前沿颠覆性技术之激光武器技术

激光武器是一类正在迅速发展中的新概念武器。激光武器以光速将高能量激光发射到目标表面，通过毁伤光电侦测、火控、导航和制导等关键装置，或使目标“失明、致盲”，或烧穿飞行物壳体，将其击落、引爆战斗部、燃料，使其空中爆炸、损毁，短时间内即可完成毁伤任务，具有能量集中、传输速度快、能多次重复使用、效费比高、移转火力快、抗电磁干扰等优点。激光武器自诞生以来，其发展经历了多次起伏，光纤激光器等固体激光器技术的成熟，为激光武器的发展注入了新动力，成为当前主要军事强国的研究重点。目前，美国、英国、俄罗斯、德国、印度等国均启动了激光武器的研制，并开展了相关测试，激光武器进入战场已经指日可待。

激光武器系统的组成和特点

激光武器系统一般是由激光器设备、热管理系统、光束控制系统等部分组成，如图1所示，其核心是激光器设备。

图1典型激光武器系统的组成示意图

激光武器有着其它武器无可比拟的优点，主要包括：

（1）高速度。激光束光速传播，从激光器出口到目标的时间可以忽略不计，争取了作战时间，无需计算提前量。

（2）反应灵敏。激光器射出的光束质量近于零，可在短时间内对不同方向的来袭目标进行打击。

（3）命中精度高。激光武器是将能量汇聚成很细的光束准确的对准某一方向射出。

（4）杀伤力可控。可通过调整和控制激光武器发射激光束的时间或功率以及射击距离来对不同目标分别实现非杀伤性警告、功能性损失或结构性破坏。

（5）抗电子干扰能力强，现有的电子干扰手段对激光束不起作用。基于这众多优势，激光武器将在防空、反导和破坏敌方信息系统等方面得到广泛应用。

（6）持续作战能力强。不受制于弹舱容量，在保证电力供应的条件下，可以不限次数连续作战。

（7）效费比高。根据美海军数据，其固体激光武器每次使用的费用仅为数美元，相比于导弹十分廉价，可扭转攻击方和防御方的成本交换比率。

国外主要激光武器研制现状

（一）美国

推动激光武器等新概念武器的发展是“第三次抵消战略”的主要着力点和突破创新之一，目前美军将固体激光武器作为发展重点，各军种积极推进战术激光武器在舰艇、战车等平台上的应用。美国激光武器技术相对成熟，部分激光武器装备已接近投入实战。

（1）美军已将投资重点转向固体激光武器项目

美国长期向激光武器技术领域保持大量投入，拥有最为雄厚的技术积累，从上世纪60年代以来，美国开展了多项激光武器研制项目，其激光器研究经历了化学与气体激光器、固体激光器和自由电子激光器等发展阶段。美军化学激光器的输出功率等性能指标达到了战略激光武器级别，但因体积庞大、保障困难、污染环境、成本高昂等原因而停止研发。近年来，迫于战略转型以及防务预算的削减，美国军方对包括激光在内的低成本高效能武器系统的需求日益迫切，特别是用于应对小型、近距离威胁的战术激光武器系统。而在过去十年间，二极管和光纤材料的显著改善使得单根光纤固体激光器的最大功率增加了约100倍，即从100瓦增至10千瓦以上。此外，板条激光器技术亦较为成熟，在实验室中测试中已成功输出功率达105千瓦的激光束。固体激光器性能的提高及商用化，使得以固体激光器为核心的战术激光武器项目成为美军定向能武器开发的投资重点。2016年，美海军为激光武器项目申请了2690万美元预算，较上一年有较大回落，主要是因为“激光武器系统”（LaWS）已完成固体激光器-快速反应能力（SSL-QLC）演示，而自由电子激光器项目开发还在进行调整。整体而言，美海军为战术激光武器研制保持了较为稳定的投入。

图2美国海军激光武器系统开发预算变化情况

（2）美海军激光武器系统已开展试验性部署

对美国海军而言，目前所面对的最直接、最现实的威胁是无人机、偷袭性小艇等非对称威胁。为了应对这类威胁，提高舰艇的近防能力，美国海军于2010年正式开始研制“激光武器系统”（LaWS）。LaWS系统由雷神公司牵头研制，波音和洛克希德·马丁公司也参与了部分工作。LaWS最大程度地依靠现有商用技术和元器件以求降低研发和采购成本。LaWS原型机由6台工业用光纤激光器组成，工作中这6台激光器发出的激光束经光束合成机构合成，之后可得到功率为30千瓦的激光束。激光武器系统使用成本低，根据有关部门的估算，单次照射的边际成本仅为1美元，与每枚导弹动辄数万或数十万美元的价格形成鲜明对比。

图3美国海军“激光武器系统”系统结构示意图

LaWS在历次打靶测试中的击毁率达到100%，表现出强大的防卫能力。2014年9月，该系统开始在“庞塞”号两栖船坞运输舰上部署，并进行为期一年的作战测试评估。测试性部署期间，美海军演示利用该系统瘫痪“全球鹰”靶机、引爆火箭推进榴弹（RPG），并烧穿了刚性充气艇的发动机，展示了较好的自卫性能。据美海军透露，LaWS系统可以在沙尘暴后的高湿度环境下工作，具有很好的效费比，因此美海军舰队领导决定，在完成一年的测试性部署后，LaWS继续在“庞塞”号上服役，直至2017年左右该舰完成任务退役。

2016年6月，美国海军研究局称即将开展新型舰载高能激光武器系统研制，输出功率可达150千瓦，是此前上舰测试的LaWS系统样机的5倍。该项目将耗时12个月，5300万美元，分三阶段研发“激光武器系统演示样机”：第一阶段主要完成初始设计，第二阶段开展地面测试，第三阶段将在海军自防御测试舰上进行测试。

（3）美国各军种全面推进激光武器计划

除美国海军外，空军、陆军、海军陆战队等各军种也在全面推进激光武器研制计划，战术激光武器呈现出多头并进的发展格局。

美国空军研究实验室预计将在2016年开始其代号“盾牌”（SHIELD）的先进技术验证项目，年内实现功率大于10千瓦的电驱动高能激光武器演示验证，在2022年实现可由F-15战斗机搭载的吊舱式激光武器，功率大于10千瓦，用于拦截来袭导弹；在2029年之后实现可列装第六代战斗机的、功率超过100千瓦的高能激光武器，并采用保形阵列（激光相控阵）形成波束。这一技术子领域的整体目标则是“降低尺寸、重量和功耗，增加‘反介入/区域拒止’环境中的能力”。

图4美国空军实验室公布的定向能武器路线图之激光武器部分

美国陆军在研项目包括“区域防御反火力压制”（ADAM）陆基激光武器系统、“高能激光移动实验车”（HELMTT）等。2016年4月，位于希尔堡的火力作战实验室在汤普森山靶场对两套激光武器系统进行了试验。该种激光武器是一门安装在八轮重型装甲车上的10千瓦激光炮，能够发现、跟踪和摧毁地面和空中目标，2025年前美国陆军可能开始使用激光武器装备部队。此外，海军陆战队也开展了“陆基防空定向能”（GBAD）等项目研制。

（二）其他国家

除美国外，德国、英国、俄罗斯等传统军事强国的激光武器技术也处于世界前列，关键技术已获得了突破，其研制的激光武器有的已经开展了打靶测试。印度等新兴国家也加大力发展激光武器技术，试图实现赶超。

（1）德国激光武器技术水平处于世界前列

德国德国莱茵金属公司、欧洲导弹集团（MBDA）德国公司等均为世界领先的激光武器研制商，已开展了多次打靶试验。

2016年2月，莱茵金属公司与德国军方对安装在德国战舰上的高能激光器进行了海上测试，测试取得了成功。为了开展测试，莱茵金属公司在一门MLG27轻型舰炮上加装了一部10千瓦高能激光器。测试项目包括跟踪潜在目标，包括无人机（UAVs）和小型水面艇。此外，还对激光器跟踪岸上固定目标进行了测试，这些测试首次验证了莱茵金属公司高能激光器在海洋环境下的效能。

2017年2月，在阿布扎比国际防务展上，MBDA德国公司展出了可安装在海基和陆基平台、提供360°防御无人机、火箭弹、迫击炮弹等敏捷目标的高能激光效应器。MBDA公司已开发出的系统采用标准化接口，适用于多种平台，其先进的反射镜可提供跨360°快速、稳定跟踪，并迅速交战；交战时间短，可对付多方向无人机攻击等蜂群目标；精度高、后勤维护成本低、效应可扩展。MBDA公司的新型激光效应器是向可作战部署系统迈出的重要一步，根据设想，该系统可将MBDA公司的“西北风”近程导弹与莱茵金属公司的MPCS炮塔相结合，替代基于“毒刺”的系统。

图5阿布扎比防务展上MBDA公司展出的激光武器

（2）英国正在研发用于海上作战的激光武器系统

英国国防科学技术实验室正在推进“固体高功率激光武器系统演示样机”项目，主要针对无人机、巡航导弹等目标，目前该项目即将选定承包商。2016年2月，英国海军曾透露皇家海军将在2018年使激光武器用于海上作战，目前计划2018年进行首次测试，先进行地面试验，随后是海上试验。

（3）俄罗斯重新重视发展激光武器

俄罗斯激光武器系统的主要技术储备来自苏联时代，经过几十年的低潮期后，近年俄罗斯决定紧跟美国步伐，加紧激光武器的研制和推广应用，并力图将激光武器作为“杀手锏”，用于现代战争。考虑到航空兵比海军有更高的机动性，以及近水大气层的湿度因素，俄军优先研发的激光武器为空基激光武器，作战平台是以“伊尔-76”为基础研制的“A-60”飞机，可用于空基高能对抗、摧毁敌方空中作战力量等。

（4）印度大力发展激光武器用于防空反导

定向能武器开发是列入印度国防部15年技术远景和能力路线图的最优先领域之一。印度国防研发组织正在研究功率为10千瓦的千瓦激光武器，用以供装甲部队对抗无人机等目标，同时还在研究精确跟踪/指向和激光束组合等关键技术。该机构已经在位于海得拉巴的高能系统与科学测试中心对激光武器系统进行了打靶测试，系统作用距离达到800米。印度国防研发组织还开发了较小型系统，如基于激光的简易爆炸装置和地雷处理装置、用于对抗恐怖分子的手持激光眩目器，以及控制暴徒的车载激光眩目器。位于新德里的激光科学技术中心（属于国防研发组织的实验室）正致力于研究各种武器系统，包括化学氧碘激光器和高功率光纤激光器，其中一项在研项目为开发25千瓦的激光器，设计目标是用于弹道导弹末端防御，作用距离为5~7千米。印度已拨款11.5亿卢比用于开发定向能激光系统实验技术模块，项目计划在2017年7月完成。国防研发组织未来的目标是开发可用于飞机和舰船、并能在助推阶段摧毁敌方弹道导弹的固体激光器。

激光武器系统关键技术

功率要求较低的激光武器，例如美国海军30千瓦的“激光武器系统”目前已经克服了各主要技术难题，这一功率级别的激光武器可以应对防护能力较差的无人机和无人水面艇等威胁。对于输出功率在100千瓦以上的高能激光武器，要实现实用化，还有几大关键技术难题需要解决。

（一）光束合成技术

由于受到非线性效应、光学损伤及热损伤等物理机理的限制，单激光器的最大输出功率不能无限提升。激光光束合成技术为实现高功率高光束质量激光输出开辟了新途径，该技术可避免各个子激光器工作在极限状态，并且其轴上亮度与单个激光器相比具有绝对优势，已成为固体激光武器技术发展的趋势和热点。

光束合成的主要方法有相干合成、光谱合成和非相干合成等。N路光纤激光进行相干合成，理论上可以使远场光斑的峰值强度提高为单路时的N2倍，使亮度大幅提高，同时相干合成光束还具有更好的大气传输效果。模拟计算表明，250千瓦的相干合成和非相干合成的多光束激光，传输到10千米距离处，在远场半径为5.6厘米的圆筒内，相干合成可以汇聚150千瓦的能量，而非相干合成只能汇聚32.6千瓦的能量。可见，相干合成远场亮度远优于非相干合成。

从测试情况来看，通过非相干合成技术、光谱合成等方法输出30千瓦级的激光束已得到初步验证。如LaWS系统在内部集成6套5.4千瓦的光纤激光器，每套激光器由7台800瓦的光纤激光器组束而成，下一步计划采用10套激光器非相干合成到150千瓦。2016年2月，美国洛马公司使用96束331瓦光纤激光实现了光谱合成30千瓦近衍射极限光束质量输出，初步验证了通过光谱合成实现100千瓦级高光束质量输出的技术可行性。

（二）总体设计技术

总体设计技术是指激光武器系统研制前通过理论计算与分析、优化评估来确定系统指标体系以及技术途径所涉及的关键技术，包括激光系统物理建模与仿真分析、一体化技术设计与工程设计等技术。美国非常重视物理环节、系统性能、战场效能评估的建模与仿真工作，开发了大量的仿真软件，为激光武器发展提供了强有力的支撑。在激光武器全系统仿真方面，美国MZA公司研发的通用性仿真软件WaveTrain，以其功能强大、使用简便、建模灵活、配置方便和扩展能力强等优势成为目前使用最广、影响最大的系统仿真软件。WaveTrain实现了包含光束控制与成像系统、固体与气体激光谐振腔系统、自适应光学系统、大气与气动光学效应等激光武器系统各环节仿真，在美国激光武器研制领域得到了广泛应用。在激光器系统数值模拟方面，国外相关商业仿真软件发展非常迅速，如典型的光线追迹软件TracePro、Fred、Zemax，光学平台设计软件VirtualLab，电磁场求解软件opyiFDTD，波导（光纤）设计软件PhotonDesign等。

（三）集成试验技术

集成试验技术是在分系统完成研制后开展全系统集成调试、综合测试评估试验的技术，所涉及的关键技术包括试验方法设计、综合性能测试与评估等技术。为开展激光武器系统集成试验，美国建立了以科特兰基地“星火”靶场为代表的高能激光武器综合集成试验场，采用口径为3.5米的跟瞄发射系统及配套设施，开展了一系列的高精度跟踪瞄准、高性能人造信标自适应光学校正大气、激光主动照明成像探测、地基激光光束控制等激光武器关键技术试验研究，为高能激光武器系统设计和研制提供了大量技术依据。美国白沙导弹靶场建立了先进激光实验厂房，用于对激光武器全系统、自适应光学系统、光束控制系统、氧碘激光器装置、跟踪瞄准系统、信标激光器等功能指标以及环境适应性进行验证考核试验，支持开展高能激光武器集成测试试验、目标杀伤与效能试验、模拟空间环境试验等，是美国陆海空三军进行激光武器的研究、开发、试验与鉴定中心。

激光武器技术发展趋势

（一）舰载激光武器有望最先实战装备

无论是从舰船平台对激光武器的需求和适装性来看，还是从国外舰载激光武器的研制实际来看，舰载激光武器都很有可能成为最先实战装备的定向能武器。现代海军舰船面临着反舰导弹、无人机、高速炮艇、迫击炮等多种威胁，其中，反舰导弹作为当今海战的主要攻击武器，是舰船的主要威胁。反舰导弹被发现后的拦截时间短至数秒钟，一般舰船都难以应对，因此迫切需要能够防御此类导弹的武器系统，这就使得配备能够快速反应并摧毁目标的激光武器显得尤为迫切和重要。并且，舰载平台最适于满足现有激光武器对体积、供电、散热等的需求，有望最先实战装备激光武器。美国海军研究局针对激光武器的下一步计划将是在2017年测试100~150千瓦的激光武器系统，希望到2020年能够在美军舰队上采用多种激光武器。德国也积极地将激光武器应用到舰艇的末端防御上。

（二）固体激光器将成为战术激光武器的首选

固体激光器目前已经成为美海军舰载战术激光武器的主流。特别是光纤激光器，具有增益介质比表面积大（散热性优良）、全封闭柔性光路、光路具有免维护性、寿命长、体积小重量轻等特点，通过光束合成等技术，不久的将来将能够装备到舰船、飞机和车辆等平台上，执行非对称作战等任务。为了实现兆瓦级高功率以执行防空反导及战略任务，自由电子激光器技术研究也受到重视，相关国家正在对高亮度电子源技术、超导加速技术、电子束能量回收技术等进行攻关；化学激光器则可作为一种战略武器进行研发。

（三）激光武器将推动战争形态发生变革

当前，美军正在实施“第三次抵消”战略，力求发展一系列“能够改变游戏规则”的颠覆性技术和创新性战法，推动激光武器等新概念武器的发展是本轮“抵消战略”的主要着力点和突破创新之一。激光武器具有从根本上改变作战样式的潜力，其持续作战的能力与低廉的使用成本，有望重新定义非对称作战的样式。激光武器技术的快速发展，也预示着“光战争”很有可能会成为未来战争的新形态。