机载激光武器自卫防御应用研究与前景分析

严 毅，穆学桢，张宁华，彭志永，谢光辉

（航空工业中国空空导弹研究院，洛阳 471009）

激光武器是一种利用高能激光束的热效应、力学破坏、辐射破坏等直接杀伤目标的定向能武器。美国空军从20世纪70年代就希望把激光武器装上飞机，一是实现机载平台对来袭导弹的自卫；
二是用于空中反导反卫等，有效提高空军的作战能力和生存能力。然而，由于早期的化学与气体激光器在体积、质量和安全性等方面的固有缺陷，相关研究未能转化成装备。随着近年来固体激光器和光纤激光器技术的发展，瞄准载机自卫应用的目标，国内外兴起了新的研究热潮，用于自卫拦截来袭空空、面空战术导弹的机载激光武器已经成为机载定向能武器的研究重点方向之一。

空空/面空导弹是空中作战平台的主要威胁，目前防御手段以红外诱饵与电子干扰等被动对抗为主。但是，随着大面阵红外成像制导体制的应用和多模制导技术的发展，导弹制导方式越趋先进，抗干扰能力和目标命中概率不断提高，空中平台传统被动对抗措施的有效性日益下降。加装激光武器可以破坏导弹的光敏元件，使之无法寻得，也可破坏导弹结构部件，使其失控或者解体。同时激光武器具有攻击速度快、火力持续性强、效费比高的优点，与传统防御手段相比可形成代差优势，可有效提高空中平台的战场生存能力[1]。

机载自卫激光武器的主要作战对象是防空战术导弹，防空战术导弹主要包括空空导弹和地空导弹。空空导弹的特点是飞行速度较快，最高能达到5 Ma左右，一般的作用距离在几十km，主要有红外和雷达两种制导模式。地空导弹地面保障系统复杂程度不同，工作模式不同导致地空导弹制导模式较多，但主要制导模式与空空导弹相类似。防空战术导弹作为精确制导武器，制导系统是激光武器最优打击部位。近程导弹一般采用红外光电制导模式，中远程导弹一般采用雷达制导的模式。

空空导弹和地空导弹的工作特点和制导方式基本类似，但是空空导弹相对于地空导弹发射距离更近，飞行速度更快。因此，空空导弹的作用时间较短，这就要求激光武器在短时间内选择易毁部件，完成捕获、跟踪、瞄准并实施打击，同时空空导弹口径相对更小，对于机载激光武器系统的响应时间、跟瞄精度和毁伤效能的要求更高，因此本文主要针对空空导弹进行分析。

目前，空空导弹主要分为雷达制导和红外制导两种模式。其中典型代表包括美国AIM–120、AIM–9X空空导弹以及欧洲流星、IRIS–T导弹等。两种制导体制中比较有代表性的是AIM–120以及AIM–9X导弹。

1.1 AIM–120“阿姆拉姆”(AMRAAM )先进中距空空导弹

AIM–120“阿姆拉姆”(AMRAAM )先进中距空空导弹是美国研制并装备使用的第4代雷达型空空导弹，也是当今世界最先进入现役的、具有发射后不管和多目标攻击能力的雷达型空空导弹（图1）。

图1 AIM–120系列改进发展图Fig.1 AIM–120 series development roadmap

AIM–120具备全天候、超视距、发射后不用管和多目标攻击能力，由4个主要部分组成：最前面是制导单元，包括主动雷达末制导导引头、平面天线和TWT放大发射机，天线外面是陶瓷天线罩，发射机后是电子单元，之后是惯导单元和武器舱，包括主动雷达近炸引信和战斗部，导弹的后半部分是火箭发动机和电动舵机。AIM–120系列主要型号战术技术指标如表1所示[2]。

表1 AIM–120系列主要型号战术技术指标Table 1 Main tactical and technical indexes of AIM–120

1.2 AIM–9X“响尾蛇”近距格斗空空导弹

AIM–9X是第4代AIM–9响尾蛇系列导弹，是美国海军空中系统司令部（NAVAIR）领导的海军和空军联合项目，也是该系列导弹的最新型号，在AIM–9M的基础上发展改进，在设计上有几处重大改进（图2）。

图2 AIM–9X空空导弹Fig.2 AIM–9X air-to-air missile

AIM–9X导弹采用128×128的中波锑化铟焦平面阵列红外成像制导系统，导引头采用了蓝宝石头罩，并采用了内部低温制冷系统和雷锡恩公司的跟踪系统（图3）。AIM–9X的主要战术技术指标如表2所示。

表2 AIM–9X详细参数Tabel 2 AIM–9X main parameters

图3 AIM–9X导引头Fig.3 AIM–9X seeker

2.1 毁伤模式分析

根据激光武器的功率大小和工作模式，可以对导弹目标造成“软毁伤”和“硬毁伤”两种毁伤模式。其中软毁伤主要针对导弹导引系统，使其导引能力下降或者失效，导致脱靶量增大。对于采用红外制导模式的导弹，其光电装置损伤阈值比较低，小功率的激光即可“致盲”，甚至使其永久性损伤；
对于雷达制导导弹，激光辐照可对其天线罩表面炭化或改性，使其测角误差斜率超标，导致导弹制导效能下降。硬杀伤主要针对导弹的结构组件、整流罩、天线罩、发动机、药柱以及战斗部，造成其穿孔、烧蚀、烧穿、折断，甚至空中爆炸解体[3]。对典型导弹的具体毁伤模式如表3所示。

表3 激光对典型导弹目标的毁伤模式Table 3 Laser damage mode of typical missile target

激光武器自卫作战时，根据载机飞行方向和导弹飞行轨迹的位置关系分析，导弹头部的导引系统最易受到激光武器瞄准和攻击，是首选的攻击部位。因为导弹在飞行过程中，弹轴大部分时间正对目标，导弹的导引探测系统需要始终指向目标，且根据比例导引特点，为保证末端的攻击性能，导弹在飞行后半段的攻角都会尽量控制，基本控制在20°以下。因此，自卫飞机发射的激光容易照射导弹头部，不容易照射导弹弹体。一般而言，红外导弹由于是光学探测体制，即便其探测波段与辐照激光不处于同一波段，也更容易受到激光辐照损伤。目前典型的红外制导空空导弹光学系统主要分为折反式和透射式两种，折反式主要是采用卡塞格林光学系统，透射式主要是采用透镜组成像，具体如图4所示。相对而言，折反式系统由于会聚光路前端部分多数采用反射镜，对于辐照的高能激光不仅没有阻断过滤作用，反而会将进入系统的光束能量会聚，使得光路后端的滤光系统和探测器更容易受到毁伤。透射式光学系统一般会采用特定波段的光学材料，如中红外导弹一般采用硅、锗材料制作光学透镜，而目前的高能短波激光很难穿透此类透镜进入到后端的探测系统中，因此相较于折反式光学系统，透射式光学系统更难被高能激光辐照毁伤，AIM–9X导弹据称采用的就是透射式光学系统。

图4 折反式与透射式光学系统Fig.4 Catadioptric and transmissive optical system

对于雷达制导导弹，其导引头一般采用陶瓷天线罩，如图5所示。陶瓷材料属于透光性较差的材料，且其耐高温性能特别优异，受激光辐照时，难以被激光热烧蚀熔融破坏。但是陶瓷材料塑形变形区极小，脆性大，极易断裂，因此如果受到脉冲形式激光冲击，容易被激光脉冲引起的应力以及杂质缺陷吸收激光能量而导致局部炸裂破坏。总体而言，雷达制导导弹相对于红外光学制导导弹毁伤难度更大。

图5 典型雷达导弹陶瓷天线罩Fig.5 Ceramic radome of typical radar missile

2.2 能力需求分析

对于典型空空导弹，近距格斗弹典型发射距离是5～10 km，中远距导弹典型发射距离在20 km以上，同时按照美国相关作战条例，对于大飞机目标或者较远距离发射时，一般会前后发射两枚导弹以确保对目标的摧毁。因此要真正实现载机自卫防护，对机载激光武器系统最低要求为系统有效作用距离不低于5 km；
能够完成对两枚前后来袭导弹的毁伤；
为保证载机安全，毁伤最小距离不得低于2 km。

根据美国海军实验室2008年提交的研究报告[4]，对于初始光斑半径为ω0，传输距离为L的激光束，通过聚焦系统聚焦后，目标位置处的长时平均光斑大小为

式中，Lfocal为系统聚焦距离；
θspread为系统总的发散半角，包括衍射极限发散半角θdiff、光束质量引入的发散半角θquality、大气湍流引入的发散半角θturb、机械抖动半角θjitter、热晕发散半角θbloom，其关系为

式中，θdeff=λ/πω0；
θquality=（β–1）θdiff；
θturb=1.6λ/πr0；
r0=0.184（λ2/C2nL）3/5；
C2n为大气湍流强度。由式（1）和（2）可以看出，当聚焦于目标位置处，即L=Lfocal时，光斑最小，此时ω（L）=θspreadL。假设激光波长为1.06 μm，系统发射口径为350 mm，初始光斑半径为175 mm，大气传输光束质量为4，湍流强度为10–6m–2/3，传输距离20 km，机械抖动2 μrad时，传输总的发散半角为7.64 μrad，聚焦光斑半径为152.8 mm，光斑面积为733.5 cm2。当发散全角为15 μrad时，光斑面积为706.5 cm2。在晴天空气质量良好的情况下，以中纬度乡村型地区10 km高度，能见度23 km使用条件为例[5]，大气透过率如图6所示。

图6 晴天条件下大气透过率Fig.6 Atmospheric transmittance on sunny days

导弹壳体材料多为金属或合金，当照射激光功率密度为103～106W/cm2，在其固定部位辐照3～5 s时，材料局部区域会发生熔融毁伤[6]。考虑实现对导弹的硬毁伤，在激光到靶密度为103W/cm2情况下的激光武器发射功率与有效作用距离的关系见表4。假设发射功率为50 kW,则系统有效作用距离仅为5.2 km，在2～5 km距离范围内，要毁伤两枚空空导弹则有效的毁伤时间不能超过1.5 s，考虑转火时间，有效毁伤时间则在1 s左右，而根据已有文献[7]表明，103W/cm2的到靶功率在1 s时基本不能实现对导弹的硬毁伤，因此要真正实现载机的有效自卫防御，激光发射功率至少应在100 kW以上，对目前的高能激光器系统和机载平台集成都有较大实现难度。

表4 作用距离和发射功率对照表Table 4 Comparison table of operating range and transmitting power

同时，为保证到靶功率密度，通常要求光斑直径≤2倍弹径，以典型主动雷达型空空导弹AIM–120为例，要求远场光斑直径不超过350 mm。考虑激光武器在15 km的距离上对导弹进行攻击，则要求激光的束散角不超过20 μrad；
考虑大气传输的影响，高精度跟瞄要求辐照光斑抖动范围为光斑直径的1/3～1/5[8]，因此对精确跟瞄照射精度要求在5～8 μrad左右。在高动态对抗条件下实现μrad量级的跟瞄精度，对机载自卫激光武器也是巨大的挑战。

自20世纪70年代以来，美国通过多个项目支持了机载激光武器研究工作，从ALL到ABL、从ATL到SHiELD项目，图7为美国主要机载激光武器项目的起始年份。不同项目针对的目标不同，但总体分为战略反导和战术自卫两类。通过多年的研究，美国在机载激光武器研究方面积累了大量经验，但是机载激光武器始终没有真正走入战场应用，在这中间存在着各种技术与工程问题。以目前美国空军主要支持的SHiELD项目为例，简要分析下机载激光武器目前的发展现状。

图7 美国机载激光武器项目开展情况Fig.7 Progress of American airborne laser weapon project

SHiELD项目是美国空军作战司令部和空军研究实验室（AFRL）正在开发的自动防御高能激光验证系统，SHiELD项目计划分为3个方面、两个阶段开展相关研究工作，3个方面主要包括提升下一代紧凑环境的激光器（LANCE）、激光吊舱研究与发展（LPRD）以及束控和航空效应研究与发展（BARD）。两个阶段分为：第1阶段飞行试验将验证激光器能够在足够远的距离追踪目标，并随即以极快的速度打击目标；
第2阶段将集成激光器，并在作战环境下评估激光器性能。目前LPRD项目由波音公司承包，BARD由诺斯罗普·格鲁曼公司承包，LANCE项目由洛马公司承包[9]。

SHiELD项目已经进行了一些地面试验，2019年4月23日，在白沙导弹靶场完成了试射任务，试射中击落了飞行中的多枚导弹（但未透露击落导弹的具体种类和型号），地面原理样机如图8所示。该项目的飞行试验原计划在2020财年开展，但根据美国战区网2020年6月30日报道，美国空军推迟了SHiELD首次机载验证试验，由2021年推迟到2023年，给出的原因是新冠疫情和其他技术因素影响。

图8 SHiELD项目路线图及地面原理样机Fig.8 SHiELD roadmap and prototype of ground principle

综合而言，机载激光武器研究几起几落，前期进展顺利的SHiELD项目也遭遇延期，可见机载激光武器虽然一直备受关注，且国内外也投入了大量的研究经费，但是面临的技术挑战还是非常大，相关应用的具体问题目前并没有得到彻底解决。

机载自卫激光武器一旦应用，将给现有的空战模式和航空武器装备体系带来较大的冲击与影响，具体来说包括以下3个方面。

（1）对传统空战战法的变革。

空空导弹都有不可逃逸攻击区的概念，是指飞机做任何形式机动都会被拦截的导弹最大、最小发射边界。一般而言，在不可逃逸攻击区发射的导弹，命中概率较高，且发射载机可以在此距离使用发射后脱离战术，保证攻击有效性的同时避免进入敌方攻击距离，利用先进的导弹最大程度地获取战场的主动权。但是一旦自卫激光武器成熟应用，即便在不可逃逸攻击区发射的导弹也有较大可能被拦截失效，这将直接导致类似发射–脱离–再入的推磨作战战法失去核心作战能力，使建立在现有导弹优势上的空战理论发生颠覆性改变。

（2）部分取代现有近距机载武器。

受大气传输以及机载平台载荷限制，机载激光武器难以远距离实现对目标的毁伤，但是相较于传统的航炮、近距格斗弹而言，激光武器具有攻击速度快、射击稳定性好、无后坐力、无污染、直接命中、无需考虑弹道和提前量、作战效费比高等特点，同时只要有能源供给，理论上具有无限弹舱。因此机载自卫激光武器未来不仅能够实现对导弹目标的防御拦截，在对抗无人集群目标、打击近距地面或空中目标等方面也具有较好的应用前景，可以大部分取代现有航炮和红外近距格斗弹的功能。

（3）促进导弹光电对抗技术的发展。

随着激光武器技术的发展，各军事强国也在采取措施对抗激光武器的威胁，从而促进了导弹导引头和弹体的激光防护技术研究。比如在光电系统中，对激光具有敏感性和易损性的部位，采取抗激光加固措施，消除或降低激光对光学整流罩、光学元件和探测器的损伤；
在弹体和发动机壳体上，采用耐高温材料或高反射材料，提高损伤阈值或将激光大部分能量反射掉，从而减小高能激光对弹体内部器件和发动机的影响，保护导弹不受损伤。

机载激光武器虽然有好的应用前景，但纵观其发展历程和目前情况来看，实现机载激光武器列装应用的技术挑战还十分巨大，具体包括以下3方面。

（1）武器系统装机挑战。

机载激光武器装机主要考虑3个方面：
一是载机可接受的武器系统体积重量；
二是载机可提供的能源；
三是激光武器搭载的位置和可接受的发射口径大小。体积重量方面，根据目前和将来可能的战斗机能力水平，可搭载激光武器系统重量不能超过1000 kg，体积应不超过2 m3。具有实战效能的高能激光武器系统功重比要在5 kg/kW以内，这里的功重比5 kg/kW不仅包括激光输出部分，同时还应包括配套的水冷与电源，目前要实现这个指标的难度非常大。能源供应方面，高功率激光器工作时需要系统在短时间内提供极高的功率（数百千瓦以上），目前飞机可提供的整体供电可能也就几百千瓦，与机载激光武器要求有较大差距。另外激光武器发射转塔在飞机上的布置也会影响激光武器的能力。如果采用吊舱或转塔形式，需要考虑吊舱或转塔的气动外形对飞机气动力的影响，以及气流对激光光束传输的影响，装备隐身飞机时，集成时还需要考虑保形设计以及窗口的隐身处理等问题，搭载集成的难度较大。

（2）基础技术挑战。

除了激光器与跟瞄等普适技术外，机载自卫激光武器还要解决载机附面层气流校正以及高速目标毁伤验证等基础技术问题。当载机以超声速或亚音速飞行时，其周围会形成复杂的附面层气流场，图9为转塔类型激光武器周围流场图。这种流场的不均匀性会导致光学折射率的不均匀，进而影响光束的传输。传统解决大气湍流扰动的方式是采用自适应校正光学系统，但是对于超音速附面层大气以及自卫防御作战应用而言，传统的自适应校正方式一是校正频率难以匹配附面层气流的高频变化，二是自适应校正一般是由目标返回的信标光提供校正的波面相位数据，而自卫防御中，目标尺寸较小且在持续运动中，难以通过回波有效解算校正相位。另外对于高速运动条件下的导弹目标，激光辐照效应与地面静态试验必然有较大差距，需要研究相关的毁伤效应。

图9 机载激光武器转塔周围流场示意图Fig.9 Flow field around turret of airborne laser weapon

（3）对抗技术挑战。

激光武器有其明显的优点，但激光毁伤基本原理也决定了其有无法回避的缺点。（1）激光武器虽然是光速到达，但不是光速毁伤，毁伤需要时间积累，在高动态目标对抗时，有效的辐照时间决定了激光武器的成败，一旦目标采取自转或者快速机动变化的工作模式，将导致激光武器的杀伤效能大幅度下降[10]。（2）激光武器要求的辐照精度非常高，对跟瞄系统的稳定性、快速性和精确性都有较高要求，目标如果采用干扰对抗激光跟瞄系统的方式，将导致高能激光无法准确辐照而失去作战效能。美国计划2021年启动的反高能激光（C–HEL）项目就是发展一种能够在高能激光武器毁伤之前探测、定位并扰乱激光武器杀伤链并为多种武器装备提供激光防护措施及作战概念。因此即便机载自卫激光武器走向成熟，也有可能因对抗技术的发展而导致无法真正发挥出实战效能。

用于载机的自卫防御是机载激光武器的重要应用方向之一，要实现对来袭防空战术导弹的有效拦截防御，需要激光输出功率达到百千瓦以上，跟瞄精度达到μrad量级，还要解决相应的装机问题以及大气传输问题，以目前技术水平来看，机载自卫激光武器仍然面临巨大的挑战，在5～10年内实现的可能性较小。同时机载自卫激光武器还面临未来激光对抗技术的挑战，即便实现列装，激光打击与导弹对抗也会在很长一段时间内处于对抗升级、共同进步的状态，但是随着机载激光武器的使用，未来空战场将更加变幻莫测。