中國高能激光武器，怎樣連續(xù)發(fā)射？不過熱！

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導(dǎo)語：據(jù)香港南華早報8月12日報道，長沙國防科技大學(xué)科學(xué)家在激光武器技術(shù)的重大突破，他們開發(fā)出一種新的冷卻系統(tǒng)，可以讓高能激光器“無限”運(yùn)行，而不會產(chǎn)生任何過熱。我國高能激光武器一直很神秘很少有官方消息爆出，高能激光武器究竟是什么系統(tǒng)？如果我國這項(xiàng)技術(shù)突破有什么特殊意義？

一、高能激光是未來的概念武器

8月4日由長沙國防科技大學(xué)激光武器科學(xué)家袁圣付領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在發(fā)表在中文同行評審期刊《光學(xué)學(xué)報》上的一篇論文中稱：“高質(zhì)量的光束不僅可以在第一秒內(nèi)產(chǎn)生，而且可以無限期地保持。”

新的冷卻系統(tǒng)完全消除了高能激光器運(yùn)行過程中產(chǎn)生的有害熱量。這個問題一直是激光武器發(fā)展的主要技術(shù)挑戰(zhàn)。借助新技術(shù)，武器現(xiàn)在可以長時間大功率的連續(xù)激光束，而不會中斷或降低性能。這是提升高能激光系統(tǒng)性能的巨大突破。”

激光在頻率、方向、相位上完全相同，相當(dāng)于沒有發(fā)散

自1960年發(fā)明第一臺紅寶石激光器以來，人們一直熱衷于從動能過渡到激光能，以光速快速投射能量，夢想激光束成為可以立即殺死目標(biāo)的死亡射線。一束總能量不足以煮熟一個雞蛋的激光，卻能輕松穿透3毫米厚的鋼板。因此激光有“最快的刀，最亮的光，最標(biāo)的尺值”之稱。

國產(chǎn)LW-30激光防御系統(tǒng)的激光發(fā)射器

高能激光武器是一類正在迅速發(fā)展中的新概念武器它是利用激光來直接毀傷目標(biāo)或使之失效的定向能武器,具有能量集中、傳輸速度快、作用距離遠(yuǎn)、命中精度高、轉(zhuǎn)移火力快、抗電磁干擾、能多次重復(fù)使用和效費(fèi)比高等優(yōu)點(diǎn)。高能量激光武器發(fā)射的激光束以光速每秒30萬公里向目標(biāo)發(fā)動攻擊，加上照射時間，也只要10秒就能擊中目標(biāo)，而且始終靜音，具有巨大的潛力。

激光武器按激光生成方法可分為化學(xué)激光武器、固體激光武器、液體激光武器和自由電子激光武器等四種類型,它們各有特色,但目前只有化學(xué)激光武器和固體激光武器達(dá)到了實(shí)戰(zhàn)部署階段,其他激光武器還不成熟。

ABL機(jī)載激光系統(tǒng)示意圖

目前美國多年來一些最著名的項(xiàng)目包括使用氟化氘作為激光源的海軍先進(jìn)化學(xué)激光器（NACL），試驗(yàn)中驗(yàn)證擊落了超音速導(dǎo)彈的中紅外先進(jìn)化學(xué)激光器（MIRACL），擊落了48個飛行目標(biāo)戰(zhàn)術(shù)高能激光器（THEL），使用氟化氫作為激光源的天基激光器（SBL）， 以及成功攔截了液體燃料導(dǎo)彈的化學(xué)氧碘機(jī)載激光器（ABL）。

“不幸的是，60年過去了，雖然開發(fā)了各種類型的激光器，但高能激光系統(tǒng)的應(yīng)用并不成功。”袁圣付說。

比如2022年下半年最新交付美軍的“ODIN”艦載激光武器。據(jù)稱最新型的激光器功率做到了60kw，相比前代產(chǎn)品功率提高了1倍以上，對于小型無人機(jī)的毀傷距離只能做到了6到8公里。

艦載固體激光武器模塊裝置

目前這些激光武器還都處于實(shí)驗(yàn)階段，最大有效射程只有可憐的幾公里，只能具備視距內(nèi)攻擊性能，遠(yuǎn)沒有達(dá)到任務(wù)要求書上的數(shù)百公里。袁圣付團(tuán)隊(duì)表示，為了提高光束的破壞力，提高射程“需要更長的連續(xù)運(yùn)行時間”。沒有達(dá)到預(yù)期任務(wù)要求的一個重要原因是激光武器的熱管理問題。

二、激光武器是如何摧毀目標(biāo)的？

激光想成為武器，必須有足夠大的能量才能摧毀目標(biāo)，這就要求激光機(jī)的功率要足夠高。光束控制子系統(tǒng)把激光束發(fā)射到遠(yuǎn)場,并會聚到目標(biāo)上形成功率盡可能高的光斑,以便能在盡量短的時間內(nèi)破壞目標(biāo)。因此采用口徑足夠大的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡。一般的戰(zhàn)術(shù)激光武器系統(tǒng)主鏡的直徑約1m左右。一般的100千瓦級別的激光器可以摧毀無人機(jī)、小型艦艇、還可以損毀光電探測器等。

激光武器內(nèi)部通過一種稱為“受激發(fā)射”的過程產(chǎn)生高能光束，這包括激發(fā)增益介質(zhì)中的原子或分子（如晶體或氣體），從而激光武器能夠達(dá)到更高的能量狀態(tài)。當(dāng)這些被激發(fā)的原子或分子回到它們的基態(tài)時，它們會發(fā)射光子，然后通過光反饋過程放大光子，從而產(chǎn)生高能激光束。

激光武器海上攻擊無人機(jī)圖像

激光武器主要由產(chǎn)生光源的高能量激光器和具有跟蹤瞄準(zhǔn)及發(fā)射作用的光束定向器組成。對于高能量激光光束控制，主要由大口徑望遠(yuǎn)鏡(擴(kuò)束器)完成光束向目標(biāo)的傳輸。這對電源系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、光束定向要求非常苛刻。為了能夠裝備到各種載臺上，還要求激光器小型化、輕量化，可以說研發(fā)難度很高。

更高的300到500千瓦級的激光器可以擊落橫向飛行的反艦導(dǎo)彈，巡航導(dǎo)彈等。而兆瓦級就是1000千瓦以上的激光器，可以擊落超音速反艦巡航導(dǎo)彈甚至彈道導(dǎo)彈等高馬赫飛行器。

典型激光武器系統(tǒng)的組成示意圖

光束控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)引導(dǎo)和控制激光束，通常通過使用反射鏡和透鏡。這個系統(tǒng)必須是高度精確和穩(wěn)定的，因?yàn)榧词故呛苄〉钠罨蛘駝樱矔?dǎo)致光束偏離指定的路線。但當(dāng)激光束穿過空氣時，它會加熱中途的氣體，導(dǎo)致氣體膨脹并產(chǎn)生湍流。這種湍流會導(dǎo)致光束散射和扭曲，從而降低其有效性和準(zhǔn)確性。此外，加熱的氣體會導(dǎo)致系統(tǒng)中的鏡子和鏡片受到污染，導(dǎo)致性能下降和壽命縮短。

研究人員稱，在某些情況下，較大的污染物顆粒在鏡子上燃燒甚至?xí)?dǎo)致鏡子破裂或損壞，從而大大降低了高能激光武器的實(shí)用性和可靠性。

當(dāng)前激光武器研制方面已經(jīng)初步形成天基，空基，陸基，海基為平臺的多種類型激光武器，無論哪個平臺的激光武器面臨的最大問題就是能源難題由于涉及到能量和散熱問題，短時間內(nèi)多次射擊成為了一大考驗(yàn)。

三、高能激光器冷卻技術(shù)突破

袁圣付團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種內(nèi)部光束路徑調(diào)節(jié)器，該系統(tǒng)通過武器吹氣以消除廢熱并提高氣體清潔度。一種新的冷卻機(jī)制，可以讓高能激光器“無限”地工作，而不會產(chǎn)生余熱。

這是一種讓氣體吹過激光武器以消除廢熱并提高氣體清潔度的系統(tǒng)。它的設(shè)計(jì)是緊湊和高效的，其重點(diǎn)是優(yōu)化氣體流量，最大限度地減少尺寸和重量。

它由幾個關(guān)鍵部件組成，包括一個空氣源、一個熱交換器、一個氣體流量控制系統(tǒng)和一個氣體噴射／吸入系統(tǒng)：

－ 氣體注入／吸入系統(tǒng)負(fù)責(zé)將氣體注入激光系統(tǒng)的內(nèi)部光束路徑，并在氣體通過后將其移除

－ 空氣源為系統(tǒng)提供干凈、干燥的空氣，然后通過熱交換器將其冷卻到所需的溫度。

－ 氣體流量控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)氣體流量，確保在正確的溫度和停留時間下輸送，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)小像差。

激光武器測試摧毀從1.6公里外飛來的火箭彈

根據(jù)研究人員的說法，冷卻系統(tǒng)可能會帶來新的問題，如湍流和振動，如果建造不當(dāng)，可能會影響光束質(zhì)量。例如，氣體吹過內(nèi)部光束路徑會產(chǎn)生湍流和振動，從而影響激光束的穩(wěn)定性和質(zhì)量。上述團(tuán)隊(duì)對該技術(shù)進(jìn)行了廣泛的測試，以確保其符合軍方要求的性能規(guī)格。此外，據(jù)報道該裝置已經(jīng)在許多正在我國開發(fā)的激光武器中使用。

四、未來高能激光武器的發(fā)展

當(dāng)前激光武器研制方面已經(jīng)初步形成天基，空基，陸基，海基為平臺的多種類型激光武器，天基、空基的技術(shù)難度更高。

高能激光武器設(shè)備體積大笨重，對作戰(zhàn)平臺要求很高，不能全天候作戰(zhàn)，受限于大霧、大雪、大雨，且激光發(fā)射系統(tǒng)屬精密光學(xué)系統(tǒng)，在戰(zhàn)場上的生存能力有待考驗(yàn)。

機(jī)載戰(zhàn)術(shù)固體激光武器

天基激光武器的主要目的是對付彈道導(dǎo)彈，也可用于防御巡航導(dǎo)彈和遠(yuǎn)程戰(zhàn)略轟炸機(jī)。有媒體設(shè)想，太空激光武器能在數(shù)百到幾千公里的距離上摧毀太空中的目標(biāo)。太空中沒有地形阻攔，也沒有空氣擾動影響，是采用激光武器最理想的場所，太空激光武器還存在許多尚未解決的難題，如包括怎樣把大型激光裝置送入軌道。主要原因就是發(fā)光裝置主鏡的直徑過大，解決的主要辦法是研制能在運(yùn)載火箭的貨艙內(nèi)放得下的折疊式主鏡，并且在太空激光武器進(jìn)入預(yù)定軌道后能自動展開。

固體激光器已經(jīng)成為目前美軍戰(zhàn)術(shù)激光武器的主流，特別是高能光纖激光器。而更高功率，包括兆瓦級激光武器，則是以自由電子激光器為重點(diǎn)，通用原子公司的固體激光器單元模塊。最大連續(xù)運(yùn)行功率超過50千瓦，持續(xù)運(yùn)行時間超過30秒。采用鋰離子電池提供電力。可以多個模塊集成，提供50到300千瓦四種型號的激光輸出功率。由于體積足夠緊湊，可以在戰(zhàn)術(shù)車輛、無人機(jī)、直升機(jī)，甚至于戰(zhàn)斗機(jī)、戰(zhàn)略轟炸機(jī)上應(yīng)用。

太空激光武器示意圖

結(jié)語：

隨著科技的不斷進(jìn)步。激光武器的研發(fā)雖然山重水復(fù)，但未來可期。高功率激光武器研發(fā)中遇到的瓶頸問題或?qū)⒈恢鹨还タ恕Ｎ磥淼募す馕淦饕苍S會在對抗無人機(jī)、高超音速武器攔截，反導(dǎo)反衛(wèi)星等方面展現(xiàn)出其獨(dú)特的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]高能激光武器技術(shù)與應(yīng)用進(jìn)展，宗思光、吳榮華、曹 靜、王輝華，10.3788

[2]戰(zhàn)術(shù)激光武器反無人機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)分析，朱孟真、陳霞、劉旭、譚朝勇、黎偉，DOI：10.3788/IRLA20200230

[3]高溫激光二極管抽運(yùn)全固態(tài)激光器，劉旭、程勇、萬強(qiáng)、譚朝勇、朱孟真 ，DOI:10.3788/CJL201643.0701003