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從美軍相關計畫談起:能反無人機「蜂群」的機載雷射武器,曾走過「彎路」

2024-09-17軍事

近年來,隨著電子電氣技術的高速發展,以小型化無人自控飛行器為基礎的「蜂群」戰術正在成為戰場戰術的重要趨勢之一。

俄烏沖突中幾乎無處不在的小型多旋翼無人機,已經成為壓制地面武裝力量活動、對雙方地面作戰人員軍心士氣造成最主要破壞的重要角色。

洛馬的「盾」機載雷射系統概念展示

在傳統空戰領域,以載人飛機為核心,排程指揮大量無人機進行協同作戰,並最終向完全無人化過渡,已經成為了各國開發新一代空戰系統的共識。

空客「未來空中作戰系統」FCAS計畫概念圖。

在這種背景下,傳統的機載飛彈事實上難以滿足在單次飛行過程向大量目標(10個甚至更多)實施攻擊的要求。原因主要有兩方面:一方面是機體平台的掛載能力有限,另一方面經濟成本也無法容忍——根據美媒報道,單發AIM-120飛彈的價格超過100萬美元,AIM-9飛彈成本則是AIM-120的三分之一左右,也不便宜。

相比之下,機載固態雷射武器,不僅能透過消耗電能實作持續出光,且射擊次數完全不受限制,同時還能有效大幅降低成本,是在空中「蜂群」作戰背景下實作防空安全的重要裝備方向。

「飛彈遠比無人機貴」的時代已經到來。

縱覽機載武器的總體發展歷程,固態雷射並不是一開始就被各國看好的軍用防空技術。

二戰後,在多種光源發展路線之間,各國軍事科研機構選擇優先發展化學雷射器路線。但是在裝備領域,化學雷射器始終難以市場化、實用化。同時,固態雷射器依托在民用領域的套用實作了高速發展,不斷克服原有的效能短板,步入高能殺傷雷射領域。下面我們以美軍機載雷射武器發展路徑為例,探討這一歷史現象。

洛馬的ATHENA雷射防空系統展示殺傷效果。

早期的機載雷射武器系統以美國在20世紀90年代初啟動的機載雷射武器(Airboren Laser System,ABL)計劃等一系列計畫為代表。

當時,100千瓦被認為是雷射對飛彈等目標實施硬殺傷的「門檻」功率。隨著技術水平的提升,雷射武器系統可以在更遠的距離,將雷射穩定聚焦在更小面積的光斑上,這個「門檻」會有一定程度的降低。但截至今日,100千瓦指標依然有很高的參照價值:一種硬殺傷的高能雷射系統,至少應有數十千瓦級別的功率輸出能力。

依托化學雷射器的高功率特性,美國在21世紀到來前實作了高達6百萬瓦的試驗紀錄。出於最大功率的考慮,在高能光源這一核心基礎的選擇上,ABL選擇了氧碘化學器。當時,這是唯一能在有限體積和重量的前提下實作百萬瓦級別功率的雷射源。其他美軍的裝備計畫思路也與之相差無幾,只是使用的化學燃料有所不同。比如美國以色列聯合研發的「戰術高能雷射」(THEL)系統,使用的是更貴且劇毒的氟化氘。

波音ABL計畫示意圖。

不過,在隨後的開發中,一系列工程上的麻煩和技術難關,使ABL從未達到預想的作戰能力。除了雷射在大氣中遠端傳輸的耗損、擾動、聚焦難題之外,光源重量嚴重超重、功率提升不及預期等問題貫穿計畫始終。比如在ABL最早的規劃預期中,雷射系統應該由14個模組提供2至3百萬瓦的功率,總重79.2噸。但實際上1百萬瓦的樣機裝配過程中,6個模組重量達到了近82噸。這導致在實際測試中,ABL在預定射程上的殺傷功率和照射破壞目標的耗時等數據達不到預期的水平。

而當時提出的一系列的改進措施,包括更好的冷阱技術、氘化燃料等等,最樂觀的預期也只能把單個模組的功率提升20%左右。也就是說,在功率這個最大潛力無法兌現之後,化學雷射器留下的幾乎全是缺點。只能維持3至5秒的單次出光時間限制了毀傷能力,發射前化學燃料需要預熱限制了射擊靈活性,劇烈的燃料消耗,使雷射系統的1/3重量被燃料占用以後,依舊只能實作有限的射擊次數。正是在這種背景下,耗時16年的ABL計劃在花費50億美元後黯然下馬——這還沒有算入ATL等類似計畫在內。

雷射焊接機器人已經被廣泛用於汽車制造等行業。

同時,在以民用工業為主體的切割和焊接領域,固態雷射器受到了極大的歡迎。它沒有復雜而脆弱的化學反應機構,不需要昂貴有毒的燃料,但可以長時間連續輸出雷射,所需的保養維護工作相對簡單——除了最大功率之外,幾乎全都是優點。但在工業領域中,固態雷射器的最大功率問題並沒有那麽不可接受——切不了厚板就先切薄的,有什麽工藝裝備水平就做什麽業務設計……賺了錢再買新的更大功率的裝置,然後再進入更高難度、更大利潤的業務。

在這樣的產業環境中,難以計數的企業參與了固態雷射器的研發和生產和實際使用反饋。一方面固態雷射器的效能指標和可靠性被不斷推高,另一方面固態雷射器的材料、元器件成本又不斷被全球產業鏈分攤。

經歷數十年的發展後,如今的固態雷射器已經達到了非常成熟的地步,尤其是成本低廉的同時能做到壽命和可靠性極佳,這是化學雷射器所望塵莫及的。

LaWS原型機進行地面測試。6台焊接用雷射器透過光纖,將雷射束匯入主透鏡系統。

進入21世紀,固態雷射器的最大功率效能進步很快,雖然還和化學雷射器有很大差距,但已經可以實作數十千瓦的水平,開始具備承擔硬殺傷任務的能力了。

比如美國海軍艦載「雷射武器系統」(LaWS)的原型機,其光源就是6台商業現貨的5.5千瓦功率焊接用光纖雷射器,合並輸出33千瓦的雷射束。以LaWS為代表,現在新一代、具備實用潛力的高能雷射武器,全部都是固態雷射器。

對比來說,在裝置生產數量上,ABL最終只造了1架樣機。而全世界工廠采購過的大功率固態雷射器,至少也是以萬為基本統計單位的。在全功率出光時間上,高能化學雷射器的總記錄都是有限的數位,而固態雷射器的總記錄則是天文數位。

究其原因,軍事套用領域中,留給雷射發展的套用場景太少,得到的技術成果又難以短期內轉變為經濟報酬。而在民用經濟領域中,雷射技術不僅有極為巨大的市場需求,而且每一次進步和提升,都能迅速轉化為生產效率和成本控制的最佳化,創造出良好的經濟效益。這是民用產品轉為軍用的一個重要例子,也顯示了市場的巨大優勢。

綜上可以發現,在工業領域,民用市場是不可或缺的,在時間的加持下,民用工業產品和市場的發展將在總體上極大推進科技進步,尤其是幫助點對未來的「科技樹」。