机载激光武器发展（美国机载激光武器研发历程之）

导读：机载激光武器系统主要包括高能激光器系统和高精度跟瞄发射系统，高能激光器是激光武器系统的核心，提供产生毁伤能力的高能激光束。载机平台要求激光系统体积和重量尽可能小。从开始制造机载激光武器到目前为止，以高功率、高能量激光器为基础的激光系统和战术单位综合系统主要经历了以下的发展历程：使用二氧化碳(CO2)激光器→使用化学激光器→使用固体激光器，其中包括光纤激光器。目前，光纤激光器以其独特的优势，成为美国机载激光武器的首选光源。

高功率激光器是机载激光武器的关键技术，激光器本质上是将其他能量转换为激光的器件。激光器具有多种分类方式，按工作介质可分为：

(1)固体激光器(红宝石激光器、钕玻璃激光器、Nd：YAG激光器、光纤激光器、半导体激光器等);

(2)气体及蒸汽激光器(氦氖激光器、二氧化碳激光器、铜蒸汽激光器、HF/DF化学激光器、碱金属激光器等);

(3)液体激光器(染料激光器等);

(4)自由电子激光器。

激光武器系统组成

二氧化碳激光器

二氧化碳化学激光器是最早研制成功的高功率连续激光器，被应用于ALL计划。其利用N2、CO2和He的混合气体通过放电或者燃烧激励从而形成激射激光，二氧化碳激光器具有极高的可靠性，稳定的激光输出，以及优良的光束质量。

目前被广泛应用于工业领域的二氧化碳激光器

美国空军使用修改过的NKC-135作为载机，在空基激光实验室计划中成功验证了激光器的跟踪和摧毁能力。1973年美国空军使用二氧化碳化学激光器击落了靶机。1979年ALL项目的激光器输出功率已经达到了456kW并维持8s，经过处理后从武器系统输出时也达到380kW，可在1km外的目标上实现100W/cm2的能量密度。

ALL项目以超高功率气动CO2激光器为基础，将一台半兆瓦量级的激光器装入改进的波音707飞机，并结合光束控制系统来构建整套激光武器系统。ALL顺利引导激光光束聚焦并引爆拖曳前行的模拟目标AIM-9B空对空导弹，并击毁用于模拟海面巡航导弹的海面掠行靶机。由于存在激光波长较长而光学镜面尺寸有限、10km以上大气传输性能非常差等缺点，ALL虽获得了实验室成功，但不适合作为实战武器系统，二氧化碳激光器也未再成为机载激光武器光源的选择。

化学激光器

化学激光武器是激光武器中最成熟的类型，目前常见的化学激光武器有氧-碘(COIL)激光武器、氟化氢(HF)激光武器、氟化氘(DF)激光武器等。它利用工作物质的化学反应所释放的能量激励工作物质产生激光，例如以氟化氮作为氧化剂使得乙烯燃料在燃烧室内发生燃烧，在燃烧室的下游，氘氦混合气体被注入燃烧后的尾气中，产生自由的DF分子，这些分子在激光器的谐振腔内受激发后，产生激光。

氧碘化学激光器(COIL)首先被美国用于机载激光器(ABL)计划，目标是将高能化学氧碘激光武器安装在大型宽体客机波音飞机上，可从12000m高空拦截250km以外的处于助推段的洲际或战区弹道导弹。该系统装载功率更高的氧碘化学激光器，重点是针对助推段和上升段中的弹道导弹。氧碘化学激光武器装置技术的研究重点是提高效率和轻型设计，以便减轻系统重量和改进作战适用性。并研究尽可能利用塑料代替金属，同时研究燃料的再循环工作问题。

COIL激光器

同时，利用氧碘化学激光器技术，美军发展了以C-130大力士运输机、V-22倾转旋翼飞机和CH-47D支奴干运输直升机等机载平台的先进战术激光器(ATL)，用于击落巡航导弹和掠海飞行导弹。该武器系统拟采用功率为200kW的氧碘化学激光器，但根据气候条件和各地环境的不同，ATL的有效射程区别很大，最好时能超过30km，而最差时有效射程不足8km。

用于COIL激光器的机身后部机身排气口

化学激光器射程太短、生存能力低是其致命缺陷。此外武器系统本身也存在许多缺陷，包括激光器笨重限制了它的军事用途，技术复杂难以维护，运行时要消耗大量高活性的危险化学品，在12-14km空中激光束稳定性也存在问题等。为了克服这些障碍，美国军方希望提高单个激光器模块的输出功率，改进束控系统，以及研发新型的COIL，但这些措施都收效甚微。由于像大幅提高激光武器的射程，大量使用危险化学品这样一些问题无法解决，导致化学激光器也不适合作为机载激光器光源。

液体冷却激光器

2009年启动的ELLA项目的主要内容就是将DARPA主持研制的“高能液体激光区域防御系统”(HELLADS)激光器集成到B-1B超声速战略轰炸机的弹舱内进行试飞验证，并对典型的空中和地面目标进行实弹射击测试。

HELLADS项目顾名思义，原计划是采用液体激光器，但考虑到传统的液体激光器与固体激光器各有优缺点：前者能够发射连续光束，但光束质量较差，并且在高功率运行时热效应严重，需要大型冷却系统;后者效率高，光束强度更大，但只能发射脉冲光以防止过热。因此承包公司在HELLADS激光器设计过程中均通过创新的途径，综合了固体激光器和液体激光器各自的优点，使HELLADS兼具前者的高功率输出和后者优越的热管理性能。

通用原子公司第三代高能液体激光器模块

通用原子航空系统公司的设计方案中采用了该公司的液体DPL概念，这种激光器设计独特，采用了两套75千瓦的固体薄盘片激光放大器模块(由两个75千瓦模块组成一个150千瓦激光谐振腔)，而固体薄盘片则浸泡在冷却液中。达信防务系统公司的设计方案则是以该公司特有的薄锯齿形(陶瓷二极管泵浦固体激光器专利技术此技术已在该公司的JHPSSL项目方案中得到应用，并于2010年在实验室中实现了超过100千瓦的平均输出功率为基础发展而来，采用了3套50千瓦的板条激光放大器模块同时集成有功率放大和热管理系统)，板条也直接放在液体中冷却。两家公司的设计方案都具备系统结构紧凑的特点，尤其是无需较大体积的冷却系统，能满足HELLADS的要求。根据计划，通用原子公司为美国空军研制的激光器于2014年与光束控制系统集成，并于2014年~2015年在某山顶试验场中开展向下射击试验，演示机载激光系统对地空导弹的自防护性能。

液体冷却激光器展示出了良好的定标放大能力，但是冷却液会对激光性能产生严重的影响。因此，这种激光器的光束质量不容乐观。

固体激光器

固体激光器就是用固体激光材料作为工作物质，一般采用光学透明的晶体或者玻璃作为基质材料，掺以激活离子或者其他激活物质等构成，主要有红宝石激光器、钕玻璃激光器和Nd：YAG激光器等。固体激光使用晶体或是玻璃作为激光介质，依靠电能驱动，结构紧凑，成本低，用途广泛，适应性强，适合紧凑型武器系统，因此更为适合搭载于飞机平台。此外，固体激光器还有一个很大的优点，就是比化学激光器更容易穿透大气。

美国三军的联合高功率固体激光器计划的重点是研制100kW的晶体和陶瓷板条激光器，并于2009年进行了演示验证。但这些激光器由于尺寸、重量和功耗(SWaP)问题，使其难以集成进对尺寸和重量敏感的战术平台，因此战术激光武器下一步的重大挑战是小型轻量化。战场用高功率激光器的电-光效率决定了SWaP，激光的光束质量决定了激光武器的杀伤力。

诺·格公司的15.3千瓦激光模块

2009年2月，诺·格公司研制的高能固体激光器的输出功率达到了105kW。该公司的高能固体激光器由7个串级激光器组成，每个串级激光器都产生约15kW的功率，最终产生了105.5kW的单束光。结构体系见下图，它采用主振荡器和放大器(MOPA)的拓扑结构，将主振荡器产生的激光分束后用多个放大器进行放大，每个激光放大器由4个半导体激光阵列泵浦的Nd：YAG板条串级而成，各放大器输出进行相干合成后输出。这种结构一方面可以避免单个激光器高功率输出给激光介质带来损伤，另一方面可以定标放大以获得更高的输出能量。高能激光器连续工作了5min，电光效率达到了19.3%，在不到0.6s内达到最大功率。

诺·格公司的Nd: YAG体系结构示意图

另外，2009年达信公司进行了100kW“薄锯齿”陶瓷固体激光器的演示，演示在实验室环境下进行，连续发射几分钟的激光。陶瓷材料不仅有优良的物理和光学特性，而且抗断裂、抗损伤;相比于单晶，易制造成大尺寸，光学各向同性，更适合于高功率输出的激光器。达信公司的陶瓷体系结构如下图所示，也采用MOPA结构，但它是用单个主振荡器泵浦串联的功率放大器，这样对陶瓷介质的抗热损伤和热断裂性要求高，但是避免了将高功率光束合成的问题。

达信公司的Nd: YAG陶瓷体系结构示意图

光纤激光器

光纤激光器是先进的固体激光器，它具有无以伦比的独特优势，与板条和薄片固体激光器相比，光纤激光器在效率、束质、体积、重量、坚固性和冷却方面都具有明显的优势，对于机载环境下的振动和气压苛刻条件，光纤激光器较其他激光器更具强的适应性。在过去10年里，光纤激光器技术迅速提高，在坚固的“全光纤”体系结构里实现了高功率运行，特别是光纤激光器受振动和气压等因素影响很小，基于光纤激光器的战术激光武器适合于集成到机载平台上。目前，它已成为机载激光武器的首选光源之一。

光纤激光器高功率激光合成原理图

2007年雷神公司开发出了由40个500W光纤激光器合成的20kW激光武器样机。2010年该公司公布了舰载激光武器击毁无人机的录像，据称公司用4台商用光纤激光器合成获得32kW的高功率输出。

洛·马公司光纤激光器

洛克希德·马丁公司对激光武器系统的研究工作超过了40年，为了实现光纤激光器的高功率输出和控制成本，主要采用光谱合束技术(SBC)、模块化光纤激光器和柔性光纤三项技术，有力地克服了传统激光武器体形巨大、启动能量需求大、难于冷却等缺点。洛·马公司的光纤激光器由于能量转换效率较高，因此将比以往的技术更为节能，体积更小，使得该激光器适用于喷气式战斗机等空基平台。

洛·马公司利用光束合成光纤阵列和独特的光谱合成技术，在2014年1月演示试验了一台30kW的光纤激光器，达到了同时具有优良束质和高电-光转换效率的最高输出功率，而且所消耗的电能仅是其他固体激光器的50%。目前洛·马公司已经完成了60kW级光谱合成光纤激光器的设计、开发和演示验证，在2017年3月的测试中，洛·马公司的激光器产生了一束58kW的光束，光束质量达到近衍射极限，电光转换效率超过43%，它创造了这种激光器的世界记录。2018年3月洛·马公司进行的一项试验表明，强大的定向能激光器质量轻、体积小、可靠性好，足以部署在机载平台上以实现防御功能。

洛·马公司光纤激光器用增益光纤

小结：在激光技术已经得到广泛应用的今天，各国都在加大激光武器研究的投入，预示着激光武器技术将有一个大的发展。美国机载激光武器经历了40余年的发展，在高能激光器选择上积累了大量经验，通过总结美国机载高能激光器研制历程，对我国机载激光武器研制具有重要意义。

主要参考文献

1. 机载战术激光武器关键技术探讨_刘毅

2. 美军高能激光武器发展前景综述_陈军燕

3. 高能激光武器技术与应用进展_宗思光

4. 激光武器的最新发展技术_柳志忠

5. 美国战区和战略无人机载激光武器

6. 美军武器级光纤激光器研究进展_陈军燕

7. 战术机载激光武器_伊炜伟

8. 机载激光武器的研发_陈石卿

9. 美国固体激光武器的发展分析_孙成元

10. 波音及通用原子公司薄片激光器技术

11. 通用原子公司高能激光器完成光束质量评估

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/c9iCBUhR3tKFm5sxqYqeXg

更多精彩 VX服务号：chinaequip

高端装备产业研究中心 http://www.chinaequip.com.cn/

北京太阳谷咨询有限公司(高端装备产业研究中心)立足于国防军工行业，面向高端装备产业，致力于成为国内首选高端装备产业研究与市场调查咨询机构。面对未来，我们将始终围绕国防军工技术与装备领域开展精细化研究工作,为战略决策、项目管理、规划论证、技术探索、产品开发、型号研制、市场拓展、课题研究等提供整体咨询解决方案与智力支撑。

,