为什么激光不是对抗高超音速武器的“灵丹妙药”？
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军事
2024-10-30 18:06
北京
尽管激光长期以来被视为应对先进导弹威胁的潜在解决方案，但目前的技术还不足以对抗高超音速导弹。激光面临多项挑战，包括功率输出不足、大气条件限制射程以及难以跟踪快速移动的目标。
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高超音速导弹的速度超过5马赫，而且飞行路线难以预测，很难被拦截。尽管固态激光器在近距离防御方面越来越有效，但它们还无法消除这些先进威胁。目前，动能导弹拦截器仍然是导弹防御最可靠的选择。在科幻小说中，激光或许可以治愈一切顽疾，但如果美国要寻找现代高超音速武器所带来的无数问题的真正解决方案，激光——或定向能武器——将无法提供我们所寻求的灵丹妙药。现代高超音速导弹的飞行速度超过5马赫，而且能够不可预测地改变航向，这对当今最先进的综合防空系统来说也是一个独特的挑战。虽然防空系统是一套极其复杂的系统，但工作原理本身却相当简单：防空系统使用雷达等传感器识别和跟踪来袭武器，然后使用计算机计算武器的剩余来袭飞行路径。确定航向后，防空系统（如美国的MIM-104爱国者）便会发射一枚自己的导弹（称为拦截器），飞向来袭武器飞行路径的更远一点进行拦截。这与四分卫带领接球手的基本原理相同：你不是将球扔到接球手所在的位置，而是扔到球到达时接球手所在的位置。这种导弹防御方法已被证明对付弹道导弹非常有效，弹道导弹的确以高超音速飞行，但其弹道飞行路径相当可预测。巡航导弹则构成另一种风险，因为它们在动力驱动下飞行高度要低得多，更像飞机或自杀式无人机，这使得它们更难预测。然而，由于巡航导弹相对速度较低，防空系统通常能够使用同样的算法拦截巡航导弹。但现代高超音速导弹使问题变得非常复杂。高超音速助推滑翔武器和高超音速巡航导弹并非通过沿可预测的弹道飞行路径飞行来实现高超音速，而是在以这种极高速度飞行时不可预测地改变航向。因此，防空系统对武器剩余飞行路径的预测计算或多或少变得毫无意义，而且由于它们的接近速度很快，几乎没有时间尝试重新计算以发射另一个拦截器。这个问题的解决方案可能是定向能武器或激光。与以超音速发射导弹接近目标不同，激光以光速传播 ，而爱国者导弹发射站只能携带4枚拦截器……除非能量耗尽，否则不会耗尽激光。理论上，这是一个完美的解决方案。但在实践中……事情变得更加复杂。虽然大型强力化学激光器在20世纪80年代风靡一时，但近年来，绝大多数开发工作都集中在相对更小、更安全、功率更低的固体激光器方法上。化学激光器的工作原理是，通过气体传输电流，通过称为粒子数反转的过程产生光。换句话说，操作化学激光器意味着随身携带一堆危险化学品，这会增加操作人员的体型、重量和危险性。 另一方面，固体激光器使用固体晶体材料（而不是气体或液体）作为“激光介质”。这使得它们体积更小，操作更安全——但直到最近，它们还无法为武器应用产生足够稳定的功率。 如今，固体激光器是一项越来越有前景的技术，目前有大量开发工作正在进行中，并且许多激光系统已经部署在美国海军舰艇上。2014年，美国海军首次在其一艘军舰上安装了33千瓦的AN/SEQ-3激光武器系统中的激光器，随后在2019年安装了功率更强的60千瓦HELIOS（即集成光学眩目器和监视系统的高能激光器）。海军认为HELIOS最终将能够输出高达150千瓦的功率。它希望明年开始测试300千瓦的 HELCAP（高能激光反舰巡航导弹计划的缩写）。 去年9月，洛克希德·马丁公司向美国陆军交付了迄今为止最强大的战术激光器，即300千瓦级间接火力防护能力高能激光器 (IFPC-HEL)。该系统的功率输出仅为20世纪80年代的MIRACL的1/3，但体积小巧，可以用一辆卡车或各种飞机的机身内运输。7月底，洛克希德·马丁公司宣布计划部署500千瓦级激光器，这将提供许多新的防御可能性，但仍远远不足以阻止来袭的高超音速导弹。虽然激光已经成为极其有用的近距离武器和防空系统，但仍存在一些严重的技术限制，使其无法用于击落来袭的高超音速导弹甚至弹道导弹。根据五角大楼的评估，功率输出是第一个限制因素。虽然对不同类型目标的功率要求没有明确的共识，但美国国防部对系统的功率输出及其潜在应用确实有一个一般的经验法则：100千瓦射程武器可打击无人机、小型船只、火箭、火炮或迫击炮；300千瓦射程武器可以击中巡航导弹机身侧面，摧毁它或使其偏离航线；1000千瓦（1兆瓦）射程武器可打击弹道导弹或高超音速导弹，但可能仅限于烧穿机身侧面。从这些数据可以看出，目前部署在美国海军舰艇上的系统可以通过长时间将激光束集中在目标上并最终烧穿目标以损坏内部系统来攻击慢速移动的无人机甚至小型船只。激光武器系统通过长时间将激光束集中在目标上达到损伤效果另一方面，功率更大的300千瓦IFPC-HEL和HELCAP的威力足以烧穿飞行中的巡航导弹的侧面以摧毁它或使其偏离航线，但同样，为了做到这一点，它们必须让光束在导弹飞过时始终指向机身上的同一位置。2020年，150千瓦级武器持续射击15秒即可摧毁一架空中无人机。有人认为，这种方法很容易被对抗，只要将导弹设计成在飞行路径上滚动，使其无法将光束聚焦在一个点上。为了阻止高超音速导弹击中目标，美国国防部估计至少需要1兆瓦（或1000千瓦）的激光器。这相当于当今最先进的战术激光系统功率输出的3倍多……但即使是这样的激光器也很难穿透高超音速导弹的鼻锥。毕竟，这些武器的耐受温度可超过1700度。 正如海军指出的那样，制造具有更多隔热性能的导弹比部署具有更大功率输出的激光器更便宜——因此，随着激光防御变得越来越普遍，导弹几乎肯定会得到更好的防护，从而不太容易受到激光攻击。还有作用范围的问题。与可以向地平线外的目标发射的拦截器不同，激光的本质限制了它们的视线范围。当激光需要时间才能穿透目标时，就会出现问题。高超音速武器可能以每秒2英里（约3.2千米）甚至更快的速度飞行，这意味着当武器出现在激光的视线范围内时，几乎没有时间真正摧毁它。 激光武器的技术限制，使其无法用于击落来袭高超音速武器另外，大气散射也会削弱激光武器作用。我们倾向于认为激光是一束细小的能量束，可以永远向前传播，但事实并非如此。水蒸气、沙子、盐、烟雾、空气污染和大气中的其他物质都会对激光束产生散射作用。这种大气湍流是一个严重的问题——五角大楼目前认为激光只有在射程不到一英里（1.6千米）时才是一种可行的武器系统。即使是对不久的将来的乐观预测也仍然认为激光只能在5英里（8千米）以内的射程内可行。 也就是说，当我们讨论对抗一种耐高温并且速度超过每秒2英里（约3.2千米）的导弹时，几乎没有时间进行拦截。 [广告]本刊现有少量历年航展增刊、专刊，包括2008年、2010年、2014年以及2022年，总价70元，欲购从速，可从本公众号小程序下单购买。![]()
