Area-I）ALTIUS 600空射无人机的“黑鹰”无人直升机执行自主补给任务。在“黑鹰”飞行过程中，ALTIUS600无人机固定在“黑鹰”无人直升机机身甲板上的发射装置内，并对地面目标进行侦察与监视。