高能激光武器及其技术发展
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资 。该项目的目标是通过第三阶段的研究将激光器功率提
高到 100 千瓦 ,如果项目取得成功 ,在今后 4 到 5 年内就可以 部署高能激光武器系统 。
图 1 典型激光武器系统的构成和基本工作原理示意图 (2) 高能激光的毁伤机理〔2〕
高能激光束可使目标构成材料的特性和状态发生变化 , 如温升 、膨胀 、熔融 、汽化 、飞散 、击穿和破裂等 。高能激光束
(Vol .
29.
No
.
1
.
2008)
(1) 激光武器的基本工作原理 以反导弹等光电威胁目标的防空激光武器系统为例 ,说 明激光武器的基本工作原理 。首先由远程预警雷达捕获威
胁目标 ,并将威胁目标信息数据传送给指挥控制分系统 ,指 挥控制分系统通过目标分配与坐标变换 ,引导精密跟踪瞄准 分系统捕获并锁定目标 ,精密跟踪瞄准分系统再引导光束控 制发射分系统使发射望远镜对准目标 。当目标处于适当位
置时 ,指挥控制分系统发出攻击命令 ,启动激光器 ,激光器发 出光束 ,经光束控制发射分系统射向威胁目标 ,对威胁目标 进行破坏 。典型激光武器系统的构成和基本工作原理如图 1 所示〔1〕,图中虚线框部分为典型的激光武器 。典型激光武器 系统工作流程如图 2 所示〔1〕。
射线在光谱中能量最高 ,可从几十兆电子伏特到几百兆电子 伏特 ,具有极强的穿透能力 ,它可使感光材料曝光 ,作用时间 较长时可使物质电离改变其电学性质 ,也可以对材料产生光 解作用使其发生暂时性或永久性色泽变化 ,对固体材料造成 剥落 、破裂等物理损伤 ,尤其对各类卫星的威胁最为严重 。
4 、高能激光武器的发展现状 据报道 ,目前美 、俄等世界军事大国已投入巨资用于新 型高能激光武器的研发 ,将高能激光武器作为其提升威慑力 和打击能力的重要手段 ,其对高能激光武器的开发研究状况 在世界上具有代表性 ,在此以美 、俄两国特别是以美国为主 来介绍高能激光武器的发展状况 。
美国《防务日报》消息 ,联合高功率固体激光器 (J HPSSL) 项目于 2002 年启动 ,由美国陆军空间与导弹防御司令部 、空 军研究实验室 、海军研究署和国防部联合技术办公室共同出
机 、战术导弹 、巡航导弹等 ,供陆军野战部队使用的主要是战 术激光武器 。美军战术层次上的陆基激光武器系统 ,其平台 通常为地面车辆 ,主要用于解决近距 、中距区域防空和反导 防御任务 。目前 ,美军的机动战术高能激光器 (MTHEL) 已经 向小型化发展 ,将可能用于保护空军基地或机场 。
(2) 战役激光武器 战役激光武器的作战对象是各类来袭导弹 ,作用距离通 常为 300 公里～500 公里 ,也可用于摧毁其他战略和战术目 标 ,如歼击机和防空阵地等 。美军战役层次上的空基激光武 器系统 ,其平台为各种飞行器 。美空军针对可携带激光武器
提要 :本文综述了高能激光武器的分类 、组成 、基本工作原理 ,以美 、俄等世界军事大国特别是以美国为例介绍了当今世界高能激光武器的 发展现状 ,归纳总结了高能激光武器的未来研究 ,分析提出了我国在高能激光武器方面应重点研究和发展的关键技术 。
关键词 :高能激光武器 ;发展现状 ;关键技术 中图分类号 :TN249 文献标识码 :A 文章编号 :0253 - 2743( 2008) 01 - 0001 - 03
《激光杂志》2008
吕明春等 :高能激光武器及其技术发展 年第 29 卷第 1 期 LASER JOURNAL
(Vol .
29.
No
.
1
.
2008)
1
·综合评述·
高能激光武器及其技术发展
吕明春1 ,梁红卫2
1. 总参四部军事代表室 ,北京 100083 ;
2. 大连轻工业学院 ,大连 116034
ergy laser weapons were introduced with examples of that in the U. S. and Russia , especially in the U. S. The future research was summarized , and the key tech2
优点 ,目前世界上各军事强国都投入了大量人力和资金进行 研发 。
1 高能激光武器及其基本原理
(一) 高能激光武器的分类 、组成及基本原理 1 、高能激光武器的分类 根据作战对象的不同 ,高能激光武器分为战术 、战役和 战略激光武器 。
(1) 战术激光武器 战术激光武器的作战对象是军事装备上的光电装置 、飞
来自何处 ,对方来不及进行机动 、回避或对抗 。
高能激光器是高能激光武器的核心 ,是产生杀伤破坏作
与传统武器相比 ,激光武器作为一种新概念武器 ,具有 用的关键部分 ,迄今研制的高能激光器主要有固体激光器 、
速度快 、精度高 、拦截距离远 、火力转移迅速 、不受外界电磁
干扰 、持续战斗力强等优点 ,而且激光武器每次使用的费用 很低 ,通常在几千美元左右 ,与每枚成本达几百万美元的导 弹相比十分便宜 。正是激光武器具有其他武器无法比拟的
(2) 精密伺服跟踪瞄准分系统 对于任何武器系统来说 ,目标探测 、捕获和跟踪都是首 要任务 ,激光武器对伺服跟踪瞄准分系统的要求则更高 。由 于激光武器是用激光束直接击中目标造成破坏的 ,所以激光 束不仅应直接命中目标 ,而且还要在目标上停留一段时间 , 以便积累足够的能量 ,使目标破坏 。为了使激光束精确命中 目标和稳定地跟踪目标 ,跟踪瞄准精度要求高于 1mrad。激 光武器所要求的这种跟瞄精度是当前微波雷达无法达到的 。
因此 ,应优先发展红外跟踪 、电视跟踪和激光雷达等光学精 密跟踪手段 。目前 ,激光雷达是国外重点发展的跟踪系统 。
(3) 光束控制发射分系统 光束控制发射分系统 ,亦称发射望远镜 。由激光器发出 的光束经光束控制发射分系统而射向目标 。发射望远镜的
主要部件是一块大型反射镜 ,它起着将光束聚集到目标上的 作用 。反射镜的直径越大 ,射出的光束发散角越小 ,即聚焦
2 、高能激光武器的组成
间 ;其次 ,能量集中而且高 ,激光束功率可达到上百至上兆
高能激光武器主要由高能激光器 、精密伺服跟踪瞄准分
瓦 ,作用距离远 ,作战效能高 ;第三 ,由于发射的是激光束 ,它 系统和光束控制发射分系统等组成 。
们被聚集得非常细 ,来得又很突然 ,所以对方难以发现射束
(1) 高能激光器
激光技术在军事领域的广泛应用使现代战场充斥着各 的波音 747 的飞行试验已经展开 ,并计划到 2008 年建立一支
种激光威胁 。不仅激光测距机 、激光目标指示器等早已大量 7 架机载激光器飞机的机队 ,形成战区作战能力 。
装备部队 ,而且一些军事强国早在上世纪 80 年代就装备了
(3) 战略激光武器
CO2 激光器和化学激光器 。
在选择和研制激光武器时 ,应考虑的主要因素有 : ①尽可能高的发射功率 ; ②具备较高的能量转换效率 ; ③激光波长应位于大气窗口 (指大气对该波长的能量吸
收极少) ; ④尽可能小的光束发散角 ; ⑤质量轻 、体积小 ; ⑥良好的可靠性 、维修性 、保障性 、安全性和测试性 。
入实战 ,它的出现使得导弹 、飞机 、卫星等空中目标面临直接 激光器 、大型反射镜和光束控制系统的卫星作战网络平台 ,
被摧毁的危险 。
拥有强大的战斗力 ,能够摧毁地球表面任何地方的各种目标
高能激光武器作为武器系统的突出特点是 :首先 ,传播 以及各种太空飞行器 。
速度为光速 ,这种武器系统 ,发射瞬间即可命中 ,无需等待时
的毁伤作用主要为热作用破坏 、力学破坏和辐射破坏 。
①热作用破坏 试验数据〔2〕显示 ,当激光功率密度小于 103W/ cm2 时 ,目 标材料在吸收大量激光能量后会升温 ,还会在加热区外传 热 ,这是加热过程 。当激光功率密度为 103W/ cm2～106W/ cm2 时 ,材料局部区域的温度会升高到熔化温度 ,如果激光继续 以较高的速率沉积能量 ,这个局部区域材料就会发生熔融 。 如果激光功率密度达到 106W/ cm2～108W/ cm2 ,吸收激光能量 的材料就可能经历一系列过程达到汽化 ,当激光强度超过汽 化阈值时 ,激光照射将使目标材料持续汽化 ,这个过程称作 激光热烧蚀 。当激光强度足够高 、汽化很强烈时 ,将发生材 料蒸汽高速喷出时把部分凝聚态颗粒或液滴一起冲刷出去
nologies in the field of high energy laser weapons , which should be mainly developed in our country , were proposed and analyzed.
Key words :high energy laser weapon ;the latest development ;key technology.
High energy laser weapons and the development of their technologies
LU Ming - chun1 ,LIANG Hong - wei2 1. Military Affairs Representative Office of The 4th Management of The PLA’s Staff Management , Beijing 100083 ,China ;
收稿日期 :2007 - 11 - 15 作者简介 :吕明春 ,中国人民解放军总参四部驻北京地区军事代表 室 ,军事代表 、高级工程师 。
得越好 。但反射镜的直径愈大 ,不仅加工工艺复杂 ,而且造 价昂贵 。
3 、高能激光武器的基本原理
2
《激光杂志》2008
吕明春等 :高能激光武器及其技术发展 年第 29 卷第 1 期 LASER JOURNAL
的现象 ,从而在材料上造成凹坑甚至穿孔 。导弹 、飞机和卫 星的壳体材料一般都是熔点在 1500 ℃左右的金属材料 ,功率 2mW～3mW 的强激光只要在其表面某固定部位辐照 3～5s , 就容易被烧蚀熔融 、汽化 ,使内部的燃料燃烧爆炸 。
②力学破坏
当激光功率密度达到 108W/ cm2～1010 W/ cm2 时 ,目标材 料不仅发生汽化 ,而且蒸气会通过自由电子的逆韧致辐射和 光致电离两种机制吸收激光能量并导致蒸汽分子电离 ,形成 等离子体 ,等离子体会进一步吸收激光能量并迅速膨胀 ,形 成等离子体的激光支持吸收波 ,直至最后等离子体熄灭 。发 生汽化时 ,汽化的物质高速喷出将对材料表面产生反冲压 力 ,对于足够强的入射激光 ,等离子体会以超声速膨胀 ,即激 光支持吸收波以激光支持爆轰波 (LSDW) 的形式出现 ,而 LS2 DW 会对目标材料产生相应的压力 。如果上述过程产生的压 力峰值足够高 ,就可能在目标材料中产生某些力学破坏效 应 ,例如层裂和剪切断裂等 。受高能激光辐射的目标的表面 材料即使没有被烧蚀摧毁 ,也将会因为受力学破坏而严重影 响其技术性能甚至失效 。
以攻击光电传感器为目的的各类低能激光武器 。经过多年
战略激光武器的作战对象是战略导弹 、侦察卫星 、天基
的研究发展 ,激光武器由单波长发展到多波长 ,由少数几个 作战平台等目标 。美军全球战略层次上的天基激光武器系
固定波长发展到宽波段可调谐 ,特别是高能激光武器即将投 统 ,目前正处于技术验证和展示阶段 ,它将成为装备大功率
2. Light Industry Institute of Dalian , Dalian 116034 ,China
Abstract :In this paper , the sorting , composing , and operating principals of high energy laser weapons were summarized. The latest developments of high en2
Biblioteka Baidu③辐射破坏
目标材料因激光照射汽化而产生等离子体 ,等离子体能 够辐射紫外线和 X 射线 ,对目标材料造成损伤 。紫外线的主 要破坏作用是激光致盲 ,在毁伤空中目标方面没有作用 。X
高到 100 千瓦 ,如果项目取得成功 ,在今后 4 到 5 年内就可以 部署高能激光武器系统 。
图 1 典型激光武器系统的构成和基本工作原理示意图 (2) 高能激光的毁伤机理〔2〕
高能激光束可使目标构成材料的特性和状态发生变化 , 如温升 、膨胀 、熔融 、汽化 、飞散 、击穿和破裂等 。高能激光束
(Vol .
29.
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2008)
(1) 激光武器的基本工作原理 以反导弹等光电威胁目标的防空激光武器系统为例 ,说 明激光武器的基本工作原理 。首先由远程预警雷达捕获威
胁目标 ,并将威胁目标信息数据传送给指挥控制分系统 ,指 挥控制分系统通过目标分配与坐标变换 ,引导精密跟踪瞄准 分系统捕获并锁定目标 ,精密跟踪瞄准分系统再引导光束控 制发射分系统使发射望远镜对准目标 。当目标处于适当位
置时 ,指挥控制分系统发出攻击命令 ,启动激光器 ,激光器发 出光束 ,经光束控制发射分系统射向威胁目标 ,对威胁目标 进行破坏 。典型激光武器系统的构成和基本工作原理如图 1 所示〔1〕,图中虚线框部分为典型的激光武器 。典型激光武器 系统工作流程如图 2 所示〔1〕。
射线在光谱中能量最高 ,可从几十兆电子伏特到几百兆电子 伏特 ,具有极强的穿透能力 ,它可使感光材料曝光 ,作用时间 较长时可使物质电离改变其电学性质 ,也可以对材料产生光 解作用使其发生暂时性或永久性色泽变化 ,对固体材料造成 剥落 、破裂等物理损伤 ,尤其对各类卫星的威胁最为严重 。
4 、高能激光武器的发展现状 据报道 ,目前美 、俄等世界军事大国已投入巨资用于新 型高能激光武器的研发 ,将高能激光武器作为其提升威慑力 和打击能力的重要手段 ,其对高能激光武器的开发研究状况 在世界上具有代表性 ,在此以美 、俄两国特别是以美国为主 来介绍高能激光武器的发展状况 。
美国《防务日报》消息 ,联合高功率固体激光器 (J HPSSL) 项目于 2002 年启动 ,由美国陆军空间与导弹防御司令部 、空 军研究实验室 、海军研究署和国防部联合技术办公室共同出
机 、战术导弹 、巡航导弹等 ,供陆军野战部队使用的主要是战 术激光武器 。美军战术层次上的陆基激光武器系统 ,其平台 通常为地面车辆 ,主要用于解决近距 、中距区域防空和反导 防御任务 。目前 ,美军的机动战术高能激光器 (MTHEL) 已经 向小型化发展 ,将可能用于保护空军基地或机场 。
(2) 战役激光武器 战役激光武器的作战对象是各类来袭导弹 ,作用距离通 常为 300 公里～500 公里 ,也可用于摧毁其他战略和战术目 标 ,如歼击机和防空阵地等 。美军战役层次上的空基激光武 器系统 ,其平台为各种飞行器 。美空军针对可携带激光武器
提要 :本文综述了高能激光武器的分类 、组成 、基本工作原理 ,以美 、俄等世界军事大国特别是以美国为例介绍了当今世界高能激光武器的 发展现状 ,归纳总结了高能激光武器的未来研究 ,分析提出了我国在高能激光武器方面应重点研究和发展的关键技术 。
关键词 :高能激光武器 ;发展现状 ;关键技术 中图分类号 :TN249 文献标识码 :A 文章编号 :0253 - 2743( 2008) 01 - 0001 - 03
《激光杂志》2008
吕明春等 :高能激光武器及其技术发展 年第 29 卷第 1 期 LASER JOURNAL
(Vol .
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2008)
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·综合评述·
高能激光武器及其技术发展
吕明春1 ,梁红卫2
1. 总参四部军事代表室 ,北京 100083 ;
2. 大连轻工业学院 ,大连 116034
ergy laser weapons were introduced with examples of that in the U. S. and Russia , especially in the U. S. The future research was summarized , and the key tech2
优点 ,目前世界上各军事强国都投入了大量人力和资金进行 研发 。
1 高能激光武器及其基本原理
(一) 高能激光武器的分类 、组成及基本原理 1 、高能激光武器的分类 根据作战对象的不同 ,高能激光武器分为战术 、战役和 战略激光武器 。
(1) 战术激光武器 战术激光武器的作战对象是军事装备上的光电装置 、飞
来自何处 ,对方来不及进行机动 、回避或对抗 。
高能激光器是高能激光武器的核心 ,是产生杀伤破坏作
与传统武器相比 ,激光武器作为一种新概念武器 ,具有 用的关键部分 ,迄今研制的高能激光器主要有固体激光器 、
速度快 、精度高 、拦截距离远 、火力转移迅速 、不受外界电磁
干扰 、持续战斗力强等优点 ,而且激光武器每次使用的费用 很低 ,通常在几千美元左右 ,与每枚成本达几百万美元的导 弹相比十分便宜 。正是激光武器具有其他武器无法比拟的
(2) 精密伺服跟踪瞄准分系统 对于任何武器系统来说 ,目标探测 、捕获和跟踪都是首 要任务 ,激光武器对伺服跟踪瞄准分系统的要求则更高 。由 于激光武器是用激光束直接击中目标造成破坏的 ,所以激光 束不仅应直接命中目标 ,而且还要在目标上停留一段时间 , 以便积累足够的能量 ,使目标破坏 。为了使激光束精确命中 目标和稳定地跟踪目标 ,跟踪瞄准精度要求高于 1mrad。激 光武器所要求的这种跟瞄精度是当前微波雷达无法达到的 。
因此 ,应优先发展红外跟踪 、电视跟踪和激光雷达等光学精 密跟踪手段 。目前 ,激光雷达是国外重点发展的跟踪系统 。
(3) 光束控制发射分系统 光束控制发射分系统 ,亦称发射望远镜 。由激光器发出 的光束经光束控制发射分系统而射向目标 。发射望远镜的
主要部件是一块大型反射镜 ,它起着将光束聚集到目标上的 作用 。反射镜的直径越大 ,射出的光束发散角越小 ,即聚焦
2 、高能激光武器的组成
间 ;其次 ,能量集中而且高 ,激光束功率可达到上百至上兆
高能激光武器主要由高能激光器 、精密伺服跟踪瞄准分
瓦 ,作用距离远 ,作战效能高 ;第三 ,由于发射的是激光束 ,它 系统和光束控制发射分系统等组成 。
们被聚集得非常细 ,来得又很突然 ,所以对方难以发现射束
(1) 高能激光器
激光技术在军事领域的广泛应用使现代战场充斥着各 的波音 747 的飞行试验已经展开 ,并计划到 2008 年建立一支
种激光威胁 。不仅激光测距机 、激光目标指示器等早已大量 7 架机载激光器飞机的机队 ,形成战区作战能力 。
装备部队 ,而且一些军事强国早在上世纪 80 年代就装备了
(3) 战略激光武器
CO2 激光器和化学激光器 。
在选择和研制激光武器时 ,应考虑的主要因素有 : ①尽可能高的发射功率 ; ②具备较高的能量转换效率 ; ③激光波长应位于大气窗口 (指大气对该波长的能量吸
收极少) ; ④尽可能小的光束发散角 ; ⑤质量轻 、体积小 ; ⑥良好的可靠性 、维修性 、保障性 、安全性和测试性 。
入实战 ,它的出现使得导弹 、飞机 、卫星等空中目标面临直接 激光器 、大型反射镜和光束控制系统的卫星作战网络平台 ,
被摧毁的危险 。
拥有强大的战斗力 ,能够摧毁地球表面任何地方的各种目标
高能激光武器作为武器系统的突出特点是 :首先 ,传播 以及各种太空飞行器 。
速度为光速 ,这种武器系统 ,发射瞬间即可命中 ,无需等待时
的毁伤作用主要为热作用破坏 、力学破坏和辐射破坏 。
①热作用破坏 试验数据〔2〕显示 ,当激光功率密度小于 103W/ cm2 时 ,目 标材料在吸收大量激光能量后会升温 ,还会在加热区外传 热 ,这是加热过程 。当激光功率密度为 103W/ cm2～106W/ cm2 时 ,材料局部区域的温度会升高到熔化温度 ,如果激光继续 以较高的速率沉积能量 ,这个局部区域材料就会发生熔融 。 如果激光功率密度达到 106W/ cm2～108W/ cm2 ,吸收激光能量 的材料就可能经历一系列过程达到汽化 ,当激光强度超过汽 化阈值时 ,激光照射将使目标材料持续汽化 ,这个过程称作 激光热烧蚀 。当激光强度足够高 、汽化很强烈时 ,将发生材 料蒸汽高速喷出时把部分凝聚态颗粒或液滴一起冲刷出去
nologies in the field of high energy laser weapons , which should be mainly developed in our country , were proposed and analyzed.
Key words :high energy laser weapon ;the latest development ;key technology.
High energy laser weapons and the development of their technologies
LU Ming - chun1 ,LIANG Hong - wei2 1. Military Affairs Representative Office of The 4th Management of The PLA’s Staff Management , Beijing 100083 ,China ;
收稿日期 :2007 - 11 - 15 作者简介 :吕明春 ,中国人民解放军总参四部驻北京地区军事代表 室 ,军事代表 、高级工程师 。
得越好 。但反射镜的直径愈大 ,不仅加工工艺复杂 ,而且造 价昂贵 。
3 、高能激光武器的基本原理
2
《激光杂志》2008
吕明春等 :高能激光武器及其技术发展 年第 29 卷第 1 期 LASER JOURNAL
的现象 ,从而在材料上造成凹坑甚至穿孔 。导弹 、飞机和卫 星的壳体材料一般都是熔点在 1500 ℃左右的金属材料 ,功率 2mW～3mW 的强激光只要在其表面某固定部位辐照 3～5s , 就容易被烧蚀熔融 、汽化 ,使内部的燃料燃烧爆炸 。
②力学破坏
当激光功率密度达到 108W/ cm2～1010 W/ cm2 时 ,目标材 料不仅发生汽化 ,而且蒸气会通过自由电子的逆韧致辐射和 光致电离两种机制吸收激光能量并导致蒸汽分子电离 ,形成 等离子体 ,等离子体会进一步吸收激光能量并迅速膨胀 ,形 成等离子体的激光支持吸收波 ,直至最后等离子体熄灭 。发 生汽化时 ,汽化的物质高速喷出将对材料表面产生反冲压 力 ,对于足够强的入射激光 ,等离子体会以超声速膨胀 ,即激 光支持吸收波以激光支持爆轰波 (LSDW) 的形式出现 ,而 LS2 DW 会对目标材料产生相应的压力 。如果上述过程产生的压 力峰值足够高 ,就可能在目标材料中产生某些力学破坏效 应 ,例如层裂和剪切断裂等 。受高能激光辐射的目标的表面 材料即使没有被烧蚀摧毁 ,也将会因为受力学破坏而严重影 响其技术性能甚至失效 。
以攻击光电传感器为目的的各类低能激光武器 。经过多年
战略激光武器的作战对象是战略导弹 、侦察卫星 、天基
的研究发展 ,激光武器由单波长发展到多波长 ,由少数几个 作战平台等目标 。美军全球战略层次上的天基激光武器系
固定波长发展到宽波段可调谐 ,特别是高能激光武器即将投 统 ,目前正处于技术验证和展示阶段 ,它将成为装备大功率
2. Light Industry Institute of Dalian , Dalian 116034 ,China
Abstract :In this paper , the sorting , composing , and operating principals of high energy laser weapons were summarized. The latest developments of high en2
Biblioteka Baidu③辐射破坏
目标材料因激光照射汽化而产生等离子体 ,等离子体能 够辐射紫外线和 X 射线 ,对目标材料造成损伤 。紫外线的主 要破坏作用是激光致盲 ,在毁伤空中目标方面没有作用 。X