【关注】浅析美国无人机载激光反导计划
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美国导弹防御局（MDA）于2016年8月在“联邦商机”网站上发布先进技术创新项目跨部门公告[1]，向军工企业寻求用于导弹防御的“低功率激光验证机”解决方案。该项目将基于MDA“定向能研究”项目中的激光技术和“分辨传感器技术”项目中的跟踪技术，开发低功率激光验证机的工业概念，将激光器、探测器、光束控制系统，处理器、电源和热管理系统集成到高空机载平台，以演示验证激光武器的捕获、跟踪和杀伤能力，并最终与美国现有导弹防御系统进行联合试验。该项目是MDA助推段无人机载激光反导“两步走”战略的第一步，标志着固体激光反导武器从基础科学研究，正式进入工程化开发阶段。
背景与动机
构建三段多层的一体化反导体系是MDA多年的心愿。目前，美国中段弹道导弹防御技术日益完善，作战能力和可靠性不断提升；末段防御系统技术成熟，已具备较强作战能力；助推段可借助天基红外卫星系统实现早期预警，唯独缺少有效的拦截措施。实际上，处于助推段的导弹具有目标特征明显、飞行速度相对较慢、头体尚未分离、诱饵假目标尚未释放等特点，具有最高的拦截成功率和效费比。
MDA自上世纪90年代起就开展激光反导项目，但限于技术瓶颈和成本因素，这些项目都相继下马。其中最具代表性的是波音公司的 “机载激光器”（ABL）项目，该项目历时16年，耗资超过50亿美元，最终因氧碘化学激光器的输出功率不达标、激光在大气层内强的“吸收”和“抖动”效应等无法克服的技术难题而于2011年被取消。尽管如此，ABL还是帮助研究人员掌握了机载激光器、光束控制和能源制备等技术积累，以及平台抖动和飞行高度的试验经验，为MDA发展后续机载激光武器打下基础。随着近年来固体激光器在功率、重量、波束质量和可扩展性取得了一系列进展，使MDA决定重启助推段激光反导计划。为了避免技术冒进带来的风险，MDA决定先从“低功率激光验证机”入手开发。
左：ABL作战概念图；
右：ABL项目下马后，废弃的波音747-400F载机
总体概况
“低功率激光验证机”的开发重点包括一个100瓦级的低功率代理高能激光器、一个千瓦级的跟踪激光器和一个10~150千瓦的任务激光器。鉴于助推段杀伤的关键在于防区外远程捕获、跟踪和锁定目标，该样机也将逐步验证跟踪激光器的捕获和跟踪能力、代理高能激光器的瞄准和稳定精度、以及任务激光器的远距离作战效能，这些步骤也印证了激光武器在实际弹道导弹防御系统中的作战概念。低功率激光验证机将提供必要的技术、实验数据和作战经验，为后期过渡到实战高功率激光反导武器奠定基础。
根据规划，MDA将在2017财年分析和评估将千瓦级激光器集成到无人机并进行导弹防御试验的工业概念，确定最优的激光和无人机组合[3]。在初始设计评审中，MDA将从波音公司、通用原子公司、洛·马公司、诺·格公司和雷神公司给出的五种工业概念中选出两种，进行组件研发、系统工程开发、无人机平台改装等工作。2018财年，MDA将对该项目进行关键设计评审，从两家承包商中选出一家，授予一份为期4年的工程制造和试验合同。在2020财年，除了地面试验外，低功率激光验证机还将搭载无人机平台进行飞行试验。在最后的2021财年，该验证机将进行目标捕获与跟踪、精确瞄准和验证任务激光器性能的演示试验，最终参与到现有的弹道导弹防御系统中进行作战概念验证。
技术路线
固体激光器是当下最有潜力成为机载定向能武器的激光器，尽管输出功率比化学激光器低，但鉴于它有望实现最优的质量功率比，且具备模块化制造、无需复杂的安全措施和后勤保障等优势，已经成为MDA和国防高级研究计划局（DARPA）重点关注的前沿技术。ABL项目取消当年，MDA就启动了“定向能研究”项目，用于资助林肯实验室的光纤组合激光器和劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的二极管泵浦碱激光器的研发工作。2012年，MDA通过了这两种激光器的架构可行性验证。
左：林肯实验室的光纤组合激光器；
右：利弗莫尔实验室的二极管泵浦碱激光器
01
光纤组合激光器
光纤激光器是以掺杂金属元素的玻璃纤维作为增益介质以产生激光输出的装置，与传统固体激光器相比，该激光器的电光转换效率可超过40%，能发出接近理想衍射极限的光束，封装后可在极端的温度、冲击和振动等军事环境下可靠工作。考虑到单个光纤激光器的输出功率有限，需采用波长组合技术和/或相参组合技术将多个光纤放大器的能量汇聚起来，以形成具备作战能力的高能激光波束。
在MDA和DARPA的资助下，林肯实验室研究团队于2012年采用衍射相参组合法，将5个500瓦的光纤放大器功率合成为1.93 千瓦，
其输出光束质量超过了输入光束；2013年，该实验室组合了21个独立的光纤放大器阵列，创纪录地实现了17.5千瓦的功率输出和接近完美的光束质量，并展示了1.5千瓦的单个可组合光纤放大器；2014年，该团队通过组合42个光纤激光器使输出功率达到44千瓦，但该激光器的体积与一个房间相当，质量功率比高达40千克/千瓦（ABL的为55千克/千瓦）；2015年，MDA完成了小尺寸、轻型和低功耗光纤组合激光器的概念设计和系统成熟度评审，实验人员在低输入功率下用101个单元演示验证了光纤组合激光器的成比例扩展能力。近两年内，光纤组合激光器将进行关键设计评审，并向着5千克/千瓦的低质量功率比目标迈进。
02
二极管泵浦碱激光器
二极管泵浦碱激光器是以碱金属原子的饱和蒸汽作为增益介质、以半导体二极管作为泵浦源的激光器。它的量子效率理论值超过90%，与一般固体激光介质相比，废热量减少了80%，另外，碱元素的激光波长能够与大气传输窗口相匹配，且位于近红外电学耦合元件的敏感波段，因此在国防上有重要应用价值。近年来随着半导体泵浦源技术的不断成熟，碱金属激光器的输出功率已从2005年的1毫瓦提升了5个数量级。与光纤组合放大器不同，二极管泵浦碱激光器是通过增加单个激光增益模块的尺寸来成比例地放大输出功率，该方案虽设计简单，但需要在单个模块内处理非常高的能量，具有一定的危险性。
二极管泵浦碱激光器也受到了MDA和DARPA的资助。2012年，利弗莫尔实验室将碱激光器的输出功率提高了三倍、效率提高了50%；2013年，该激光器创造了3.9千瓦平均功率的记录，并在该功率下维持了4分钟；2014年，激光器的功率进一步提高到5千瓦，随后，其硬件被重新设计、制造和集成以用于功率扩展；2015年，碱激光器功率达到了14千瓦，累积运行时间超过100分钟，且所有系统部件均未有劣化迹象。未来几年内，实验室将冲刺具备精确瞄准和目标锁定能力的30千瓦二极管泵浦碱激光器，并初步开展120千瓦激光系统的方案设计。
分析研判
与先前的助推段反导计划相比，“低功率激光验证机”在顶层设计、技术开发和系统集成方面有以下特点：
步步为营、多项研究交叉结合的开发思路
ABL项目前期，氧碘化学激光器在小型化问题未得到解决的条件下就匆匆搬上了波音-747F载机平台，为最终失败埋下了隐患。鉴于此，MDA在发展固体激光器时采取了更加慎重和包容的态度，在MDA年度预算书和项目跨部门公告中，多次使用了“逐步”、“分阶段”、“按比例放大”等词，以循序渐进地提高技术成熟度，避免因顶层规划冒进带而带来的损失。在宏观布局上，MDA开展多个项目作为激光反导样机的辅助支撑，在纵向上，除了林肯实验室和利弗莫尔实验室的奠基性激光技术，还有新罕布什尔大学正在开发的碱激光器元器件研究；在横向上，除了研发具备助推段高分辨能力的先进传感器，还着手选择和升级现有无人载机平台，使其具备高空、慢速、大载重和长航时能力。
激光器基础研究发展迅猛，但达到关键技术指标难度巨大
目前，光纤组合激光器和二极管泵浦碱激光器在基础研究上发展火热，仅2016年关于光纤组合激光器比放技术的文献就达8350篇，此外，众多光学实验室开展大功率和轻型化技术攻关，探索新型光纤组合和碱金属泵浦技术，以为激光器的实用化铺平道路。当下，这两类激光器都亟待解决“三高”（高功率、高效率、高光束质量）和“三小”（小尺寸、小质量和小功耗）难题，具体而言，光纤组合激光器需要提升单个放大器模块的输出功率、改善多光束组合效率，缩小激光阵列和电源尺寸，改进冷却散热系统等；碱激光器需要解决功率扩展问题、弱化光束非线性效应，做好模块比放时的安保措施等。为具备实战可行性，激光器功率须达到1兆瓦量级，质量功率比须低于5千克/千瓦，这两个指标都比现有能力记录好一个数量级，其技术开发难度可想而知。
三种高空长航时无人机：“鬼眼”、“复仇者”和“全球鹰”
系统集成难度大，战斗力实现前途坎坷
相比于技术研发，“低功率激光验证机”更是一个侧重系统集成的工程化项目。在项目后期，激光器和跟踪传感器等载荷将被安装到无人机平台上，因此须解决激光器的重量和体积与无人机的载重和适装性之间的矛盾。目前，能实现18,000米飞行高度的高空长航时无人机仅有波音公司的“鬼眼”、 通用原子公司的“复仇者”和诺格公司的“全球鹰”无人机，其中，仅有“全球鹰”经过实战考验。以5千克/千瓦的质量功率比计算，要达到1兆瓦输出功率，激光器重量要达到5吨，这远高于“全球鹰”1.36吨的最大载重量，更别说实现平台载荷一体化和隐身飞行能力了。从战术角度而言，该项目还将面临无人机总重与飞行高度、航时/航程之间的矛盾，激光的有限毁伤距离和防区外远程拦截的矛盾等等，有任何一个矛盾无法解决都可能使助推段激光反导面临胎死腹中的命运。
启示与建议
通过审视美国激光反导的得与失，可对发展新概念武器装备形成以下两点启示。
在采办新概念装备时，要踩实“三个脚印”
新概念装备具有改变战场形态的潜力，但也普遍存在着开发成本高、难度大、成功率低等弊端。纵观新概念装备的研发历史，像ABL等这种前景看似明朗、但耗费了大量财力物力也未达到预期目标的项目比比皆是，究其原因，在于没有踩实“三个脚印”。
第一个“脚印”是项目采办初期的可行性验证，要求结合当时技术水平、工业实力和预算成本，确定项目具备可行性和生存能力；第二个“脚印”是采办过程中的技术成熟度验证，需要确定关键技术、功能模块和分系统的成熟度已达到预期；第三个脚印是项目采办末期的可靠性验证，需要开展试验以确定系统满足高可靠、长寿命要求。因没有踩实“三个脚印”而下马的包括美国上世纪80年代的“天基激光武器”计划、本文中的ABL项目和俄罗斯的苏-47前掠翼战机项目等。反之，那些严格遵守“三个脚印”的新概念装备，如B-2轰炸机、F-22战机，往往都获得了成功。因此，应遏制“大干快上”的采办作风，循序渐进、稳扎稳打地展开装备研发，一步一个脚印，才能少走甚至不走弯路。
在研究新型技术时，要坚持“一个中心”，注重“两类技术”
技术是推动新概念装备发展的动力，也是颠覆未来战场形态的源泉。在研究新型技术时，应围绕“实现战斗力”这一中心而展开，有针对性地发展潜力技术。其中，有两类技术值得特别关注。
第一类技术是“颠覆性技术”。该技术通常在短时间内获得爆炸性的发展，显示出很好的应用前景，但它们基本上处于实验室研究阶段，高潜力的同时兼具高风险特征。眼下，各种打着“颠覆性”名号的技术层出不穷，扑朔迷离。为避免落入高投入、低/零产出的“技术陷阱”，情报、技术和决策人员要展开充分的评估分析，淘沙得金，并加快科技成果转化，将这类技术尽快从实验室拉入战场实践。
第二类技术是“备用技术”。该技术通常处于缓慢量变、逐渐进步发展状态，由于性能指标与主流技术相差过大，前景也不像“颠覆性技术”那样被看好，因此长期处于辅助备用地位。尽管如此，该类技术没有本质的瓶颈制约，经过持续发展有望对主流技术形成逆袭。正如固体激光器，通过逐步改进比放措施，慢慢对主流化学激光器形成优势，并最终成为未来激光武器的最佳选择。这类技术需要锲而不舍、持之以恒地攻坚，不断增强储备力量，最终推广到实战应用中来。
本文以MDA无人机载激光器反导计划为研究对象，详细剖析了助推段激光反导所面临的诸多挑战，为我国未来发展激光武器等新概念设备提出了启示与建议。鉴于无人自主技术的进步以及激光武器的重大价值，无人机载激光武器势必成为MDA众多研发项目中的新宠，并有望发展成为未来助推段反导的重要力量。
作者：王虎
本文刊载于《飞航导弹》2017年第11期
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