高能激光武器与防护技术

１４ ·航空科学技术·２００５ 年第 ２ 期
学科发展
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 １０６!１０８Ｗ／ｃｍ ２， 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"Ｃ 左右的金属材料，功率 ２!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。
学科发展
高能激光武器与防护技术
Ｈｉｇｈ－Ｐｏｗ ｅｒ Ｌａｓｅｒ Ｂｅａｍ Ｗｅａｐｏｎｓ ＆ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ
解放军电子工程学院 吴 丹
摘 要 ：在 高 技 术 战 争 中 ，空 中 目 标 面 临 的 威 胁 不 仅 仅 来 自 于 传 统 武 器 ，还 会 遭 到 高 能 激 光 武 器 的 攻 击 。 本 文 分 析 了 高 能 激 光 武 器 对 主 要 空 中 目 标 的 毁 伤 机 理 ，探 讨 一 些 目 前 可 采 用 的 目 标 抗 高能激光防护技术。
从其他角度考虑，美国设 计出了 一 种“ 眼 睑 ”，可 每 秒 开 关 #*** 次 。“ 眼 睑 ”由 一 片 薄 玻璃制成，上面覆盖两个由氧 化 铟 和 锡 制 造 的 透 明 电 极 ，电 极间有一个像铰链似的不透明 电极，通过在两个电极间加上 电压，在静电引 力 作 用 下 ，不 透 明 电 极 下 拉 ，使“ 眼 睑 ”关 闭 ， 加上相 反 电 压 ， 使“ 眼 睑 ”打 开，以此来防止激光对卫星的 致盲。此种方法对连续激光辐 照防护有效，但如果有脉冲激 光辐照时，由于其具有作用时 间短、功率密度 高 的 特 点 ，机 械 快门将会防护失效，此时要求 探测器表面的抗激光物理性能 优越。
１６ ·航空科学技术·２００５ 年第 ２ 期
能量相当强，受到辐射的目标 会丧失承载能力而出现爆炸或 坍塌，从而达到摧毁的目的。
２．反应灵敏 激光束无惯性，能快速变 换方向，当需要击毁多个目标 时，只需要转动有关反射镜即 可实现从一个目标转向另一个 目标的目的。即使是大型化学 激光武器，每次填充更换化学 燃料也只需几分钟。 ３．攻击速度快 激光束以光速传播，照射 目标时无需考虑提前量，即使 要击毁一枚 ３００ｋｍ 以外以 １Ｍａ 速度飞行的巡航导弹，从发射 到击毁目标所需时间只要 １ｍｓ 。 ４． 自动化程度与射击精度 高 高能激光武器系统往往结
（ １）采 用 弹 道 导 弹 弹 体 旋 转飞行技术，其着眼点是分散 热烧蚀破坏能量，使激光能量 无法在弹体的某个固定部位得 到迅速积累。研究表明，弹体旋 转飞行技术的抗激光效果与弹 体半径 ! 和旋转角速度 ! 有 关，! 和 ! 的值越大，导弹抗激 光摧毁的延迟时间就越长。当 ! 由 最 小 值 趋 向 无 穷 大 时 ，时 间延长的最小倍数等于 ! 与激 光束半径 " 之比的 " 倍，最大倍 数 等 于 ! 与 " 之 比 的 # 倍 ，通 常情况下 ! 远大于 "，可见此项 技术的抗激光效果相当显著。
关键词：高能激光武器 材料 防护
激光 技 术 在 军 事 领 域 的 广 泛应用使现代战场充斥 着各种激光威胁。不仅激光测 距机、激光目标指示器等早已 大量装备部队，而且一些军事 强 国 早 在 上 世 纪 ８０ 年 代 就 装 备了以攻击光电传感器为目的 的各类低能激光武器。经过多 年的研究发展，各类激光武器 由单波长发展到多波长，由少 数几个固定波长发展到宽波段 可调谐，特别是高能激光武器 即将投入实战，它的出现使得 导弹、飞机、卫星 等 空 中 目 标 面 临直接被摧毁的危险，因此有 必要重视相应的防护措施。
·航空科学技术·２００５ 年第 ２ 期 １５
学科发展
护层穿透，所要求的激光能量 密度就会高达 １０ !２０ ｋＪ／ｃｍ２，抗 破坏能力提高了十倍以上。
３． 弹道导弹抗高能激光防 护技术
高能激光武器拦截弹道导 弹主要针对导弹助推段，对于 红外探测系统而言，火箭发动 机的尾焰是一种非常特殊的辐 射源，具有运动速 度 相 对 较 慢 、 温度特别高和有效辐射面积大 的显著特点，使得弹道导弹容 易被红外探测器探测和跟踪， 此时导弹发动机处在工作状 态，燃烧室压力大 ，弹 体 遭 激 光 热烧蚀破坏后极易使燃料外泄 引起爆炸。目前采取的对抗措 施包括以下几种。
五、结束语
抗高能激光防护手段是目
标遭到高能激光武器攻击时的
最后防线，但是这些手段目前实
际应用难度大、成 本 高 ，且 防 护
效果存在很大的不确定性。抗高
能激光武器攻击最根本的是防
止被其探测系统瞄准捕捉，所以
提高目标的各项隐身性能才是
最有效的防护手段。
!
ＨＦ５０００ 型温场自动检测系统研制成功
西安航空发动机集团天鼎电子仪器有限公司根据用户需求， 研制成功了 ＨＦ５０００ 型温场自动检测系统，并于近期推市场。
合高技术目标跟踪系统实现侦 察 、识 别 、跟 踪 、定 位 和 攻 击 一 体化，能够精确地从目标群中 分选一个目标瞄准攻击，或者 对准目标的某一部位实施外科 手术式杀伤。
５．使用成本低 高能激光武器的硬件可重 复使用，作战费用低。美国估计 氟化氘化学激光器每发射一次 仅耗费 １０００!２０００ 美 元 ， 二 氧 化碳激光器每发射一次则可降 至几百美元。
三、高能激光对材料 的 毁 伤 机理
作用在目标上的高能激光 束会使其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 。 其对材料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 当激光功率密度小于 １０３Ｗ／ｃｍ ２ 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 １０３ ! １０６Ｗ／ｃｍ ２ 时，材料局部区域的 温度会升高到熔化温度，如果
ＨＦ５０００ 型温场自动检测系统可实现加热装置有效温区检测 的 全 自 动 操 作 ，实 现 检 测 过 程 的 自 动 定 时 巡 回 采 样 ，实 现 对 测 量 热电偶和补偿导线的自动误差修正，实现对采样数据的计算和 处 理 ，实 现 自 动 打 印 检 测 记 录 报 表 、自 动 打 印 检 测 报 告 、自 动 绘 制温区位置图。并可对检测记录进行存储和查询，同时还可对环 境实验用“ 温、湿箱”和“ 高、低温箱”的温度、温度的偏差、均匀 度、稳定度及变化速率等项指标进行自动校准。 （ 郭旭之）
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，也会因为受力学 破坏而严重影响其技术性能甚 至失效。
３．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 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。
一、高能激光武器的分类 根 据 作 战 对 象 的 不 同 ，高
能激光武器可分为战术激光武 器和战略激光武器。战术激光 武器的作战对象是军事装备上 的 光 电 装 置 、飞 机 、战 术 导 弹 、 巡航导弹等，而战略激光武器 的作战对象是战略导弹、侦察
卫星、天基作战平台等目标。
二、高能激光武器的特点 １．硬杀伤能力强 高能激光武器的激光辐射
四、主要空中目标抗 高 能 激 光防护技术
导弹、飞机和卫星等空中 目标是高能激光武器的主要攻 击目标，因此必须重视它们对 高能激光武器的防护。采用新 材料和涂敷保护层是主要防护 措施。
１．新材料加固 采用新材料来加固易受攻 击的部位，如导弹的导引头整 流罩、飞机雷达 的 天 线 罩 、卫 星 上各类传感器的光学窗口等部 位，属于局部应 用 ，但 是 可 以 从 整体上提高目标的损毁阈值， 加大激光武器的攻击难度。对
２．力学破坏 当激光功 率 密 度 达 到 １０８! １０１０Ｗ／ｃｍ ２ 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 ＬＳＤＷ 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
（ &）发 展 火 箭 超 冷 燃 料 发 动机，以减少红外辐射。
一旦弹道导弹尾焰的红外 辐射被红外探测系统中的任一 环节捕获，就必须迅速实施光 电干扰对抗措施，重点发展基 于大气散射的激光探测与告警 技术、红外激光编码干扰技术 和等离子体隐身技术。
４． 卫星抗高能激光防护技 术
对于卫星的光电探测器， 可以用一种激光后处理技术来 提高损伤阈值。激光后处理技 术是把光学材料经低于激光损 伤阈值的激光照射后激光损伤 阈 值 可 提 高 $!% 倍 的 新 技 术 。 激光后处理的激光照射方式有 两种：一是用同一强度的激光 多次照射；二是用光强随时间 逐 渐 上 升 的 激 光 多 次 照 射 ，此 种激光后处理方式激光损伤阈 值提高得多一些。
（ $） 发展火箭助燃助推 器，使导弹助推飞行时间从 %! &’() 减至 "’() 以内，从而使弹 道导弹预警系统来不及做出反 应或探测目标。
（ %）在 发 动 机 推 进 剂 中 添 加污染剂，使尾焰 特 别 明 亮 ，而
且不对称，从而不符合预警系 统管理计算机中输入的红外辐 射模式。
（ #）在 发 动 机 助 推 器 上 装 上圆形保护屏罩挡住发动机尾 焰。
于不同种类的辐射激光，加固 材 料 应 具 有 高 的 材 料 密 度 、高 的汽化热和高的激光反射率。 材料的选取应综合这些要求， 还要考虑透波性和防辐射性 能。对飞行器而言，还要考虑到 是否会对其空中机动性能以及 雷达和红外特征产生影响等。
目前，国外研制的抗激光 加固材料主要有金刚石薄膜、 氧化铝陶瓷和二氧化硅陶瓷 等，其中，美国 研 制 的 金 刚 石 薄 膜具有极坚硬、透明和良好的 防辐射特性，抗激光损伤阈值 极高。国内有研究表明，在碲镉 汞探测器表面加了透红外的聚 四氟乙烯膜后，对激光辐照能 起到明显的保护作用，而且器 件的探测率、响应率和信噪比 都没有受到太大影响。
２．涂敷保护层 此种技术是采用一种耐热 烧蚀的、汽化潜热相当大并且 对 激 光 的 反 射 率 高 的 材 料 ，在 不 改 变 装 备 性 能 的 前 提 下 ，以 合理的工艺附着在被保护对象 的表面。抗激光涂敷保护层技 术与抗激光加固技术的本质相 同，但其属于整体应用。以弹道 导弹的防护为例，当在其高压 贮 箱 的 表 面 涂 敷 一 层 ５ｍｍ 厚 的耐热烧蚀材料时，这一点负 荷的增加对于导弹的有效载荷 或燃料负荷影响并不大，导弹 的射程也不会受到可观的影 响。能量密度为 １ｋＪ／ｃｍ２ 的高能 激光束一般会损坏未加保护的 高压贮箱，而在涂敷有保护层 的情况下，高能激光在对目标 产生严重破坏前必须先将该保