中國光纖激光器打破國外技術壟斷 戰術激光武器何時上戰場?

近日,在“武漢·中國光谷”激光技術與產業發展創新論壇上,中國航天科工集團公司負責人表示,我國首臺全自主研發的2萬瓦光纖激光器正式進入裝機階段,這一技術成果直接打破國外技術壟斷。這臺2萬瓦光纖激光器由中國航天科工四院所屬的武漢銳科光纖激光器技術有限責任公司研發,或將于2018年上半年問世并投入使用。那么,這種激光技術和激光武器裝備有沒有關系?激光武器何時才能大規模走上戰場呢?

異軍突起

美軍對戰術激光武器很有熱情

雖然激光從誕生之日起,就受到各國軍方的普遍重視,尤其是想將其應用于戰略反導等領域。但是由于大氣、光學衰減、散熱、目標制導等各種困難的存在,戰略激光武器的發展速度非常緩慢。但從21世紀以來,美國軍方再度開始重視高功率固體激光器的研發,將其用于執行近距防空、反導、軍艦自衛等戰術任務,并稱其為美軍再度領先于對手的神秘利器。

而在高功率戰術固體激光器方面,光纖激光武器由于在效率、激光束品質、系統體積、重量、堅固性和冷卻等方面具有明顯的優勢,正在成為戰術激光武器的主要來源。近期,美軍研制的多種激光武器的樣機,均為光纖激光武器。如美國國防預先研究計劃局(DARPA)的“圣劍”項目、海軍的艦載戰術激光武器系統項目與激光武器系統項目、陸軍的“區域防御反彈藥系統”(ADAM)以及“宙斯-悍馬激光彈藥摧毀系統”等均采用了光纖激光器。

其中,“圣劍”是一種機載激光武器項目,目標是反光電或紅外制導的地空導彈,作戰高度在15千米。而美國海軍的Mk38艦載激光炮作戰目標是大量密集型小型船只、海面艦船、空中飛行器等。2011年,該激光炮對空中和水面目標進行了射擊試驗。

美國陸軍的“區域防御反彈藥系統”則主要是為地面部隊防御近程空中目標(火箭彈、無人機)的威脅,在2012年和2013年的試驗中,該系統成功摧毀了無人機和小口徑火箭彈。而“宙斯-悍馬激光彈藥摧毀系統”則是安裝在著名的“悍馬”車上,具有反地雷和處理路邊炸彈的能力。

除了上述內容,美軍還有一些光纖戰術激光器項目。現在美軍對于戰術激光武器的發展很有熱情,處于“大面積撒網”階段。五角大樓在2014年就推出了第三次“抵消策略”,其核心是發展顛覆性先進技術武器,繼續在軍事競爭中占據絕對優勢。

美國國防部常務副部長羅伯特·沃克認為,第三次“抵消戰略”的核心是確立在精確制導武器方面的優勢,在成功躲避敵方精確制導攻擊的同時摧毀對方。很多美國軍事專家也認為,戰術激光武器,顯然是第三次“抵消策略”中應重點發展的項目。

技術剖析

2萬瓦光纖激光器能用在軍事上嗎?

那么,中國研發的2萬瓦(20KW)光纖激光器,能不能應用于中國的戰術激光武器研發呢?筆者認為還有一段距離。

首先,光纖激光武器的關鍵性部件之一是單模光纖激光器。其代表就是美國IPG光子公司生產的10KW單模光纖激光器。它除了被廣泛民用外,也被美國軍方大量采購用作戰術激光武器的基本模塊。

前文所述,美國正在開發和試驗中的戰術激光武器大多使用的都是IPG公司的這款產品。而該公司在2009年首先研發出10KW單模光纖激光器之后,也毫不掩飾他們對武器市場的濃厚興趣。

中國武漢銳科光纖激光器研發的20KW光纖激光器,應該還是多模光纖激光器。從技術層面上來講,高功率光纖激光器分單模和多模。將幾個較低功率的單模光纖激光合成一個千瓦級的輸出,應遠比千瓦級的單模輸出要容易。而此前該公司研制的最大多模光纖激光器為4KW。

如果中國生產的20KW光纖激光器是單模激光器,那么就不是打破國外壟斷的問題了,就成為世界第一的激光神器了。因為世界領先的IPG公司也很難將單模光纖激光器提升至20KW,技術界普遍認為單模光纖激光器的上限就為10KW。

那么在戰術激光武器領域,能不能用高功率的多模光纖激光器代替難度大的單模光纖激光器。答案是不能。因為多模激光器的功率雖然大,但光束質量差,因此不能應用于激光武器,而只能在工業領域進行應用。因此,中國2萬瓦光纖激光器的主要目的就是打破國外壟斷,降低進口成本,使得激光制造技術能夠更大應用于我國的高端制造領域。

早在2014年珠海航展上,中國某公司就已經推出了“低空衛士1”激光攔截系統,但研究該系統資料后發現,該系統的輸出功率為10KW,和美國同類型武器相比,只能攔截小型慢速的民用無人機,無法應用于軍隊的戰術激光領域。

信心倍增

需要多種技術均取得突破

不過,我們對中國研發類似IPG公司的10KW單模光纖激光器,還是抱有相當的信心。以我國武漢銳科公司為例,在該公司的帶動下,中國已經初步實現了百分之百國產光纖激光器的產業鏈。 2011年,IPG公司10KW單模光纖激光器主要技術奠基人、擁有國際專利24項和具有里程碑意義的“雙包層光纖激光器”發明專利的美籍教授,就曾到武漢銳科公司考察,對中國國內能夠擁有自主產權的國產化、產業化光纖激光器感到震驚和興奮,并表示愿意與銳科公司合作,促進其加速發展。

一旦中國公司能夠研發10KW單模光纖激光器,那么幾乎馬上就可以通過非相干合成的方法研制出戰術激光武器。所謂的“非相干合成法”就是將多個光纖激光器平行地捆扎在一起,沿同一方向引導這些激光器輸出光束,這樣就能使他們在空間疊加在一起,從而增加了總功率,美軍現在好幾種開發中的激光武器就是通過這種方法研制成功的。

但是只有大功率的單模光纖激光器,是不是就能突破戰術激光武器的全部呢?顯然不是。因為這種“捆扎”而成的激光武器不能提高合成光束的亮度,而且光束質量差、射程有限、體積龐大。這種光纖激光武器只能裝載在艦艇這種大型平臺上,而要裝載在戰機和地面車輛上,就需要產生亮度更高、光束質量更好的激光,能量的利用率更高,這就需要光束相干合成和光學相控陣等技術。

例如我們前面說到的美軍機載激光武器“圣劍”項目,使用的就是21單元的光學相控陣,把21道光纖激光光束合成了單一光束,功率效率超過35%,而且具有大氣補償功能,可以避免大氣湍流擾動對激光光束的影響。在試驗中,這種低功率陣列可精確擊中7公里距離的目標,比現有激光武器提高了4公里多。

另外,美國還啟動了“閃電”項目,其作戰目標是反光電或紅外制導的空空導彈和地空導彈。該項目使用了光纖激光陣列,研發目標是比現有激光武器輕10倍且更為緊湊的激光武器系統,以極小的體積和質量搭載到飛機平臺上,用于飛機自衛和中程彈道導彈防御。

因此,只有中國在大功率單模光纖激光器、光束相干合成和光學相控陣技術這幾方面都取得突破,我們才能在不久的將來,看到中國的戰術激光武器出現在解放軍的軍艦、戰車甚至像殲-20這樣的作戰飛機上。

連連看

蘇聯激光武器

攻擊美國衛星

激光武器從誕生之日起,就曾被視為反衛星的戰略性武器。冷戰期間,曾有報道稱蘇聯使用激光武器攻擊了美國衛星,而后來美國更是自己測試了激光武器反衛星的效果。

1975年10月18日,美國北美防空司令部控制中心報道稱,在印度洋上空的647預警衛星的紅外探測器受到來自蘇聯西部的強紅外閃光干擾,不能正常工作。1975年11月17日、18日兩天,美國空軍的兩顆數據中繼衛星,由于受來自蘇聯的紅外干擾,又停止了工作。據查,是紅外姿態控制儀失靈。

1980年5月22日,美國負責公共事務的助理國防部長托馬斯·羅斯在新聞發布會上說:“美國中央情報局和其他情報部門業已查明,蘇聯正在研制一種能夠摧毀衛星的激光武器系統。”他接著又說,“但是,這項研究在美國也在進行著。蘇聯在達到的功率方面也許稍稍領先。”

另外在1997年10月17日,美國用地面化學激光發射裝置向美國要報廢的軍用氣象衛星發射激光束。這種被稱為MIRACL的紅外化學激光器,第一次試驗使用高功率激光器分兩次照射了位于低地球軌道上的空軍MSTI-3研究衛星。激光束擊中了目標點——中程紅外照相機。被照射后,紅外照相機沒有產生圖像,表明衛星傳感器受到了攻擊。

緊接著美國陸軍又用低功率的化學激光器進行了第二次射擊衛星試驗,對衛星上的紅外照相機進行了3次照射。這次試驗的成功是美軍激光反衛星武器的一個重要里程碑。但目前有關MIRACL激光器的后續發展幾乎沒有任何公開報道了。

飛機裝激光大炮

去攔截戰術導彈

相對于美國的MIRACL激光武器,YAL-1機載激光系統的名氣就更大了。這種由波音公司研制,裝設于改裝的波音747-400F、功率達兆瓦級的氧碘化學激光器武器系統,被用來攔截戰術彈道導彈。

這種裝在飛機上的激光炮,并不能貫穿或擊碎目標,而是通過加熱削弱導彈外殼,使其在高速飛行的壓力下無法承受而自行瓦解。這種激光武器不是光纖激光武器,而是使用類似火箭的化學燃料產生激光能量。每個YAL-1機載激光系統可以攜帶發射20發燃料,低能量發射對付小導彈時可以發射40發。項目中每次出擊還需要有戰機和電子干擾機護航。使用時,飛機必須以8字體繞圈飛行盡量滯留于空中,靠近敵軍導彈可能上升之處。飛機可以用空中加油盡量延長滯空時間。

這種飛機外觀最明顯的特征,就是機首部位的大型激光炮塔,而飛機內部則裝有二氧化碳激光器,共分成六個模塊,每個模塊都和一部SUV汽車一樣大,重3000公斤。開火時,5秒鐘所發出的能量就相當于一個美國家庭一小時的用電量。

最后這種飛機由于預算縮減,而于2011年被美軍取消,并于2012年2月14日飛往位于亞利桑那州土桑戴維斯-蒙森空軍基地的飛機墓地封存。

激光背后的翻譯高手

激光的英文LASER原是“通過輻射受激發射的光放大”的英文縮寫,表示光受激放大的過程,而不是放大之后出來的光。

1964年10月,中國科學院長春光機所主辦的《光受激發射情報》雜志編輯部致信錢學森,請他為LASER取一個中文名字,錢學森建議中文名為“激光”。同年12月,第三屆光量子放大器學術會議召開,由嚴濟慈主持,討論后認為這一翻譯既正確又響亮,正式采納錢學森的建議,將LASER正式翻譯為“激光”。 木易