高能激光武器的现状与发展趋势

1 引言
高 能 激 光 武 器 有 许 多 优 点 ：光 速 杀 伤 、高 精 度 、大 弹 仓 和 单 发 成 本 低 等 ，特 别 是 它 以 光 速 交 战 必 将 对 未 来战争产生革命性影响。高能激光武器有许多军事用 途 ，包 括 拦 截 助 推 段 弹 道 导 弹、反 卫 星 ，防 御 高 速 机 动 的 巡 航 导 弹 和 反 舰 导 弹 、反 飞 机 导 弹 ，以 及 对 地 面 目 标实施精确打击等。高能激光武器经过 40 多年的发 展 ，在 平 均 输 出 功 率 、光 束 质 量 和 小 型 轻 量 化 方 面 取 得 了 长 足 的 进 步 ，正 处 在 成 为 实 战 武 器 的 边 缘 。 目 前 第一代激光武器已处在样机演示论证阶段；第二代电 激 光 器 正 在 研 制 之 中 ，并 已 接 近 武 器 级 水 平 ；同 时 为 了 装 备 机 动 的 小 型 战 术 平 台 ，目 前 正 在 研 发 激 光 武 器
平均输出功率 >100 kW 总效率 >20% 启动时间 1 s
光束抖动 <5%远场瞬时束直 径
光束质量 b<2×DL 运行时间 300 s 比重量 5020 /kg
环境温度 5~35℃(工作) -20~40℃(储存)
图 3 诺·格公司 Nd:YAG 激光器的体系结构示意图
3.1.1.2 最新进展 2002 年 9 月 JHPSS 计 划 启 动 ：Nd:YAG，SSHCH
表 2 ATL 系统的主要性能
激光器类型：密封型 COIL 对地面的杀伤距离：5~15 km 每次任务的发射次数：5~10 发
激光器功率：75 kW 作战高度：150 m 重量：3860 kg
图 2 先进战术激光武器系统的结构图
2.2 最新进展 2006 年 9 月激光器在地面实验中发射了“第一
光”，并完成了地面试验。2006 年改装了 C-130H 大力 士飞机，并进行了低功率 ATL 系统飞行试验，在试验 中发现并跟踪了地面的运动和静止目标。2007 年 12
ATL 的固有缺陷是由于采用吸附剂(沸石)吸收激 光 器 排 出 的 废 气 ，也 存 在 重 量 和 体 积 较 大 的 问 题 ，从 而 限 制 了 弹 仓 和 大 幅 度 提 高 功 率 ，只 能 攻 击 近 距 离 的 目标。
未来计划将激光器装入 V-22 鱼鹰倾转旋翼机和 无 人 机 ，激 光 器 必 须 小 型 化 。空 军 定 向 能 计 划 的 战 略 目标之一是用电激光器代替化学激光器，前者将使 ATL 系统的总重量和体积比后者减小 1/2，甚至 2/3。 计划在 2015 年进行 100 kW 固体激光器的 ATL 演示 试验[10]。
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L激光与光电子学进展 aser & Optoelectronics Progress
月 4 日波音已将密封型 COIL 在 C-130H 飞机内安装 到位，同时重 5450 kg 的激光器模块与前期装入飞机 的束控系统完成了准直[8]。2008 年 5 月 ATL 演示计划 实 现 了 一 个 关 键 的 里 程 碑 ，高 功 率 化 学 激 光 器 首 次 从 飞机里发射了激光[9]。在 2008 年下关年的飞行试验中 将向有代表性的地面固定目标和行进中的卡车发射 激光，以演示验证其军事功能。 2.3 先进战术激光器存在的问题和未来的发展
表 1 ABL 系统的主要性能
激光器和功率 作战高度 发射Baidu Nhomakorabea直径 巡航时间
作战型 COIL 3 MW 12~15 km
1.5 m (带自适应光学) 8 h (可空中加油)
演示型 1 MW 激光射程 400 km
系统总重 80 T 发射次数 20~40/ 每次巡航 每次 3~5 s
Sep. 2008
VOL.45 NO.9
3 正在研制中的第二代激光武器———电激光器
由于化学激光器难于集成进小型机动的战术平 台 ，激 光 器 要 向 外 排 出 有 害 的 废 气 ，再 加 之 所 需 的 战 场维护和后勤支援任务繁重，21 世纪起美国国防部已 加 快 了 发 展 采 用 高 效 能 激 光 器 的 第 二 代 激 光 武 器 ，特 别是大功率固体激光器(SSL)的步伐。SSL 在热管理、 激 光 效 率 和 光 束 质 量 方 面 都 取 得 了 重 大 进 展 ，目 前 可 以说美国战术激光武器的研发工作已完全转向了电 激 光 器 。电 激 光 器 包 括 固 体 激 光 器 ，武 器 级 二 极 管 激 光器和自由电子激光器。 3.1 高功率固体激光器 3.1.1 各军种联合开发机动战术 100 kW 固体激光器 3.1.1.1 任务和性能
作战序列 在完成了束控/火控系统的地面和飞行试验之后， 2007 年 3 月机载激光成功进行了飞行试验，用低功率 激光器代替高功率激光器演示了 ABL 击落助推段导 弹的整个作战序列，它是迈向与导弹交战的关键一步[2]。 飞 行 试 验 的 项 目 和 目 的 包 括 ：验 证 跟 踪 照 明 激 光 器 的 捕 获 ，跟 踪 与 瞄 准 能 力 ；完 成 代 用 高 能 激 光 器 与 照 明 激 光 器 信 标 的 " 刻 痕 " 演 示 ；跟 踪 照 明 激 光 器 和 信 标 照 明 激 光 器 相 配 合 ，在 飞 行 中 演 示 验 证 了 大 气 补 偿 的 能 力 ；飞 机 发 射 跟 踪 照 明 激 光 ，信 标 照 明 激 光 和 代 用 高 能激光，完成模拟将目标击落的作战序列。 2.1.2.3 机载激光将在 2009 年 8 月进行拦截弹道导弹
和 Yb:YAG 激光器参加竞争。2005 年 12 月第一和第 二发展阶段结束，单晶 Nd:YAG 和陶瓷 Nd:YAG 激光 器胜出，Nd:YAG 激光器的平均功率输出超过 27 kW， 激光持续发射时间达 350 s，具有良好的光束质量。陶 瓷 Nd:YAG 激光器的输出功率已达 15 kW，激光持续 时间 10 s[11]。2006 年诺·格公司和达信公司分别开始 研 发 100 kW 的 Nd:YAG 激 光 器 和 陶 瓷 型 Nd：YAG 激光器(指标如表 3 所示)，期限 3 年。 3.2 高功率单晶 Nd:YAG 激光器 3.2.1 诺·格公司 27kW SSL 的技术特点和结构
的多种新型光源。
2 机载激光和先进战术激光武器即将进行拦 截试验
2.1 机载激光武器 2.1.1 任务和性能
机 载 激 光 (ABL) 是 将 兆 瓦 级 化 学 氧 碘 激 光 器 (COIL) 装 在 大 型 飞 机 里 ，用 以 击 落 助 推 段 弹 道 导 弹 ， 也具有反卫星的潜力。它是美国国家导弹防御系统的 组 成 部 分 ，是 目 前 首 选 的 助 推 段 拦 截 手 段 ，是 美 国 两 项高能激光武器演示计划之一。ABL 系统的主要性能 参数如表 1 所示。
的试验 机载激光已将兆瓦级 COIL 集成进飞机，今年秋 天开始全系统地面试验。2009 年初开始飞行系列试 验，8 月进行击落弹道导弹的试验，估计试验激光的射 程在百公里之内[3] 。如试验成功，就将研制能力更强 的 第 二 架 样 机 ，它 将 大 大 提 高 激 光 系 统 的 性 能 和 降 低 成本[4]。 2.1.3 机载激光面临的挑战和未来发展 ABL 计划面临的挑战是激光器超重，控制由飞机振 动引起的光束“抖动”和高功率激光束的大气补偿。因此
目前美国各军种正在联合高功率固体激光器 (JHPSS)计划下大力研发 100 kW SSL，它将作为各军 种 通 用 的 战 术 激 光 器 ，用 于 执 行 地 面 短 程 防 空 和 反 导 任 务 ，军 舰 自 卫 ( 反 巡 航 导 弹 ) 和 机 载 平 台 的 精 确 打 击 任务。
表 3 100 kW SSL 的主要性能
Key words high-energy laser weapon；airborne laser；advanced tactical laser；solid-state laser；liquid laser；free electron laser ；relay mirror
中图分类号 TJ953 doi：10.3788/LOP20084509.0062
ABL 未来发展的关键需要提高激光器的比功率，改进束 控和大气补偿技术以提高激光在目标上的光强。
ABL 计划目前面临的严峻挑战是 COIL 的重量大 大超过了最初的设计，这限制了它的军事用途。COIL 的发展已有 30 余年，迄今大部分工作集中在 O2(1D) 发生器，它消耗的液体燃料(H2O2 和 KOH)既多又重， 因此开发减少化学燃料消耗或不使用液体化学燃料 的新型氧碘激光器，就成为降低 ABL 所用 COIL 重量 的 主 要 途 径 。同 时 也 在 考 虑 采 用 更 大 的 飞 机 ，如 波 音 新型的 747-800 飞机代替目前的 747-400 货机。正在 开发的 COIL 新技术包括电化学 COIL、电氧碘激光 器、全气相化学碘激光器和先进的 O2(1D)发生器[5]。目 前 研 发 工 作 已 取 得 重 大 进 展 ，分 别 研 制 出 了 千 瓦 级 的 电氧碘激光器[6]和电化学氧碘激光器[7]。 2.2 先进战术激光(ATL)武器 2.2.1 任务和性能
L激光与光电子学进展 aser & Optoelectronics Progress
高能激光武器的现状与发展趋势
Current Situation and Development Trend of High Energy Laser Weapon
任国光
(北京应用物理与计算数学研究所，北京 100088)
Ren Guoguang
(Beijing Institute of Applied Physics and Computational Mathematics, Beijing 100088，China)
摘要 关键词
高能激光武器即将走上战场，这必将引起未来战争发生革命性变化。评述和分析了美国正在研发的各种激光武器的 任务性能、关键技术、最新进展、面临的挑战和发展趋势。 高能激光武器；机载激光；先进战术激光；固体激光器；液体激光器；自由电子激光器；激光中继镜
FEATURES 特别报道 | 强激光技术
图 1 机载激光系统的布局
2.1.2 最新进展 2.1.2.1 完成兆瓦级 COIL 的地面试验和整修工作
2005 年底完成激光器地面试验，激光器产生了对 各种弹道导弹的致命杀伤能量，证明了 COIL 的耐用 性和可重复性。2006 年开始对激光器进行拆卸、检查 和整修，对激光器进行改进和提高可靠性。目前 6 模 块激光器已装进飞机，整个集成工作已完成 70%以上[1] (图 1)。一旦完成管道和布线工程，激光器就能进行地 面和飞行试验。 2.1.2.2 机载激光在飞行试验中演示了将目标击落的
Abstract The high -energy laser weapons are getting closer to the field. It will result in revolutionary changes of the future wars. The missions and performances, key technology, recent progress, challenges and development trend of the various high-energy laser weapons are reviewed and analyzed.
先进战术激光(ATL)系统是将密封型 COIL 装在 武装直升机和地面战车上实施致命和非致命打击任 务 ，用 于 防 御 巡 航 导 弹 和 精 确 打 击 地 面 目 标 ( 例 如 攻 击车辆和使通信节点失能)。它是美国两项激光武器 演示计划之一，其主要性能参数如表 2 所示。图 2 给 出了 ATL 的结构图。