1月23日,洛克希德马丁公司的官网上发布了一条激光武器突破的新闻,从机动短程防空系统定向能拦截器 (DEIMOS) 系统中获得了第一束足功率的激光,验证了激光器的光学性能参数与系统设计参数。

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洛克希德马丁公司的DEIMOS系统是一种坚固耐用的战术激光武器系统,可以集成到Stryker战车中,为美国陆军具有挑战性的机动近程防空 (M-SHORAD) 任务提供强大的定向能力。

美军激光武器突破: 洛克希德50KW激光究竟有多厉害?

DEIMOS激光武器是一种将战术激光武器安装在斯特瑞克装甲车上的机动近程防空 (M-SHORAD) 激光武器系统,最关键的武器系统是一台50KW的固体激光器,洛克希德·马丁公司在1月23日的新闻稿中表示,已经成功的获得了第一束合格的激光。

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新闻稿同时称这种50千瓦级激光武器系统带来了另一个关键部件,有助于确保美国陆军拥有分层防空能力。DEIMOS是根据之前激光武器的成功经验量身定制的,可以负担得起满足陆军更大的防空和导弹和防御现代化战略。

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DEIMOS未来将在军队中扮演重要角色,洛克希德·马丁公司旨在研制一种能击落无人机系统、旋翼飞机、火箭、火炮和迫击炮的机动激光系统。用于保护师、旅级战斗队免受无人机、旋翼飞机和迫击炮的威胁

激光武器的功率:究竟是个什么概念?

美军的标准,100KW属于战术激光武器,而50KW连战术激光武器的标准都没有达到,当然这也不是说不能用,比如拦截无人机以及其他机动小目标并不需要大功率激光武器,甚至有20~30KW的成熟激光武器也是具有实用价值的:

  • 拦截小型无人机:20~50KW;
  • 拦截迫击炮弹或小型火箭弹:100KW;
  • 拦截炮弹与高速导弹:100~300KW以上

上述的激光摧毁功率并没有一个标准,一般的操作方式是功率不够时间来凑,简单的说就是跟随目标持续瞄准射击,多照射一会,只要目标吸收足够的热量就会被摧毁,目前全球各国的战术激光武器已经接近成熟,以如下几个为典型代表:

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美国陆军与海军的战术激光武器

美国陆军同时开展多个激光武器技术演示验证项目,包括“激光机动近程防空”和“间接火力防护能力-高能激光器”。前者主要研制50千瓦级激光武器,用于保护师、旅级战斗队免受无人机、旋翼飞机和迫击炮的威胁;

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“间接火力防护能力-高能激光器”的目的是研发300千瓦级激光武器,主要保护固定/半固定阵地免受无人机、旋翼飞机、固定翼飞机、迫击炮和巡航导弹的威胁。

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美国海军的战术激光武器则以AN/SEQ-3(XN-1 LaWS)为代表,这是舰载型激光武器的典型应用,早在2014年就已经实现了30KW的打靶应用,将一艘被快艇拖拽的靶船上放置的目标击得粉碎,看起来相当震撼。

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但各位也知道了,这个功率只是战术激光的入门,LAWs目前已经达到了60~100KW的水平,将被部署在濒海战斗舰或阿利伯克级 驱逐舰上,用于摧毁快速攻击艇、无人机、有人驾驶飞机和反舰巡航导弹等。

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LAWs未来的目标是达到300KW,缩短目标照射时间,在更恶劣的条件以及更远的距离上拦截目标,保护驱逐舰不被快速攻击艇、无人机、有人驾驶飞机和反舰巡航导弹袭击。

以色列铁束激光武器系统

2022年4月15日,以色列国防部发布消息称,以色列国防部和拉斐尔先进防御系统公司(Rafael )成功结束了对能够拦截导弹和无人机的铁束激光系统的系列测试。该系统成功在设定的各场景下截获了无人机、迫击炮弹、火箭弹和反坦克导弹。”以色列国防部长本尼·甘茨称,反导弹防御激光系统的首轮成功测试是“一个全球性突破”。

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这就是以色列著名的战术激光武器“铁束”,于2010年首次披露,2014年两新加坡航展,以色列一直希望“铁束”战术激光武器可以补充“铁穹”防空导弹的不足,在近距离拦截导弹与火箭弹,因为在距离过近的情况下,“铁穹”武器系统会来不及拦截,而铁束则刚好可以补盲。

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2016年时“铁光束”的功率已经达到“几十千瓦”级别,2020年的一份报告称,铁光束最大有效射程可达7公里,可以在双发后四秒左右摧毁导弹、无人机和迫击炮弹,功率可能已达到100千瓦级别。2022年12月6日,美国武器制造商洛克希德·马丁和以色列承包商拉斐尔合作,基于以色列已经在研制铁束激光技术,开发出一种功率高达300KW的高能激光武器系统。

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中国沉默猎手为代表的战术激光武器系统

“沉默猎手”是我国研制的一种激光拦截系统,功率在30KW级别,看着与前面几种武器完全不在同一个级别,但这是全球最早投入实战的战术激光武器,多年以前就已经出口沙特。

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“沉默猎手”是中国保利集团对外销售的产品,2017年参加了阿布扎比国际防务展,其标注的功率为30千瓦,最大射程四千米,其激光器可在800米距离烧穿5层2毫米厚的钢板,1000米距离可烧穿5毫米厚钢板。

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这是出口版本的数据,国内版本不得而知,按出口版与国内版的差别,一般国内自用版功率会更高,并且在2017年,保利集团也表示将要开发更高功率的版本,用于拦截迫击炮和火箭弹等目标。

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除了美国、以色列和中国以外,俄罗斯与西方多国等都投入了大量研究,未来的战术激光武器将会迎来一波大的发展,这种武器成本低、效率高、部署方便且没有二次伤害(高炮炮弹会爆炸,近防武器会有流弹问题),因此得到了全球各国的青睐。

美军走了超级弯路:ABL激光武器

原子受激辐射产生的光,简称为激光,原理是原子中的电子在吸收能量(能量可以来自光子或者电子)后从低能级跃迁到高能级,再从高能级回落到低能级时所释放的以光子的形式放出的能量,这就是激光的由来。

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这种被激发出来的光子束其光子光学特性高度一致,空间相干性非常好,允许激光可以聚焦到一个非常小的点,使得能量高度集中,并且保证激光束在很远的距离上准直,发散角度很小。另外时间相干性也非常好,可以发射光谱非常窄的光。时间相干性特征还可以产生超短脉冲具有广谱但持续时间短至飞秒的光。

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激光器看着很复杂,但每种激光器基本都会有如下三个组成部分:

  • “激发来源”(pumping source):又称“泵浦源”,把能量供给低能级的电子,激发使其成为高能级电子,能量供给的方式有电荷放电、光子、化学作用等;
  • “增益介质”(gain medium):被激发、释放光子的电子所在的物质,其物理特性会影响所产生激光的波长等特性;
  • “共振腔”(optical cavity/optical resonator):是两面互相平行的镜子,一面全反射,一面半反射。作用是把光线在反射镜间来回反射,目的是使被激发的光多次经过增益介质以得到足够的放大,当放大到可以穿透半反射镜时,激光便从半反射镜发射出来;

根据“增益介质”的区别,激光器件可以分为液体激光器、气体激光器和固体激光器,早期激光武器曾在化学气体激光武器上下苦功,折腾出了战略级激光武器,但这种激光武器体积大到实在是非常感人,一架波音747甚至都只能勉强装下。

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波音ABL激光武器

ABL是执行该计划的团队,这个项目的真正名称是波音YAL-1机载激光试验台,这是美国空军战略导弹初段拦截计划的关键项目之一,其计划是使用退役的波音747-200加装兆瓦级机载激光武器,在敌方国境线外飞行对正在上升段飞行中的洲际导弹执行攻击,将其击毁在敌方领土上。

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这是反导拦截中最完美的拦截时刻,因为上升段速度慢目标大(弹头尚未分离),并且还在敌国境内,比较容易摧毁,这种任务无法用导弹完成,只能有兆瓦级战略激光武器才能做到,YAL-1显然最恰当不过。

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YAL-1识别度极高,波音747客机的整个机鼻部分被切割,安装了反射镜直径为1.5米的激光炮塔和防护设备,机腹以及机身也都使用了耐高温材料,另外,这架客机还被安装有当时美国最先进的雷达通信系统,最终改进之后的波音747飞机飞行高度为15000米,单次加油的航程超过18小时。

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该机最重要的激光武器系统最大功率达3兆瓦,最大射程600公里,最快每3秒就可以发射一次,可同时对三枚弹道导弹进行攻击,并且和防空导弹动辄上百万美元的昂贵价格相比,激光武器系统发射一次仅需花费1000美元。

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美军最初对YAL-1机载激光系统制定了两套方式,第一种为战备模式,在这种情况下,两架激光飞机为一个小队,三个小队组成一个小组,轮流进行战备巡航任务,而在实战模式下,一个激光飞机作战群就有七架飞机,最少也是两个作战群同时出动,除此之外,还带有大型加油机提供后勤保障,战斗机提供安保任务。

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计划很完美,但现实很骨感,2007年,YAL-1飞行测试中击落了两枚试验导弹,似乎效果还不错,但该计划在2010年开始就被大量削减资金,2011年12月项目被取消,2012年2月14日改装的这架747-200进行了最后一次飞行,抵达亚利桑那州图森市的戴维斯-蒙森空军基地,之后于2014年9月被报废。

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原因是多样的,除了化学氧碘激光器的体积太过庞大与效率问题,还有发射间隔过长以及激光束瞄准问题,美军评估了YAL-1机载激光系统无法解决这些问题。而且会使已经消耗50亿美元的计划严重超支,美军战略激光武器重点已经转向电激光武器,因为化学激光武器需要机组人员装载化学燃料,这在战时是无法想象的。

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目前无论是战术还是战略级激光武器,大都转向了电激光器,上文也基本说了各种目前在发展的激光器,下面再来了解下激光的瞄准与毁伤原理,其实和各位想象的还是有些不一样:

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激光的毁伤有三种方式,第一种是直接的热破坏,这是最简单直接的,因为激光束本来就是高能量,第二种是力学破坏,高温会导致材料高速蒸发,对目标形成反冲,对目标造成结构破坏,第三种则是辐射破坏,因为高温会导致材料形成等离子体并可能产生X射线与紫外线,这些波段的辐射对目标有一定的损伤。

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另外连续激光和脉冲以及皮秒与飞秒级激光的毁伤方式有些差别,一般连续激光会造成爆炸性效果,而飞秒级激光则会在目标上打出一个洞来,而微秒或纳秒级激光则介于两者之间,它在表面造成冲击效果更好一些。

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因此针对不同的目标应该使用不同的打击方式,比如洲际导弹的弹头,其外表覆盖了抗烧蚀材料,激光很难烧蚀,因此比较适合纳秒级,在其表面造成冲击,破坏其气动外形,在大气层中翻滚解体。

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而对于反舰导弹,则可以采用皮秒级给其打个洞,直接让其脑死亡,或者干脆来个连续激光加热效应让其表面材料被破坏,继而失去气动效果而在高速中解体。

射程与瞄准:这是激光武器实用化最大的难题之一

激光武器是有射程的,因为激光也会发散,计算方法挺简单,当目标距离激光光源处的距离发散面积,在精确瞄准允许的时间范围内的平均功率是否能造成目标足够破坏的极限距离,就是其射程,如果瞄准可以持久一点,那么射程可以更远一些。

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虽然射程必须考虑大气、阴雨以及悬浮颗粒与水汽等影响,但瞄准比这要复杂1000倍,因为瞄准在考虑大气扰动、阴雨以及悬浮颗粒与水汽后必须考虑激光对通道加热效应,因为通道上的大气分子与各种杂质与水分子被加热后会产生热效应,这不仅会增加光损失,而且折射率也会改变,另外为了让目标能获得更高的热能,还得持续瞄准,这简直就时反人类的要求。

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除了这些外在因素以外,激光武器的观瞄系统必须克服自身的误差、平台运动和振动的误差、持续运行设备材料变性以及控制系统的误差等等。

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之所以要求那么变态是因为激光武器不像发射炮弹,抵达目标后会爆炸二次毁伤,激光不会,一旦失的就是零毁伤,所以要100%瞄准,而且激光武器由于其特性射程特别远,少说数千米,多则上百千米甚至更高,所以对观瞄系统的要求是极端变态的。

延伸阅读:中国该如何防御?

激光的防御,很多朋友认为很简单,用块镜子反射回去不就得了?但很可惜这个答案是错的,有朋友回答没有100%反射率的镜子,确实没有,但如果真知道了对方的激光武器发射波段,我方制造一个能将对方激光武器波长反射回去的镜子是可以的,只是很可惜,人家是保密的,而镜子不会对所有波段的反射都是很高,有的甚至会完全吸收!

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因此对于激光的防御还是需要一些方法,前文的以色列铁束防御特别提到了迫击炮弹,其原因是迫击炮弹比较好拦截,因为它速度低并且不旋转,激光拦截的照射点不变,所以比较容易被引爆,而普通线膛炮速度高并且旋转就会将能量分散,因此让武器转起来也是一种防御手段。

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对于激光对导弹传感器的致盲,此前南华早报曾报道我国科学家发明出一种涂料,能在激光抵达时变色改变透光率阻止激光损伤导弹导引头,这也是一种不错的思路。

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突破硬杀伤的激光武器的拦阻,可以用极端散热模式来实现,比如攻击激光武器的导弹,在其弹头与弹体表面设置液冷模式,这种在短时间内将激光传达的热量吸收并坚持到导弹将激光武器摧毁也是一种方式。

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最好的防御还是进攻,拥有比敌方更强大的激光武器是更好的防御,我国一开始走的就是固体激光的路线,在固体激光方面研究上走在全球前列,并且在武器级固体激光有相当深入的研究,只是我国在这方面公开数据极少,但激光武器的水平不会比美国弱!