中國高能激光武器，怎樣連續發射？不過熱！

出品|網易新聞

導語：據香港南華早報8月12日報道，長沙國防科技大學科學家在激光武器技術的重大突破，他們開發出一種新的冷卻系統，可以讓高能激光器“無限”運行，而不會產生任何過熱。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？如果我國這項技術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激光武器科學家袁圣付領導的團隊在發表在中文同行評審期刊《光學學報》上的一篇論文中稱：“高質量的光束不僅可以在第一秒內產生，而且可以無限期地保持。”

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

激光在頻率、方向、相位上完全相同，相當于沒有發散

自1960年發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，最標的尺值”之稱。

國產LW-30激光防御系統的激光發射器

高能激光武器是一類正在迅速發展中的新概念武器它是利用激光來直接毀傷目標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、命中精度高、轉移火力快、抗電磁干擾、能多次重復使用和效費比高等優點。高能量激光武器發射的激光束以光速每秒30萬公里向目標發動攻擊，加上照射時間，也只要10秒就能擊中目標，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,但目前只有化學激光武器和固體激光武器達到了實戰部署階段,其他激光武器還不成熟。

ABL機載激光系統示意圖

目前美國多年來一些最著名的項目包括使用氟化氘作為激光源的海軍先進化學激光器（NACL），試驗中驗證擊落了超音速導彈的中紅外先進化學激光器（MIRACL），擊落了48個飛行目標戰術高能激光器（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彈的化學氧碘機載激光器（ABL）。

“不幸的是，60年過去了，雖然開發了各種類型的激光器，但高能激光系統的應用并不成功。”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。據稱最新型的激光器功率做到了60kw，相比前代產品功率提高了1倍以上，對于小型無人機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驗階段，最大有效射程只有可憐的幾公里，只能具備視距內攻擊性能，遠沒有達到任務要求書上的數百公里。袁圣付團隊表示，為了提高光束的破壞力，提高射程“需要更長的連續運行時間”。沒有達到預期任務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的？

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

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

激光武器海上攻擊無人機圖像

激光武器主要由產生光源的高能量激光器和具有跟蹤瞄準及發射作用的光束定向器組成。對于高能量激光光束控制，主要由大口徑望遠鏡(擴束器)完成光束向目標的傳輸。這對電源系統、冷卻系統、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彈，巡航導彈等。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彈甚至彈道導彈等高馬赫飛行器。

典型激光武器系統的組成示意圖

光束控制系統負責引導和控制激光束，通常通過使用反射鏡和透鏡。這個系統必須是高度精確和穩定的，因為即使是很小的偏差或振動，也會導致光束偏離指定的路線。但當激光束穿過空氣時，它會加熱中途的氣體，導致氣體膨脹并產生湍流。這種湍流會導致光束散射和扭曲，從而降低其有效性和準確性。此外，加熱的氣體會導致系統中的鏡子和鏡片受到污染，導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會導致鏡子破裂或損壞，從而大大降低了高能激光武器的實用性和可靠性。

當前激光武器研制方面已經初步形成天基，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，短時間內多次射擊成為了一大考驗。

三、高能激光器冷卻技術突破

袁圣付團隊開發了一種內部光束路徑調節器，該系統通過武器吹氣以消除廢熱并提高氣體清潔度。一種新的冷卻機制，可以讓高能激光器“無限”地工作，而不會產生余熱。

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。它的設計是緊湊和高效的，其重點是優化氣體流量，最大限度地減少尺寸和重量。

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

－ 氣體注入／吸入系統負責將氣體注入激光系統的內部光束路徑，并在氣體通過后將其移除

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

－ 氣體流量控制系統調節氣體流量，確保在正確的溫度和停留時間下輸送，實現準靜態小像差。

激光武器測試摧毀從1.6公里外飛來的火箭彈

根據研究人員的說法，冷卻系統可能會帶來新的問題，如湍流和振動，如果建造不當，可能會影響光束質量。例如，氣體吹過內部光束路徑會產生湍流和振動，從而影響激光束的穩定性和質量。上述團隊對該技術進行了廣泛的測試，以確保其符合軍方要求的性能規格。此外，據報道該裝置已經在許多正在我國開發的激光武器中使用。

四、未來高能激光武器的發展

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

高能激光武器設備體積大笨重，對作戰平臺要求很高，不能全天候作戰，受限于大霧、大雪、大雨，且激光發射系統屬精密光學系統，在戰場上的生存能力有待考驗。

機載戰術固體激光武器

天基激光武器的主要目的是對付彈道導彈，也可用于防御巡航導彈和遠程戰略轟炸機。有媒體設想，太空激光武器能在數百到幾千公里的距離上摧毀太空中的目標。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。主要原因就是發光裝置主鏡的直徑過大，解決的主要辦法是研制能在運載火箭的貨艙內放得下的折疊式主鏡，并且在太空激光武器進入預定軌道后能自動展開。

固體激光器已經成為目前美軍戰術激光武器的主流，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，通用原子公司的固體激光器單元模塊。最大連續運行功率超過50千瓦，持續運行時間超過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，可以在戰術車輛、無人機、直升機，甚至于戰斗機、戰略轟炸機上應用。

太空激光武器示意圖

結語：

隨著科技的不斷進步。激光武器的研發雖然山重水復，但未來可期。高功率激光武器研發中遇到的瓶頸問題或將被逐一攻克。未來的激光武器也許會在對抗無人機、高超音速武器攔截，反導反衛星等方面展現出其獨特的能力。

參考文獻：

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