激光武器在陆军全域作战中的运用

李朝龙,李明辉,陈玉华

(1.军事科学院战争研究院,北京 100086；2.陆军研究院,北京 100010)

1 引 言

未来一体化联合作战,陆军将主要通过全域机动的方式遂行多样化任务,并在多维空间同步展开作战行动,精确作战行动将成为战争制胜的重要砝码。激光武器作为使用高能激光对不同距离目标进行精确射击或用于防御的武器,具有快速、灵活、精确和抗电磁干扰、可持续攻击多个目标、静默隐蔽等优异性能,在光电对抗、防空和战略防御中可发挥独特作用,能够摧毁和拦截导弹、炮弹、飞机、无人机等各种战术目标,可改变传统作战方式。激光武器装配于车载平台,能够形成高机动性的防空武器系统,实现大幅降低防空成本,改变攻防效费比不经济的现状。激光武器加载于直升机平台作为辅助防御手段,可以实现硬杀伤或软硬结合的梯次配合方式,提高主动防御效能。

2 当前陆军面临的问题与挑战

2.1 地面部队受传统空中威胁日益突出

(1)精确制导武器直接威胁地面作战力量

以美俄等军事强国为代表的精确制导武器迅猛发展,在叙利亚战场打击地面固定和移动目标中大显身手,我陆军面临威胁的精确制导武器种类和威胁程度都大幅提高,主要有巡航导弹、空地导弹、精确制导炸弹等,如美国已经成熟运用的AGM-158系列“联合空地防区外导弹”、BGM-109系列“战斧”巡航导弹、AGM-65系列“幼畜”空地导弹、“联合直接攻击炸弹”精确制导炸弹等(见图1)。这类弹药采用先进推进技术、精确制导技术和高效杀伤弹头技术,结合卫星定位、红外成像、合成孔径雷达、激光雷达和毫米波寻的等制导技术,已经实现在敌方防区外自主发射并对其高价值的纵深地面目标进行半智能攻击。

图1 美国AGM-158空地导弹与JDAM精确制导炸弹Fig.1 AGM-158 air to ground missile and JDAM precision-guided bomb

空地导弹、精确制导炸弹通常利用隐身平台进行突防后,在高空进行投放,实现对地面高价值目标进行精确打击。在近几场局部战争的空袭作战中,美军针对叙利亚、阿富汗等作战对象和目标一般投放多枚导弹,对敏感要地一次投放多达几十枚,传统防空导弹武器系统防空作战能力受到严峻挑战和自身生存威胁。

(2)低小慢与RAM目标防卫问题凸突出

未来我陆军在执行海外任务时会直接面临各种敌对势力的非对称军事威胁。一方面随着无人机技术的发展与成熟,我军必将面临更加复杂的低空环境,沙特的油气设施被无人机攻击就是很好例证。随着3D打印技术应用于无人机制造,从打印一架无人机部件到组装成机实现造价低廉、制造快速,大量无人机作战既能以数量优势阻塞敌方探测、火力通道,又能形成大规模饱和攻击[1],同时还能实现成本优势换取敌方防空消耗,成为极大挑战现有防空作战概念的新型作战样式,对防空装备的拦截能力与反应时间提出更高要求,而且这类目标装备量巨大、造价低廉,对防空作战效费比与持续性带来巨大挑战(见图2)。

2.2 空中力量面临生存威胁

(1)传统陆航力量优势正在受到极大制约

陆军航空兵的直升机作为一种超低空火力平台,在以往战争中受到突出重视,是当前陆军实现“全域机动、立体攻防”的重要手段和方式,但是随着火箭弹等攻击弹药的扩散和泛滥,即便美军最先进的武装直升机在阿富汗执行反恐任务,也常常要暴露在敌方防空火力之下,作战能力和范围受到很大制约,其成本高,损耗大,一旦被击毁造成的军心士气降低无法预估,随着未来空中战场生存环境的进一步恶化,已经严重削弱有人直升机平台在传统作战模式中的战场生存能力。

图2 激光武器拦截低小慢目标示意Fig.2 Laser weapons intercepts LLS targets

目前无人机正在广泛替代有人直升机执行各种空中打击任务,随着无人机的饱和攻击形式和蜂群作战形式出现,传统防空手段在面对新型无人机的挑战中,越来越难以达成防御目的,通过有人直升机搭载激光武器系统,配合地面防空装备形成梯次防御布局,实现对抗掠空无人机的方法路径正在成为效费比最优选择。

图3 地空联合激光防卫体系示意Fig.3 Ground-to-air joint laser defense system

目前世界各国除积极发展新一代对空导弹,实现有效打击高性能空战目标外,都在投入研究新型激光防御武器,适应持续增强的复杂战场环境,作战效能极大增强(见图3)。在基于先进探测与预警系统、高性能机动拦射激光以及大容量指挥控制通信系统,未来的激光武器防空系统能在多种高度和距离上拦截低小慢目标、飞机和战术导弹,具有可重复发射,长时间发射、抗反辐射导弹及反隐身能力。

图4 外军新型野战防空装备示意Fig.4 Foreign army′s new field defense equipment

(2)传统防空对抗手段无法有效应对新型威胁

无人机蜂群等新型作战模式的出现,使得传统防空对抗手段难以有效应对新型威胁。无人机蜂群由大量无人机(UAV) 组成,以单机的作战能力为基础,以无人机之间的通信能力为支撑,以智能化为核心,基于开放式体系架构综合集成构建,具有抗毁性、单机低成本、功能分布化等优势和智能特征(见图4)。通常以数量优势突破防空火力网,对目标形成打击。以数量优势形成分布侦察,给未来防空作战带来巨大威胁。构成蜂群的中小型无人机体型相对较小、造价低廉、数量众多且具有一定机动能力,使传统防空攻击手段难以命中,而导弹等攻击手段作战效费比很低,作战成本无法承受(见图5)。

图5 传统防空手段无法有效应对新型空中威胁Fig.5 Convertional air defense cannot effectively respond to new air threats

激光防空装备与传统防空武器相比有显著优点,能以光速攻击目标,火力转移快,射击精度高,能有效对抗突然出现的目标,能够实现超低空、全方位拦截,作战效费比高[2]。

3 激光武器在陆战场中的主要运用

3.1 车载激光防空武器装备

(1)美军发展现状

在激光武器方面,车载战术激光武器作为新型防御手段,逐步体现出其独特优势,可对传统防空体系进行有益补充[3]。美军已率先完成多次系统及演示试验,其中美陆军完成10 kW级光纤激光武器车载集成(HEL-TD项目),验证系统在有雾、刮风、下雨等多种不同条件下的毁伤能力。该激光系统采用通用动力公司研制的LD泵浦板条形Nd∶YAG激光器,作战中先利用“猫眼”效应探测/识别目标,然后发射激光束干扰和毁伤目标的光学系统和光电传感器,如瞄准镜、潜望镜和夜视仪等[4]。美国海军启动LaWS(laser weapon system)项目,该项目用于演示大功率光纤激光器非相干合成技术用于舰载战术激光武器的可行性。此后Raytheon公司与美国陆军海上系统司令部(NAVSEA)联合开展了激光武器系统击毁无人机的试验。激光器由6台IPG公司生产的工业级光纤激光器非相干合束组成,安装在“密集阵”火炮的底座上,“密集阵”光电搜索跟踪系统提供目标诸元,引导激光武器向BQM-147无人机发射激光,无人机以482 km/h速度飞行,试验中共击落4架无人机(见图6)。雷声公司还在研究将该系统安装在拖车上,构成一种陆基激光防空系统,可应对来袭的精确制导导弹导引头、无人机、迫击炮弹和火箭弹。

图6 车载高能激光武器Fig.6 Mounted high energy laser weapons

美国空军网站2019年5月2日报道,雷声公司已经向美国空军(USAF)演示移动式高能激光(HEL)系统击落无人机的能力,高能激光技术可以为军队解决日益增长的空中无人驾驶系统(UAS)的威胁。在演示中,高能激光系统安装在“北极星”MRZR全地形战车上,与雷声公司的多光谱目标定位系统一起工作,可探测、识别、跟踪无人机并与之交战,高能激光系统击落45架无人驾驶飞行器和无人驾驶飞机。

(2)装备构想

车载防空激光武器是以军用越野底盘车为平台,配装高能激光系统,利用高能激光束直接摧毁目标或使目标丧失作战能力的定向能武器,遂行陆军地面部队中近程伴随防御作战任务,有效拦截来袭敌无人机、空地导弹、制导炸弹、巡航导弹等目标威胁,提升我防空能力。

激光武器系统采用光纤激光体制,通过光束合成技术实现高功率激光输出；采用粗精结合的复合轴跟踪策略,利用大口径望远镜进行目标探测,结合精跟踪快反镜,实现对目标的捕获、跟踪和瞄准,将光束精确实时锁定在目标打击部位,并利用大口径望远镜发射并在远场精确会聚到目标靶面[5],实现对目标的有效毁伤；采用高密度储能电池和集成化供配电系统进行供配电管理,采用“制冷+相变蓄冷”方式对激光武器工作中产生的废热进行排散,保障激光武器全天时持续工作。

(3)运用设想

激光武器主要用于近程末端防御,弥补现有防空反导武器装备超低空探测与拦截、抗饱和攻击作战能力的不足。主要以实现对来袭亚音速武器的防御为主,可以实施迎头攻击,还可以完成横向攻击、追尾攻击等常规火炮、导弹难以实现的攻击方式,还能有效防御低空入侵的飞机、掠地飞行的巡航导弹、突然跃升的直升机等常规火炮、导弹难以对付的目标,伴随地面机动部队作战,具有采用电激励,在一个射击周期中可以射击几千次;不需要弹药补给,可减小后勤保障负担等突出优点。激光武器的典型作战流程可分为:目标捕获阶段、目标分配/交接阶段、粗跟踪阶段、精跟踪阶段、打击与评估阶段。作战时依托搜索跟踪雷达提供目指信息,通过高精度捕获跟踪瞄准系统实现对来袭目标的探测识别和精确跟踪瞄准,通过光束控制与发射系统将高能固体激光器系统产生的激光束进行扩束发射,并在目标易损部位进行聚焦实现对目标的热积累损伤,利用供电与热管理系统保障固态强激光武器的持续出光作战[6]；根据不同作战应用需求,运用设想至少采用400 kW 中红外DF化学激光器,实现20 km对光电传感器软杀伤、10 km对光学系统破坏、4 km摧毁雷达整流罩(见图7)。

图7 激光武器典型作战流程Fig.7 Laser weapons typical operation procedure

3.2 直升机载激光武器装备

(1)国外发展现状

美国海军的直升机载高能激光武器系统,以及陆续开展的HEFL项目(High Energy Fiber Laser)计划采用“海鹰”直升机(MH-60S)为载机平台,激光源采用光纤激光技术体制,输出功率通过光束合成技术达到25 kW(见图8)。该研究项目可为今后激光武器配装武装直升机等平台进行先期验证,对美国直升机载激光武器最终走向实用化具有巨大的推动作用。

图8 美军直升机载激光武器试验照片Fig.8 USA helicopters carry laser weapons

2017年6月,美国陆军航空兵在一架AH-64“阿帕奇”攻击直升机的短翼下加挂了高能激光武器,并在空中成功追踪和击中了1.4 km外的一个目标靶标。雷声公司称:“这是第一次从一架旋转翼飞机上集成全套激光系统,在各种飞行状态、飞行高度和飞行速度中击中目标。” 这次试验在美国新墨西哥州白沙导弹靶场进行,测试实现了所有的主要和次要目标,显示出高能激光武器在攻击直升机上使用的可行性。目前,激光发射前主要依靠“阿帕奇”直升机上的光电红外传感器,而雷声公司还为此专门研制新型的“多光谱瞄准系统”,为直升机提供目标信息、态势感知和激光波束控制,并能够对激光进行跟踪和对毁伤效果进行跟踪评估(见图9)。

图9 美军实战化直升机载激光武器想象图Fig.9 An image of US helicopter carring a laser weapon

(2)装备构想

直升机载激光武器可在作战任务全过程中为载机提供主动防御作战,并适应典型对地攻击、战场支援等战术应用,干扰来袭的空空导弹、地空导弹等目标,保障载机的战场生存能力,削弱敌方的攻击能力。在空中优势作战场景下,可对地攻击、光电压制、半主动引导及打击地面坦克、车辆和人员。

主要包括小型化高效率激光器分系统、光束质量控制与发射分系统、高精度稳定跟踪瞄准分系统、高效电能源管理分系统、高效热管理分系统等部分。基于光纤激光体制,采用“反射望远+库德”结构实现激光发射,基于复合轴控制策略结合可见光、红外成像探测实现对目标的捕获、跟踪、瞄准。同时,采取蓄电方式实现系统供电,采取储能方式实现系统热管理。整个武器系统采取半内埋或者吊舱形式装载在直升机平台。

(3)运用设想

针对敌方防空武器以及其它地面战术目标,直升机载激光武器可以参与多种类型的攻防战术,分别承担光电探测/火控、光电压制、激光制导和直升机自防御四种作战任务。

图10 晶体板条激光器工作原理Fig.10 Crystal slab laser working principles

光电探测/火控/制导是指对于在激光武器跟踪瞄准能力范围内的目标,可全程执行该任务,首先由机载雷达或上级指控系统提供目标初始指引信息,引导激光武器ATP系统捕获目标,建立稳定跟踪后,ATP系统将目标图像数据发送给机载指控系统进行目标识别,同时将目标运动要素发给综合火控系统进行火控解算,形成射击指令,引导机载航炮进行精确射击。ATP系统同时可对弹着点进行反馈,协助火控系统进行弹道修正,形成精确闭环射击。

机载激光武器可利用高精度跟踪瞄准能力,对地面、水面以及空中机动目标的稳定跟踪,实现制导应用,为直升机载导弹或友军导弹提供高精度瞄准线指令制导能力。

光电压制是指当目标进入激光软杀伤作用范围时,激光武器在光电探测模式的同时开始发射激光,对敌方地面防空系统的光电跟踪与光电制导设备实施光电压制,甚至可以对其探测器件造成永久性毁伤,使其丧失情报感知与光电探测/制导能力。对目标进行光电压制后,配合电子干扰等手段可全面削弱敌方防空系统的探测、制导能力。

激光制导是指直升机载激光武器的主光源激光同时可以对装甲类目标或坚固工事进行照射,为机载半主动激光制导导弹提供照射激光源与稳定瞄准,为导弹提供目标指示,实现激光制导作战应用。

直升机自防御是指针对敌方来袭的光电制导类防空导弹,激光武器在指控系统的决策下完成跟踪、瞄准,并持续发射高能激光束,并通过光束控制与跟瞄分系统照射至目标靶面,完成对目标的干扰、致眩、致盲甚至硬破坏,使来袭导弹脱靶,提高直升机防御能力。

4 主要技术

4.1 激光武器总体设计技术

激光武器系统总体设计是将作战需求转化为装备的源头,从激光武器研制全局的顶层设计和谋划出发,开展激光武器系统概念研究、技术性能指标体系构建、系统一体化设计、系统分解与综合、系统工程化设计等工作,解决激光武器系统模型构建和方案优选问题,落脚点在于作战应用的技术实现。

4.2 高功率体积比/质量比激光源技术

激光源是激光武器的核心,决定着激光武器的作战能力。对于车载、机载激光武器来说,在有限的空间、载重和能源约束条件下,极大提升输出功率水平是提升激光武器作战能力、实现激光武器化应用的关键。因此,需针对平台对空间、载重、能源方面的使用约束,开展高光束质量高效率激光技术攻关研究,提升激光源的功率体积比/质量比[7]。

4.3 全光链路光束控制与跟踪瞄准技术

全光链路光束控制与跟踪瞄准技术是激光武器系统解决“看得见、瞄得稳、打得准”问题的关键技术,实现对目标的捕获及高精度跟踪瞄准,并将高能激光光束进行准直、扩束及调焦,稳定可靠发射到目标瞄准点。主要包括复杂背景下远距离目标探测技术、高帧频/低延时高性能图像处理技术、视轴稳定与跟踪控制技术、高能激光光束控制技术等。

4.4 热控环路设计技术

热控环路设计技术是将激光突防系统产生的废热进行有效收集、存储,进行独立保障,避免热量经过辐射、对流、传导后导系统体温度升高,被敌方红外探测器捕捉。激光武器热控环路设计首先要考虑系统内部发热密度,其次是分系统的工作状态、复杂性、空间、功耗大小、环境条件,最终实现全系统的高效散热和低红外特征。

5 发展规划与建议

5.1 激光武器展望

激光武器可作为现有近程末端防御体系的有效补充手段,对无人机、制导炸弹等低慢小目标,亚声速制导或非制导弹药,超声速制导弹药等实施摧毁拦截,适合遂行近区安防、伴随防御等作战任务。分析国外主要激光对抗装备的发展历程,有益找到适合自己的发展路径,在充分考虑我国激光武器各分系统关键技术发展水平基础上,当前应本着稳步前进的发展思路,将激光对抗装备由过去的非致命失能和震慑进一步提升为摧毁目标,以板条和光纤激光器等为代表的电激励固态激光器是重点突破方向,能够对目标壳体及结构实现破坏、摧毁。战术高能激光对抗装备所需的联合高功率固态激光器(JHPSSL)、光纤激光革命(RIFL)、鲁棒全电激光器(RELI)等,初步展现出实现硬摧毁应用前景。

5.2 近期发展目标

近期目标应致力于将战术激光武器作为提供近程C-RAM(反迫击炮弹、火箭弹、常规炮弹)、C-UAV(反无人机)和防空反导装备推向战场,并积极开展各类以防空反导为需求的战术激光武器演示验证试验,推进战术激光武器作为近程防御装备的作战能力和技术水平,以数10万瓦级的应用装备为目标,加速推进战术级激光实用化进程。