中國(guó)光纖激光器打破國(guó)外技術(shù)壟斷 戰(zhàn)術(shù)激光武器何時(shí)上戰(zhàn)場(chǎng)?

近日,在“武漢·中國(guó)光谷”激光技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展創(chuàng)新論壇上,中國(guó)航天科工集團(tuán)公司負(fù)責(zé)人表示,我國(guó)首臺(tái)全自主研發(fā)的2萬(wàn)瓦光纖激光器正式進(jìn)入裝機(jī)階段,這一技術(shù)成果直接打破國(guó)外技術(shù)壟斷。這臺(tái)2萬(wàn)瓦光纖激光器由中國(guó)航天科工四院所屬的武漢銳科光纖激光器技術(shù)有限責(zé)任公司研發(fā),或?qū)⒂?018年上半年問(wèn)世并投入使用。那么,這種激光技術(shù)和激光武器裝備有沒(méi)有關(guān)系?激光武器何時(shí)才能大規(guī)模走上戰(zhàn)場(chǎng)呢?

異軍突起

美軍對(duì)戰(zhàn)術(shù)激光武器很有熱情

雖然激光從誕生之日起,就受到各國(guó)軍方的普遍重視,尤其是想將其應(yīng)用于戰(zhàn)略反導(dǎo)等領(lǐng)域。但是由于大氣、光學(xué)衰減、散熱、目標(biāo)制導(dǎo)等各種困難的存在,戰(zhàn)略激光武器的發(fā)展速度非常緩慢。但從21世紀(jì)以來(lái),美國(guó)軍方再度開(kāi)始重視高功率固體激光器的研發(fā),將其用于執(zhí)行近距防空、反導(dǎo)、軍艦自衛(wèi)等戰(zhàn)術(shù)任務(wù),并稱其為美軍再度領(lǐng)先于對(duì)手的神秘利器。

而在高功率戰(zhàn)術(shù)固體激光器方面,光纖激光武器由于在效率、激光束品質(zhì)、系統(tǒng)體積、重量、堅(jiān)固性和冷卻等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì),正在成為戰(zhàn)術(shù)激光武器的主要來(lái)源。近期,美軍研制的多種激光武器的樣機(jī),均為光纖激光武器。如美國(guó)國(guó)防預(yù)先研究計(jì)劃局(DARPA)的“圣劍”項(xiàng)目、海軍的艦載戰(zhàn)術(shù)激光武器系統(tǒng)項(xiàng)目與激光武器系統(tǒng)項(xiàng)目、陸軍的“區(qū)域防御反彈藥系統(tǒng)”(ADAM)以及“宙斯-悍馬激光彈藥摧毀系統(tǒng)”等均采用了光纖激光器。

其中,“圣劍”是一種機(jī)載激光武器項(xiàng)目,目標(biāo)是反光電或紅外制導(dǎo)的地空導(dǎo)彈,作戰(zhàn)高度在15千米。而美國(guó)海軍的Mk38艦載激光炮作戰(zhàn)目標(biāo)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(duì)空中和水面目標(biāo)進(jìn)行了射擊試驗(yàn)。

美國(guó)陸軍的“區(qū)域防御反彈藥系統(tǒng)”則主要是為地面部隊(duì)防御近程空中目標(biāo)(火箭彈、無(wú)人機(jī))的威脅,在2012年和2013年的試驗(yàn)中,該系統(tǒng)成功摧毀了無(wú)人機(jī)和小口徑火箭彈。而“宙斯-悍馬激光彈藥摧毀系統(tǒng)”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(nèi)容,美軍還有一些光纖戰(zhàn)術(shù)激光器項(xiàng)目。現(xiàn)在美軍對(duì)于戰(zhàn)術(shù)激光武器的發(fā)展很有熱情,處于“大面積撒網(wǎng)”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(fā)展顛覆性先進(jìn)技術(shù)武器,繼續(xù)在軍事競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

美國(guó)國(guó)防部常務(wù)副部長(zhǎng)羅伯特·沃克認(rèn)為,第三次“抵消戰(zhàn)略”的核心是確立在精確制導(dǎo)武器方面的優(yōu)勢(shì),在成功躲避敵方精確制導(dǎo)攻擊的同時(shí)摧毀對(duì)方。很多美國(guó)軍事專家也認(rèn)為,戰(zhàn)術(shù)激光武器,顯然是第三次“抵消策略”中應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展的項(xiàng)目。

技術(shù)剖析

2萬(wàn)瓦光纖激光器能用在軍事上嗎?

那么,中國(guó)研發(fā)的2萬(wàn)瓦(20KW)光纖激光器,能不能應(yīng)用于中國(guó)的戰(zhàn)術(shù)激光武器研發(fā)呢?筆者認(rèn)為還有一段距離。

首先,光纖激光武器的關(guān)鍵性部件之一是單模光纖激光器。其代表就是美國(guó)IPG光子公司生產(chǎn)的10KW單模光纖激光器。它除了被廣泛民用外,也被美國(guó)軍方大量采購(gòu)用作戰(zhàn)術(shù)激光武器的基本模塊。

前文所述,美國(guó)正在開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)中的戰(zhàn)術(shù)激光武器大多使用的都是IPG公司的這款產(chǎn)品。而該公司在2009年首先研發(fā)出10KW單模光纖激光器之后,也毫不掩飾他們對(duì)武器市場(chǎng)的濃厚興趣。

中國(guó)武漢銳科光纖激光器研發(fā)的20KW光纖激光器,應(yīng)該還是多模光纖激光器。從技術(shù)層面上來(lái)講,高功率光纖激光器分單模和多模。將幾個(gè)較低功率的單模光纖激光合成一個(gè)千瓦級(jí)的輸出,應(yīng)遠(yuǎn)比千瓦級(jí)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(guó)生產(chǎn)的20KW光纖激光器是單模激光器,那么就不是打破國(guó)外壟斷的問(wèn)題了,就成為世界第一的激光神器了。因?yàn)槭澜珙I(lǐng)先的IPG公司也很難將單模光纖激光器提升至20KW,技術(shù)界普遍認(rèn)為單模光纖激光器的上限就為10KW。

那么在戰(zhàn)術(shù)激光武器領(lǐng)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?yàn)槎嗄＜す馄鞯墓β孰m然大,但光束質(zhì)量差,因此不能應(yīng)用于激光武器,而只能在工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。因此,中國(guó)2萬(wàn)瓦光纖激光器的主要目的就是打破國(guó)外壟斷,降低進(jìn)口成本,使得激光制造技術(shù)能夠更大應(yīng)用于我國(guó)的高端制造領(lǐng)域。

早在2014年珠海航展上,中國(guó)某公司就已經(jīng)推出了“低空衛(wèi)士1”激光攔截系統(tǒng),但研究該系統(tǒng)資料后發(fā)現(xiàn),該系統(tǒng)的輸出功率為10KW,和美國(guó)同類型武器相比,只能攔截小型慢速的民用無(wú)人機(jī),無(wú)法應(yīng)用于軍隊(duì)的戰(zhàn)術(shù)激光領(lǐng)域。

信心倍增

需要多種技術(shù)均取得突破

不過(guò),我們對(duì)中國(guó)研發(fā)類似IPG公司的10KW單模光纖激光器,還是抱有相當(dāng)?shù)男判摹Ｒ晕覈?guó)武漢銳科公司為例,在該公司的帶動(dòng)下,中國(guó)已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了百分之百國(guó)產(chǎn)光纖激光器的產(chǎn)業(yè)鏈。 2011年,IPG公司10KW單模光纖激光器主要技術(shù)奠基人、擁有國(guó)際專利24項(xiàng)和具有里程碑意義的“雙包層光纖激光器”發(fā)明專利的美籍教授,就曾到武漢銳科公司考察,對(duì)中國(guó)國(guó)內(nèi)能夠擁有自主產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)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(jìn)其加速發(fā)展。

一旦中國(guó)公司能夠研發(fā)10KW單模光纖激光器,那么幾乎馬上就可以通過(guò)非相干合成的方法研制出戰(zhàn)術(shù)激光武器。所謂的“非相干合成法”就是將多個(gè)光纖激光器平行地捆扎在一起,沿同一方向引導(dǎo)這些激光器輸出光束,這樣就能使他們?cè)诳臻g疊加在一起,從而增加了總功率,美軍現(xiàn)在好幾種開(kāi)發(fā)中的激光武器就是通過(guò)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(zhàn)術(shù)激光武器的全部呢?顯然不是。因?yàn)檫@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(zhì)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(tái)上,而要裝載在戰(zhàn)機(jī)和地面車輛上,就需要產(chǎn)生亮度更高、光束質(zhì)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(xué)相控陣等技術(shù)。

例如我們前面說(shuō)到的美軍機(jī)載激光武器“圣劍”項(xiàng)目,使用的就是21單元的光學(xué)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(guò)35%,而且具有大氣補(bǔ)償功能,可以避免大氣湍流擾動(dòng)對(duì)激光光束的影響。在試驗(yàn)中,這種低功率陣列可精確擊中7公里距離的目標(biāo),比現(xiàn)有激光武器提高了4公里多。

另外,美國(guó)還啟動(dòng)了“閃電”項(xiàng)目,其作戰(zhàn)目標(biāo)是反光電或紅外制導(dǎo)的空空導(dǎo)彈和地空導(dǎo)彈。該項(xiàng)目使用了光纖激光陣列,研發(fā)目標(biāo)是比現(xiàn)有激光武器輕10倍且更為緊湊的激光武器系統(tǒng),以極小的體積和質(zhì)量搭載到飛機(jī)平臺(tái)上,用于飛機(jī)自衛(wèi)和中程彈道導(dǎo)彈防御。

因此,只有中國(guó)在大功率單模光纖激光器、光束相干合成和光學(xué)相控陣技術(shù)這幾方面都取得突破,我們才能在不久的將來(lái),看到中國(guó)的戰(zhàn)術(shù)激光武器出現(xiàn)在解放軍的軍艦、戰(zhàn)車甚至像殲-20這樣的作戰(zhàn)飛機(jī)上。

連連看

蘇聯(lián)激光武器

攻擊美國(guó)衛(wèi)星

激光武器從誕生之日起,就曾被視為反衛(wèi)星的戰(zhàn)略性武器。冷戰(zhàn)期間,曾有報(bào)道稱蘇聯(lián)使用激光武器攻擊了美國(guó)衛(wèi)星,而后來(lái)美國(guó)更是自己測(cè)試了激光武器反衛(wèi)星的效果。

1975年10月18日,美國(guó)北美防空司令部控制中心報(bào)道稱,在印度洋上空的647預(yù)警衛(wèi)星的紅外探測(cè)器受到來(lái)自蘇聯(lián)西部的強(qiáng)紅外閃光干擾,不能正常工作。1975年11月17日、18日兩天,美國(guó)空軍的兩顆數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星,由于受來(lái)自蘇聯(lián)的紅外干擾,又停止了工作。據(jù)查,是紅外姿態(tài)控制儀失靈。

1980年5月22日,美國(guó)負(fù)責(zé)公共事務(wù)的助理國(guó)防部長(zhǎng)托馬斯·羅斯在新聞發(fā)布會(huì)上說(shuō):“美國(guó)中央情報(bào)局和其他情報(bào)部門業(yè)已查明,蘇聯(lián)正在研制一種能夠摧毀衛(wèi)星的激光武器系統(tǒng)。”他接著又說(shuō),“但是,這項(xiàng)研究在美國(guó)也在進(jìn)行著。蘇聯(lián)在達(dá)到的功率方面也許稍稍領(lǐng)先。”

另外在1997年10月17日,美國(guó)用地面化學(xué)激光發(fā)射裝置向美國(guó)要報(bào)廢的軍用氣象衛(wèi)星發(fā)射激光束。這種被稱為MIRACL的紅外化學(xué)激光器,第一次試驗(yàn)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(wèi)星。激光束擊中了目標(biāo)點(diǎn)——中程紅外照相機(jī)。被照射后,紅外照相機(jī)沒(méi)有產(chǎn)生圖像,表明衛(wèi)星傳感器受到了攻擊。

緊接著美國(guó)陸軍又用低功率的化學(xué)激光器進(jìn)行了第二次射擊衛(wèi)星試驗(yàn),對(duì)衛(wèi)星上的紅外照相機(jī)進(jìn)行了3次照射。這次試驗(yàn)的成功是美軍激光反衛(wèi)星武器的一個(gè)重要里程碑。但目前有關(guān)MIRACL激光器的后續(xù)發(fā)展幾乎沒(méi)有任何公開(kāi)報(bào)道了。

飛機(jī)裝激光大炮

去攔截戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈

相對(duì)于美國(guó)的MIRACL激光武器,YAL-1機(jī)載激光系統(tǒng)的名氣就更大了。這種由波音公司研制,裝設(shè)于改裝的波音747-400F、功率達(dá)兆瓦級(jí)的氧碘化學(xué)激光器武器系統(tǒng),被用來(lái)攔截戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈。

這種裝在飛機(jī)上的激光炮,并不能貫穿或擊碎目標(biāo),而是通過(guò)加熱削弱導(dǎo)彈外殼,使其在高速飛行的壓力下無(wú)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(xué)燃料產(chǎn)生激光能量。每個(gè)YAL-1機(jī)載激光系統(tǒng)可以攜帶發(fā)射20發(fā)燃料,低能量發(fā)射對(duì)付小導(dǎo)彈時(shí)可以發(fā)射40發(fā)。項(xiàng)目中每次出擊還需要有戰(zhàn)機(jī)和電子干擾機(jī)護(hù)航。使用時(shí),飛機(jī)必須以8字體繞圈飛行盡量滯留于空中,靠近敵軍導(dǎo)彈可能上升之處。飛機(jī)可以用空中加油盡量延長(zhǎng)滯空時(shí)間。

這種飛機(jī)外觀最明顯的特征,就是機(jī)首部位的大型激光炮塔,而飛機(jī)內(nèi)部則裝有二氧化碳激光器,共分成六個(gè)模塊,每個(gè)模塊都和一部SUV汽車一樣大,重3000公斤。開(kāi)火時(shí),5秒鐘所發(fā)出的能量就相當(dāng)于一個(gè)美國(guó)家庭一小時(shí)的用電量。

最后這種飛機(jī)由于預(yù)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(jī)墓地封存。

激光背后的翻譯高手

激光的英文LASER原是“通過(guò)輻射受激發(fā)射的光放大”的英文縮寫,表示光受激放大的過(guò)程,而不是放大之后出來(lái)的光。

1964年10月,中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所主辦的《光受激發(fā)射情報(bào)》雜志編輯部致信錢學(xué)森,請(qǐng)他為L(zhǎng)ASER取一個(gè)中文名字,錢學(xué)森建議中文名為“激光”。同年12月,第三屆光量子放大器學(xué)術(shù)會(huì)議召開(kāi),由嚴(yán)濟(jì)慈主持,討論后認(rèn)為這一翻譯既正確又響亮,正式采納錢學(xué)森的建議,將LASER正式翻譯為“激光”。 木易