美国海军舰载高能激光武器

每个模块约1m 长，重1~2kg。在1m2的面 积上可以排列大约120个模块。EMHEL 激光 器的设计方案之一就是将84 个模块装入 “标准-3”导弹弹头中，可执行战区弹道导 弹防御任务，还可以安装在小型海军作战 舰艇上，防御敌方舰艇和反舰巡航导弹的 进攻。另一个用途就是装在小型水面战舰 上，用于自卫，对付小艇等。
随着全电舰艇时代的降临，电力驱动舰艇 的研制成为舰载自由电子激光武器和固态 激光武器迅速发展的催化剂。
高能激光武器系统装备舰艇，必然遇到 除技术发展难题外的资金问题。舰载自 由电子激光武器计划从概念定义以来已 经得到了大约5000 万美元的经费，并希 望在2006 财年得到1400 万美元经费支持。
此外，与其他各类激光器相比，自由电子激 光器同时具有波长可调、输出功率强和效率 高这三大特点，这成为美海军选中自由电子 激光器的又一原因。
海石
自由电子激光器
美国海军对自由电子激光器的性能要求是：
1 输出功率1MW
2 波长1耀2mm(标称值1.6mm)； 3 有效利用率95豫以上；功率可调等
美国海军考虑了环形和直线 形两种自由电子激光器
于是美国的激光武器
Sea Archer
Sea Archer 长181m，排水量13,500 t，航速可达60 节。可作为一种轻型航空母舰，携带无人驾驶战斗 飞行器、无人驾驶飞行器及直升机。为满足自身防 御需求，在提出的一种分层防御概念中，自由电子 激光武器被用于内层防御(约5km 范围内)。该武器 系统需求功率为1.5MW，输出波长1mm，体积为 12m伊4m伊2m，预期重量为55 t，具有两部光束定 向器，其火力以最优化角度覆盖舰体。该武器系统 从舰艇的能量存储设备获取能量，在对电容器组的 一次充电完成后可同时与10 个目标交战。据估计， 武器系统的能量可在75s 内从舰载能量系统得到补 给。如果自由电子激光可以得到10 MW 的舰载功率 补给，那么它可以连续波模式工作。
• 图中为HELSTF 的两套重要设备中红外先进化学激 光器(MIRACL)和“海石”光束定向器(SLBD)。 HELSTF 这套实验装置使用一台兆瓦级连续波DF 化 学激光器MIRACL。MIRACL 的光学谐振腔长9m， 光束面积为324cm2，在3.6耀4.0mm 波段之间大 约分布10 条受激发射谱线，连续输出功率为 2.2MW，是美国最大的高功率激光器
固态激光武器主要特点
结构紧凑
成本低
用途广泛，适应性强
EMHEL
是一种使用一个或多个激光模块组成的激 光阵列。每个模块中包含一个单发激光武 器，单次发射时的峰值能量为10kJ。如果该 系统多个模块连续发射，则可以在不到一 秒钟的时间内穿透15cm厚的钢板。这些模 块装配在一起，既可单发，也可齐发。
以MIRACL/SLBD 为基础的舰载高能激光武器 系统是模块化率提高到创记录的1kW，2001 年又提高到2kW。2004 年7月，研究人员用 他们最新的激光器才产生了功率10 倍于早期 FEL 的激光，即平均功率10kW 的红外激光。 2005 年6 月，自由电子激光器又获得了 25kW 的红外激光，但距离兆瓦级目标相去 甚远。
较倾向于使用直线形结构
• 虽然直线形的结构较长，而且对输入到摆动器 的电子束质量要求较高，但便于获得较高的输 出功率。电子束能量必须达到80耀100MeV、 峰值电流达到600A 时，才有可能获得所要求 的1.6滋m 兆瓦级功率输出。为此，美海军计 划选用超导射频直线加速器，其性能要求是： 工作频率为700MHz，加速梯度为12MeV/m。 1999年托马斯· 杰斐逊国家实验室将自由电子 激光器的输出功径1.8m 的凹面镜。在1980年 实现首次实现受激发射之后的十年间，其受激 发射时间已经累积超过3000s，证明了它可靠 的运转能力。
工作原理
• 电子束以7MeV 的能量注入线性加速器， 超导射频线性加速器使电子束能量在6.7m 的路径上增加到100MeV。随后，电子束 由一系列弯曲磁铁扭转进入摆动器。摆动 器提取效率约为2豫并最终产生1.5MW的 激光。第二组弯曲磁铁将使剩余电子束由 摆动器转运至加速器。激光束从光学谐振 腔出射后经过一系列镜片组织进入船体两 侧的光束定向器中。
安装在HELSTF上的MIRACL/SLBD 装置
• “海石”光束定向器发射镜是直的， 主要部件有：激光器、压力恢复系 统、燃料供给装置、光束定向器。
• 按计划，美海军准备将MIRACL/SLBD 系统安装在军舰上进行海上试验
但冷战结束后，美海军作战重点从远洋转 移到沿海区域，作战环境发生了巨大变化。 另外，美海军研究认为，MIRACL 高能激光 器的3.8mm 波长激光在沿海环境下热晕效 应较严重，应该找到一种热晕效应较小的 波长。经过研究，美海军最终倾向于选择 1.6mm 的最佳波长。于1995 年宣布放弃 “海石”计划，而启动高能自由电子激光 武器计划。
该系统要求具有1.5MW 功率，工作波 长为1mm，以减小热晕及大气衰减的 影响。完整的自由电子激光系统设计 包括注入器、超导射频线性加速器、 弯曲磁铁、摆动器、光学腔以及束流 收集器，还包括电容能量存储器、功 率调节单元、冷却设备等支持系统部 件。
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海军舰载应用要求紧凑型的矩形激光器 模块。整个系统将被安置在船体中部，以 减小光束传输系统模块的弯曲效应。该兆 瓦级自由电子激光器设计规格整个激光器 系统估计约重40t，价值6000 万美元。
美国海军几种主要的舰载高 能激光武器系统的特点分析
世界上第一台激光器诞生以 来，美国就开始着手研发军事用途 的激光武器，美国在战术高能激光 武器，尤其是在舰载高能激光武器 领域，研究成果相当丰硕，在多项 关键技术方面取得了突破。
中红外先进化学激光器“海 石”光束定向器
• 1977 年，美国海军开始实施“海 石”(SeaLite)计划，其目的就是建造更接 近实用的舰载高能激光武器。1983年初， 美军在白沙导弹靶场建立了高能激光武器 系统实验装置(high energy laser systemstest facility，HELSTF)，作为舰载高 能激光武器的试验平台
• 在迫切需求一种强有力的舰 • 艇反导武器的情况下，舰载高能激 • 光武器进入了人们的视线。
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激光武 器用辐射实现对目标的毁伤，作战 形式也被称为“发现即杀伤” (shoot-while-look)。在对付性能 优越的导弹方面，它必将在更短反 应时间内，更有效地提高对抗饱和 打击的可靠性。虽然舰载激光武器 的发展只有几十年，但已经取得很大进步，必 将改变现代海战的题1：舰载武器有什么优势
响应速度快，机动性好
打击精度高
发射成本低
美国
• 美国海军研制的中红外先进化学激光器“/ 海石”光束定向器、固态激光武器的系统 结构特点，介绍了美国海军极为看好并大 力发展的自由电子激光武器的一种设计方 案
反舰导弹是对舰作战的一种有 效武器，在短短几十年里性能有了 巨大的提高，常规反导武器的反导 能力越来越受到挑战，水面舰艇对 抗反舰导弹攻击的困难程度也不断 增加。
光束定向器被安置在SeaArcher 的左右舷的 中段。这样，船体弯曲的影响就会减小到 最低。光束定向器被安置在底座上，具备 180火力范围，并且由自动防护盖保护，交 战时防护盖可自行打开。
固态激光武器
在加紧研制自由电子激光器的同时，美国海 军还在开发一种被称为“一次性模块式高能 激光器(EMHEL)”的固态激光武器，用以装备 小型船只进行自卫或对付反舰巡航导弹、无 人驾驶飞行器、小型舰艇和其他威胁。