国外激光武器及其标准化的研究进展

2023-11-13陈京生孙葆森张鹏飞费卓鑫阮斯洁

兵器装备工程学报 2023年10期

陈京生,李清,吴红,孙葆森,张涛,张鹏飞,费卓鑫,阮斯洁

(1.中国兵器工业标准化研究所, 北京 100089;2.北方材料科学与工程研究院宁波所,浙江宁波 315103; 3.新乡学院,河南新乡 453003;4.中国北方工业有限公司,北京 100053)

0 引言

激光武器是一种利用定向发射的激光束直接毁伤目标或使之失效的定向能武器。据《市场调研公司》网2022年11月发布的2022年度全球定向能武器报告称,全球定向能源武器市场预计将从2021的36.6亿美元增长到2022年的44亿美元,复合年增长率为20.33%。2026年,定向能武器市场预计将达到96.4亿美元,复合年增长率为21.69%[1]。

激光作为战术武器,有很多独特的优点。首先,它可以用光速飞行,可以快速击中目标。另外,它可以在极小的面积上、极短的时间里集中超过核武器100万倍的能量,还能灵活地改变方向,没有发射性污染。激光武器不需携带弹药,只要电能足够,理论上就有无限的弹药。因此其作战成本和安全性均优于传统武器。与常用的拦截导弹相比,激光武器每次拦截成本低,并且能够将机载激光平台定位在云层上方,从而能够在敌方区域内或边界附近与火箭交战,克服天气限制和大气干扰。

目前,美国激光武器水平处于领先地位,成熟技术为100 kW,在研300 kW,中期500～600 kW,远期兆瓦级。美国在研究大功率的舰载激光防空武器系统,在DDGX下一代驱逐舰计划中,准备在2035年以后装备600 kW级舰载激光防空武器系统。俄罗斯、德国、以色列紧随其后,其他国家如英国、日本、韩国、印度等国也在开展高能激光武器的研究。随着激光武器关键技术不断突破,未来激光武器的功率将达到500～600 kW甚至兆瓦级,将在陆、海、空、天基平台上获得应用。

1 世界相关国家激光武器发展情况

1.1 美国

美国激光武器研究主要集中在几大国防制造公司,如波音公司、洛克希德·马丁公司和诺斯鲁普格鲁曼公司等。这些公司为美国陆军、海军陆战队、空军、海军和太空军等军兵种研发不同的激光武器,并在相关装备上进行了试验验证。

2006年,波音导弹防御系统(MDS)在美国空军C-130H运输机基础上,根据先进战术激光(ATL)计划创建第一架机载激光战机。该飞机搭载高能化学激光器、作战管理和光束控制子系统。2007年测试之后,国防部开始ATL的全面开发,ATL支持战场和城市作战任务[2]。

2006年6月,美国的机载激光(ABL)计划在两年内投入使用。ABL采用世界上第一个兆瓦级激光武器系统,在地面实验室中实现了毁伤威力。该系统以光速自主探测、跟踪和摧毁所有类型的敌对弹道导弹。该高能激光器的合作伙伴包括主承包商波音公司、诺斯罗普·格鲁曼公司(Northrop Grumman)和洛克希德·马丁公司(Lockheed Martin)[3]。

2008年10月,诺斯罗普·格鲁曼公司向美国空军交付了第一条高功率固态激光器生产线。15 kW Vesta Ⅱ可移动装置是联合高功率固态激光器(JHPSL)计划的产品,目标是实现能够击落火箭和导弹的武器。Vesta Ⅱ是基于该公司2006年推出的Vesta的改型。固态激光武器的总体架构将使激光器更紧凑、更坚固、更易于部署、更易于使用[4]。

2009年,波音公司首次演示验证了配备可以击落无人机的激光复仇者(Laser Avenger,见图1)。测试在新墨西哥州白沙导弹靶场进行,使用的是安装在一辆通常装备毒刺防空导弹的军用悍马车上的1 kW固态激光系统。该系统可以在保护部队安全的同时消除无人机的威胁,还可对付简易爆炸装置(IED)和未爆弹药(UXO)[5]。

图1 装配在军用悍马车上的激光复仇者

激光复仇者也被设计安装在飞机的背面站台,拥有高达10 kW功率的红外激光器,旨在击落飞行中的无人机。为了做到这一点,波音公司设计了一个非常复杂的跟踪系统,该系统可以捕捉到在中低高度移动的极小物体。美国陆军还开始试验使用静态激光炮塔来防御巡航导弹和其他飞行弹丸。这些技术都在测试中,并为击落巡航导弹和来袭弹道导弹铺平道路。这项技术可以适应空中、海上等的不同需求[6]。

2009年3月,诺斯罗普·格鲁曼公司在美国军方联合高功率固态激光器 (JHPSSL)计划第3阶段演示中使用电激光器产生出105 kW的激光束。这样能量的“武器级”激光器将能够从陆地、海上和空中平台上摧毁巡航导弹、火箭弹和炮弹。该公司可扩展模块化系统使用每个约15 kW的“激光放大器链”——7个组合起来产生105 kW 的单光束。总持续时间超过85 min。该系统还可以容纳第8个激光链,可将激光功率增加到120 kW。模块化设计可以直接将激光武器系统扩展到任务所需的功率水平以用于各种用途,包括针对空中、海上和陆基平台的部队保护和精确打击任务[7]。

2011年4月,美国海军研究办公室报告称,固态激光武器已在测试中成功地使一艘小型目标船失效,从而使其更接近作战能力。诺斯罗普·格鲁曼公司开发的海上激光演示验证器(MLD)安装在海军测试舰“保罗·福斯特”号,首次与船舶的雷达和导航系统集成,也是第一次从移动平台向海上发射高能激光。结果表明:用于作战激光武器系统的所有关键技术都足够成熟,可以开始正式的武器系统开发计划。固态激光武器已准备好向舰队过渡[8]。

诺斯罗普·格鲁曼公司测试其最新型的火力打击(Firestrike)固态激光器,实用的激光武器离现实又近了一步。 2012年5月,该公司宣布已在实验室完成了对其更强大、更坚固的一代激光器Gamma的试验,该产品与改进的传感器相结合,创造出一种通用激光组件,可提供强大的激光能力。诺斯罗普格鲁曼公司的设计使多个Gamma“可链接”,产生100 kW的激光,重达1.5 t,需要1 MW电源供电工作[9]。

美国海军宣布在2014财政年度在美国海军舰船上部署固态激光武器,该激光武器系统(LaWS,见图2)临时安装在杜威号导弹驱逐舰(DDG 105)上。光纤固态激光器的主要吸引力在于它能够摧毁远距离目标。海军设想将其用于精确和隐蔽交战以及所谓的“渐进式杀伤”。海军还将其作为对抗无人机、导弹和成群小艇的一种手段[10]。

图2 装配在美国海军舰船上的LaWS

诺斯罗普·格鲁曼公司一直在与五角大楼和各军兵种就模块化激光器进行谈判,以制造激光武器。该公司已经通过了目前安装在波特兰两栖运输码头上的150 kW激光武器系统演示验证样机。该公司建造战术激光核心模块——高能激光器——而海军提供热存储和能量存储设备,目前参与了三个主要的激光武器项目:① 波特兰上的演示验证器;② 与空军研究实验室合作的自防护高能激光演示验证器;③ 与国防部合作的高能激光放大计划,开发300 kW激光武器系统[11]。

洛克希德·马丁公司的高能激光系统已交付给美国海军。该武器系统正式名称为“高能激光与集成光学眩光和监视系统(太阳神,HELIOS)”,是一种60 kW级激光器。太阳神增强了该舰的整体作战系统效能,可阻止未来威胁,并为水手提供额外的保护。太阳神正逐步向美国海军交付,使其具有强大的激光武器作战能力[12]。

2022年9月,洛克希德·马丁公司宣布已向国防部交付了一台300 kW的激光器,目前正在进一步测试。该激光器可集成到地面车辆或舰船上的激光武器系统,利用这些系统可防御火箭、火炮、迫击炮、巡航导弹、无人机和小型舰船等。激光器产生光束所需电力的最常见方法是使用电池,也可以采用发电机和其他电力手段。测试证明可以将更多的单个激光器组合成一个SBC(光谱光束组合)300 kW级激光器,并且可以增加每个通道的功率[13]。

1.2 俄罗斯

历史上,苏联/俄罗斯曾着手研制过不同形式的多款性能各异的激光武器。然而,这些激光武器从来没有从实验室走向战场。但是,这些技术积累也为俄罗斯后续激光武器项目的研制提供了基础。俄罗斯新一代激光武器项目的研制工作仍在推进。

2022年5月,俄罗斯对外宣称,正在乌克兰使用一种可以烧毁无人机的激光武器“扎迪拉(Zadira)”。据称,测试中5 s内烧毁5 km外的一架无人机。

2019年12月,佩列斯韦特(Peresvet,见图3)车载激光武器系统在俄罗斯战略导弹部队的地面机动导弹系统阵地开始正式战斗值班,随队保护战略导弹系统,成为全球首款实战部署的激光武器系统。据报道,Peresvet能够使在离地球1 500 km的卫星失明。Peresvet是俄罗斯披露的一系列先进“末日武器”的其中之一,其关键部件是光学引导的激光系统[14]。

图3 俄罗斯部署的佩列斯韦特激光武器系统

《耶路撒冷邮报》2022年7月报道,《太空评论》发布的一项公开来源调查发现,俄罗斯正在高加索山脉开发一种新的激光系统卡利纳(Kalina),该系统将使飞越俄罗斯领土的外国卫星失效。Kalina项目于2011年启动,目前正在建设中,其目标是“创建一个使用激光对卫星光电系统进行功能抑制的系统”。Kalina是近年来开发的新一代俄罗斯激光系统。到目前为止,该系统已经取得进步,可以使轨道卫星失明并可摧毁无人机[15]。

1.3 德国

德国激光武器主要由莱茵金属公司和欧洲导弹集团研制,成熟产品有Skyranger 30 HEL等。

据《光学》网报道,欧洲导弹集团(MBDA)德国子公司正在开发的固态激光武器目前已达到40 kW的输出功率,可用于击落空中目标。通过使用光纤激光器和自己的专利光束耦合技术来保持高光束质量,从而产生了如此高的功率,这对于激光器对付远距离目标至关重要。测试中,激光在几秒钟内烧穿了40 mm厚的钢板[16]。

莱茵金属公司针对一系列目标测试了其新型50 kW高能激光武器演示验证样机,使用光束叠加技术(BST)将激光组合在一起,将30 kW和20 kW的激光聚焦在同一个光点上,见图4。这使其具有单个50 kW激光器的破坏力。按照这种组合方式,未来有望实现100 kW。测试表明,该系统可以在雪地、刺眼的阳光、冰雪和雨水中运行,满足激光武器系统的能量和冷却要求。该公司打算建造60 kW的激光演示机,以及开发移动型激光器[17]。

图4 德国莱茵公司激光武器

莱茵金属公司还推出了便携式Skyranger 30高能激光器防空系统,该系统结合30 mm自动加农炮、短程防空导弹和高能激光来保护移动部队。Skyranger 30 HEL是自带传感器的高能激光武器。这种激光器发出20 kW的光束,可以自动锁定目标并压制它们。近期目标是将这一功率提高到50 kW,在不久的将来达到100 kW[18]。

德国武装部队相继推出舰载激光武器。在德国“萨克森”号护卫舰成功地进行了短距离和极短距离内与无人机交战测试。高能激光武器演示验证器为未来海军武器系统铺平了道路,该系统可防御无人机和无人机群,并在近距离和极近距离攻击快艇群。该技术可扩展以提供更高的输出功率,使其能够摧毁制导导弹和迫击炮弹[19]。

1.4 以色列

以色列与美国合作,主要研制有Iron Beam和Lite Beam等激光武器。

2000年,以色列和美国研制了鹦鹉螺战术高能激光反导武器,该系统依靠化学反应产生射程较小的高能激光系统,目的是摧毁飞行中的火箭。但后续计划于2005年被废弃,因为该系统所需的大型化学储罐使整个系统变得笨重,而且极易受到敌人的攻击。这些化学物质也具有腐蚀性和毒性。

拉斐尔(RAFAEL)公司在定向能系统特别是高能激光系统方面拥有超过30年的开发经验,研发出较为完整的高能激光武器系统。拉斐尔公司目前正在开发2种高能激光系统,Iron Beam和Lite Beam。Iron Beam与以色列著名的铁穹防空系统相辅相成,是一种光纤激光器系统(见图5),可以光速锁定目标,并在7 km的范围内在5 s内将其摧毁。该激光器预计很快就会达到数百千瓦。下一步是继续开发和部署初始系统,在未来十年内沿以色列边境部署多个激光发射器[20-21]。LITE BEAM是一种7.5 kW的高能激光拦截器,用于对抗迷你无人机和简易爆炸装置和未爆弹药等地面目标,压制几百米到2 km距离的目标。第一个验证过的LITE BEAM原理样机已经可用[22]。

以色列国防部(IMOD)最近完成了一系列测试,其中机载高功率激光武器系统(HPL-WS)原理样机快速连续拦截了多个空中目标。埃尔比特系统公司在IMOD国防研发局(DDR&D)领导的高功率激光计划下开发了该系统。以色列国防部的目标是制造功率为100 kW的激光器,其有效射程可达20 km。该机载系统将在8～10年内完成,在未来10年内,这种系统有望摧毁数百公里外的目标[23]。

1.5 英国

英国积极推动激光定向能武器(LDEW)计划,实现龙火激光武器的应用。

2022年7月,欧洲导弹集团(MBDA)领导的英国激光定向能计划龙火(Dragonfire,见图6)成功地开始一系列试验,以证明这种新型激光武器的准确性和威力。低功率试验证明,Dragonfire能够以极高的精度跟踪空中和海上目标。下一步将开展跟踪精度与高功率激光结合后的作战试验。该试验使用了英国奎奈蒂克公司的低功率激光器、意大利莱昂纳多公司的光束导向器和MBDA公司的图像处理和控制技术[24]。

同年10月,英国国防部国防科学技术实验室(DSTL)对龙火进行了第二次演示验证试验。该测试向多个不同距离的目标发射了激光,证明该武器可以安全地控制并将高功率光束聚焦在目标上,光束定向器的精确度非常高。龙火已经成功地演示验证了高精度跟踪目标并保持激光束对准确定目标点的能力[25]。

1.6 日本

日本国防部在《2022年日本防卫技术战略(JDTS)》中将中远程高功率定向能技术列入关键技术,包括高功率激光和微波,用于即时反应和长时间战斗,可以抵消敌人的数量优势,例如巡航导弹的饱和攻击。日本国防部已敦促相关部门加快先进军事技术开发,其中就包括激光武器。客观来说,激光武器是兼具防御和进攻性的武器装备,而且属于当下高端武器装备行列。日本是当下全球范围内数一数二的工业大国,而且本身的军工技术和制造业也很超前,军费开支节节攀升,未来5年内将国防开支提高50%以上[26],再加上美国方面提供的协助,实现大功率激光武器应用难度不大。

由于战斗机隐形能力的提高、导弹飞行高度的降低和导弹速度的提高,拦截导弹和类似武器的时间变得越来越短。日本国防部将加快研发高功率军用激光武器,以拦截迫击炮弹和低空飞行的敌方无人机。日本国防部在2018财年预算中包括87亿日元的激光武器研究开发支出。国防部公开招标建造陆基激光武器原型,功率定为50 kW水平,并预计在2023财年前完成技术评估[27]。

日本国防部发布请求,要求2021财政年度的国防预算达到550亿美元,创历史新高,其中包括33亿日元的技术研发费用于开发车载激光炮。日本国防部已与川崎重工合作,2021年对安装在车辆上的车载激光武器系统进行演示验证测试,以评估其摧毁无人机系统的能力;2023年开发高功率激光武器,最终将搭载在能够快速移动的车辆上,以应对无人机袭击[28]。除了应用于陆基车辆外,也正在研究将激光武器部署在舰船上[29]。

1.7 韩国

韩国作为世界上的科技和军事新兴国家,也将目光投向了激光武器这一前沿领域。目前,韩国激光防空系统主要是LBAAW、LBAAW Block-Ⅰ和LBAAW Block-Ⅱ。

针对朝鲜不断发射的导弹,韩国正在研制一种机动车载激光武器系统。韩国国防部的一个研究团队和国防公司参与了高能激光武器的开发。韩国希望部署这种武器,以对抗朝鲜在边境部署的导弹和远程炮弹[30]。

在价值880亿韩元(7 398万美元)的项目中,韩国国防采办项目管理局(DAPA)寻求完成能够对小型无人机进行精确打击的Block-Ⅰ系统的开发,并计划在2023年前进行作战部署。该武器系统将采用20 kW的光纤激光摧毁近程(最远3 km)空中目标。Block-Ⅰ系统于2019年9月开始开发。在针对近距离小目标的系统开发完成后,将继续对其进行升级,以拦截更远的更大目标,如战斗机和卫星[31]。

韩国韩华公司在韩国DX Korea 2020防务展上展出韩国武装部队未来3种激光武器系统的模型。其中包括“激光防空武器Block-Ⅰ和Block-Ⅱ”系统,这两个系统都是韩华公司与韩国防发展署(ADD)合作开发的。30 kW的Block-Ⅱ系统的开发计划于2030年完成,将安装在卡车上[32]。

韩国防发展署(ADD)宣布,已开发出一种激光功率增强技术即光谱光束组合技术。该技术将不同波长的多个激光组合成一个光束。ADD将光谱光束组合技术应用于1 kW级激光模块,并将5个1 kW级光纤激光器集成为一个5 kW级高质量激光模块。光纤激光器的使用在小型化、重量、操作和维护方面具有若干优势。如果作为武器系统开发,它可以用于防空,以应对无人驾驶飞行器或导弹等威胁[33]。

韩国韩华集团宣布,其已从韩国国防发展局(ADD)获得一份价值243亿韩元(2 180万美元)的订单,将开发一台关键设备,辅助激光武器瞄准几公里之外飞行的无人机。未来几年里,韩华集团将研发放大激光束的输出量与行程的设备样机。韩国政府还资助韩国原子能研究院开发反无人机系统。2025年之前,将研发出一套完整的反无人机系统,可以探测、识别、分析、压制和调查非法无人机[34]。

韩国已经测试了用于军用飞机的本土反导弹系统,以对付敌方便携式地对空导弹。定向红外对抗(DIRCM)系统使飞行器能够通过发射激光束来致盲来袭导弹,它极大缩短了反应时间,使飞机能够近距离防御便携式地对空导弹。韩国自2014年以来,一直在研发DIRCM。2018年,该系统通过了初步开发测试[35]。

1.8 印度

印度近年来也在研究激光武器技术。早在2008年,印度联合服务机构(USI)发表的一项由印度空军进行的研究提到了定向无限制射线枪阵列(DURGA I),并指出该项目进展甚微。

2017年,印度国防研究与发展组织(DRDO)测试了安装在卡车上的1 kW激光武器。据报道,该激光器击中了250 m外的目标[36]。

2020年,DRDO展示了一台100 kW的车载式气体激光器,名为ADITYA,它采用的气体是甲苯,发射器孔径0.7 m,能在0.8 km和2.5 km的距离内,可对目标造成一定的损伤。

印度媒体报道称,DRDO执行的国家项目包括短期、中期和长期目标,并与国内私营部门合作开发功率高达100 kW的定向能武器。DRDO已开发出两个反无人机定向能系统。其中一个配备10 kW的激光器,能够在2 km的范围内击中空中目标;另一个带有2 kW的激光器,能够打击1 km内的目标。从官方报道来看,目前印度军方的高能激光器达到10 kW水平。

据《防务新闻》报道称,DRDO已向印度国防部寻求1亿美元,以开发一种高功率激光武器。该项目被称为DURGA Ⅱ(定向无限制射线枪阵列II)。印度陆军将获得100 kW的轻型定向能系统。DRDO表示,DURGA Ⅱ目前处于概念阶段。该组织正在开发和改进各种激光产生技术,使用固态、光纤和化学激光器进行防御和进攻。DURGA Ⅱ将与陆基、海基和空基平台集成。

2 国外激光武器标准现状

伴随着激光技术的发展,标准化工作也在同步进行。世界部分国家和标准组织制定并制定了大量关于激光技术和激光器标准,包括国际标准组织(ISO)、国际电工委员会(IEC)、欧洲标准化委员会(EN)、美国国家标准协会(ANSI)、美国材料与试验协会(ASTM)、英国标准协会(BS)、德国标准协会(DIN)、法国标准协会(NF)、美国机动车工程师协会(SAE)、美国电气电子工程师学会(IEEE)、韩国标准协会(KSB)、日本工业标准调查会(JIS)、美国军队(MIL)、北约(STANAG)等,不完全统计见表1。这些标准旨在保护在制造环境中使用激光时可能接触激光的个人,规定政策和程序以确保产品开发和测试中的激光安全[37],例如ANSI Z136.1《激光器的安全使用》、MIL-STD-1425《军用激光器和相关支持设备的安全设计要求》、MIL-HDBK-828《激光靶场安全》、STANAG 3606《军用激光安全》等。

表1 国外激光标准不完全统计

由于激光武器是近二十多年才迅速发展起来的技术,世界不同国家仍处在研发、验证试验阶段,实际装备服役甚少。因此大部分颁布的标准主要涉及激光、激光器件、激光安全、激光器等领域,关于激光武器系统的标准还未见公开颁布,但是从顶层文件以及相应的安全标准能看出国外建立了包括保密管理、安全设计、安全试验等一系列激光武器标准体系[38]。

以美国为例,美国国防部指令DOD I 5210.61专门对高能激光需要保密的信息进行分类;DOD I 6055.15提出为定向能源系统建立独特的健康、安全和监督计划,以保护人员和设备,同时建立特定军种的激光安全审查程序,对作战、作战训练或出于国家安全利益分类的所有激光以及相应等级的激光进行系统安全审查。

美国军用标准MIL-STD-1425定义了军用设备和相关支持设备的安全设计要求,这些设备在其设计中采用了激光系统。这些要求是控制由激光辐射直接引起危害的最低要求。

MIL-HDBK-828包含评估和推荐激光靶场安全程序时应遵循的一般和详细指南,旨在作为军事作战训练和试验靶场安全使用激光系统的指南,适用于所有国防部成员靶场和所有在非国防部控制的靶场上进行的激光作战。

MIL-STD-882《系统安全》要求所有军用激光开发计划应包括一个全面的系统安全计划,以识别和控制正在开发的特定激光武器特有的所有危险。

美国海军指令OPNAVI 5100.27提出激光设计要求检查表,适用于能够产生激光辐射的所有设备和系统的设计、使用和处置,包括激光光纤和系统支持设备。发射激光辐射的定向能武器和其他高能激光系统受该指令的要求约束。