漸露崢嶸的激光防禦武器係統
來源:中國網 時間:2008-4-7 17:51:13 評論 1 條 查看評論
圖1:波音公司的機載激光係統采用自適應光學激光技術,以兆瓦級的激光束瞄準彈道導彈目標並予以摧毀。化學激光發生器將能在彈道導彈的助推段將其摧毀。
當激光技術從實驗實走向戰場時候,夢想通過激光擊毀以超音速飛行的來襲導彈就變得更加接近現實了。今天,多種類型激光技術的研究正取得突破性進展,可以預見,在不久的將來,士兵和平民就可能免受從像迫擊炮那樣簡單到像核裝藥洲際彈道導彈那樣複雜的各種威脅了。
在激光武器名冊裏頂級裝備當屬機載激光係統了。去年夏天,該係統用低能量激光發生器演示了跟蹤、瞄準和照射空中目標的強大功能。到2009年秋天,一個完整的激光係統就可以使用兆瓦級的激光發生器隨時準備擊落彈道導彈了。
“機載激光器是第一種任何人都可以使用的空中定向能激光武器係統。”機載激光武器係統項目主任、美國空軍勞倫斯.A.多伯羅特上校說,“這將使我們的作戰樣式發生革命性改變。在光速的戰場上我們還有許多沒有遇到過的事情,因而,機載激光器是指明未來前進方向的探路者。”
多伯羅特上校在過去的兩年裏參與了這個已經取得重大進展的項目。在去年夏天的試驗中,該係統使用紅外跟蹤係統和激光跟蹤係統鎖定了一個失控的目標---KC-135飛機。該係統的激光信標照射目標並測定在大氣中的變形量。這些數據依次不斷地被係統主激光發生器接收並修正大氣失真,爾後對目標實施打擊。主激光發生器采用的是低能量光束,以防止靶機被摧毀。
該係統的主高能光束是由化學激光發生器激發,具有自適應光學係統。當激光信標接收到信號時,係統在激光束發射出去之前通過透鏡進行一係列的變形,使之成為具有殺傷力的光束。實際上,該係統可以通過調整透鏡來補償大氣引起的變形。經過鏡頭變焦後,然後發出一道最集中最有效的預調光束來打擊目標。
主激光器的能量全部來自於化學反應和渦輪泵,而渦輪泵燃油反應的能量又是來自於過氧化物氣體發生器。該係統很少有激光器是由飛機自帶的引擎能量來推動的。它不需要額外的能量單元,上校解釋說。
在過去的幾年裏,克服了最難的技術整合問題,多伯羅特上校說。該係統的許多技術直接來自於實驗室。一個獨立的高能激光發生器由六個能產生兆瓦級能量的激光模塊組成。在此之前,還沒有一個人能依次激發這六個模塊,上校解釋說。在加利福尼亞愛德華空軍基地的一個機庫內,為這種結構而建造的試驗台是由一架老式波音747飛機客艙和機身組成。工程師們在經過早期調試後可以持續激發激光器近七十次。
自適應光學係統由地基天文學家進行測試,他們能消除星光失真—就是肉眼所見的星光閃爍—產生高強度光點來對抗那些哈勃太空望遠鏡。工程師們努力消除大氣光束的失真。
信息處理技術實際上已經超出了預期,上校說,在這項漫長的項目中,工程師們能處理各種各樣的過渡信號。
當前,高能激光發生器正在往飛行器上安裝。地麵測試將在今年夏天進行。其它空中試驗用來評估打擊比亞音速飛機更快的目標。多伯羅特上校解釋說,已經進行了一次對在急速爬升過程中超音速飛行的F-16戰機的跟蹤和瞄準試驗。當激光瞄準塔回轉並保持在目標範圍內時,低速目標和超音速目標在速度上的不同並不能影響激光係統跟蹤目標的能力,上校提示道。
圖2:諾期羅普格魯曼公司空間技術部門的一名技術人員正在檢測通常用於監控紅外激光束激發的診斷儀器,該公司實驗室正在為美國軍用聯合高能固態激光發生器(JHPSSL)項目做演示。實驗的成功為固態激光發生器能量從27千瓦到最終目標100千瓦鋪平了道路。
如果地麵測試成功的話,通過擴大係統包絡等措施,2009年8月的測試將隨之進行。工程師們將試圖找出飛機攜帶一個兆瓦級激光發生器的極限能力。這方麵的努力包括測試不同類型目標,空中飛行器和導彈。第二個裝備激光發生器的飛機也將建成並投入使用。
最大的潛在陷阱可能不是技術問題,而是預算。明年將迎來一個新的政府和國會,沒有人能預測他們的優先預算將是什麽。
一些地基定向能係統會得到財政支持。其中主要的是通過在火箭彈頭聚集熱能使之爆炸從而摧毀火箭的紅外激光係統,而不是建造一個采用突發的能量來摧毀彈丸的係統。他們中大都采用固態技術,這使得產生激光能量不需要像化學激光器那樣大量的後勤支援。
由雷聲公司研發的激光區域防禦係統或LADS,是建立在用於保護美國海軍艦艇的密集陣近距防空係統之上的。
亞利桑那州圖森市雷聲公司負責先進導彈防禦係統和定向能武器係統的副總裁邁克爾.布恩解釋說,激光區域防禦係統的研製工作大約開始於兩年前。最初的目標是保護在巴格達、綠區的美國軍隊免遭迫擊炮襲擊。為了很快建造一個激光防禦係統,公司尋求采用場外現成的技術在六個月內生產出一台原型機。
工程師們選擇了一個由空軍研究實驗室研製的20千瓦固態光纖激光發生器,爾後再由公司激光區域防禦係統研發部進行重新設計改裝。這個激光器能發射一條1微米的紅外光束來加熱來襲彈頭,直至彈頭爆炸。在最後的六個月期限內,工程師們在正式的試驗中在500米距離上打下了兩枚迫擊炮彈。
用密集陣武器係統所進行的試驗顯示出激光係統可以摧毀來襲迫擊炮彈或火箭,因此一些陸基密集陣係統被部署到伊拉克和阿富汗。為部署激光區域防禦係統,公司計劃用裝備20千瓦激光發生器的20毫米密集陣武器係統替換傳統的20毫米密集陣武器係統。激光係統將使用原有的密集陣係統的雷達和指揮與控製係統。今年晚些時候的試驗安排將全麵評估激光區域防禦係統抗擊來襲迫擊炮彈的能力。如果這些試驗成功了,該係統將隨時進行部署,布恩說。
布恩指出,20千瓦激光發生器同傳統密集陣武器係統一樣有一個射程的問題。但是,先進的固態激光發生器功能正在逐步增加,這將極大地延伸激光防禦係統的射程。這將使激光係統比密集陣係統更加有效。而且,激光係統將是“彈藥無限”。布恩說,因為它隻需要源源不斷的電力來將光子送到來襲目標上。
“我們正進入一個真正擁有可部署並能為今天而戰鬥的激光係統時代。”布恩強調說。
當強大的激光係統因其可用而逐步被接納時,現有的20千瓦單元就有能力擊落喀秋莎火箭彈,也包括迫擊炮彈。即使是無人飛行器,特別是其影像傳感器將成為可用的目標。
這些強大的固態激光係統可能出現在兩個由陸軍資助的獨立研究團隊中。它是聯合高能固態激光係統(JHPSSL)項目的一部分,兩個研究的目標都是發展100千瓦固態激光係統,這種係統可用於擊落來襲炮彈和小火箭。
其中一項研究團隊,在加利福利亞州諾格公司領導下,在去年早些時候已經完成它的第一個裏程碑。建設一個4千瓦的增益操作模塊,並將這些模塊整合進激光鏈,然後依次整合其餘部分從而製造出激光係統。諾格公司聯合高能固態激光係統工程第三期項目負責人傑伊.馬默解釋說。
這個係統有效地將幾個獨立的激光光束連貫地整合成一個單一激光光束。這條光束是一條1.06毫米的紅外光束。
激光鏈通常為15千瓦,馬默繼續解釋說。組合這些鏈將使設計師得到自己想要的任何光束能量。在二期工程,雙鏈技術產生了能量為27千瓦的光束。這顯示了多鏈模塊激發激光的能力和為獲得足夠質量的光束而進行波前校正的必要性。
隨著激光鏈試驗的成功,公司的工程師們也自信地認為他們能增強係統的能量。工程師正在努力使這一技術更加緊湊和更好地演示,馬默說。實現這些目標將可以從雙鏈係統中產生出質量更高的30千瓦光束。這也就是說加入更多的激光鏈就可以達到產生出100千瓦光束的目標。年內就可能達到,他認為。
馬默認為大部分的技術障礙已經被克服。剩下的主要是大量的工程問題。當這些問題都被克服時,它有可能擴大規模,製造出能量超過100千瓦光束的目標。最後,工程師們將達到電力極限,馬默承認,但是這一限製尚未確定。
第一次使用的將可能是移動式地基激光係統,他認為。艦艇也可能為近程防禦係統安裝這種類型的激光係統,最後,這個係統可能被安裝在飛行器上。
聯合高能固態激光係統工程的另一個研究團隊是由馬薩諸塞州威爾明頓的特克斯通防禦係統公司組成。這項工作圍繞名為ThinZag的公司專利技術進行的,這項專利技術由特克斯通防禦係統公司激光係統主任丹.泰勒博士研發。
在此技術支持下,厚板被製造成設計薄板,以便熱量能輕易提取。它的Z字型格局有助於均衡不一致的格式。這個幾何形狀允許在一個小型單一模塊中使用多個大型板塊。單一模塊是基礎,然後多個模塊進行排列作為功率振蕩器。
板塊也是用陶瓷釹、釔鋁石榴石(YAG)製成。這便能造出比用水晶材料製造大得多的板塊。這些板塊結構可達到幾個厘米高,幾十個厘米長。
特克斯通防禦係統公司技術副總裁約翰.珀利斯聲稱,這種理念允許隻用一個簡易的配置就可建造大型激光裝置。“它相當簡單,而且,基於這種基本原理,不用花費上千個組成部分,你就能建造很大的激光發生器。”他強調說,它也隻能產生一束光,因為這個係統沒有打算處理多光束融合。
隻用一個模塊,這個設計就已經產生出20千瓦激光束。泰勒解釋說,公司已經配置了兩個單元來發電,並且下一步將增加第三個單元。為了達到100千瓦目標,激光發生器將要求有六個模塊。“以前我們用一個模塊,而其它的都還未用。”他說,“如果你將兩個模塊放在一起並當作功率振蕩器來運行他們,那麽將六個連在一起就沒有什麽新的工程或物理學問題了。”
珀利斯警告說,當它擴展到六個模塊時,該公司不能指望這條道路上“毫無新意”。然而,該公司預計,它的進展是不斷的重複。泰勒認為,這兒對模塊數量有一個限製問題,特別是工程師積累了比他們能掌控的更多的增益時候。那就有可能克服建造大型和更強大模塊來產生高能光束,盡管數量很少。物理和製造技術都是潛在的限製。
製造技術作為支撐帳篷長柱子中的一根,珀利斯強調。激光特有的精密光學元件和資源受限的國外材料。這些任務長期地左右和影響著進程。因為設計的改變可能是一個主要的問題。另一個方麵是異國材料的供應問題,特別是那些來自海外的資源。
控製光束是研發中最具挑戰性的任務了,泰勒承認。固態激光發生器的失效和必需的熱量管理產生需要控製的相位誤差。他聲稱,公司在這個領域已經取得成功。
國家試驗室繼續進行固態激光發生器的研究,固態激光發生器已經更新了好幾代。這種激光發生器采用五個陶瓷YAG激光二極管就能產生出67千瓦的激光光束。這標誌著能量和材料都在發生著變化。實驗室正在采用四個由陶瓷釹、釔鋁石榴石(YAG)製成的二極管板塊,但是它在兩年前轉用采用陶瓷YAG了。
固態熱能激光項目主管/首席工程師羅伯特.揚曼莫托解釋說,實驗室改變材料有幾個原因。YAG激光塊容易製造而且大小適中,這也能轉化為更大的激光功率。釹GGG隻能被製成六英寸大小。而且,水晶材料比水晶釹材料更抗壓。
透明陶瓷板塊也允許有更大的靈活性。實驗室裏板塊摻雜YAG激光,而這提供了更好的均勻溫度,改善了激光光束質量。該實驗室目前購買YAG激光板塊,該板塊由日本化學公司生產。但在透明陶瓷的激光增益介質研究方麵,它也有其自身的內部研究和開發力度。
揚曼莫托表示,該實驗室還沒有得到進行最後攻堅所需的資金。它將繼續努力以現有的設備來改善光束質量。實驗室希望進一步驗證其邊泵結構作為關鍵,來顯著改善光束質量,這將又可能導致需要更多的資金。
譯自:美國信號雜誌2008年3月刊
作者:羅伯特.K.阿克曼