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应用于军事上的高能气动CO2激光器

2008-06-02 11:25
雷本祖
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    摘要:本文综述了高能气动CO2激光器技术在军事上的应用,尤其是运用在高能激光武器上,重点介绍了各国应用高能气动CO2激光器技术研制高能激光武器的情况。

    引言 

    气动CO2激光器自1966年提出以来,一直受到极大的关注。由于激光技术中气动技术的引进,为提高激光器的功率和效率开辟了广阔前景[2]。该激光器系统无化学毒害和污染,制作简便,其发射的波长为10.6um正处于大气窗口,可输出连续波高功率激光等突出特点,在激光武器的发展中占有极其重要的地位[1]。 

    激光武器作为一种新概念武器,与传统常规武器相比,以其速度快,方向性好,能量密度高,作战耗费比高等优点,成为新世纪武器中的新宠。本文主要介绍美、法、徳、俄在利用气动CO2激光器研制的激光武器,综述目前气动CO2激光武器的现状及发展趋势。 
 
    1.美国研制的气动CO2激光武器 

    第一代高能激光器于60年代后期出现不久,发展激光武器的努力就拉开序幕。最早得高能激光器是1968年发明的CO2激光器。70年代早期,美国三军相继开始研究高能激光对有关军事目标得破坏作用。 

    高能激光武器最初的原型机之一是美国空军于70年代中期研制得MTU装置,所用得是一台30KW的电激励气动CO2激光器。1975年,在美国阿拉巴马(Alabama)州的红石兵工厂(Redstone Arsenal)用MTU截击有翼靶标和直升机靶机的试验获得成功,但没有公布结果数据。 
 
    经过几年前期研究和论证后,美国海军于1971年启动“高能激光”计划,开始正式研制高能激光武器。当时面临的两项主要任务是开发高能激光器和光束定向器,这是组成高能激光武器的两大硬件。高能激光器是高能激光武器的核心部件,它能否提供输出功率足够高的激光,很大程度上决定了能否有效地对目标造成硬杀伤。美国海军研究认为,要想在战术距离上击毁反舰导弹,高能激光器的输出功率需要达到兆瓦级(事实上,这也是美国海军后来对高能激光器的选择标准)。众所周知,70年代初激光技术尚未得到充分发展,在有限的几种激光器中,波长为10.6微米的气动CO2激光器在技术上最为成熟,虽然其输出功率远远没有达到兆瓦级,但长远来看有此潜力。于是,美国海军选择气动CO2激光器作为高能激光器。1971年末,海军研究人员曾利用气动CO2激光器点燃了3.2千米外的木板[3]。正当“高能激光”计划有条不紊铺开之际,TRW公司却在1973年指出,氟化氘在化学激光器在功率潜力上绝不逊于气动CO2激光器,而且前者发射的3.8微米激光在深海环境中的传输性能远优于后者的10.6微米激光,因此更适合舰载应用。我们知道,激光在大气中传输时会受到大气效应的影响,导致能量损失,降低对目标的破坏效果,而且影响程度与激光波长有关。美国海军考虑再三,最终决定停止对气动CO2激光器的研究。 

    1972年美国开始机载激光实验室计划,1981年,美国空军将一台400kw气动CO2激光器安装在被称为机载激光实验室的波音NKC-135运输机上,进行飞行试验共约770小时,试图拦截AIM—9L型侧风式空对空导弹,但未能获得成功。此后试验在秘密情况下继续进行,并与1983年5月在美国加州的中国湖海军武器中心击落大量侧风式导弹。同年9月击落BQM-34A亚音速靶机,激光烧穿了靶机外壳,破坏了关键部件,引起飞机控制失灵。机载激光器实验计划中的气动CO2激光器采用甲烷与氧混合气体作为点火气体,然后送人一氧化碳(CO)和一氧化二氮进行燃烧。对燃烧生成气体再吹入甲烷、氧和氮,最终的气体成分为二氧化碳14%,氮85%、水蒸气1%。该气体的压力为5.56Mpa,温度为1630℃该高温高压燃气以Ma=6的速度从170个并列喷嘴喷出,形成氮分子能级粒子数反转。该能作为激光射出。在光学窗口不用玻璃,而是用喷射氮气与外界隔绝。气体高能激光器的排气系统设在飞机机体下面,排出气体的温度仍有870K和lOlPa的压力,可产生18kW的推力,约为激光效率的4%.该激光器的功率为456kW,从飞机前端炮塔射出的激光束功率为380kW[4]。机载激光器实验计划于1984年结束,据说共耗资约3 210万美元。试验的成功从原理上证明,用机载高能激光武器可以摧毁空对空和地对空导弹。但需要指出的是,该激光器完全充满一架4发动机大型运输机,而不能作为一附加装备安装在小型飞行器上,这给武器系统的运输和使用都带来很大问题,而更重要的是,庞大的体积难以避免对方导弹的攻击。1988年8月,美国空军武器实验室(AFWL)建造成功58千瓦氧碘化学激光器(COIL )。同时,美国物理学会研究认为,COIL的输出功率达到100兆瓦在理论上是可行的,而这是气动CO2激光器无论如何也做不到的。因此,美国空军决定以氧碘化学激光器代替气动CO2激光器,以增大机载激光武器的作战距离,改进作战适应性。 

    2.法国的LATEX计划 

    法国从70年代初期开始研制反导弹战术激光武器。1984年开始实施LATEX计划;研究带瞄准系统的改进型气动CO2激光器。LATEX计划自1987年至1990年已完成5000多次射击试验,其中一次激光击毁了700m远处一枚导弹的红外整流罩和一块模拟飞机外壳的金属板。 
 
    计划1991年在法国西南部先用新型小功率(1KW)气动激光器做射击试验,然后用中功率(40KW)激光器做射击试验。在实验过程中采用固定目标、低速运动目标(50km/h)和高速运动目标(可高达250m/s)三种目标,以确定是否可用激光束瞄准和在运动目标上聚焦。LATEX计划以40KW气动激光器为光源,输出光束直径为800mm,采用1m直径的望远镜和SFIM单轴活动炮塔(角加速度为1rad/s2)。其中望远镜由一个非球面初级反光镜和一个三轴(方位、高度、聚焦)微调次级反光镜组成。为了补偿大气紊流,还研制一种自适用光学系统。该气动CO2激光器用1m3的气柜供气,用40kw电弧进行电激励,可在10秒内提供超过1.2MW的功率,连续输出功率为40kw,输出波长为10um,能够保证在15~20秒内连续射击并击毁目标。精确的光束瞄准和控制过程是由聚焦激光束根据红外探测器对目标的探测结果,在很短时间内完成的。在700m范围内,可产生直径为20mm的热点,如果不考虑目标的运动速度,要求瞄准精度为10rad。在试验中碰到的另一主要问题是如何补偿大气紊流的影响。光路上的热效应往往会引起光束折射率的变化,并产生发散,以至抵消聚焦效应。为了解决大气紊流问题,LATEX计划采用自适应光学系统,将40个压电微电机装入光学系统,使其表面位移几微米。从而可提供聚焦透镜,通过目标的热反射分析计算之后,可用该透镜波前的相位偏差补偿任何效应。

    自从1972年以来,法国在激光武器研究方面已经耗资6~7亿法郎,其中因实施LATEX计划,仅1984~1990年就耗资3亿法郎。其他类型激光武器也在发展[5]。 
 
    3.德国HELEX计划 

    德国MBB和DIEHL公司自70年代初就开始研究防空激光武器方案,采用平均输出功率1MW或几MW的气动CO2激光器。这种激光武器系统重约20吨,安装在“豹-Ⅱ”坦克底座上,一般由2个人操纵即可。一个长约11.5m的升降臂,可将发射光学系统升至高处,以减少地面稠密大气或战场灰尘影响。样机如图1。根据设计,每秒射击一次(成本约300美元)。发射出的强光束可破坏10km内的来袭飞机、直升机、战术导弹等,并可致盲20km或更远的光电传感器[6]。

    该武器系统的主要战术技术指标如下:(1)对光学传感器杀伤距离大于20km;(2)对飞机、战术导弹壳体的杀伤距离5~10km;(3)激光器的输出功率为1×106W;(4)使用至少由19个组元构成的自适应控制组合式光学镜来改善光束质量;(5)用碳纤维材料制造的大型发生望远镜的直径为1.5m;(6)气动激光器的喷管列阵的总面积为长2m宽0.5m的矩柜,激光器工作时需要对喷管列阵进行冷却,以保证激光器能连续工作较长的时间;(7)可折叠的升降臂长11.5m,使用它能将光学平台升起竖立在坦克车顶上,也能将平台撤回放在坦克车的背上;(8)激光器所用的燃料,加注一次以后,可供发射60次激光,用以攻击目标;(9)整个装置装在“豹-Ⅱ”坦克底座上,总重量20吨[7]。 

    4.俄罗斯的气动CO2激光武器 
 
    前苏联于60年代中期开始发展高能激光器,激光武器实验室的科学家和工程师不少于1万人,研究气动激光器、电激励激光器和化学激光器及其在军事上的应用,优先发展CO2激光器。俄罗斯已具有万瓦级以上气动CO2激光器,由列宁格勒叶夫列莫夫电物理所激光中心为主进行研制和生产。功率分50~100万瓦、3万瓦和1.5万瓦三种,通过用气体放电激发放出二氧化碳制得[8]。 
 
    5.结束语 

    虽然,气动CO2激光器因能量转换效率低、体积大、光束质量较差等原因,竞争力似乎不如化学激光器。但是气动CO2激光器技术成熟,结构简单,输出功率高,已达数百万瓦级,而且不存在化学腐蚀问题。因此,作为战区反导弹激光武器和战术激光防空武器,高能气动CO2激光器仍然是重要的选用激光器。
 
    为了使高能气动CO2激光器在各个领域里,特别是在军事上得到应用,必须要进一步提高器件的输出功率和转换效率,缩小体积,减轻重量,提高可靠性。高能气动CO2激光器技术必将进一步发展。

(编辑:文静)

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