国产日韩欧美一区二区三区三州_亚洲少妇熟女av_久久久久亚洲av国产精品_波多野结衣网站一区二区_亚洲欧美色片在线91_国产亚洲精品精品国产优播av_日本一区二区三区波多野结衣 _久久国产av不卡

?

平流層飛艇高能激光武器防御彈道導(dǎo)彈

2011-09-02 06:23車學(xué)科聶萬勝何炬恒
指揮控制與仿真 2011年5期
關(guān)鍵詞:平流層發(fā)射功率飛艇

車學(xué)科,聶萬勝,何炬恒

(裝備指揮技術(shù)學(xué)院,北京 101416)

彈道導(dǎo)彈技術(shù)在世界范圍的持續(xù)擴(kuò)散,使彈道導(dǎo)彈成為最受關(guān)注的空中威脅之一,各國不斷加強(qiáng)彈道導(dǎo)彈防御技術(shù)研究,但是目前的反導(dǎo)系統(tǒng)僅能對付比較原始的洲際彈道導(dǎo)彈[1],使用高能激光武器防御彈道導(dǎo)彈日益受到重視[2[。機(jī)載激光武器位于稠密大氣層內(nèi),大氣環(huán)境會對激光武器的作戰(zhàn)和使用效果產(chǎn)生直接影響,而平流層飛艇飛行于海拔20km以上的臨近空間,大氣稀薄,不存在云、雨等自然現(xiàn)象,非常適合激光傳播,有可能成為一種重要的空間攻防對抗平臺[3],美國就希望其高空飛艇(HAA)裝備激光武器[4-5],并將其用于彈道導(dǎo)彈防御。其優(yōu)勢在于能夠利用飛艇隱身和高度優(yōu)勢長時(shí)間部署于導(dǎo)彈發(fā)射點(diǎn)附近,可對彈道導(dǎo)彈發(fā)射進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,同時(shí)擴(kuò)大了彈道導(dǎo)彈攔截窗口,有利于建立防御彈道導(dǎo)彈的多層攔截體系。本文將研究平流層飛艇激光武器的可行性及其在自由段彈道導(dǎo)彈防御中的應(yīng)用。

1 平流層飛艇高能激光武器

1.1 艇載激光武器

平流層飛艇搭載激光武器需要解決重量、體積和能源等三個關(guān)鍵問題。2009年,美國諾斯羅普·格魯曼公司聯(lián)合高功率固體激光器(JHPSSL)以 100kW的功率連續(xù)發(fā)射6h。該激光器由7個模塊組成(單模塊發(fā)射功率為15kW),總質(zhì)量為1.2T(每個模塊質(zhì)量181kg),單模塊體積為0.33×0.76×0.23m3,均在平流層飛艇的承受范圍之內(nèi)(HAA載重1.8T)。

JHPSSL激光器光-電轉(zhuǎn)換效率約為20%,則系統(tǒng)總功率約為525kW。如果能量轉(zhuǎn)化效率進(jìn)一步提高,那么系統(tǒng)總功率可進(jìn)一步降低,比如日本 Ken-ichi Veda研究小組的固體激光器光-光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了53%[6]。美國HAA飛艇表面覆蓋有8200m2的太陽能電池薄膜,其太陽能電池轉(zhuǎn)化效率為8%[7],這里以此為對象進(jìn)行研究。當(dāng)飛艇定點(diǎn)于東經(jīng) 120°、北緯 25°高空時(shí),其一年中上午7點(diǎn)、12點(diǎn)接收到的太陽功率隨飛艇軸線朝向角的變化曲線分別如圖1、圖2所示,計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[7]吻合較好,施紅等人也有類似計(jì)算結(jié)果[8]??梢钥吹剑蟛糠謺r(shí)間內(nèi)飛艇吸收的太陽能功率可滿足高能激光武器的能源需求。另外,美國國防部先進(jìn)計(jì)劃研究局主持的“高能液體激光防空系統(tǒng)”(HELLADS),設(shè)計(jì)目標(biāo)為 150kW,激光器重量要求小于750kg(重量功率比小于5kg/kW),體積則在2m3以下。

綜上所述,隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,高能激光武器將可直接應(yīng)用于平流層飛艇。

圖1 一年上午7點(diǎn)吸收太陽能變化

圖2 一年上午12點(diǎn)吸收太陽能變化

1.2 平流層飛艇中繼反射激光

平流層飛艇應(yīng)用高能激光武器的另一個可行性更高的方案是在飛艇上安裝中繼反射鏡,通過反射地基高能激光進(jìn)行作戰(zhàn),HAA即可能采取這種作戰(zhàn)方式[9]。它能夠利用相對成熟的地基高能激光技術(shù),與單純地基高能激光武器系統(tǒng)相比具有兩個優(yōu)勢:

一是作戰(zhàn)半徑增大。高能激光攻擊空間目標(biāo)時(shí)必須穿越大氣層,而大氣層中大量的氣體分子、雨霧、塵埃、大氣湍流等現(xiàn)象都會嚴(yán)重降低激光的透射率和光束質(zhì)量,從而導(dǎo)致激光作戰(zhàn)半徑的降低。

圖3表示的是地面(0km)和臨近空間(20km)的激光透射率(波長1.06μm),可以看到從地面以不同仰角向空間射擊時(shí)激光透射率都要比臨近空間小得多,尤其是在地面平行射擊時(shí),激光傳播21km后就衰減掉99%的能量,這里在計(jì)算大氣層衰減時(shí)僅考慮了分子散射,如果再考慮其它影響那么從地面攻擊空間目標(biāo)的透射率將進(jìn)一步降低,所以在臨近空間發(fā)射激光具有更大優(yōu)勢。

從圖3中還可以看到,從地面向上以90o射擊時(shí)也存在很大衰減。這是使用平流層飛艇反射地面激光所必須承受的損失。如果激光總是進(jìn)行90o射擊,則使用反射鏡技術(shù)更復(fù)雜而且不存在優(yōu)勢,但是實(shí)際中攻擊空間目標(biāo)時(shí),激光武器不可能總是恰好位于目標(biāo)星下點(diǎn),也就不可能總是垂直射擊,否則就需要部署大量地基激光武器系統(tǒng),經(jīng)濟(jì)上難以承受,因此先將地面激光以90o傳播到臨近空間反射鏡上,經(jīng)反射鏡反射后攻擊空間目標(biāo),總透射率會更高一些,作戰(zhàn)半徑相應(yīng)增大。

圖3 地面與臨近空間激光在不同仰角下的透射率

二是作戰(zhàn)更靈活。激光直線傳播的特點(diǎn)使地基高能激光武器無法實(shí)現(xiàn)超視距作戰(zhàn),尤其是攻擊低空目標(biāo)時(shí)的有效作戰(zhàn)半徑非常小,平流層激光中繼飛艇通過連續(xù)多次反射地基激光,激光束以折線方式在臨近空間接力傳播,直至最終擊中目標(biāo)為止(圖4為平流層激光中繼飛艇攔截彈道導(dǎo)彈彈頭示意圖)。這種作戰(zhàn)方式可增大地基高能激光武器的控制范圍,提高效費(fèi)比,能夠解決攻擊遠(yuǎn)洋區(qū)域上空天基平臺所需的基地問題以及艦載激光武器海面水汽強(qiáng)吸收問題。

激光在傳播過程中不斷擴(kuò)散,平流層激光中繼飛艇每次反射時(shí)都可以對接受到的激光重新聚集,從而使最終到達(dá)目標(biāo)表面的激光束具有足夠高的能量密度,當(dāng)然聚焦程度需要根據(jù)激光器和目標(biāo)的相對位置以及反射次數(shù)確定。同時(shí),每次反射后的傳播距離不是太長,一定程度上降低了對光束控制系統(tǒng)的要求。可以看到,與一次直接射擊的情況相比,平流層飛艇中繼反射激光具有明顯優(yōu)勢。

圖4 平流層激光中繼飛艇反彈道導(dǎo)彈示意圖

2 作戰(zhàn)效能分析

攔截彈道導(dǎo)彈有3個階段:地面段、助推段和被動段(自由段、再入段)。本文討論自由段攔截,并且以艇載激光武器和最后一部中繼反射飛艇為研究對象,其中當(dāng)激光發(fā)射功率低于100kW時(shí)為艇載激光武器,高于100kW時(shí)為中繼反射飛艇。彈道導(dǎo)彈爬升到稠密大氣層以上后會拋掉整流罩,因此自由段彈道導(dǎo)彈的彈頭完全裸露于外。彈頭一般由防熱層、殼體、裝填物、保險(xiǎn)和解保裝置以及引爆系統(tǒng)等組成[9]。為了引爆彈頭,高能激光首先需要燒蝕掉外部防熱層和殼體,然后在裝藥上照射足夠時(shí)間以引爆目標(biāo)。

2.1 激光功率傳輸模型

激光照射到目標(biāo)上有兩個主要參數(shù):一個是功率密度q,一個是光斑直徑d。目標(biāo)材料不同,對激光功率的吸收效果不同,比如當(dāng)用CO2激光(波長10.6μm)照射K9玻璃,其破壞閾值為2~3MW/m2,而用COIL激光照射,其破壞閾值則僅約為 0.1MW/m2。本文在計(jì)算中以激光傳輸?shù)墓β拭芏萹為分析對象,不考慮目標(biāo)對激光的吸收效果以及傳熱效應(yīng):

其中,q為目標(biāo)上的功率密度,λ=1.06μm為激光波長,β=1.2為激光束衍射極限,D=1.5m為發(fā)射望遠(yuǎn)鏡主鏡直徑,R為到目標(biāo)的距離,P為輸出激光光束功率,τλ為大氣透射率[10]:

2.2 飛艇部署位置

當(dāng)使用平流層激光飛艇攔截彈道導(dǎo)彈時(shí),為保證自身安全,飛艇必須距離攔截對象一定距離,但又不能太遠(yuǎn),否則將導(dǎo)致激光傳輸功率太低而無法發(fā)揮作用,最好部署在彈道導(dǎo)彈星下點(diǎn)上以盡可能縮短傳輸距離。

圖5 160s發(fā)射時(shí)不同初始距離下激光傳輸?shù)哪芰棵芏?/p>

圖6 300s發(fā)射時(shí)不同初始距離下激光傳輸?shù)哪芰棵芏?/p>

彈道導(dǎo)彈助推段大約為 160~300s,攻擊自由段彈道導(dǎo)彈至少需要從160s以后開始計(jì)算。從160s和300s開始發(fā)射激光時(shí),不同初始距離下激光傳輸?shù)臒崃棵芏热鐖D5和圖6所示(激光發(fā)射功率為50kW)??梢钥吹?,160s開始發(fā)射時(shí)的最佳初始距離約為800km,300s開始發(fā)射時(shí)的最佳初始距離約為1000km,不過最高熱量密度已遠(yuǎn)低于導(dǎo)彈標(biāo)準(zhǔn)破壞閾值,需要提高激光發(fā)射功率。由此可以認(rèn)為,一般情況下,攔截自由段彈道導(dǎo)彈時(shí),平流層飛艇高能激光武器距離導(dǎo)彈發(fā)射點(diǎn)的初始距離為800~1000km。

2.3 防熱層燒蝕

燒蝕式防熱技術(shù)是廣泛應(yīng)用于中遠(yuǎn)程彈頭防熱的有效方法。高馬赫數(shù)再入時(shí),彈頭激波后的溫度迅速升高到 10000K以上,彈頭表面的熱流率為q = α(Te- Tw) ,其中 α≈2.1J/(m2·s·K),當(dāng)彈頭表面溫度TW=4000K時(shí),熱流率約為12.6kW/m2,根據(jù)彈道導(dǎo)彈再入時(shí)間(見表1)可以推測彈頭表面防熱層抵抗該熱流率的時(shí)間為14s左右。

表1 不同射程彈道導(dǎo)彈的再入速度和時(shí)間

圖7給出了初始距離分別為800km和1000km時(shí),導(dǎo)彈不同飛行時(shí)刻激光武器傳輸?shù)墓β拭芏???梢钥吹?,?dāng)初始距離為 1000km、發(fā)射功率為 50kW 時(shí),160~180s之間的功率密度為64.9~65.5kW/m2,假設(shè)由于材料的吸收特性使得實(shí)際傳輸?shù)椒罒釋拥臒崃髅芏葍H為80%即51.9~52.4kW/m2,這已經(jīng)遠(yuǎn)大于導(dǎo)彈的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)發(fā)射功率進(jìn)一步提高、初始距離合理減小后,激光傳輸?shù)墓β拭芏葧?,考慮到一般彈道導(dǎo)彈的再入時(shí)間僅為十多秒(見表1),因此有理由相信短時(shí)間內(nèi)激光完全可以將彈頭表面防熱層燒透,該時(shí)間與彈頭的具體構(gòu)造有關(guān),當(dāng)表面防熱層受到損壞后彈頭再入時(shí)將會由于受到強(qiáng)烈氣動加熱而被燒毀。

圖7 防熱層接受的激光功率密度

2.4 隔熱層和蒙皮燒蝕

僅燒毀彈頭表面防熱層,彈頭仍有可能在攻擊目標(biāo)點(diǎn)附近爆炸并造成傷害,因此有必要通過傳熱方式將自由段彈頭引爆。

彈頭密封艙內(nèi)壁通常分布有不同類型的隔熱層,聚氨酯泡沫是最常用的隔熱材料,噴涂厚度一般為30~50mm,這里選擇為50mm。殼體蒙皮通常為加厚鋁合金材料,也可以采用鈦合金或者玻璃鋼,這里選擇鋁合金,厚度設(shè)定為4.0mm。

如果激光傳輸?shù)臒崃績H能燒壞隔熱層而無法燒蝕掉蒙皮,則傳輸?shù)綇楊^裝藥的熱量有可能無法引爆彈頭,因此為了能夠?qū)⒆銐蛎芏鹊臒崃總鬏數(shù)綇楊^裝藥上,需要將隔熱層與蒙皮均燒毀。由于蒙皮必須保持一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,當(dāng)其溫度升高到一定程度而軟化后,就會由于彈頭的高速運(yùn)動以及加速度作用而遭到破壞。為研究方便,這里假設(shè)溫度升高到 315℃即可,同時(shí)假設(shè)160~180s之間激光用于燒蝕防熱層。

圖8 彈道導(dǎo)彈蒙皮燒蝕過程

圖9 隔熱層燒蝕過程

當(dāng)初始距離為1000km時(shí)(射擊距離為647km),不同激光器發(fā)射功率下鋁合金蒙皮和隔熱層的燒蝕過程如圖8和圖9所示,燒穿鋁合金蒙皮需要大約6.4~68s,燒蝕隔熱層需要大約10.5~211.1s,在上述作戰(zhàn)條件下共需要大約16.9~279.1s的時(shí)間才能將彈頭外的防護(hù)結(jié)構(gòu)燒蝕掉。可以看到,激光發(fā)射功率對作戰(zhàn)效果產(chǎn)生了明顯影響,對于艇載激光武器來說,其發(fā)射功率較小(可能低于100kW),引爆自由段彈道導(dǎo)彈彈頭需要約200s,期間激光武器強(qiáng)烈的散熱(發(fā)射功率的4倍,約400kW)輻射出大量紅外信號,可導(dǎo)致飛艇暴露從而遭到攻擊,生存能力降低,考慮到其燒蝕彈道導(dǎo)彈彈頭防熱層所需時(shí)間約10s量級,因此艇載激光武器可通過燒蝕彈道導(dǎo)彈彈頭防熱層,使其在再入段氣動熱作用下自行燒毀,這樣的話其部署位置就不限于發(fā)射點(diǎn)附近,目標(biāo)保護(hù)區(qū)域附近也可部署,從而還具有防空能力;對于平流層中繼激光飛艇來說,它可以利用大功率地基激光武器,即使多次反射以及在臨近空間的長距離傳播會造成一定影響,但是其最后一次反射時(shí)的功率完全可以達(dá)到兆瓦以上,能夠在短時(shí)間內(nèi)(500kW時(shí)為10s量級)摧毀目標(biāo),有可能成為平流層飛艇激光武器的發(fā)展方向。2008年美國空軍科學(xué)技術(shù)顧問委員會同意繼續(xù)進(jìn)行“空中激光炮艇”研究計(jì)劃,“空中中繼激光反射鏡系統(tǒng)”(ABMS)已完成空中懸停實(shí)驗(yàn)[10]。

3 結(jié)論

高能激光武器有兩種可能的方法應(yīng)用于平流層飛艇防御彈道導(dǎo)彈,其中艇載激光武器發(fā)射功率相對較小,以燒蝕彈頭防熱層使其在再入段氣動熱作用下自行燒毀為潛在應(yīng)用模式,其優(yōu)勢在于機(jī)動性強(qiáng),能夠在遠(yuǎn)洋地區(qū)跟隨海軍艦隊(duì),為其提供防空效果;中繼反射激光方式需要配合地基高能激光武器使用,發(fā)射功率高,可有效殺傷自由段彈道導(dǎo)彈,擴(kuò)大彈道導(dǎo)彈攔截窗口,其缺點(diǎn)在于需要較多數(shù)量的平流層飛艇,作戰(zhàn)過程復(fù)雜,中間環(huán)節(jié)飛艇受損后可導(dǎo)致整個系統(tǒng)作戰(zhàn)能力迅速下降,此時(shí)就需要艇載激光武器為其提供防空能力。

[1]馬峻聲. 聚焦彈道導(dǎo)彈攻防技術(shù)的熱點(diǎn)[J]. 航天電子對抗, 2006, 22(5):1-7.

[2]徐峰,李元龍. 反導(dǎo)攔截技術(shù)手段一瞥[J]. 國防科技工業(yè), 2010(3):28-29.

[3]車學(xué)科, 聶萬勝, 桂啟山. 平流層飛艇空間控制作戰(zhàn)樣式分析[J]. 指控控制與仿真, 2010, 32(3):8-11.

[4]陳文英, 陳玲. 美軍高空飛艇[J]. 江蘇航空, 2007(3):15-17.

[5]袁 俊. 美軍機(jī)載“先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)激光武器”取得重要進(jìn)展[J].中國航天, 2008(7):40-43.

[6]任國光,劉淑英. 下一代固體激光器:陶瓷激光器[J]. 激光與紅外, 2008, 38(8):747-752.

[7]Haifeng Wang, Bifeng Song, Liankai Zuo. Effect of High-Altitude Airship's Attitude on Performance of its Energy System [J]. Aircraft, 2007, 44(6):2077-2079.

[8]施紅,宋保銀,姚秋萍. 平流層飛艇太陽能源系統(tǒng)研究[J].中國空間科學(xué)技術(shù), 2009(1):26-31.

[9]薛成位.彈道導(dǎo)彈工程[M].北京:中國宇航出版社, 2002.

[10]劉淑英, 邵元培, 計(jì)世蕃. 用戰(zhàn)術(shù)激光武器反巡航導(dǎo)彈[J]. 現(xiàn)代防御技術(shù), 2001, 29(1):8-12.

[11]許春玉, 謝德林, 楊虎. 激光大氣傳輸透過率的分析[J].光電工程, 1999, 26(增刊):7-11.

猜你喜歡
平流層發(fā)射功率飛艇
青藏高原上空平流層水汽的時(shí)空演變特征
基于副氣囊的平流層浮空器高度控制
2009年冬季平流層爆發(fā)性增溫期間行星波活動特征
放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼器降低發(fā)射功率的選擇策略研究
淺談AC在WLAN系統(tǒng)中的應(yīng)用
基于功率分配最優(yōu)中繼選擇的研究
派個飛艇去火星
“平流層”是個啥——話說飛行高度
飛艇的前世今生(下)
飛艇的前世今生(中)
基隆市| 张家川| 北海市| 南丹县| 湘乡市| 凤阳县| 彭阳县| 吐鲁番市| 盈江县| 北安市| 昌乐县| 开江县| 温泉县| 卢湾区| 安庆市| 海阳市| 渑池县| 桓台县| 泌阳县| 南平市| 安庆市| 二连浩特市| 丰顺县| 团风县| 株洲县| 民县| 舒城县| 偏关县| 尼勒克县| 米脂县| 定襄县| 平武县| 宁化县| 疏勒县| 古丈县| 晋中市| 高密市| 凤庆县| 易门县| 赤水市| 阳朔县|