中国指挥与控制学会会刊 
反舰导弹是用于攻击水面舰船的武器,它既可以由潜艇从水下发射也可由水面舰船或飞机发射[1],它飞行速度快,飞行高度低,还具备一定反反制能力。目前,舰艇主要装配的是航空导弹和防空舰炮等常规防空武器[2],它们往往存在成本高、作战效费比低、故障率高和受弹药数量限制等缺点,在反导方面存在很多不足。而激光武器作为一种通过大功率辐射能量摧毁目标的新概念定向能武器[3],具有瞄准即命中、发射即相遇等特点和转火速度快、持续射击能力强、攻击精度高等优势,它将是一种有效提高舰船生存能力的武器。激光武器作为传统舰载防御武器的补充,可协同作战,能为舰船提供多层次、高可靠的保障,将极大提升舰艇的防御能力。
本文研究了大气因素和跟瞄精度对舰载激光武器毁伤能力的影响,通过计算功率密度与传播距离的关系并结合导弹不同部位的毁伤阈值,验证了其作战能力,并研究了该武器系统的作战流程。
1 国外激光武器研究现状
进入21世纪以来,美国海军在近海对岸作战任务的驱使下,考虑到激光在海洋环境下的大气传输特性以及激光武器系统的装舰问题,将研究重心由化学激光器转向固体激光器和自由电子激光器:固体激光器装舰适应性较好,系统集成方便,近几年已经进行了试验工作,下一步即将装备部队,主要研究有:海军激光武器系统(Laser Weapon System,LaWS)计划、海面激光演示样机(Maritime Laser Demonstration,MLD)计划和战术激光系统(Tactical Laser System, TLS);另一条是以自由电子激光器(Free Electric Laser, FEL)为重点进行更高功率激光武器的研制,发挥自由电子激光器波长可调、大气传输性能更好、技术更为先进的特点。
2 舰载激光武器的构成及作战目标分析
2.1 舰载激光武器的主要构成
舰载激光炮武器系统主要由目标搜索设备、强激光器、跟瞄系统[6](含光束定向器)和火控设备组成。
2.2 舰载激光武器的毁伤机理
研制舰载激光武器的首要问题就是对激光武器的作战对象及其毁伤机理的研究。
激光武器的毁伤效能与其输出功率和作战环境有关,由于激光对不同材料作用效果不同,所以其效能与该武器系统所攻击的位置(燃料舱和头罩等)也有关系。本文分析激光武器对反舰导弹上的不同部位的毁伤效能,为选用一定频率的激光及采用合适的武器控制方式提供了理论依据。
2.2.1 反舰导弹材料组成
反舰导弹一般有制导系统、战斗部、动力装置和弹体等四部分组成。
反舰导弹的头部是整流罩。目前,一类是雷达射频整流罩,其材料是透波性能好的玻璃钢泡沫夹心结构;另一类是光学整流罩,其材料有K9玻璃(电视制导)和CaF2(红外制导)。导弹战斗部材料为钢质,其他部分为铝质,厚度为2mm~10mm。
2.2.2 反舰导弹飞行规律和制导模式
反舰导弹的飞行弹道主要分为初始段、自控段和自导段。自导段采用主、被动制导或复合制导模式,主要有掠海超低空、蛇形机动或跃升俯冲等几种攻击方式。在不同作战条件下,反舰导弹攻击有不同的末端攻击方式,当面对我舰艏水平方向,反舰导弹主要从正面、正侧面、斜面三种角度攻击,而面对我舰艏高低方向有水平和高低俯冲两种方式。
由以上分析可知,反舰导弹的头部制导系统较易毁伤,是首选的攻击部位,而自控段飞行弹道比较平稳,高度较高,激光武器最好在自控段未结束前就能发现导弹并进行攻击,可有效提高攻击效率,这需要增大激光武器功率且跟踪器发现目标并保持跟踪的距离尽可能在10km~12km(当前典型值)以上。
3 舰载激光武器系统各项指标分析
3.1 激光武器系统初始参数
激光发射功率为P,暂不考虑激光武器系统发射镜的透过率,激光束发散角为[7]
θ=βλD-1
式中:β(本文取3)为光束质量,D(文中涉及到该参数全设置为0.7m)为发射镜直径。
在距离R的目标上光斑直径为
d=θR。
3.2 激光在大气中的传播特性分析
激光在大气中传输时主要受两类大气影响:第一类为线性光学效应,包括大气折射、大气分子和大气气溶胶的吸收与散射、大气湍流等,大气吸收造成激光传输强度损失,大气散射会让激光光束扩张使得其投射到目标上的单位面积内的光能降低;第二类为非线性光学效应,主要是受激拉曼散射、热晕和大气击穿等,这类影响因素与激光强度密切相关。
3.2.1 大气吸收和散射效应
根据步格尔吸收定律,波长为λ的激光束在大气中的透过率为:
T(λ)=I(λ)/I0(λ)=exp ≈e-κ(λ)R
式中,I(λ)为R距离上的光强;I0(λ)为初始光强;κ(λ)为衰减系数:κ(λ)=αm+αA+βm+βA,其中,αm为大气分子吸收系数、αA为气溶胶吸收系数、βm为瑞利散射系数、βA为气溶胶散射系数。根据计算和实验分析,大气对不同波长激光的吸收效率不一样,某些波长的激光大气吸收率很高,而可见光、1μm附近、3~5μm、8~12μm红外激光吸收率很低,在传输过程中衰减少,这种现象即为"大气窗口"(详见表1 )。由表1 分析可知,波长小的激光吸收系数相对较小,虽然其散射系数较大,但考虑到散射的影响比吸收影响小一个数量级以上,所以该武器系统选择波长小的激光更为有利。在本文中,拟采用YAG固体激光器来进行各项指标分析。
表1 不同波长激光的各项大气传输系数 |
| 激光波长λ/ μm | 吸收系数α/(km-1) | 散射系数β/(km-1) (d≈10km) | |
|---|---|---|---|
| 冬季 | 夏季 | ||
| =10.6 | 0.1 | 0.39 | 0.05 |
| λCO=5.0 | 0.20 | 0.20 | 0.07 |
| λDF=3.8 | 0.01 | 0.03 | 0.09 |
| λHF=2.7 | 0.08 | 0.35 | 0.11 |
| λYAG=1.06 | 0.01 | 0.03 | 0.38 |
3.2.2 大气湍流效应
大气湍流是由大气中局部温度、压强等参数的随机变化引起的折射率随空间位置和时间的随机变化。大气湍流效应会造成激光光束扩展、光束漂移、光斑闪烁等恶劣影响,使强激光大气传输的光强大为降低,且光斑抖动使系统难以精确瞄准目标。对有限空间光束而言,大气折射结构函数[12]为
Dn= (h)r2/3(r1≤r≤r2)
式中,r1、r2分别为湍流的内外尺度; 为湍流强度,其值随高度增加而增加。
3.2.3 大气热晕效应
激光在大气中传播时,它的部分能量被大气吸收,导致一部分空气密度降低、折射率下降,这部分空气会形成一个非线性的负透镜,从而使激光光束产生非线性扩展、畸变和弯曲。热晕的效应大小主要与激光发射功率、大气吸收系数、激光作用距离、发射孔半径以及横向风速有关。不同波长激光受热晕影响程度不一,本文主要分析1.06μm的激光[8],暂不考虑热晕效应对其传输的影响。
3.3 激光武器跟踪精度分析
舰载激光武器采用光电跟踪系统对目标位置进行高精度跟踪[9]。
通常两轴光电跟踪系统由方位跟踪系统和俯仰跟踪系统组成,它们的结构和控制方式相似。本文所采用的舰载激光武器跟瞄系统组成如图1 所示。
为了确保对空中目标进行高精度地测量和跟踪,激光武器一般采用由粗跟踪和精跟踪两部分构成的复合轴系统。粗跟踪系统主要由一个两轴高精度转台来实现视轴的方位和俯仰运动,在水平方位采用U型架结构,俯仰方向采用O型架结构,该两轴控制系统为三闭环系统,即由电流环、速度环和位置环构成,其控制系统结构由内到外分别是电流环、速度环、位置环回路。虽然粗跟踪转台在方位控制和俯仰控制之间相互独立,但两控制方式原理相似,因而仅以方位控制系统为对象研究跟瞄系统中粗跟踪转台的控制,其控制系统框图如图2 所示。精跟踪系统是采用复合轴控制结构的舰载激光武器跟瞄系统,它是激光武器系统实现高精度跟踪的关键组成部分。精跟踪系统利用望远镜主孔径接收目标光,具有窄视场,通过利用目标偏差量控制快速反射镜执行精跟踪闭环控制,使得精跟踪视轴与目标光轴一致。依据参考文献[10-11],本文中激光武器系统跟瞄精度设定为σ≤10μrad。
4 舰载激光武器拦截反舰导弹技术分析
4.1 作战场景分析
目前反舰导弹制导方式主要是雷达和光电制导方式,导弹头部的整流罩相应地分为雷达射频整流罩和光学整流罩。雷达射频整流罩的材料为透波性好的玻璃钢泡沫夹芯结构;光学整流罩则根据制导选用波段不同而采用不同的材料,其中电视制导大多采用K9玻璃,红外制导大多采用CaF2。弹体的侧面一般是2~10mm厚铝板。结合国外文献将导弹的杀伤方式及破坏阈值归纳如表2 所示。
表2 对导弹的作战方式及破坏阈值 |
| 作战 方式 | 导弹 类型 | 杀伤方式 | 破坏阈值/ (W/cm2) | 作用 时间/s |
|---|---|---|---|---|
| 软杀伤 | 雷达 制导 | 燃烧并击穿头罩 | 50~100 | ~1 |
| 电视 制导 | 熔穿或击裂头罩 | 100~300 | ~3 | |
| 破坏传感器 | 10-4~10-2 (光学增益106) | ~1 | ||
| 红外 制导 | 熔穿或击裂头罩 | 50~300 | ~2 | |
| 破坏传感器 | 10-4~10-2 (光学增益106) | ~1 | ||
| 激光 制导 | 熔穿或击裂头罩 | 100~300 | ~3 | |
| 破坏传感器 | 10-4~10-2 (光学增益106) | ~1 | ||
| 硬杀伤 | 铝壳体 | 燃料舱 | 500~1000 | ~3 |
| 战斗部 | 3000~10000 | ~5 | ||
| 钢壳体 | 燃料舱 | 500~1000 | ~2 | |
| 战斗部 | 1000~5000 | ~4 |
由表2 可以看出,激光武器破坏导弹整流罩或导引头所需功率较低,而攻击导弹前部金属壳体通过产生压力和冲量来对导弹造成破坏所需功率较高,同时还要考虑导弹前部壳体包含的战斗部所受到的影响,因此利用激光武器毁伤目标时,需要综合分析针对不同部位的毁伤效能才可以确定最合适的打击部位及作战方式。
4.2 激光武器毁伤效果分析
同样地,设定初始功率为100W,改变跟瞄精度,得到激光在目标上的功率密度与距离的关系如图4 所示。
通过计算并结合以上图例分析可得到如下结论:
1) 在2km~4km的近程作战中,毁伤目标所需的初始激光功率并不高,对导弹的各个部件都可以造成破坏,可采取攻击其燃料箱或者战斗部,直接引爆导弹;
2) 随着距离的增加,可以看出大气对激光的传导影响越来越大,而提高激光武器的初始功率密度,对目标上的功率密度提高并不大。在5km~10km距离上,可以攻击导弹的整流罩或者传感器,改变其原有的透波性能,造成雷达导引头波束的畸变,从而影响导引头的目标跟踪基准;
3) 同时也可以看出在10km距离以上,激光武器对传感器的破坏也还是足够满足所需,在实际作战环境中,可以将其与传统武器相结合,完善现有防御系统;
4) 除了大气因素以外,系统跟瞄精度对激光武器的作战性能也有较大影响,针对该跟瞄系统,还需做进一步研究。
4.3 作战流程分析
参考传统舰载武器系统,结合激光武器的各项特性,通过研究,对激光武器系统给出如图5 所示的作战流程。
如图5 所示,舰艇远程情报跟踪分系统搜索发现目标后,建立目标航迹,进行敌我识别和目标类型识别。情报分系统根据建立的目标航迹和类型识别结果,启动威胁判断战术应用软件,对目标进行威胁判断。激光武器系统的跟踪雷达,接收情报跟踪分系统发送来的目标指示信息,对指定的目标进行捕获、跟踪,求解目标运动参数,预测目标位置,输出数据并引导高能激光武器的精瞄跟踪分系统对目标进行精跟踪。粗跟踪由伺服系统驱动,其跟踪精度要毫弧度数量级。到达激光照射距离时,激光武器的光束控制与发射系统保持对目标点瞄准,选择激光发射方式,并启动激光器,对作战目标进行攻击。
在实际作战环境中,要使舰载激光武器达到预计毁伤效果,还需考虑舰艇自身的摇摆,它将是影响激光武器作用精度的重要参数,所以要使激光武器真正形成一定的战斗能力,满足所需的战斗效益,必须建立舰艇扰动模型并完善其射击控制系统。同时,本文对实际作战环境考虑不足,大气对于激光的传播影响还需深入研究。
5 结束语
衡量武器作战效能,无外乎反应时间、精度、射程和威力。在快速性和准确性方面,激光武器等定向能武器可以做到“瞄准即命中、发射即相遇”,可基本忽略弹道飞行时间,武器的反应速度大幅提高,它在防空反导方面的强大潜力绝对不容忽视。可以预测,在未来战场上,激光武器将对海军的作战模式产生重大的影响,而海军装备的发展也将发生变革。