中国指挥与控制学会会刊 
潜艇隐蔽性是潜艇的生命线和发挥自身战斗力的重要前提。但随着反潜手段的不断推陈出新,潜艇隐蔽性遭受了前所未有的挑战。反潜巡逻机搭载的探潜设备能力之强、攻潜武器威力之大,使得其一出现就获得了“潜艇杀手”的称号。因此世界各国都在寻找摆脱反潜巡逻机跟踪搜索的战术方法,不过大多都是三点——变速、变向、变深,潜艇面对反潜巡逻机只能被动防御。但单一的被动防御并不能压制当前反潜巡逻机对潜艇的巨大优势。
20世纪60年代末,国外就开始了潜空导弹武器系统的研究,但随着反潜技术的不断发展,反潜巡逻机的高空反潜能力得到了有效的提升,潜艇当前作战条件下能否使用潜空导弹对反潜机进行有效的杀伤还不得而知,且一旦潜艇发射了潜空导弹就会暴露潜艇的位置,所以如何能在保持潜艇一定隐蔽性的同时对空中目标实施攻击,是未来潜艇防空武器发展的立足点。若未来潜艇具备主动对抗反潜巡逻机的能力,那么潜艇在反潜巡逻机面前的劣势也将得到极大的改善。
1 激光武器
1.1 激光武器概念及特点
相比传统武器,激光武器尤其是潜空导弹具有许多优势:1)快速性。激光武器是利用高能激光来实现杀伤或者致盲敌方人员和装备的目的,激光的速度为光速,激光武器在对目标进行攻击时并不需要计算提前量等因素,只需将激光持续对准目标即可[3]。2)抗干扰性。相比导弹来讲,激光武器不受电磁干扰,传统的电子对抗方法均不对其产生影响,并且激光武器攻击时不会像导弹一样产生尾迹,攻击时悄无声息,让敌方难以发觉自身被攻击。3)精确性。光沿直线传播,所以激光武器无须计算提前量,使其稳定照射目标上的固定一点,即可完成毁伤。4)抗饱和攻击。当目标被摧毁后,激光武器在几秒钟内即可快速瞄准下一个目标,使之具有极高的反应速度,用于抗击多目标的饱和攻击[4]。5)经济性。激光武器的弹药为激光,所以只要保证有足够的电量,即可做到连续射击。其次,虽然激光武器制造采购成本较高,但其使用成本较低。所以激光武器具有极高的经济性。
目前,激光武器应用的研究方向逐渐向实用性较强的战术激光武器转变。由于较大的尺寸与重量限制了激光武器的发展,因此,各国激光武器部署重点向海基激光武器转变。
1.2 国外激光武器研究进展
美、俄、英、德、法、以色列等主要发达国家都在大力发展激光武器技术,各国都将高能激光武器作为提升国家对外威慑和打击能力的重要手段。目前,在世界范围内,俄罗斯的激光理论研究处于领先地位,美国和以色列在激光武器应用中处于领先地位[5]。
美国在激光武器的研究与应用方面一直走在世界的前列。洛克希德·马丁公司从事激光武器的研究已经超过30年,美国现役的舰载激光武器系统“劳斯”(LaWS)便是由其研制。
洛克希德·马丁公司为了实现激光器的高功率输出和控制成本,采用柔性光纤、模块化设计和光谱波束合成技术,较好地克服了激光武器体型大、启动难和冷却差等缺点[6]。美国舰载激光武器研究进展见表1 。
表1 美国舰载激光武器研究进展Tab.1 Progress in research on shipborne laser weapons in US |
| 时间 | 项目 | 研究进展 |
|---|---|---|
| 2017.2 | 美军计划2017年安装15万瓦激光武器到试验船 | 美海军计划2017年将电力供应系统进一步缩小的激光武器加载到试验船,并计划2018年安装到现役驱逐舰[5] |
| 2018.4 | 美海军“高能激光和集成监视系统”激光武器 | 洛克希德马丁公司获初期合同,价值1.5亿美元,计划将两套激光武器系统分别安装在DDG 51驱逐舰和白沙靶场陆上进行测试[5] |
| 2019.1 | 美“太阳神”舰载激光武器 | 洛克希德·马丁公司称“太阳神”舰载激光武器系统预计将在当年准备进行初始设计评估[7] |
| 2021.1 | 美“太阳神”舰载激光武器 | 美“太阳神”舰载激光武器交付美军,并在瓦勒普斯岛的试验设施完成开火测试,总输出功率60 kW,计划安装在DDG 51驱逐舰上[8] |
| 2021.7 | “奥丁”激光致盲系统 | “奥丁”激光致盲系统2021年7月配装于“阿利·伯克”级“斯托克代尔”号驱逐舰,以应对无人机威胁,该系统目前已经集成至“斯托克代尔”和“斯普鲁恩斯”号驱逐舰[8] |
| 2022.6 | 美“太阳神”舰载激光武器 | 美国海军与洛克希德·马丁公司正在将“太阳神”舰载激光武器系统安装在DDG 88驱逐舰上,并为新武器系统开发新的作战概念[9] |
美国媒体曾于2020年2月报道称,美海军已计划在弗吉尼亚级攻击型核潜艇上试验新型高能激光武器。据相关人士透露,最初将利用外部能源系统测试功率300 kW的激光武器,未来将提升至500 kW[4]。
2 潜艇加装激光武器要求
舰载激光武器一般由激光器、光束定向器、指控通信、光学平台与能源辅助等分系统组成[10]。
目前技术最成熟、实用性最高的激光器便是固态激光器。全球首个开展实战测试的美国LaWS系统和全球首款实战部署的俄罗斯“佩列韦斯特”系统,均是采用固体激光器[14]。其中光纤激光器是艇载激光武器的首选。
潜艇作为一个大型武器平台,其中的设备仪器众多,内部空间有限,所以加装激光武器对于体积有一定的要求。
对于国外先进潜艇,尤其是美海军核潜艇,其采用的均为单壳体结构,以牺牲潜艇储备浮力换取更大的内部空间,由于其核潜艇性能先进,噪声水平极低,所以被探测攻击的概率也相应较小,小储备浮力也可保证安全性。不过若潜艇想既保证安全性又获得足够的安装空间,可以选择单双混合壳体结构,将激光武器安装在潜艇中部的单壳体舱室内。
洛克希德·马丁公司的研制的模块化光纤激光器表明,其具有规模可变、易于冷却与封装的优点,其次,利用柔性光纤传输激光,可让激光在光纤内实现长距离加速,并且占用空间也可通过卷曲布局大大减小,光纤提供的超大面容比也将使冷却难度大幅降低[6]。通过光纤的柔性,可以让激光武器在潜艇中的布局更加简单方便,提高系统整体的可靠性。通过光纤也可将其整合至光电桅杆中,可实现探测、攻击同时进行,提高系统反应速度,使激光武器战力倍增。
虽然潜艇可以利用光电桅杆实现激光武器的“发现即摧毁”的作战效能,但是目标攻击部位的选择以及瞄准精度的控制也是需要考虑的问题。对于飞机来说,发动机和油箱是其较为脆弱的部位,若想在远距离实施攻击,并将激光照射至目标的关键部位,这就要求瞄准系统要有极高的放大倍率和持续稳定跟踪目标的能力。
激光武器装备潜艇后的能源管理问题也是一个难点。国外多数舰艇目前已经采用全电模式推进,未来若舰艇综合电力系统技术进步,此问题将迎刃而解,搭载更高功率的激光武器也变得更加容易[15]。
3 艇载激光武器使用时机
激光武器将为潜艇开辟更加广泛的战术可能性。在此之前,潜艇在面对反潜巡逻机或反潜直升机时毫无还手之力,只得通过变速、变深、变向等战术机动来被动躲避或通过水声对抗器材进行水声对抗,使得航空反潜兵力丢失潜艇的目标信息。
从之前各国大力发展潜空导弹就可以看出,潜艇应对空中威胁时,若能直接对其攻击,将其击落,这将大大提升潜艇生存概率。由于潜空导弹发射后便可被探测,对于航速较低的潜艇来说,这会直接暴露潜艇位置,招致反潜兵力的攻击。所以发展艇载激光武器,实现较为隐蔽的攻击便是极其必要的。
若使用整合到光电桅杆的激光武器,则需要将光电桅杆升至海面以上,也会在一定程度上暴露潜艇的位置,所以激光武器的使用时机也会影响潜艇攻击反潜巡逻机的效果乃至潜艇的存亡。
3.1 攻击对象
艇载激光武器可以攻击的对象有多种类型,出于潜艇自身隐蔽性的考虑,艇载激光武器攻击的目标大多是容易被激光武器在短时间内就可致盲或摧毁的,因此,潜艇可以利用自身所装备激光武器攻击无人机、无人艇,此类目标可以在短时间内被摧毁。反潜巡逻机也是可以被攻击的对象,但P-8A型反潜巡逻机搭载了最新的高空滑翔鱼雷,可以从其6 000 m左右的巡航高度发起攻击,所以在这种高度使用激光武器致盲其探测设备是较好的选择。反潜直升机在执行任务时,螺旋桨会发出较大噪声,潜艇在水下即可发现,而且其反潜时飞行高度通常较低,所以可以利用激光武器直接将其击落。
完成以上攻击任务所需的激光武器功率大约为100 kW左右,未来若装备了功率更高的兆瓦级激光武器,可有效攻击的对象将得到拓展,例如弹道导弹、巡航导弹、高超声速武器和卫星等,都将是可攻击目标。
就目前激光武器来讲,“低慢小”的空中目标是最易被其摧毁的,也是其优势领域,而对于飞行速度快、飞行高度高和体积较大的目标,激光武器可将其致盲或攻击其弱点部位,使其作战目的难以达成则是最为有效的攻击手段。
3.2 艇载激光武器使用时机及流程
发现阶段可分为主动发现与被动发现两种情况。主动发现是指利用潜艇自身具备的侦察、探测以及警戒设备或通过岸基指挥所、其他兵力通报获知反潜巡逻机位置。被动发现是指反潜巡逻机已经开始对潜艇实施探测定位攻击时,潜艇才发现反潜巡逻机。主动发现与被动发现主要区别是反潜巡逻机是否已经发现潜艇踪迹,需要潜艇指挥员自行判断是否已经被发现,这对后续防御行动开展至关重要。所以发现阶段是潜艇使用激光武器防御反潜巡逻机的关键节点。
主动发现反潜巡逻机时,潜艇处于暗处,此时要首先判明反潜巡逻机的战术目的。反潜巡逻机在没有掌握潜艇信息之前,进行常规性质的海上巡逻时,以雷达和目力搜索方式为主,目的是发现潜艇伸出海面的潜望镜、通气管以及海面上的油迹等,此时潜艇要适时采取规避措施。
被动发现反潜巡逻机时,潜艇自身已经暴露,处于极为不利的局面。非战争时期可能会导致潜艇被持续跟踪,难以摆脱,导致后续任务无法进行,战争时期可能会导致我方战略战术意图暴露、战役失败等严重后果,并且潜艇也会处于极为危险的境地。
反潜巡逻机攻潜步骤通常为,先利用被动声呐浮标确定潜艇大致位置,发现潜艇目标之后,再使用主动声呐浮标或磁探仪进行准确定位,最后实施攻击。值得注意的是,反潜巡逻机在攻击初始阶段使用被动声呐浮标,且布放声呐浮标通常依靠降落伞减速入水,所以入水时声音较小,不易被潜艇发现。
当反潜巡逻机使用主动声呐浮标时,表明其要对潜艇进行准确定位,将要开始攻击,而往往这时潜艇才听测到声呐浮标产生的水声信号。这时潜艇是继续进行机动规避,还是浮至潜望深度打击反潜巡逻机,应结合以下几点进行决策:一是所处时期为战争时期或是非战争时期;二是所处海区敌我态势;三是反潜巡逻机的后续战术行动;四是潜艇的任务目标;五是依靠潜艇自身机动使用声抗装备摆脱的概率。
当潜艇处在非战争时期,反潜巡逻机大概率不会对潜艇实施攻击。布放声呐浮标的目的可以判断为演练攻潜或跟踪定位,潜艇可以继续依靠传统防御手段进行周旋摆脱,也可浮至潜望深度,利用激光武器隐蔽攻击其光电/红外探测设备、雷达等部位对其进行警告、驱离,从而恢复潜艇隐蔽性。
当潜艇处在战争时期,反潜巡逻机对其威胁极大,极有可能对其实施攻击。此时要结合先前获取的海区敌我态势进行研判。若其他兵力难以对潜艇及时进行支援,海区周围没有敌方其他兵力,或是存在敌方其他兵力,但确信潜艇对反潜巡逻机实施攻击后可以恢复隐蔽性,则可利用激光武器对其实施攻击。此时攻击位置要选择油箱、外挂武器、战斗部等位置,对其实施硬毁伤,目的是击毁反潜巡逻机或使其失去攻潜能力。
当潜艇执行对战役战略全局产生重大影响的任务时,要首先以完成任务为主要目标。此时,面对反潜巡逻机,要在确信难以摆脱的情况下,果断使用激光武器进行攻击,将其驱离或击落,确保任务完成。
若发现空中有多架反潜巡逻机或是其他空中反潜兵力存在,要迅速判断对潜艇威胁最大的空中目标,果断对其进行攻击。攻击完成后,快速跟踪瞄准下一个高危险目标并实施攻击。攻击过程中要实时对毁伤效果进行评估,确保激光武器发射时间恰到好处,从而减少攻击时间,提高毁伤效果。具体攻击前态势判断流程图见图1 。
3.3 艇载激光武器使用原则
虽然艇载激光武器是使用升降装置,位于潜望深度对敌方空中反潜兵力进行攻击,但还是存在一定的暴露风险,所以使用激光武器进行对空防御应作为最后的手段,避免主动出击。尤其是面对水面舰艇与空中反潜兵力联合反潜时,若使用时机选择不当或敌我态势判断错误,将会使得潜艇陷入更加复杂被动的局面。
3.4 艇载激光武器对反潜机毁伤能力
激光武器对目标的毁伤效果与激光波长、光束质量、照射时间长短和目标的通频带以及激光在大气中传播的远近距离有关,激光作用到目标有两个主要参数:功率密度和光斑半径,可由以下公式进行计算[3]:
r=
其中,r为目标的光斑半径;β为光束质量因子,通常β>1;λ为激光波长;R为目标距离;D为发射镜直径。
q=
其中,q为目标上功率密度;P为激光功率。
当激光照射目标上的激光能量密度超过某个阈值时,就可造成一定毁伤,条件为
e= ≥eth
其中,τ为激光照射时间。
根据上述公式计算可知,当使用功率为100 kW或150 kW的激光武器照射目标;光束质量因子β=3;激光波长λ=1.064 μm;发射镜口径为50 cm时,取1 000 J·cm-2为反潜机机身毁伤阈值,100 J·cm-2为反潜机雷达设备的毁伤阈值,10 J·cm-2为反潜机光电/红外探测设备的毁伤阈值,则可得到相关毁伤距离与毁伤时间,具体见表2 。
表2 激光武器毁伤反潜机能力Tab.2 Laser weapons capable of damaging anti-submarine aircraft |
| 项目 | 功率100 kW | 功率150 kW | 能力提升 | |
|---|---|---|---|---|
| 击穿机身 | 5.4 km | 6.7 km | ||
| 毁伤距离 | 毁伤雷达 | 9.7 km | 11.8 km | 最远毁伤距离提升24.1% |
| 毁伤光电/红外探测设备 | 17.2 km | 21.0 km | ||
| 击穿机身 | 27.6 s | 18.4 s | ||
| 毁伤时间 | 毁伤雷达 | 2.76 s | 1.84 s | 毁伤所需时间缩短33.3% |
| 毁伤光电/红外探测设备 | 0.28 s | 0.19 s | ||
4 对潜艇未来作战方式的影响
潜艇装备激光武器可执行更加多样的任务:1)为商船或战略导弹核潜艇护航;2)抵近近岸打击陆上目标,如雷达站、港口的储油设施等;3)在敌对国家近海部署我潜艇,战时执行反导任务;4)远海隐蔽攻击或致盲对方卫星,掩护我方部队行动。
4.1 执行商船护航任务
目前海上运输日益繁忙,随着社会发展,海运的大运量和经济性将进一步凸显,而在战时海上交通线更是一个沿海国的生命线所在。若本国的海上交通线被切断,将导致大量战争急需的物资难以得到保证,最为首要的便是石油的供给。
二战初期,德国就是利用其在大西洋上潜艇战的绝对优势,不断袭击驶往英国的运输船,导致英国有很长一段时间的石油供给出现极其严重的短缺,来自盟国的军事物资也难以运抵,甚至连民众赖以生存的食品也要实行配给制度,切断了大西洋航路就相当于扼住了欧洲的咽喉,所以在战时要努力保证本国的海上运输不被切断是一件可以左右战争胜负的大事。
传统为商船护航主要是利用水面舰艇,但水面舰艇自给力低、目标明显,也极其容易被发现和攻击,难以有效为商船提供持久的护航。潜艇则具有较强的隐蔽性,且具有很强的自给力,可连续在水下航行多天。商船的航线较为固定,所以潜艇在护航之前就可以制定相应的航行计划,过程中也不用与被护航船只联系。
其次商船具有较大的噪声,潜艇在水下可以利用商船的噪声来掩护自身,从而减小被地方潜艇或其他反潜兵力发现风险。搭载了激光武器的潜艇,可以利用激光武器击落袭击商船的空中目标,又可以利用自身搭载的反舰导弹和鱼雷攻击敌方抵近的水面舰艇和潜艇。潜艇护航商船可以伴随航行,也可以在易受到攻击的位置待命,从而可以隐蔽地打击敌方兵力,做到出其不意。
4.2 执行战略导弹核潜艇护航任务
战略导弹核潜艇是一个国家进行二次核反击的重要力量,也是施行核威慑最为有效的手段。因此战略导弹核潜艇出航具有极高的敏感性,对手将想方设法进行探测跟踪,但大都是较为隐蔽的,战略导弹核潜艇本身也许难以知晓自身已经被发现,而一旦两国开战,其也将会最先面临打击。
战略导弹核潜艇搭载的武器以战略导弹为主,也携带一定数量的鱼雷作为自卫手段,但当其面对空中威胁时就显得束手无策,所以利用搭载激光武器的潜艇为其护航就很有必要。无论平时或是战时,战略导弹核潜艇在大洋中都会保持待命状态,随时准备进行二次核反击任务。在战略导弹核潜艇出航前,可先派出一艘搭载艇载激光武器的潜艇进行前出执行侦察警戒的任务,并在战略导弹核潜艇的任务海域进行巡逻。当执行核反击任务时,执行护航任务的核潜艇可先利用激光武器对海域上空的过顶卫星进行干扰或摧毁,使得敌方天基监视系统难以生效,从而达到导弹发射的隐蔽性。
4.3 抵近打击敌港内设施
港口是一个沿海国家从外部进口物资的第一站,重要港口往往都建有石油储存的相关设施。处于战争时期,交战双方将大量消耗燃料,而从他国进口石油便是最快获得补充的方式。
在战时,我方可以利用潜艇隐蔽性强的特点,抵近对手港口附近,通过前期其他兵力获取的情报或通过自身搭载探测设备侦察,定位敌方储油设施位置,然后利用艇载激光武器对目标实施攻击,导致其相关设施损毁,甚至引发大火,削弱对手从海上获得石油的能力,可以一定程度缩短战争持续时间。也可利用激光武器攻击港口中其他关键目标,主要目的就是扰乱港口的正常运行能力,使其无法通过海运的方式获得别国支持,同时也能牵制对手部分反潜兵力,减轻外海我潜艇对抗反潜兵力的压力。
若对手国家或地区为岛屿,则其大部分民用物资来自海运,通过我潜艇在其近岸打击港口并进行封锁作战,导致相关民用物资也得不到补充,进而影响对方国内经济和生产生活,使得其国民众降低对战争的支持度,引起其国内矛盾。
4.4 执行反导任务
反导任务可以反弹道导弹也可以反巡航导弹,作为艇载激光武器,反弹道导弹更多的是单艇执行任务,而反巡航导弹则要在航母编队中担负相关的任务。
艇载激光武器反弹道导弹,主要是在对手国家海岸线附近或根据上级通报位置对弹道导弹实施拦截。弹道导弹在刚刚发射时处于助推阶段,此时目标体积最大,飞行速度较慢,而且红外特征十分明显,易于探测跟踪和摧毁。
潜艇在航母编队中主要进行水下警戒任务,但装备了激光武器的潜艇也可在敌方水下威胁较低,而水面反舰导弹对航母威胁较大时进行护航拦截。此时潜艇可位于编队的左右两侧,升起激光武器待命,此时由水面舰艇的雷达进行探测,发现来袭导弹后通报给潜艇进行拦截,这样就可为航母编队增加防空反导的拦截距离,并且拦截平台也不会受到反舰导弹的威胁,拦截风险大幅降低。
4.5 执行反卫星任务
卫星在军事领域有相当重要的作用,尤其军用卫星是实施侦察、通信和导航的重要手段。在战时如何对对手卫星实施有效的致盲或摧毁是一个值得考虑的问题。
目前反卫星手段主要是靠地空导弹来实施打击,但这存在一定的问题。首先是隐蔽性的问题,导弹发射往往伴随着较长的尾迹,在作战区域附近实施导弹打击卫星任务过于冒险,极易造成己方阵地暴露,随之而来的就是被敌方火力摧毁。其次,目前卫星趋于小型化,就以“星链”计划所发射的卫星来讲,其数量多、密度大并且体积小,卫星网络韧性极强,即使较多卫星被毁,也能有冗余进行补充。所以对这类卫星来讲利用导弹实施攻击实在是过于低效和危险。
而利用艇载的激光武器实施此类任务便可以较好地避免上述问题。首先,在我方即将要作战的海域派出一艘或数艘配备激光武器的潜艇,依照上级指示进入目标海域待机,等待卫星进入其攻击范围内。根据先前获取的卫星过顶时间来决定升起激光武器的时间。当卫星进入可打击范围后升起激光武器,由于受限于潜艇的探测设备,攻击时只能由其他兵力提供卫星位置引导潜艇对卫星实施攻击,待攻击完成后便可下潜继续待机或返回岸港。
5 艇载激光武器未来发展关键技术
艇载激光武器若想实现上述作战模式,其火控系统未来需要配套设计,主要功能是通过选择激光武器的攻击位置从而实现不同的战术目的,而且要对强激光通过大气传输时与大气相互作用产生一系列效应的影响进行补偿,并要在进行攻击时实时进行毁伤评估,计算已经发射的激光对目标的累积命中毁伤概率,以此来作为激光武器转移火力和停火决策的判断依据。
火控系统要根据不同攻击目标在不同特征参数情况下确定激光照射位置,可建立某种目标在不同距离、不同运动状况下的攻击毁伤阈值的数据库,并自动结合当前战术目的对目标毁伤部位按照优先顺序进行排序,默认选择系统认为最佳毁伤位置,便于快速攻击,火控系统工作流程图见图2 。
6 结束语
目前固体激光武器仍是最成熟与可靠的激光武器,其最有可能装备潜艇。未来潜艇可以执行的任务类型也将多种多样。但激光武器也存在体积较大、冷却困难等缺点,预计激光武器未来将会在缩小体积、增加可靠性、寻找更加耐用的材料和提高功率上继续研究,固体激光器将依旧是各国发展的重点,由于激光武器所需能量较大,海基平台将是激光武器最佳载体。