声明:

以下这篇文章是完全从为科学爱好者科普的角度写的, 笔者不从事有关军事激光的工作, 也不接触任何国家的军事激光研发的资料. 文章里引用的图片和资料全部都来自公开的出版物和普通公开网站.

 

 

 

The following article is written from the perspective of popular science for amateurs. The author does work in the field of military lasers, nor does the auther have any access to non-public information on militay laser research and development of any country.  All photos and information used in this article are from general publication and public web pages.

 

 

- spiro

 

 

说明:

常常见到各个军事类论坛谈其它武器高手如云, 但凡谈及激光武器, 谬误甚多, 大多流传的是不实的假闻和更多的误解, 甚至有类似把神光系列当成秘密激光武器的笑话.  幸好绝大多数是别的论坛传起来的, 从军坛流出去的这方面的谬误好像很少.  一直就想写篇关于激光武器的东西给不懂的网友科普解疑, 也给对激光武器和高能激光感兴趣的网友介绍我从公开资料中了解的一些进展情况.  一直没时间.　这次HMY愿为军坛贡献精力和时间, 不负众望担当版主, 可敬可贺.  没什么拿得出手的东西, 所以把这篇赶出来, 以此为贺.

 

 

- spiro, August 14, 2009

 

 

关于激光武器的历史和进展

 

 

spiro

 

 

简介

激光(LASER)是全称是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，意思是通过受激輻射的放射达到的光的放大. 从广义理论上讲, 激光的原理可以说起始于爱因斯坦的原子受激辐射理论. 从具体的理论和实验进程上讲, 50年代的MASER (Micro-wave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) 是激光的真正鼻祖.  MASER的发明者TOWNES(美), PROKHOROV 和BOSOV(苏联)由此得到了64年的诺贝尔物理学奖.  到了58年, TOWNES和SHCAWLOW预言LASER的可能性. 果然到了60年7月, MAIMAN实验成功世界第一台(红宝石)激光器. 从此激光的发展可以说是日新月异. 半导体激光的理论出现于63年(比实物早了很多), ALFEROVand KROEMER由此得到了2000年的诺贝尔物理学奖.

激光从工作模式上可分为脉冲和连续激光.  从介质上可分成气体, 固体, 和自由电子激光等.  这方面的科普读物很多, 这里就不再详细介绍了. 由于激光具有很好的单色性, 相干性和单向性, 所以理所当然地成需要定向发射和高能高密度的束流武器的理想手段.

 

 

 

 

激光测量和压制武器

这类武器对激光和控制的各种要求是最低的, 可想而知也是最早兴起的. 激光测像, 定标, 测距等等从几毫瓦甚至更低到几十毫瓦就足以应付, 所以大多使用固体红外,近红外激光, 可使用电池(机, 弹载)或车载机载小型电源,  能耗很小. 压制激光要求扩束发射并压制对方的测量和器材及人员, 故需要能量稍高, 估计在几十瓦和几百瓦左右. 这类武器的激光能量, 电源电池, 和控制比较容易, 但对这类武器的反制手段也比较多, 矛和盾的东西有人去搞, 细节也不少, 值得大花笔墨的没多少. 值得提的有两点. 一是测距测向怕空中的灰尘水汽等, 这类东西估计美国领先很多.  二是激光压制估计对美倭法俄德之类的国家没什么作用.

 

 

 

 

单兵激光武器

这类武器对能量和能源的要求较高, 所以比较困难.  历史上美,俄两国在这方面搞得很早. 中国起步晚但进步较快. 从能量上讲, 这类武器最低要求能使对方士兵暂时失明旋晕, 或是疼痛灼伤等, 高点的要求直接杀伤人员并能击毁击伤器材.  有时要求有一定的扩束发射. 这类激光武器大多在可见和近红外光谱, 以连续激光为多, 大多这类连续激光, 像YAG的1.064UM(IR)或倍频后的532NM(绿光), 功率做到几十瓦以上体积重量就上去了, 近十年有DPSS (DIODE PUMPED SOLID SATE) LASER, 可以把体积和重量都降不少, 警用的低制伤性的几十瓦以下的好办了, 军用的还要些时间.  单把士兵打瞎容易, 好像又违反国际条例.  电源的困难在于近千瓦(所需连续电源的最低限)的电池没几十公斤目前下不来, 用小型化了的化学激光(能量来自气体)补充维护都是问题, 战场上环境恶劣, 不小心把自己弄烧伤或中毒了, 都很讨厌. 

这类东西网上有不少照片在传, 中国的也见过, 看得出大多是用532NM加1.064UM的固体激光用于低致伤的, 真正的杀伤性的还没见过实物照片.  这里发一张见过的唯一一张公开的杀伤级的单兵激光武器的示意图. 仍然是早期的使用化学激光的.  设计这东西的公司声称, 以10.6UM波长, 能在0.35S长的脉冲DURATION中达到1.9KW的功率, 也就是说它的每个脉冲可达到0.7KJ的能量, 而且它能以170 BPM (BURST PER MINUTE)的射速射击. 具体的实物从未见报道过所以没法评论它的可行性和实用性.

 

 

 

 

 

 

 

这类杀伤级的东西能上战场还需要不少时间, 可变的东西无非就这几样, 除了小型化和电池的进展,  没有太多好写.  以下多花点笔墨介绍HEL 高能激光.

 

 

 

 

HEL高能激光

 

 

HEL高能激光武器并不只要把激光提到足够高的能量就够了，它必须通过一个可靠的光束投送系统对目标进行并保持照射，而且要照射足够时间并将足够摧毁的能量耦合进目标．要达到这个要求，就必须保持激光光束在投送中不过多损失质量．根据以上情况, HEL的武器化要解决以下几个关键技术:

1)       高能化学激光的武器化技术 (HF and DF, hydrogen and deuterium fluoride, and COIL, chemical oxygen/iodine laser)

2)       高能固体激光的武器化技术 (Heat Capacity, 光纤激光, SLAB激光等等)

3)       高能自由电子激光的武器化技术

4)       束流控制技术

5)       制命性/制毁性(Lethality)技术

6)       新的激光技术和投送控制技术

 

 

 

 

几种不同的高能激光示意图

 

 

 

 

COIL示意图

 

 

 

 

不论是使用固体, 化学或自由电子激光, 武器化的高能激光必须拥有以下几个关键部分:

1)       激光器本身

2)       束流投送和控制环路(LOCAL LOOP)系统, 用于调控束流质量

3)       目标控制环路(TARGET LOOP)系统, 这部分是最关键的, 以前我在一些文章中提过, 下面会再提到

4)       目标耦合

5)       制毁性调控

看上去这些部分和系统好像大同小异, 实际上差别很大, 而且每个系统往往都有几个分系统, 十分复杂. 所以激光能量功率做上去了只是第一步, 往往后几个系统要化更多时间和精力(更不用说经费), 而且会对激光器本身的研制造成反复, 都是很正常的. 

 

 

具体的例子之一, 美国前几年的固体激光进展不错, 非常有希望在ABL或SBL上加个DEMO平台和COIL一争高低, 但它的能量上去了, 激光介质温度控制一直没能解决好, 高功率下的束流质量就不够好, 所以还要改进 (近两年的进展如何没见公开报道, 不知进展到什么程度了).  化学激光器技术比较成熟, 虽然有排放和补充/发射数的限制, ABL目前的最佳选择还是它.  自由电子激光光束质量不错, 没有排放和补充问题, 波长还可变, 但它的体积和重量实在太大和太重, 还要花大力气小型化.

 

 

HEL用在大气中, 它的目标控制环路系统就非常重要. 因为它不仅要对付大气喘流, 散射, 吸受,处和热BLOOMING等等.  THERMAL BLOOMING是高能激光通过大气时对大气的加热而造成对激光束的波面的破坏.  美国等在这方面投下了很多经费和人力, 通过激光波长, 工作模式, 各级补偿和激光器件口径和材料等等方面的新技术基本上解决了关键的问题.  今后在这方面的进展将是提高HEL实用射程的关键.

 

 

另一个关键就是如何摧毁目标, 弹道导弹的弹体较大比较规则而且有液体或固体燃料相对较容易追踪和摧毁, 相对寻找,追踪和摧毁较小而且不规则的弹头就很难. 不同系统之间也有矛盾, 摧毁目标希望目标有较大的吸收系数, 但某些追踪系统又希望目标有较高的反射系数等等.

 

 

从上面几个关键可以看出对付不同目标, 难度也会有很大区别, 基本上可以列为以下几种由最高难度到较低难度:

1)       洲际弹道导弹 (寻找并追踪目标, 控制束流, 和摧毁目标都非常困难)

2)       常规炮弹 (非常困难)

3)       战术弹道导弹(中等难度)

4)       卫星(中等难度)

5)       巡航导弹, 火箭弹等((较低难度)

6)       地面行动目标((较低难度)

7)       飞机等类飞行器(较低难度)

 

 

 

 

高能激光武器从武器的种类上分也有很多种.  主要的有下面几种:

SBL (Space Based Laser)  太空激光

ABL (Airborne Laser), 空中激光，如波音AL-1A　

ATL (Advanced Tactical Laser)

THEL (Tactical High Energy Laser, US

ARMY)

HELTD (High Energy Laser Technology Demonstrator) 等等．

以下就重要的几个详细介绍．

 

 

 

 

 

 

 

 

ABL (Airborne Laser)

 

 

ABL的主要目标是洲际弹道导弹, 由于前面提到的难度, 目前估计即使美国, 也只有能力或将有能力在洲际弹道导弹发射不久将其击落, 这就是说拦截地点不会离发射地点太远.  这点的局限性必较利害, 估计今后美国的ABL的发展, 将围绕在解除或降低这一局限性一些核心技术上.

 

 

早期的ALL (AIRBORNE LASER LAB)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

载机是KC135A

 

 

 

 

 

 

 

 

波音AL-1A, 载机是波音747-400

 

 

波音的AL-1A使用的是前面提到过的波长为1.315UM的COIL, 据两年前公开发表的资料, 它的功率已达到几个MW(百万瓦), 从COIL可以猜测它的BURST DURATION在亚秒或秒级, 所以可以猜测它的每个发射可以投送的能量在MJ(百万焦尔)左右. 实际的数据当然是保密的但肯定在我这个估计数字之上.

 

 

波音的ABL的发展我平常根据播音的公开网站的新闻报道基本上都已转贴到军坛过, 这里就不再重复. 1996年以十一亿美元立项(估计已追加经费N次), 上载机调试至今前后也已有两三年的时间, 但波音(加TRW等)在ABL上的作风比较稳重, 整个项目算是相对成功的.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

AL-1A的COIL激光

 

 

 

 

公开发表的COIL的排气部分

 

 

写到这里正巧波音今天宣布波音成功试验ABL拦截导弹靶弹,并预计年底前试验实弹拦截弹道导弹，这次ABL是首次全副武装地上天试打了, 但打的目标不是弹道导弹, 而是加装了测量仪器的靶蛋, 我估计靶弹是巡航导弹或类似的东西, 难度比弹道导弹下降了不少, 但波音稳扎稳打地一步步来是正确的.

 

 

ATL (Advanced Tactical Laser)

 

 

 

 

 

ATL的整个系统基本上就像是小型化和简单化的ABL, 由波音, L3, HYTEC, JB HENDERSON等公司研发, 使用的是类似(估计小一些)ABL的MW级的COIL, 主要任务是战场支援, 类似以前的GUNSHIP,主要目标是地面目标, 但估计可兼顾某些飞行器.

 

 

 

 

据播音的公开网站的新闻报道,报道ATL已于今年6月成功地在飞行中试射了高能激光并成功击中了地面的靶标.

 

 

THEL (Tactical High Energy Laser, US ARMY)

 

 

 

 

 

 

 

 

THEL是一种短程的防御性激光武器, 早期(1996)是美国和以色列共同研制的,它还有个移动型版本, MTHEL (Mobile THEL).  它使用的是百万瓦级的DF(deuterium fluoride)化学激光, 波长是3.8UM.

 

 

 

值得一提的是早期以色列的兴趣, 明显有部分在用THEL防御和击毁来犯的122MM和160MM火箭弹.当然美国的目标是不完全一样的.

 

 

 

 

 

THEL击中160MM卡秋莎火箭弹

 

 

 

 

 

 

 

早期(1983) 美国海军的MIRACLor Mid-Infrared Advanced Chemical Laser, 用的也是DF 激光,目的明显是以防空为主的.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

THEL和MTHEL的作战模式示意

 

 

其它小型系统

 

 

 

波音的AVENGER, 用悍马军用吉普车载, 估计使用的是15~20KW的固体激光, 目标是UAV类似的小型飞行器.

 

 

 

 

诺思若普.格鲁曼的"火击"激光砲, 出束可达100KW,1.5吨,耗能500KW. 能不能装悍马上不知道, 但装F350之类的卡车上应该没问题.  我猜这应该是用多束聚合技术的固体激光.

 

 

 

 

可以看出来美国陆军的小性机动系统对固体激光更感兴趣. 我也任为, 固体激光的小型化及多束聚合技术还有不少潜力, 而且固体激光的战场维修,保养和给养都比较简单,好是陆军机动系统的理想选择.

 

 

 

 

 

 

俄国高能激光武器

 

 

 

 

MAZ-7910载车

 

 

 

 

 

 

Carbon Dioxide Gas Dynamic Laser (GDL)

 

 

GDL激光击毁靶机

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

前苏联的IL-76MD机载ABL, 目前的进展程度不明.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

中国的高能激光武器

根据国外公开发表的报道, 从发表文献看, 中国有关于COIL和自由电子激光武器化的研究动向.  我也认为, 从国内发表的有关核泵浦微波及激光武器的文章, 说明中国也在研究类似星球大战的高能束流武器.

但是, 从目前没有可靠的大运来看, 中国发展自己的ABL还要有很长的路.  我觉得ABL不像预警机, 因为它对载机的改动会大得多(参见AL-1A), 靠买大飞机改我猜想是不太现实的. 除非引进大飞(像IL-76)的生产线, 否则中国的ABL必须在造出自己的大运之后.

同样的道理, 中国的SBL要搞也要有匹配的大推力运载火箭, 当然用现有的LM系列分次送也不是完全不可以, 难度就更大了.

 

 

我的猜测, (可以看出由于中俄这方面的公开报道几乎没有, 只能以推测为主), 中国在固体激光小型化,激光晶体材料和其它光学材料上作得不错, 但在其他方面还有不少差距, 高能激光武器的研究可能还是在地面固定系统这一阶段.  但是HMY也提到过, 中国军方对激光武器的投资历来很大方. 今后我觉得很有可能首先看到是小型的类似美国陆军的AVENGER 或火击之类的系统.

 

 

 

 

结尾

这里再解释一下与武器无关的几个简单的常识.  首先神光不是激光武器. 神光系列的目的一直就非常明确, 它是用于激光核聚变的高能激光.  类似美国利福莫尔国家实验室的NIF.  类似的激光是用固体激光经过放大并多束聚合后倍频到紫外, 然后有多组这样的相干激光束同时打到核聚变的能量靶上并通过其极短的脉冲来达到其瞬间功率, 这类激光能对军事的贡献我觉得主要是其多束聚合的技术上,部实用上与武器毫无关系.

 

 

NIF的目前的脉冲能量是四百万焦尔, 神光III的脉冲能量据2008年11月的报道是6万焦尔. 神光I到III进步确实可喜, 但这先进二字说得实在是太辛苦, 不说也罢.