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终篇“激光武器的作战应用”——刘泽金院士激光武器科普讲座五(含后记)

发布时间:2020-11-17 阅读次数:178

激光武器的作战应用
(激光武器科普讲座之五)

激光武器在上世纪六十年代被称为
死光1978年童恩正发表的科幻小说《珊瑚岛上的死光》描述了几个激光武器作战场景[1]1980年小说被改编成同名电影,红色激光瞬间击碎潜艇的精彩片段令人印象深刻。激光武器的研发已有近60年的历史,当年电影幻想的激光武器实现了吗?网上不断有激光武器用于实战的传言是真的吗?


一、激光武器的破坏机理

所谓激光破坏机理就是激光引起目标破坏的原因和条件,是激光武器作战应用的重要物理基础。激光武器对目标的破坏是通过激光与物质的相互作用来实现的,在本系列科普讲座的第一篇文章中已经介绍过,究其原因主要有三种作用机制即光电效应、热效应和热力耦合效应。


激光武器破坏目标还需要一定的条件,足够的激光功率密度、照射时间、照射面积是必要的。表1给出了一些目标的典型激光破坏模式和阈值,表中的破坏阈值是对到靶激光功率密度的最低要求,除此之外,还需要保持一定的持续激光辐照时间才能毁伤作战目标,对光电系统的毁伤只需要毫秒到秒量级的持续辐照时间,其它的毁伤模式均需要110秒量级的持续辐照时间。
二、激光武器能打什么目标?
根据激光破坏机理,激光武器可对多种目标作战,从驱散人群的激光枪,到拦截导弹、攻击卫星的激光炮,都有用武之地。下表给出了激光武器在各作战域的潜在应用。

虽然理论上激光武器的作战域很广,有着诱人的前景,但实战应用却很难,上世纪90年代国外化学激光解决了激光武器能用的问题,但体积规模限制了实战使用;近30年来半导体泵浦的固体、光纤激光正在解决好用的问题,但功率、光束质量等指标仍不够高,也限制了实战应用。《珊瑚岛上的死光》中所幻想的激光武器瞬间击毁作战目标的打击效果,令人惊叹,也让人难以企及。虽然电影中描述的激光武器作战效果难以实现,但激光作为武器是可行的,当前高能激光技术也取得了快速发展,国外多次公开激光系统成功拦截无人机、炮弹、小型船只等目标的新闻报道。只是到目前为止,网上报道的激光武器基本都是在试验阶段,正式装备的多为光电对抗型武器,例如:2018年俄罗斯公布的佩列斯韦特激光武器系统,它的主要作战功能可能是干扰或致盲光学侦察卫星。激光武器众多诱人潜在应用的实现还有待时日。
三、何为战术激光武器和战略激光武器?
在许多文献和新闻报道中常把激光武器分为战术武器和战略武器两类,但至今并没有严格的定义。一般说来,战术激光武器是指用于近程防空的激光武器系统,其主要作战对象是飞机和导弹的光电探测系统、火箭弹、炮弹、巡航导弹、小型无人机和小船等(用于反恐驱散人群的激光枪不列入此列);战略激光武器是指用于拦截弹道导弹、反高超声速飞行器、攻击卫星的激光武器。用于攻击目标光电探测系统的激光武器在近程反导、反飞行器使用时算作战术激光武器,在干扰或致盲光学侦察卫星时算作战略激光武器。所以,激光武器的战术战略分类主要取决于应用场景和作战目标,而不是系统的技术指标。

四、激光武器作战要考虑哪些因素?
为实现对作战目标的有效破坏,在激光武器设计中,不仅要考虑激光功率、光束质量、发射口径、大气透过率等因素,还需要综合考虑目标吸收的波长选择性,不同的材料吸收特性,可能造成破坏阈值量级上的差异。这些有关因素在前面的系列科普文章中也提到过,研制激光武器的初学者,往往考虑不周,只强调某一方面。除此之外,激光武器作战应用还需要考虑以下实际因素。
首先是作战距离。激光束的传输距离理论上很远,但具有作战能力的有效打击距离是由武器系统的各项指标和目标的破坏阈值决定的,并不是一个常数。同一套系统,对不同的目标,由于毁伤阈值不同,作战距离差异较大。还有一点与传统的动能武器(火炮、导弹等)不同,多台激光武器联合作战可以增大作战距离(传统动能武器无法靠增加台套数来增加作战距离),例如:用4套相同技术指标的激光武器系统组成一个作战单元,其作战距离是单套系统的2倍。理论上,到达目标的激光功率密度(也可理解为作战效果的表征)与传输距离的平方成反比,这一点在规划作战应用时必须牢记。激光武器有一个作战射程表的概念,它给出了对不同目标的有效射程。有效射程不够就不能满足作战需求,例如,始于上世纪九十年代的美国机载激光武器(ABL)计划,已研制出完整的机载激光武器系统,在2012年打靶测试时,击落了距离50英里的模拟弹道导弹,但未能击落距离100英里的目标,这项耗资50多亿美元的史上最大激光武器研究计划因不能满足作战需求而下马。
其次是战场环境。只要在大气层中作战,大气传输的效果不能忽视,例如:在阴雨天、雾霾天,激光武器的作战能力就大打折扣。云层可以直接阻断激光的传输,陆(海)基反卫星激光武器作战时必须避开云层。陆战场的烟、尘等对激光武器的作战能力影响也很大。另外,平台环境对激光武器系统自身的可靠性、安全性影响也很大,例如:舰载环境下,平台的抖动增加了高精度光束控制的难度,海洋大气中含有大量的盐雾和水蒸汽,不仅影响激光传输也会腐蚀武器系统,需要做好防护设计。再者,战场可保障性也是一个重要方面,例如:美国的战术高能激光(THEL)系统未能成为实战装备的原因之一是,军方认为化学激光武器系统的战场保障困难。
再次是指挥控制系统。一般说来,激光武器系统自身没有搜索预警设备,不能自我发现目标,或者本身配有搜索预警设备但能力不足,需要靠外部信息系统引导,也就是通常所说的外部指挥控制系统。外部指挥控制系统提供的引导精度必须与武器系统的要求衔接,以保证武器系统能够捕获目标。这一要求在许多情况下是极高的,往往难以实现。
最后是响应时间。在实际作战中,响应时间非常重要,尤其是拦截超音速导弹等快速目标,从接到攻击命令到全功率发射激光,一般允许的延迟时间小于1秒。这是因为目标快速飞行,最佳作战时间仅有数秒,甚至仅几百毫秒。例如:舰载激光武器迎头拦截飞行速度约2.5马赫的反舰导弹,若激光武器的最远有效作战距离在3千米左右,其有效作战时间不足3秒,响应时间增多1秒将是致命的。这一作战要求对高能激光器的设计者而言极具挑战性,常被初学者忽略。有的试验系统研制完毕才发现实战中根本不能用,仅仅是因为响应时间不够快,而不是因为功率、光束质量和跟瞄精度等其它因素。

后记:


应《光学界》之邀,做一个激光武器的科普讲座,试图用非专业的通俗语言说清激光武器的技术和应用问题,今天算完成任务了,我是否说清楚了?您是否看明白了?不得而知。
1979年我读了短篇科幻小说《珊瑚岛上的死光》,高考选志愿时毅然选择了激光专业。非常幸运,从硕士研究生开始就跟随导师赵伊君先生研究高能激光技术,从1989年开始几乎专职研究高能激光物理、技术和应用问题。30年来,经历了无数次失败与探索,对科学、技术、工程、应用的哲学内涵体会越来越深。激光武器是现代武器从概念提出到实战应用发展历程超长的系统之一(我知道的,只有电磁炮比它还长),其难度是不深入研究的人难以体会得到的,所以我不能确定读者看完这几篇科普稿子后还有多少不清楚的问题。在此完稿之际,我要特别感谢国防科技大学的杨未强助理研究员、许晓军研究员、华卫红教授以及我的学术助手杜雪原工程师,还有《光学界》的张军博士。没有他们的帮助,该讲座难以成稿。


                                                                                               刘泽金


参考文献
  1. 童恩正,《珊瑚岛上的死光》,《人民文学》1978年第08期。


“科幻文学”小贴士:
科幻短篇小说《珊瑚岛上的死光》获1978年全国优秀短篇小说奖,之后它被改编为电影、广播剧、话剧,连环画等12个版本。1980年上海电影制片厂改编、摄制的同名电影是中国电影史上的第一部科幻故事片。
《激光武器科普讲座》的读者中还有当年的“科幻文学”爱好者吧?未来的激光武器专家是否会在“激光武器科普讲座”的读者之中?





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