美国战区和战略无人机载激光武器

《激光与光电子学进展》第10期发表了任国光等的《美国战区和战略无人机载激光武器》文章,介绍了美国机载激光计划失败的原因和经验教训,评述和分析了无人机载激光武器反导的概念、优势、研究计划和现状,以及存在的问题和面临的挑战,讨论和分析了用于助推段拦截的二极管抽运碱金属激光器和相干合成光纤激光器的原理、特点、最新进展和技术挑战。

弹道导弹和巡航导弹不仅能携带高爆弹头,还能携带核弹头和生化弹头,是未来高技术战争中的主要威胁。随着导弹射程和命中精度的提高,以及导弹技术和核技术的扩散,这种威胁日趋严重。

在弹道导弹防御中最有效的防御是在助推段,在来袭弹道导弹能采取对抗措施之前将其击毁。虽然处于助推段的弹道导弹是最脆弱的,但拦截的难度却远远高于中段和末段,关键的问题在于拦截的时间窗口仅有1-5分钟,因此以光速作战的激光武器就成为拦截助推段弹道导弹的最佳选择。

在美国国防部(DOD)终止了装备有化学激光器的机载激光(ABL)计划近三年后,美国导弹防御局(MDA)在吸取ABL计划的经验教训和利用美国一流国家实验室最近在激光技术取得突破的基础上,计划为无人机载助推段拦截研发兆瓦级的二极管抽运碱金属激光器(DPAL)和光纤合成激光器(FCL),它们能定标到非常高的平均功率(兆瓦),而且光束质量好,同时能获得很高的系统电光效率(>40%)和非常低的系统重量和体积(最终目标功率密度1-2 kg•kW-1)。

采用化学激光器的机载激光(ABL

美国DOD长期以来一直在为弹道导弹防御寻求发展高能激光武器,ABL是迄今DOD最雄心勃勃的定向能计划,历时14年,耗资53亿美元。2010年2月ABL用1 MW的化学氧碘激光器(COIL)成功拦截了固体和液体燃料弹道导弹。

图1. 机载激光拦截助推段弹道导弹试验的视频截图

但是,ABL射程太短生存能力低是其致命缺陷。此外武器系统本身也存在许多缺陷,包括激光器笨重限制了它的军事用途,技术复杂难于维护,运行时要消耗大量高活性的危险化学品,在12-14 km空中激光束稳定性也存在问题等。为了克服这些障碍,美国军方希望提高单个激光器模块的输出功率,改进束控系统,以及研发新型的COIL,但这些措施都收效甚微。由于像大幅提高激光武器的射程,大量使用危险化学品这样一些问题无法解决,再加之ABL武器系统的部署成本太高,DOD在2011年终止了ABL计划。

反导用无人ABL武器

无人ABL武器是ABL的一个更新计划,它们的作战概念,面临的技术和战术挑战都是相同的,不同的是用电激光器代替了化学激光器,用无人机代替了有人驾驶的大型飞机。它采用了两项现代军事技术:无人系统和定向能,并把两者整合到一起,发展了一种具有两者优势的新型武器系统。

实现高空无人ABL武器的关键是激光器,通常需要兆瓦级的功率。此外,至关重要的还有激光器的重量问题,即对激光器的功率密度有苛刻的要求。

2015年MIT/LL的FCL系统己获得近衍射极限的44 kW光束,LLNL的DPAL输出功率己达13 kW。

2016-2017年LLNL将演示30 kW的DPAL系统,光束质量1.5倍衍射极限 (DL)。2019年演示120 kW的DPAL系统,功率密度可能达到3 kg•kW-1。

2018年LL将演示5kg•kW-1的50 kW FCL系统。

2019年MDA将评估国家实验室的DPAL、FCL和工业界研发的高功率激光系统,以便选择最佳的方法继续研究和制造后继的高功率激光器,在此基础上于2022年制造一台300 kW级的激光器。 MDA希望在2025年实现能摧毁助推段弹道导弹的无人ABL武器。

高功率二极管抽运碱金属激光器DPAL

建造兆瓦级激光器存在许多严峻的挑战,而DPAL非常有吸引力,它综合了固体激光器和气体激光器的优良特性。碱金属的量子数亏损很小,因此DPAL具有非常高的光-光转换效率。若采用高亮度的二极管或阵列抽运,则可以获得高的电-光效率,并能以超过100℃的高温排出废气。这就给出了一个轻量的功率定标结构,使DPAL的质量/功率比和体积/功率比远低于其它的高功率激光系统。同时气体型DPAL能定标到单孔径兆瓦级的功率,有可能代替目前的一些高功率激光系统用于科学、技术、工业和军事等领域,已引起了人们广泛的关注。

LLNL几万瓦DPAL的设计,采用了带非稳腔的横向抽运结构,有可能获得高的功率输出和光束质量。 DPAL长1 m,标称输出功率20-30 kW。它是一个无烃的系统, 充氦气2033.125 kPa , 这既可以消除窗口污染,又可采用带宽稍宽的二极管阵列抽运,降低了对半导体二极管线宽窄化的要求 。DPAL采用波导型增益室,增益室温度超过100℃ 。在增益室的窗口上形成了“之”字形光路,避免了因抽运不均匀而造成的光学质量下降。

2013年LLNL通过放大增益池的尺寸,以及改进强光光学元件和光学涂层,创立了几项世界纪录,包括获得3.91kW的最大输出功率和DPAL连续运行4 min。

2014年进一步改进了增益室的窗口,二极管抽运阵列和增益室波导,以提高激光的输出功率,DPAL实现了10 kW功率首次出光。

2015年最重要的成果是演示了DPAL试验台的性能,输出功率达到13 kW,同时具有高效和极好的增益介质热控。DPAL累计运行时间超过100分钟n,无任何系统部件性能下降 。

2016-2017年计划将DPAL试验台的功率提升至30 kW,电-光效率达到30%,光束质量达到1.5DL。

高功率光纤合成激光器 (FCL)

最近光纤激光器取得重大进展,使它有可能成为激光武器的主要光源之一。它的电-光效率超过40%,光束质量接近衍射极限,散热性能好,全光纤系统更加坚固,能可靠地工作在恶劣的战场环境中。

为了获得高束质的高功率激光束,通常采用光谱光束合成和相干光束合成。相干合成是通过相控将多个波长完全相同的激光束的振幅同相位叠加,从而产生高功率和高束质的单一激光束,它不仅提高了合成光束的总功率,而且也提高了光束的亮度。这直接关系到激光武器的杀伤力, 因为表征激光武器杀伤力的物理量是投射到靶上的激光亮度,而亮度是与光束质量的平方成反比的。另外相干合成在原则上对功率定标没有固有的限制。

MIT/LL领导了激光业界光束合成技术的发展,在过去的10年间取得了多项成果。包括光谱光束合成和相干光束合成。MIT/LL最近又实现了42路和101路1 kW光纤放大器的相干合成。林肯实验室要为MDA研发尺寸小、重量轻和功耗低的高功率光纤激光系统,它的主要目标是要大幅降低光纤放大器系统的功率密度,同时提高单个光纤放大器的输出功率。林肯实验室研发的是分孔径相干合成技术,它是激光相控阵的基础。

2014年MIT/LL的FCL获得了34 kW的功率输出,系统的功率密度为40kg•kW-1,它采用了42单元的光学相控阵和1 kW的光纤放大器。

2015年MIT/LL将输出功率提高到44 kW,并将光束质量提升到近衍射极限,同时又演示了先进的101单元光学相控阵。它采用相位延迟法,通过调节一组相位调制器解决了光束同步的问题,产生了强大明亮的单光束。林肯实验室还演示了2.5 kW的光纤放大器,大大提高了光纤放大器的输出功率。

目前正在建造5 kg•kW-1的光纤放大器,将在2018年演示5 kg•kW-1的FCL 50 kW系统。

图2林肯实验室的FCL装置

问题及挑战

现有高能激光系统受尺寸、重量和功耗的限制无法集成进许多作战平台,目前世界各国的研发重点是采用SSL作光源的战术激光武器。美、德、以已演示过的几台激光武器样机的功率为几万瓦,硬杀伤射程也就2-3 km。

要使激光武器更有效和更广泛地用于战场就必须增大射程。但对固体材料而言,难以满足功率和光束质量的要求,这是因为在固体增益介质中产生的热-光畸变会引起光束质量下降, 从而限制了单孔径的功率输出。DPAL和FCL被认为很有前途,可作为高功率舰载、车载和机载激光武器的光源,它们也是当今世界上正在研发的唯一两种兆瓦级激光器。但高功率DPAL仍面临抽运源、窗口污染和光学基片与涂层的挑战。而高功率FCL则面临相干光束合成技术、紧凑型光纤放大器、光纤阵列发射体和光学基片与涂层的挑战。

总之,激光无人机的设想很好,优点众多,但也面临许多令人生畏的技术和战术挑战。就激光无人机而言存在着4项关键性挑战:激光功率、光束质量、所用平台和所需的助推段杀伤力。目前仅仅是实验室的研究计划,生存能力、长航时重负荷无人机的研制、兆瓦级激光器的功率定标、光束质量和小型化等都存在不确定性。该计划现在还处在论证可行性的阶段,还必须从作战、技术和经济等方面证明切实可行才有可能得到进一步的发展,最后实现部署。

 论文信息:
任国光,伊炜伟,齐 予,黄吉金,屈长虹. 美国战区和战略无人机载激光武器[J]. 激光与光电子学进展, 2017, 54(10): 100002