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美军固体激光器项目着力提高功率水平和光束质量

2008-10-22 09:27
潇纵
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    具有极高精确性的定向能武器,几十年来一直备受军事计划者们的关注,但是直到最近国防部才真正地开始在激光技术方面投入资金,并期望这一举动最终会导致光速战术武器的诞生。五角大楼明确表示将在未来的两年内投入4900万美元研制一种固体高功率激光器

     这种激光器经过改造可以安装在战术喷气式战斗机、海军舰船或者是陆军的车辆上,从而成为一种作战武器。

     激光器是一种光辐射装置,通常按照激光介质的不同可分为气体激光器、液体激光器和固体激光器。到目前为止,只有化学激光器能够达到较高的功率水平,可以在一定程度上满足军用装置的需要,如安装在波音喷气式飞机上的兆瓦级空军机载激光(ABL)系统、陆军的陆基战术高能激光(THEL)等。机载激光可以击落弹道导弹,而陆基高能激光可以摧毁火箭、迫击炮和大口径火炮的炮弹。但是,化学激光能量的产生是通过一种化学反应来实现,它们的体积往往过大而显得笨拙,而且从后勤的角度讲使用起来非常复杂,保障也很困难,因此,不太适合用作一种战场武器。

     固体激光使用晶体或是玻璃作为激光介质,它们依靠电能驱动,这使得它们在紧凑型武器系统领域颇受青睐。但是,这项技术已经明显落后了。固体激光已经发明了30多年,但是它们所能够达到的功率水平一直没有什么实质性的突破,因此无法满足研制激光武器的军事需求。现在,固体激光在低功率应用方面却已经非常普及,如激光打标和加工技术等领域。通常来讲,要作为一种武器来使用,激光的能级范围要达到几十千瓦到几兆瓦的功率水平。

     围绕着美国空军研究实验室主管的25千瓦固体激光器研发项目正在进行着一场行业竞争。这个项目将确定固体激光技术是否已经成熟并适合进一步的发展。尽管空军研究实验室的科学家们成功地证明了功率为 25千瓦的固体激光器能够在实验室条件下进行工作,但是专家们警告说,要把这一基本的技术转化成为一项实用的武器,还需要做更多的研发和工程工作。国防部的承包商美国汤普森-拉莫-伍尔德里奇公司(简称TRW)和雷神(Raytheon)公司宣称,以它们的能力能够制造出25千瓦的固体激光器,而且给它们更多的时间,在五到十年内,它们能够把这一功率级别提高到100千瓦。

     这样的言论在一定程度上对空军的计划起到了激励作用。空军研究实验室的激光物理学家凯里洛伊•莱格尼克上尉说,“承包商找到我们说他们觉得已经做好准备来为我们演示这一技术。我们实验室科学家们的知识,再加上承包商的信心,使我们下定决心要真正地推进这一技术。”

     参与竞标的公司将会有两年时间来进行技术展示的准备工作。莱格尼克表示,她不能披露有多少公司正在参与竞争,或者说是有多少公司将会得到这份4900万美元的项目合同。竞标将在九月到结束。

     莱格尼克说,25千瓦固体激光器的展示工作只是一个跳板,最终的目的是研制100千瓦的固体激光器。她同时也承认在研制25千瓦固体激光器的道路上还将面临许多的困难。其中一个技术难题就是如何减少在产生激光过程中附带产生的过多的热量,提高激光器的耐用程度,使它在高功率工作的条件下仍能保持激光光束的高质量、投射的远距离和较长的持续工作时间。

     美国国防大学资深研究人员艾力赫•兹米特说,固体激光技术在紧凑型武器应用方面有着很大的潜力。但是他同时也提醒说,围绕着这一技术还存在着许多的市场因素和夸大其词的成分。他说,研制25千瓦固体激光器风险很大,但是从物理学的角度讲并不是不可能的事。因为附带产生的热量的原因,固体激光器的功率要提升到100千瓦的级别存在着巨大的挑战。兹米特解释说,化学激光器中产生的无用的热量可以被流动的空气带走,但是固体激光器则不然,工作时产生的热量仍然会保留在激光介质的内部,而且内部温度会越来越高,最后会导致激光光束质量的下降,直到无法正常工作。激光器的散热通常采用物理手段,以水冷或是风冷的形式对激光介质的散热平台进行降温,或者是让激光器以短脉冲的形式来工作,以便在每一个脉冲的间歇进行散热。兹米特说,采用物理手段对激光器进行降温是更好的选择,因为这样做不需要经常打断激光的发射。

     兹米特说,给激光器降温是一项非常困难的工程挑战,特别是为高功率的激光器降温。例如,一个100千瓦的固体激光器在以额定功率工作时会产生900千瓦的热功率损耗,这是固体激光器的特性所决定的,这种激光器的能效极低,有百分之十的效率就已经被认为是相当高的效率了,大部分固体激光器的平均效率仅为百分之一。而且,高功率固体激光器的造价也十分昂贵,因为用来激励激光器工作的二极管的价格十分高昂。例如,要成功地激励一台效率为百分之十的100千瓦固体激光器,要求一百万个二极管,产生每一瓦特的功率需要的二极管的价值约为100美元。“那会是一项十分昂贵的开销,”兹米特说。只有少数几家公司能够制造这些高功率二极管。低功率二极管今天在许多商业领域得到广泛应用。但是只有高亮度的二极管能够被用来制造固体激光武器。目前,大多数的固体激光器不是采用二极管激励的,而是用闪光灯激励的方式。因为常规的闪光灯消耗大量的能量,所以它们需要昂贵的冷却降温系统。专家们说,二极管激励的激光器的效率是闪光灯激励的激光器的三到五倍,而且使用寿命也更长,这种典型的激光器的使用寿命可以达到10000小时,而闪光灯激励的激光器的使用寿命只有几百个小时。

 联合攻击战斗机(JSF)

     如果100千瓦的固体激光器研制成功,它将成为目前正在洛克希德•马丁公司生产的F-35联合攻击战斗机的机载武器选项。联合攻击战斗机的飞行员使用这种固体激光武器可以发射激光,以迷盲敌方从地面或是从空中发射的导弹的寻的传感器。洛克希德•马丁公司负责高级发展计划的代表尼尔•凯希纳说,F-35战斗机的设计很适合安装固体激光武器,只要做好激光光束瞄准和发射控制系统就行了。凯希纳说,作为一种联合攻击战斗机使用的武器,我们认为必须要达到100千瓦的能级目标。

     凯希纳说,垂直起飞的一款F-35战斗机上有一个靠传动轴驱动的升力风扇,如果去掉这一个风扇,会留下一个孔,非常适合安装固体激光器。“不仅在空间上会有一个大小刚好合适的孔,而且传动轴可以产生27000匹马力的功率,这样你就可以有一个巨大的功率支持了,”凯希纳说。战场范围在不断地扩展,但是激光的射程还是显得非常有限,一台100千瓦的激光器只能够把激光投射到几百英尺远的地方。

     凯希纳提醒说,在F-35战斗机上使用固体激光器技术仍然面临着许多的困难和阻碍,例如,围绕着F-35战斗机的大气扰动很可能造成激光光束的变形和精确性的降低。洛克希德•马丁公司对在F-35 战斗机上使用固体激光器技术持欢迎态度,一直充当着激光生产商的“啦啦队长”的角色,因为它希望在F-35战斗机上看到有激光武器的出现。为了获得空军研究实验室的项目授权,目前至少有两个公司――TRW公司和雷神公司,正在致力于高功率固体激光器的研制工作。

     TRW空间与电子公司负责导弹防御的代表史蒂芬J•托纳说,他对25千瓦固体激光器的潜在市场表示乐观。“我们看到许多消费者对此表现出越来越大的兴趣,”他在接受采访时说。TRW公司为参加空军的竞标而设计的25千瓦固体激光器原型能够装入一个吊舱之中,因此它可以被轻松地安装在战术飞机中,包括有人驾驶飞机和无人驾驶飞机。同时,波音公司还要求TRW公司为空军X-45无人战斗飞机设计一个激光武器吊舱。   

     25千瓦固体激光器的光束强度足以使敌方的巡航导弹或是地面车辆无法工作,托纳说,“你用不着摧毁整个车辆,但是向这些车辆的轮胎发射激光致其燃烧,或者穿透车辆的发动机罩,你就可以使它们丧失能力。”这一技术成功的关键是光束质量。光束质量是区分激光和灯光的主要指标。托纳解释说,如果光束质量足够好,一个25千瓦的固体激光器能够投射三到四公里远,并在金属上烧出一个洞来。TRW公司生产的25千瓦固体激光器的原型是一个主动型冷却的激光器,它在内部采取水冷方式,在外部采用风冷方式。

     尽管固体激光器不能像化学激光器那样可以达到兆瓦级的功率,但它们却有一个很大的优点,那就是它们能够比化学激光器更轻松地穿透大气。托纳指出,化学能量驱动的机载激光器无法穿透大气。展望未来,托纳说,“我们可能还要经过五到十年的时间才能迎来100千瓦级激光器的诞生。”达到这一功率以后仍将需要数年时间来把它转化成一种激光武器并配置在某一武器平台上。托纳承认,他长期以来并不相信固体激光能够被制成某一种武器装置,“以前曾有许多的怀疑,但现在我认为是改变这种想法的时候了。”

     最近几年,美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室和陆军成功地研制出了一款10千瓦的固体激光器。但是,这种激光器不是由二极管驱动的,也不是主动冷却型的激光器。为了进行冷却,它必须采取间歇性的工作方式,即工作一会关闭一会。这一系统被称为“热容激光器”,雷神公司也参加了这项研制工作。“热容激光器”的能量效率仅有百分之一,也就是说为了得到10千瓦的功率,它需要一兆瓦的能源来保障。雷神公司的官员们说,他们希望这一“热容激光器”会给美国陆军一个机会来对这一技术进行考验并确定其潜在的应用。

     雷神公司负责定向能武器研发的副总裁迈克尔 •波恩说,“陆军正在考虑对热容激光器进行改造,从闪光灯激励转换成二极管激励。”公司正在试图说服陆军资助一个15千瓦移动激光器的研制项目,并表示可以把这种移动激光器首先交给战场上的作战部队进行试用,让官兵们切实感受一下这种武器的性能。来自一线部队的反馈对承包商的研制工作是非常有帮助的,波恩说,“这样,在我们开始制造这些武器之前就已经知道了他们会有什么样的军事应用需求。” 雷神公司高能激光项目的主管查文希•迈克恩说,公司不仅在争取空军的25千瓦固体激光器的合同项目,同时也在主动地与洛克希德•马丁公司合作,共同开发 F-35联合攻击战斗机机载100千瓦的概念型激光武器。“联合攻击战斗机有着适合激光武器安装与工作的所有理想的特征,”迈克恩说。为海军的“超级大黄蜂”战斗机研制的激光吊舱目前也正在设计当中。雷神公司的官员称,他们已经攻克了发展激光器中最困难的课题――光束质量问题。雷神公司拥有一项基于特殊的激光镜和光学器件的专利技术――相位共轭技术,迈克恩说这项技术的使用能够校正光束的变形,并改善光束的集中性。

     迈克恩说,另外一个突破是新型的激光材料的发现,特别是镱这种材料的发现与使用。雷神公司的闪光灯激励的激光器中使用的激光材料是一种钇铝石榴石和钕的混合物。公司开始向二极管激励激光器转型的时候,研究人员发现二极管能够激励镱这种金属,而且产生的热量比钕少75%左右,这无疑会大大地省去给激光器降温的麻烦。迈克恩预测二极管的成本也将会下降,在今后的几年中,二极管的价格可能会从当前的每瓦特70美元到100美元下降到每瓦特5美元。

     迈克恩说,要在五年前制造一个100千瓦的激光器,消耗的二极管数量会是全世界二极管年产量的三倍。美国国防大学研究员兹米特说,工业体系必须解决这一问题,只有这样他们才能制造出如他们所承诺的那样的,价格合理的固体激光器。“如果100千瓦的激光装置要价达到3000万到4000万美元的话,军方可能不会对它感兴趣。”

 (编辑:小曾)

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