高能激光武器的杀伤机理及主要特性分析_黄勇

第2卷 第5期 光 学 与 光 电 技 术 V ol. 2, No. 5 文章编号 1672-3392(2004)05-0020-04

高能激光武器的杀伤机理及主要特性分析

黄　　勇　　　刘　　杰　

（海军装备研究院舰艇作战系统论证研究所 北京 100073）

摘 要 从高能激光武器的基本概念、组成和作战过程出发，分析了高能激光武器这种处于发展中的新概念武器在工作原理、毁伤目标的过程和毁伤目标的机理等方面与传统常规武器的不同，以及它所具有的主要特性。 关键词 激光武器；光束定向器；激光束；烧蚀；热毁伤 中图分类号 E928.9 文献标识码 A

高能激光武器与传统常规武器的原理和杀伤

１　　前　　言　

高能激光武器是一种以产生强激光的激光器为核心，配上跟踪瞄准系统和光束控制与发射系统组成的利用激光作为能量直接毁伤目标或使之失效的定向能武器，一般由强激光器、光束定向器和作战控制系统组成，光束定向器又由光束发射控制系统和跟踪瞄准系统组成。图1示出了美国陆军和以色列国防部正在共同研发的地基战术高能激光武器（THEL ）系统拦截目标的过程。

开始发射激光开始精密跟踪　 开始光学跟踪

摧毁目标　

机理存在显著不同。

２．１　　用来毁伤目标的“弹”与传统的动能武器不

同　

传统动能武器发射的“弹”是有质量、且运动速度较低（目前不超过1500m/s）的弹药，如火炮发射的弹丸等。弹丸有质量，使得其在空气中的运动因受到地球引力和空气阻力等各种复杂因素的影响，弹道为复杂的曲线。运动速度有限意味着从发射弹丸到弹丸运动至目标附近的这段时间内，目标的空间位置会有明显变化。因此，为使火炮所发射的弹丸能命中目标，其发射必须考虑和计算拦截目标的提前角。

获取拦截目标提前角的准确性主要取决于两大方面：一是对目标相对火炮运动的预测准确性，它又主要决定于对目标运动观测的准确性、火炮所在平台位置和运动数据的准确性，特别是基于这些数据所预测出的目标未来位置的准确性；二是对火炮射出弹丸的外弹道预测的准确程度，它又受火炮射击时所在位置、射击弹丸的形状大小及初速和射角、地球的重力场、弹丸运动所通过的空气特性以及气团的运动和气象条件等多种复杂因素共同作用的影响。因此，火炮的射击精度将受到火炮所在平台运动情况、射出弹丸状况、环境气象条件、目标运动情况，特别是目标机动等多种复杂因素变化的综合影响。

高能激光武器发射的“弹”是“没有”质量或者其质量可以忽略不计、且以将近3×108m/s的速

被保护区域　发现目标　

发现目标　

激光武器发现目标搜索雷达发现目标　

图1 THEL的作战过程示意图

Fig.1 Schematic diagram of THEL operation process

作为一种新概念武器，高能激光武器究竟新在哪些方面，它与传统的常规武器和核武器有什么不同，有哪些特性呢？本文就对这些问题进行了简要分析。

２　　激光武器的原理与杀伤机理　

收稿日期 2004-06-26； 修改稿日期 2004-07-24 作者简介 黄勇（1964-），男。高级工程师。曾获两项军队科技进步二等奖。研究方向：光电装备论证研究。

第5期 黄勇 等：高能激光武器的杀伤机理及主要特性分析　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　21

度传播的激光束。“没有”质量的激光束通常近似沿直线传输。激光的高速传输特性又使得激光束从发射到传输至目标所在位置需要的时间非常短，如激光束从发射到传输到5km 远的目标处所需要的时间仅为17ìs，在此期间，即使目标的速度达到3Ma ，最多也只能移动1.7cm ，如此小的目标位置变化通常是可以不考虑的。因此，战术高能激光武器发射一般不需考虑和计算拦截目标的提前量，它可指哪打哪，瞬发即中，射击精度将取决于对目标跟踪瞄准的准确性，这又主要受激光武器所在平台和目标运动情况的综合影响。

２．２　　毁伤目标的过程与传统的动能武器不同　

传统的动能武器对目标的毁伤是在其发射的弹头或动能质量到达目标的瞬间完成的。

高能激光武器是利用激光的高能量密度特性来烧蚀被照射的目标，其毁伤目标的主要过程是：目标不断吸收照射在其表面上的部分激光能量，激光照射部分不断被加热、升温，当目标被激光照射部分的温度升高到目标材料的熔化，甚至汽化温度时，目标被激光照射部分就会开始熔化，甚至汽化，从而使目标在被激光照射处形成凹坑或造成穿孔，甚至由于高温产生高压而产生热爆炸，造成目标结构的破坏。可见，高能激光武器毁伤目标是一种热毁伤过程，要造成目标毁伤，就必须使它发射的激光能照射到目标上，并在目标被照射部位维持一定的时间（数秒量级），以沉积足够的能量，这样，激光武器对目标的跟踪瞄准要求将远高于传统常规武器对目标的跟踪瞄准要求。

２．３　　毁伤目标的机理与传统动能武器存在不同　高能激光武器对目标的破坏机理不同于传统的动能武器，它主要通过产生三种效应来造成对目标的综合破坏。第一是烧蚀效应，即目标吸收被辐照的激光能量后，其被照射部分的温度迅速上升。当辐照的激光能量达到某一限度时，目标被照射部分会熔化，甚至汽化。蒸汽飞速向外膨胀，可将靶材的一部分液滴或颗粒带走，从而使目标被照射部分形成凹坑或造成穿孔。第二是激波效应，即汽化过程中产生的蒸汽在向外喷射时会给目标以反冲作用，这相当于一脉冲载荷作用到目标表面上，从而在固态材料中形成一个激波。该激波传播到后表面反射层时可导致材料拉断。第三是辐射效应，即

激光作用在目标上所产生的等离子体可能发射紫外线甚至x 射线，这会造成目标结构及其内部电子元部件的损伤。这种紫外或x 射线辐射甚至比激光直接辐照引起的破坏更有效。

传统的动能武器靠发射的弹药来毁伤目标，它将弹头或动能质量投放到目标上需要一定的时间，但对目标的毁伤则是在弹头或动能质量到达目标的瞬间完成的；高能激光武器靠发射的激光来毁伤目标，它向目标传递杀伤能量的过程是在激光发射的瞬间完成的，但对目标的毁伤则需要一定的时间。

３　　激光武器的主要特性　

高能激光武器不仅在原理和杀伤机理方面与传统常规武器和核武器具有显著差别，而且具有下述突出特性。

（1）可瞄哪打哪

如前所述，战术激光武器在实际使用时完全可以把目标视为“静止”，不需考虑射击提前量，即可瞄哪打哪，非常适合拦截快速运动、机动性强或突然出现的目标。 （2）反应快速

激光武器射出的光束质量近于零，射击时几乎不产生后座力，可通过控制反射镜快速改变激光出射方向，即激光武器反应快，可在短时间内对不同方向的多个来袭目标实施打击。 （3）打击准确

激光武器是一种聚能武器，能将能量汇聚成很细的能束准确地对准某一方向射出，从而可选择杀伤来袭目标群中的某一目标或射中目标上某一部位，而对其它目标或周围环境无附加损害或污染作用。因此，它适于打击离友方很近的目标，在敌我纵横交错的未来战争中是非常有用的武器。 （4）杀伤概率高

美国海军根据高能激光武器试验系统进行的外场打靶试验和大量局部试验获得的大量实测数据，在对导弹破坏机理的深入研究基础上，利用6自由度的导弹模型对激光武器杀伤导弹的能力进行了模拟仿真计算，其结果如图2所示（这些曲线已被高能激光系统的试验所验证）。可以看出，激光武器具有高的杀伤概率。

22 光 学 与 光 电 技 术 第2卷

C u m u l a t i v e k i l l r e a c t i o n (P k ) 　

C u m u l a t i v e k i l l f r a c t i o n (%)

(a) In support defense (b) In self-defense

图2 激光武器对导弹杀伤概率的仿真计算结果[1]

Fig.2 Experimentally derived cumulative laser kill fractions for ASMs

（5）杀伤力可控

如前所述，高能激光武器毁伤目标是一种烧蚀过程，和用焊枪切割金属类似，即高能激光武器可以被认为是一种远距离焊枪。这一特性意味着它具有非致命毁伤目标的能力，这是传统的动能武器所不易达到的。高能激光武器对目标毁伤程度的累积效果可以实时地变化，根据需要，既可随时停止，也可通过调整和控制激光武器发射激光束的时间和（或）功率以及射击距离来对不同目标分别实现非杀伤性警告、功能性损伤、结构性破坏或完全摧毁等不同杀伤效果，达到不同目的。 （6）发射使用费低

激光武器的硬件成本会较高，但它可重复使用，实际使用费用会比较低。例如，化学激光武器使用中消耗的主要是化学燃料，其发射费用较低，百万瓦级氟化氘激光系统发射一次（持续时间约5s ）所需费用仅有约几千美元。低发射费用使得进行武器实际发射训练和演习变得更经济。 （7）抗电子干扰能力强

激光武器射出的是激光束，现有的电子干扰手段对其不起作用或影响很小。

（8）监视能力强

从观察物体的角度看，激光武器系统中的光束定向器等效于一个大口径的天文望远镜（美国陆军正在研发的THEL 系统光束定向器的口径为0.7m ，空军和海军分别发展的机载激光器-ABL 系统和舰载高能激光武器系统-HELWS 光束定向器的口径均达1.5m ，而由弹道导弹防御局和空军共同负责发展的太空激光器系统光束定向器的口径将达8m ），可以提供超高分辨率的红外和可见光图像（ABL 和

HELWS 可对低地球轨道上的卫星成像），可用于威胁识别和对杀伤目标过程进行实时观察与评估。因

此，高能激光武器对目标的拦截可以做到“边打边观察”，对目标的反应保持连续的红外和可见光观察与评估，直到杀伤或达到预期的毁伤程度。与传统动能武器的“打-观察-打”方式相比，高能激光武器的“边打边观察”方式提供了使火控过程大为简化的巨大潜力。

（9）毁伤效能受气候条件、目标特性以及拦截时目标与激光武器的几何关系影响

高能激光武器对目标的毁伤是一种烧蚀过程，它对目标的毁伤能力和效果主要取决于能将多少激光能量传递并沉积到目标的某部位上，以及目标对激光的吸收特性和抗热能力等。传递和沉积到目标上的激光能量大小除激光武器的发射功率和发射时间外，主要受气候条件，即光束在大气中的传输特性影响；目标对激光的吸收特性主要取决于目标的外表形状和材料；目标的抗热能力则主要取决于目标的结构、被激光照射的部位和所采取的抗热措施等。

高能激光束在大气中传输会产生各种线性和非线性效应，这些效应会导致光束扩展和能量衰减，使传递和沉积到目标上的激光能量减少，从而影响激光对目标的毁伤能力和效果。气候条件越恶劣，这些效应就越明显，造成激光束扩展和能量衰减就越严重，对目标毁伤效能的影响就越大。美国海军就气候条件对高能激光武器系统的影响，以及恶劣气候条件发生的可能性进行过评估，结果列于表1。

第5期 黄勇 等：高能激光武器的杀伤机理及主要特性分析　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　23

表1 气候条件对高能激光系统效能的影响[1]

Table 1 HEL atmospheric attenuation

Condition

Attenuation Kill range /km-1 (Nominal)

0.1 0.4 0.8 2 0.8 4

100% 74% 50% 15% 50% 2%

Probability of occurrence North Atlantic 95% 1%

Persian Gulf 98% 0.5%

Sea on Japan 95% 1%

Clear(15km Visibility) Rain Fog

5mm/hr 15mm/hr 40mm/hr Light fog Heavy fog

可以看出，随着气候条件的恶化，高能激光武器系统的性能会适度下降。但恶劣气候条件（浓雾、大雨、大雪等）并非普遍存在，而且攻防双方都会受其影响。高能激光武器对径向来袭目标（自卫防御）和横向飞行目标（护航防御）的杀伤效能因拦截时的几何关系不同而存在明显差异。

对径向来袭导弹而言，穿透其外表面需要的光通量实际上可能比穿透横向飞行的同一导弹要求的高得多。因为，在导弹侧面存在几处可能会引起导弹灾难性损伤的瞄准点，如战斗部、控制与导航电子系统、推进段高压箱。这些关键部件紧贴着蒙皮，除非以极大地增加导弹重量为代价，否则将无法针对高能激光对其进行防护。而导弹前端的射频和光频透射特性好的整流罩材料的导热性一般都很差。对于类似于高能激光武器这样的热杀伤武器，攻击整流罩并非有利。实际上，穿透绝热体比穿透同样厚度的导热体要求的光通量要高得多。以某一角度穿透一种材料也比垂直入射要求的光通量大。超音速导弹的整流罩均需进行抗热加固，其形状也比速度较低的同类导弹更尖。高能激光武器

系统需要在目标上沉积足够的光通量，才能克服整流罩材料的加固及其形状因素[2]。

（10）对目标的跟踪和瞄准要求极高

如前所述，高能激光武器要造成目标毁伤，不仅要使发射的激光能照射到目标的某部位上，而且要维持一定的时间（通常是秒的量级），以积累到足以造成目标毁伤所需要的能量。同时，为了提高照射到目标上的激光功率密度，激光武器发射的激光束经汇聚后照射到目标上的光斑又非常小。这样，实现对目标的毁伤，要求激光武器系统的跟踪和瞄准精度非常高，达10μrad 量级。如此高的跟踪和瞄准要求正是高能激光武器，特别是运动平台载高能激光武器发展所面临的一项重大技术挑战。 参考文献

[1] D M Ferreira, F C Marcell. Naval high energy laser weapon system. Naval Engineers Journal, 1993, 105(3): 105~117 [2] J R Cook, J R Albertine. The navy’s high energy laser weapon system. SPIE, 1997, 2988: 264~270

Analysis on Kill Mechanism and Characteristics of High Energy

Laser Weapon

HUANG Yong LIU Jie

（Institute of Combat Systems, Naval Academy of Armament, Beijing 100073, China）

Abstract From the basic concept, composition and operational process of high energy laser weapon, this paper analyses the distinction between high energy laser weapon and conventional weapon in the principle of operation, process and mechanism of target damage, and its main characteristics.

Key words laser weapon; beam director; laser beam; burning-through; thermal damage