來源：《中國電子科學研究院學報》第14卷第5期
轉自：學術plus
作者：曹秋生 路靜 柳建光 閆婧
摘 要：綜述SHiELD項目和美國空軍機載雷射武器發展路線。在典型參數設定下仿真計算機載雷射武器對戰術飛彈目標的毀傷距離，並給出相關的變化關係曲線，供系統設計和評估參考。基於衍射極限限制和聚焦發射兩種方法得到的結果呈現很好的符合性，表明雷射光束在聚焦發射時同樣遵從衍射極限限制特性。仿真結果還表明，除了增加雷射發射功率、延長目標照射時間外，改善光束質量和加大發射口徑對增大照射在目標上的雷射功率密度、提高目標毀傷距離尤為有效。最後，圍繞戰鬥機平臺的尺寸/重量/耗能約束、高速飛行環境和自衛作戰要求，探討若干挑戰性技術問題。
關鍵詞: 高能雷射；機載雷射武器；毀傷距離；衍射極限限制；動態跟蹤；大氣效應
機載雷射武器可充分利用中高空大氣潔淨度高、雷射大氣傳輸效應弱的優勢，並不大受攜彈量限制，具有廣闊應用前景。美軍基於二氧化碳[1]和化學高能雷射器[2-4]開展過機載雷射武器的研究和演示,然而由於雷射體制在體積、重量和安全性等方面的固有缺陷，項目未能持續。
以電為能源的板條或光纖固體雷射器在小型輕量化、大功率輸出和高光束質量方面具有優勢並且波長短、聚焦性好，是當前機載雷射武器領域所倚重的主要技術體制。但受機載環境特性約束以及高能固體雷射現有發展水平的局限，機載雷射武器目前尚處於技術體制確定、關鍵技術攻關研究和系統集成試驗階段，要達到實用化還面臨諸多技術挑戰。
美國已經啟動和開展了多個基於固體雷射體制的機載雷射武器研發項目[3]，其中自衛高能雷射演示樣機（Self-protect High Energy Laser Demonstrator，SHiELD）項目最具代表性，可為機載雷射武器的未來發展提供啟示和借鑑。
該項目由美國空軍研究實驗室(AFRL)主導，周期為2015到2021財年，總經費為2.814億美元，將研發和演示以平臺自衛為目的、以飛彈或無人機等空中威脅目標為打擊對象[5]的戰術噴氣戰鬥機載緊湊型雷射武器系統，技術成熟度（TRL）要求6級。
研究內容涉及滿足戰鬥機大小、重量和耗能約束的雷射武器系統設計實現，亞音速-超音速航空光學效應抑制，敏捷、緊湊、大口徑並適應飛行環境的光束定向器，以及飛彈動目標捕獲、跟蹤、對準、毀傷等關鍵技術。
預期成果：
AFRL傾向於採用吊艙式獨立結構以利於飛機安裝、減少氣動影響和成果在不同飛機平臺（包括無人作戰飛機）間的移植應用。系統分為三個子系統。其中：
（1）氣動集成吊艙結構子系統（LPRD）由波音公司負責，為雷射器提供機上安裝空間、能源和製冷。
（2）光束控制轉塔子系統（STRAFE）由諾·格公司負責，適合中等雷射能量水平，將集成於吊艙結構子系統中，結構應符合適航要求。將在地面和空中各種跨聲速飛行場景下進行非合作目標捕獲、跟蹤、對準及打擊性能演示，表徵系統在跨聲速和超聲速飛行中的氣動和振動環境特性，包括針對各種場景的詳細氣動光學波前時空變化和瞄準線穩定特性。
（3）高能雷射子系統（LANCE）由洛·馬公司負責[6-8]，要求為研究和提升新穎的前沿雷射器技術和實施途徑，研發在戰術飛行應力條件下具有最小化光束質量退化的可靠、堅固的高能雷射器，集成到系統氣動結構中和戰術飛機上，支撐系統飛行測試和演示。工作內容還包括量化典型飛行條件下的關鍵雷射參數如雷射輸出功率、電-光效率、功率穩定性、光束抖動、桶中功率等。工作重點將針對飛機平臺約束，聚焦於提高出光效率，減小體積、重量和能耗，獲得接近理想的光束質量，並關注機載環境下突出的過載和氣動效應問題。
項目將在2019和2020財年開展第一階段低功率機載測試飛行試驗，以一臺較低功率雷射器替代LANCE並作為目標預瞄準指示器，構成符合飛行要求、具有光束和系統控制功能及雷射供電電源和冷卻設備的吊艙型式，演示跨聲速飛行光束控制性能，並利用信標光源表徵超聲速飛行氣動效應，研究超聲速環境如何影響雷射束的傳播及如何補償雷射大氣畸變。
第二階段高功率機載測試飛行試驗計劃安排在2021財年，將在戰術戰鬥機上試驗集成了LANCE的全尺寸雷射武器樣機，開展亞音速/超音速飛行測試，確認LANCE 與其它子系統的工作協調性、機載電池的功率提供能力，尤其是確定雷射器是否會過熱而需附加熱管理措施。
SHiELD的具體戰技指標並未公開，但可以歸納出四方面的明確要求，即（1）以戰術噴氣戰鬥機作為裝載平臺，意味著對設備適裝性要求非常嚴苛；（2）以戰術飛彈為主要打擊目標，意味著系統應具備硬目標毀傷能力和出色的動態目標精密跟瞄能力；（3）以平臺自衛為任務使命，意味著攻擊角度範圍要大，火力轉移要快；（4）系統要在跨音速/超音速或高過載飛行環境下進行飛行測試，意味著要在實際飛行環境對系統作戰能力進行驗證。
AFRL圍繞機載高能雷射武器制訂發展路線，持續增加其角色作用和投資額度，始終貫穿著減小體積（S）、重量（W）、耗能（P）和提升反介入/區域拒止（A2/AD）能力的思想，明確提出雷射源、光束控制、目標捕獲跟蹤對準（APT）、能源/熱管理和目標效應、數值分析等技術研究內容，既反映了技術攻關的難點和重點，又體現了美空軍發展機載雷射武器的需求牽引和目的。
2013年版路線圖對高能雷射器的發展劃分了三個階段。
第一階段是針對傳感器和地面軟目標，發展吊艙式數十kW級連續或脈衝雷射；
第二階段是針對中距離威脅目標，發展100kW以上高能雷射；
第三階段是針對射程內的空中及地面硬目標，發展300kW以上高能雷射。
更新後的2018年版路線圖[9]中，機載雷射武器系統的：
第一階段（2018-2021年）為入門級演示階段，基於數十kW級高能雷射，演示毀傷紅外製導空空飛彈和傳感器；
第二階段（到2025年）基於100kW級高能雷射和第4代、第5代戰機，演示針對飛機平臺自衛的中距離飛彈和飛機毀傷及對地面硬目標的超精確打擊；
第三階段（到2029年或之後）基於300kW級高能雷射和第6代戰機，演示對視距外飛機、射程內飛行硬目標和地面硬目標的毀傷。
路線圖未直接提及MW級雷射器及武器系統，但值得注意的是，AFRL於2019年1月15日發布「緊湊型高能雷射子系統工程評估（CHELSEA）」項目公告，期望在LANCE基礎上進一步提高出光功率和效率。項目數據將用於在2024年前設計製造TRL5級、適用近音速戰術飛機的緊湊堅固的高能雷射子系統，以取代LANCE或作為新的機載雷射系統的一部分，並可能影響之後美國政府的技術投入決策[10]。
雷射武器對金屬和非金屬靶材，存在層裂破壞、熱爆炸破壞和熱燒蝕等破壞機制[7]。在目前的雷射輸出功率水平上多屬於熱燒蝕機制，即目標被高能雷射照射的部位由表及裡急劇升溫，引起材料熔融或氣化，導致目標凹陷變形等機械結構破壞，甚至燒穿殼體，進而燒壞目標內部零部件引起失控，或點燃助推器燃料箱引起爆炸等[11,12]。
目標毀傷最小雷射照射能量密度Em等於照射作用時間tm和雷射功率密度毀傷閾值Im的乘積。因為照射過程中的熱量損失，靠延長tm積累雷射照射能量來降低Im值有一定限度。對於飛機平臺自衛，由於來襲飛彈速度快、機動性強，保持雷射長時駐留目標不易，因而tm應越短越好，這樣還可弱化雷射光束漂移和抖動的影響。事實上，對飛彈目標的確切毀傷閾值目前並不十分明確，其與目標殼體材料、內外結構、表面塗覆和氣象環境（溫度、風）及運動狀態（是否自旋、姿態變化）等有關。李勇等[12]針對鋼製殼體飛毛腿飛彈估算出其Em=3.28kJ/cm2（不考慮彈體自旋），由此可得Im=3280W/cm2（tm=1s）或Im=1093W/cm2（tm=3s）。
把基於夫琅和費衍射理論的艾裡斑（佔總功率83.8%）作為作用在目標上的雷射光斑，通過下式把雷射發射功率Pt與最大目標毀傷距離Rm、到靶功率密度毀傷閾值Im、波長λ、光束質量因子β、發射光學透過率τ0、大氣透過率τ1、發射口徑D和飛彈殼體表面雷射反射率r、雷射入射方向與目標表面法線夾角α關聯起來[11，12]：
（1）
假定r= 0.3，τ0=0.7，α= 10°，λ=1.064μm（實際取決於摻雜元素種類）。考慮中高空良好氣象條件。由於近紅外雷射幾乎不存在分子吸收，分子散射比氣溶膠衰減約小1-2個數量級，氣溶膠散射和吸收是主要衰減因素[13]，則：
（2）
其中v為能見度，假設為80km，對應q值為1.6。
此外，實際高能雷射的光束質量與理想值相比有一定差距且在傳輸過程中會產生一定程度的退化，因此綜合考慮設β=2.5。利用式（1）和（2），計算得到一系列關係曲線。從圖1可見，要在1s左右擊毀5km遠的飛彈，Pt約為25kW（D=0.9m）或55kW（D=0.6m）或220kW（D=0.3m）。如延長tm，即降低Im值，則所需的Pt將減小。顯然Pt隨D的增大而顯著減小，但隨之會增加ATP系統的體積和重量及對飛機氣動甚至隱身特性的影響。對戰術戰鬥機，D的值以小於1m為宜。圖2顯示Rm與Pt和Im的變化關係，圖3顯示Rm一定時，β對所需Pt的顯著影響，充分說明改善光束質量比單純提高發射功率更有實際意義。
圖1雷射器輸出功率與毀傷閾值和雷射發射口徑（Rm=5km，β=2.5）
圖3雷射光束質量與雷射輸出功率需求（D=0.6m，Rm=10km）
圖2中部分結果列於表1。可見，對D= 0.6m和tm= 1-3s，Rm可達4-8km（Pt=50kW）或6-12km（Pt=100kW）或11-19km（Pt=300kW）；當Pt達到1MW量級以上，Rm將相當或超過近程空空飛彈的射程（～20km）。
表1基於衍射極限限制的目標毀傷距離Rm仿真結果(D=0.6，β=2.5)
在工程上常採用所謂聚焦發射技術[14]，即高能雷射在APT系統引導下，經卡式發射光學系統聚焦在被打擊目標上，且聚焦距離可通過微調次鏡位置（微調量δ）而跟隨目標變化。設發射主鏡和次鏡的曲率半徑分別為2.4m和0.08m，β為2.5，調整光路使得口徑D為0.6m的主鏡上光斑半徑為0.3m,則根據雷射光束傳輸理論[15]，通過數學軟體MATHCAD14可估算聚焦距離F(δ)和光斑半徑W(δ)隨δ的變化關係。從圖4a可見，F(δ)存在一個最大值，且相應的聚焦光斑半徑W(δ)也是變化的。對應F(δ)曲線上升沿的光斑較大、雷射功率密度較小，因此實際雷射武器系統宜選擇工作在F(δ)曲線的下降沿，即所謂的「功率聚焦」模式[14]，以獲得較小的光斑、較大的雷射功率密度和較強的目標毀傷能力。此時，顯見聚焦光斑隨聚焦距離而增大，如果定義：
（3）
這裡Rm（δ）為目標距離，聚焦發射時實際上等於F(δ)，則可得到A（δ）的變化曲線示於圖4b。可見，在F(δ)的下降沿， A（δ）的值基本保持恆定（～1.27），呈現類似衍射極限限制的特性。而對應F(δ)的上升沿，A（δ）隨δ快速變化，與衍射極限限制特性完全不同，此時系統聚焦狀態具有強烈的不穩定性，不利於雷射發射聚焦工作。
假設目標上的聚焦光斑保持圓形分布，則基於光斑半徑W（δ）的雷射平均到靶功率密度I（δ）按下式變化：
圖5所示為不同雷射發射功率下I（δ）隨δ的變化關係。在圖5a中，I（δ）對應Im=3280W/cm2於A點，相應的δ值對應F(δ)曲線於C點，對應F(δ)為4.85km，這即武器系統對應Pt=50kW和tm=1s的最遠飛彈目標毀傷距離Rm。同理可以找到B和D點，對應Im=1093W/cm2、tm=3s和Rm=8.16km。線段CD反映了雷射武器系統所處的調焦工作狀態，集中體現了聚焦距離、毀傷閾值、毀傷能力及照射作用時間等特性。對圖5b、c、d作同樣處理後，得到幾組仿真結果，示於表2。與表1比較，可見結果高度一致，說明兩種方法都遵從衍射極限限制特性。
表2基於聚焦發射的目標毀傷距離Rm仿真結果(D=0.6m，β=2.5)
4.1 飛機平臺特性約束下的高轉換效率、高光束質量、高功率雷射輸出
高轉換效率、高光束質量、高功率輸出是全固態高能雷射器普遍追求的目標，而嚴苛的體積、重量、耗能及氣動特性限制是機載雷射武器領域的特殊問題。當前技術路線主要集中於單口徑輸出和多鏈路相干或非相干合成兩類，增益介質大多採用板條或光纖或二者結合。相干合成體制在系統成本控制、熱管理和光束控制方面具有潛在優勢，但在單元光束淨化、相位控制、孔徑填充和光軸校準等方面尚存在技術難點[16]。非相干合成方式相對簡單易行，其遠場雷射功率疊加的效果可能適合某些實際需要。
美國諾·格公司於2009年在JHPSSL項目中基於端面抽運傳導冷卻板條雷射器結構採用7路15kW級模塊相干合成實現了105kW雷射輸出[17]，光束質量BQ值為2.9，相當於β值為7。達信公司在HELLADS計劃中利用「薄Z字形」陶瓷板條專利技術[17]，採用6個17kW模塊串聯單諧振腔方式實現了100kW高功率雷射輸出，但光束質量指標未達到要求。美國DARPA的HELLADS項目提出了輸出功率150kW、重量770kg的指標要求[3]，但尚未見實際達到情況報導。
美國IPG公司2009年就已實現了9.6kW的單纖單模雷射輸出，電光效率高於23%，其多模連續光纖雷射器輸出功率可達50kW，電光效率高於25%[18]，但光束質量因子在30左右。IPG公司採用單頻種子源相位調製MOPA結構2015年實現了波長1030nm的2.2kW窄線寬雷射輸出[19]，光束質量因子小於1.1，插頭效率達40%。洛·馬公司基于波分復用（WDM）技術的所謂「頻譜組束」技術，把多個不同雷射光束融合進一個纖芯中，其中每一個雷射器都工作在自己的狹窄光譜內，實現光纖雷射器高光束質量高能輸出[20]，其正在研發的HELIOS系統據稱將輸出150kW的功率。中國工程物理研究院2016年實現了共孔徑光譜合成9.6kW功率輸出[21]，光束質量因子約為3，並在研究採用雙MLD光柵光譜合成結構[22]，以期實現80kW（1030-1050nm）或200kW(1030-1085nm)功率輸出。
高能固體雷射器將電能轉換為雷射後大量多餘廢熱需迅速消散，以免在增益介質中產生熱積累，帶來溫度升高甚至熱畸變，嚴重影響雷射輸出功率和光束質量。高效緊湊的冷卻和熱管理系統必須滿足體積、重量和耗能方面的機載要求，其趨勢是應用相變儲熱方法[23]，還可考慮環路熱管、強化換熱等技術。
常規機載供電很難直接滿足雷射武器供電需求，需要採用獨立任務電源或在機載發電機和高能雷射電源之間設置儲能裝置，實現發電、充電和儲能組合供電。儲能裝置必須滿足機載環境要求，並具有高能量和功率密度、能快速充放電、循環使用壽命長、可靠性高等特性，儲能方式有電池、超高速飛輪及超級電容器等[24]。
總之，當前全固態雷射器已能實現100kW級功率輸出，但普遍需要解決光束質量退化問題，一般電光轉換效率難以超過40%，質量功率比一般高於5kg/kW，在飛機環境適裝性和適應性方面的整體性能有待充分驗證。
雷射武器藉助粗精多跟蹤通道APT系統實現微弧度級高精度複合控制，有效投送高能雷射和毀傷目標。APT通常採用紅外和可見光成像探測手段，其粗跟蹤單元具有較大的視場和較低的伺服帶寬，完成目標初始捕獲和粗跟蹤，而精跟蹤單元具有較小的視場和動態範圍、較高的伺服帶寬，進一步抑制粗跟蹤殘差和寬功率譜振動，實現快速實時高精度目標跟蹤和對準[25]。
戰鬥機以音速/亞音速飛行，空空飛彈如AIM-120速度達到4馬赫，平臺和目標間的大速度大角度相對運動容易引起目標跟蹤滯後甚至丟失。目標位置、背景、光照和輪廓大小、形狀等的動態變化以及平臺和目標抖動造成的圖像模糊、光軸指向不穩等，都要求系統信號檢測靈敏，目標捕獲跟蹤和聚焦發射處理與控制精度高、動態範圍大、實時性強、反應速度快、智能化好。
系統應能經受住飛機顛簸和加速過載，並能對飛機的各種運動進行補償, 包括慢速搖擺、快速振動及由氣流和湍流所引起的顛振。當飛機超音速飛行時，對前方大氣產生強擾動，形成激波，引起大氣壓強、密度、溫度突然升高。當光通過時,受高溫激波流場幹擾會發生光線偏折而引起視覺誤差，受熱輻射影響會降低紅外成像探測信噪比，產生圖像模糊、抖動甚至畸變等一系列氣動光學效應[26]，需進行校正。
高能雷射在大氣傳輸過程中，與大氣相互作用，產生一系列線性和非線性效應，導致雷射功率損失和光斑擴展、漂移、抖動甚至畸變，從而降低到靶雷射功率密度、能量集中度及光斑穩定性。SHiELD項目將飛機及雷射吊艙周圍的超聲速環境對雷射束傳播的影響和雷射大氣畸變補償作為研究和試驗內容，以掌握飛行環境大氣效應規律，最小化雷射功率衰減、光束質量退化及光斑抖動或漂移，確保雷射功率或能量有效投送到目標上。
機載雷射大氣傳輸效應除常規大氣效應外，還包括由飛行和作戰環境引起的效應，如圖6所示。大氣折射是指大氣密度不均勻所致的雷射傳輸路徑彎曲現象，傳輸距離較短時可忽略。大氣分子吸收導致雷射功率衰減但一般不影響光束質量，波長在「大氣窗口」的雷射大氣吸收較少，具有較高的大氣透過率。而氣溶膠（懸浮微粒）散射不僅導致雷射功率衰減，還會影響光強分布，但主要存在於近地面和低空，隨海拔高度減弱。大氣能見度較低時，以氣溶膠散射為主，可忽略分子散射。
當雷射傳輸通過大氣湍流時，由於大氣中局部溫度、壓強等隨機變化引起的折射率無規則分布，受到擾 動而出現光軸抖動和相位、光強隨機起伏，表現出光斑漂移、擴展和閃爍等現象，與雷射波長、傳輸距離和湍流強度相關，受溫度、風速等影響並隨時間變化。通常用折射率結構常數Cn2 =10-nm-2/3描述大氣湍流強度（強、中、弱湍流時n分別為-12、-14和-16)，用大氣相干長度r0=Cλ6/5（Cn2/Rm）-3/5描述大氣波前畸變範圍[27]（平面波C=0.185）。
熱暈效應即當高能雷射在大氣中傳輸時，加熱空氣形成負透鏡，當存在側向風時，形成特有的彎向上風的彎月形光束分布，造成光的畸變、彎曲和發散，與雷射傳輸功率、光束幾何參數和空氣熱力學特性等有關，可用Bradley-Hermann畸變參數N表示[28]。熱暈效應與湍流效應具有相互作用，當湍流效應較強時，可認為熱暈效應是在湍流效應基礎上產生的，當湍流效應較弱時，可認為二者作用相互獨立。當高能雷射傳輸功率大到一定值時，目標上的雷射功率密度不僅不隨之增大，反而隨之減小，從而限制了雷射功率在大氣中的傳輸，且該值隨大氣湍流效應的增強而進一步減小。
當雷射功率密度大於某一閾值時（通常>108W/cm2），氣體吸收光子發生電離，形成高密度等離子體，即所謂的擊穿效應，使雷射入射受到阻斷。當前雷射功率水平下可暫不考慮擊穿效應。拉曼效應是指雷射傳輸時與大氣分子運動相互作用而引起的頻率發生變化的散射，會對雷射功率產生衰減，但所佔比例很小，一般可忽略。
考慮常規大氣傳輸效應後，式（1）可修正為[29]：
其中，σJ為大氣抖動幅度，σD=（21/2/p）（λ/D）為光束衍射角。可見，大氣效應導致的雷射功率衰減損失和光束的附加擴展，都會引起到靶功率密度下降。在中等湍流和熱暈強度下，所產生的影響是非常明顯和可觀的。
此外，在實際作戰和訓練環境下，飛機和飛彈的發動機尾焰，以及彈藥爆炸所產生的煙塵、碎片、顆粒等都將引起附加的雷射散射，而飛機和飛彈高速飛行對大氣的劇烈擾動是否會加大湍流效應還需深入研究。當飛機作超音速飛行時, 飛機流場中存在強的激波結構，且既存在大尺度結構，也存在小尺度波動特性。數值分析表明[30]，當雷射束穿過具有激波結構的超聲速流場時，大氣密度的不均勻分布導致的折射率不均勻分布會引起光束相位擾動，進而導致光束中心傳播方向發生偏折，且波長越短、傳播距離越遠越明顯。從公開資料來看，對高能雷射傳輸受激波影響的研究尚無充分的實測數據支撐。
利用自適應光學技術可對大氣湍流、熱暈等因素造成的雷射波前畸變進行部分相位補償和校正，改善光束傳輸質量[31]。自適應光學對弱湍流效應的修正效果是顯著的，但實際的湍流強度變化是不均勻的、隨機的，在強湍流效應情況下，要考慮閃爍效應和相位不連續性的影響。需要深入研究機載高能雷射大氣傳輸的波前畸變測試、分析和應用。
實戰中戰鬥機可能面臨來自不同方向的多個飛彈威脅，理想情況下，類似SHiELD的平臺自衛系統應具備覆蓋飛機周圍全空域的多目標連續打擊能力。
洛·馬公司在AFRL和DARPA聯合支持下，在2014-2015年間研發了一套可向飛機上、下空間任何方向發射雷射的所謂航空自適應光束控制（Aero-adaptive，Aero-optic Beam Control）轉塔系統[3]，並利用一架達索獵鷹10商用噴氣飛機作為搭載平臺，將其安裝於上下穿過飛機機體的升力風扇空間，進行了測試試驗。
設計和實現類似結構的複雜系統涉及對飛機平臺的改造，需解決輕量化與重量平衡、氣動共形設計、空間適配等方面的技術難題。
SHiELD項目在一定程度上代表了機載雷射武器當前的發展方向和趨勢。基於衍射極限限制和聚焦發射兩種方法進行了機載雷射武器對飛彈目標的毀傷距離仿真，得出一致的結果，意味著雷射光束在聚焦發射中遵循衍射極限限制特性。
仿真結果表明，在雷射發射功率50-100kW水平及良好氣象條件下，適當設定系統參數，戰鬥機載雷射武器對非旋轉飛彈的硬毀傷能力有可能達到5-10km左右，但在機載環境約束下的高轉換效率、高光束質量、高功率雷射輸出，高速目標精密跟瞄和聚焦發射，大氣傳輸效應抑制和畸變補償，以及緊湊輕量、氣動共形、全向發射結構設計實現等方面存在嚴苛技術挑戰。
提升發射功率水平或採用較大發射口徑、改善光束質量、延長目標照射時間、有效修正大氣畸變等均有利於增大到靶功率密度或雷射能量，提高毀傷能力，其中改善光束質量和增大發射口徑尤為有效，但前者在技術實現上有難度，後者受平臺約束條件限制，系統設計時應綜合考慮。