洛马工程师的一个报告,暴露了中美激光武器的路线差异

2022-01-25 11:16:07 王雨田观察
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在过去的几年中,中国和俄罗斯均展示了一批高超音速导弹,如中国的东风-17和俄罗斯的”锆石“。甚至连朝鲜最近都试射成功。这不但使得高超试射三连败的美国没了面子,更重要的是美国在过去二十多年中耗费巨资建立的弹道导弹防御系统完全无效。

要知道美国一直在追求绝对的安全感,完全无法防御某种武器对于美国来说是不可接受的。因此美国除了在积极研发高超音速导弹之外,也在想办法进行防御。传统的弹道导弹防御系统工作的基础是来袭导弹的轨迹可以预测,然而高超音速导弹的轨迹偏偏是不可预测的,这就让传统的动能拦截器根本无法有效拦截。虽然美国诺斯洛普格鲁曼公司和洛克希德马丁公司都提出了用高超音速导弹来拦截高超音速导弹的想法,甚至还配有想象图,业内仍然普遍认为这种想法的可行性比较低,技术难度非常大。因此美国军方从2019年就开始开始考虑用激光武器来拦截高超音速导弹。在最近通过的2022财政年度《国防授权法案》中,美国国会授权导弹防御局(MDA)开始研发用于弹道导弹和高超音速导弹防御的激光技术,并且额外提供了约1亿美元的定向能武器开发资金。

那么,美国激光反导的进展如何了?中国有激光反导技术吗?去年2月份洛马公司的几位工程师为英国皇家航空协会做了一个报告,正巧,去年底,中国一批关于高能激光的论文出炉。这给了我们对比中美技术路线的机会。

美国的报告通过大量仿真分析得出了结论:陆基或者海基高能激武光器用于反高超音速导弹几乎不可能,空基或者天基高能激光武器是有可能的,但面临着极大的限制。主要原因是软件仿真的结果表明,在保证到达高超音速飞行器表面的激光功率为100千瓦的情况下,在持续照射84秒后,能够让飞行器表面温度升高一倍多(最高从2000多度升高到3500度),烧蚀率提高了39%。问题是,高超音速飞行器有降低温度的手段:包括对流散热,蒸腾散热,烧蚀散热等等,可能会有效地减缓升温。更严重的问题是,84秒的照射时间太长了,10马赫的高超音速飞行器能在10秒钟内飞行大约34公里,激光武器恐怕没有机会照射这么长的时间。而且地表大气对激光功率的衰减效应极为严重,大气湍流,降水和距离,都无法保证照射的激光功率。

但中国的研究结果不是如此。美国的报告中提到的激光是非相干合束激光。也就是多根光纤发出的激光通过一个反射镜系统在远处聚焦。这种激光的优点是功率容易做大,但缺点是光束质量差。决定激光武器杀伤力的核心指标——激光靶斑的亮度取决于激光器的光束质量和大气传输中的湍流效应。所以这种激光器对大气湍流非常敏感。因此很难作为远程激光武器。

美国早在1996年就曾经被大气湍流问题困扰,最后放弃了ABL激光反导计划。Abl是安装在波音747飞机上重达数十吨重的激光器,发射功率高达4兆瓦,原计划的目标是在高空摧毁600公里外处于上升阶段的导弹,但是由于大气对激光的衰减作用和大气扰动对瞄准的干扰,最终的试验结果是只能在80多公里外摧毁导弹。

而现在中国则采用另一个路线,也就相干合成。相干合成是将多个波长完全相同的激光束,通过相位控制使各光束的振幅同相位叠加,从而产生高功率、高亮度和高束质的单一激光束。通俗来说,就是类似于相控阵雷达,可以精确控制波束的聚焦方向,还可以克服大气湍流的影响。论文中给出的结果是,如果有N束激光,非相干合成的光斑亮度只有N,而相干合成可以达到N^2,同样的功率,可以把杀伤力提高N倍。但它的技术比较复杂,要求光纤发出的激光必须具有完全相同的波长、精确的相位控制、较窄的激光线宽和均匀的偏振特性,非常难以做到。2021年,中国工程物理研究院已经实现3.25kw的单光束输出,国防科技大学已于2021年实现20Kw的相干合成。

可以说,中美目前在激光方面,走了不同的路。美国是暴力解决,加大激光输出功率,目前已经接近做到100kw的地步,但按照他们自己的推算,依然无法防御高超音速导弹。而中国则是采用更加复杂的控制方式,但效果也更好,发展潜力巨大。但是目前,功率还达不到那么大,杀伤力却不弱于美国,只是同样无法反高超音速武器。而在未来,中美竞争的焦点是超短脉冲激光。脉冲激光的杀伤机理跟连续激光不同。连续激光是靠持续加热来烧毁目标。而脉冲激光则是靠强脉冲在目标上直接产生等离子体进行物理破坏。中国论文里说,我们的这种激光器可以清理太空残骸。但能清理残骸就能清理高超音速弹头。所以,这才是未来防御高超音速的最佳武器。这方面近10年来,中美之间你追我赶,截止到目前,最高纪录的保持者是中国。

总之,从目前来看,现有的激光武器防御高超音速导弹仍然有很大难度。但未来,随着超短脉冲激光的实用化,高超音速武器会迎来真正的克星。

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