林運贈,徐曉艷,王永芳

(中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院,北京 100037)

1 引 言

激光武器利用激光能量束損傷目標(biāo)使其喪失作戰(zhàn)能力[1],具有快速、靈活、精確、抗干擾等優(yōu)點,可在光電對抗、反導(dǎo)反衛(wèi)、空間攻防、要地防御中發(fā)揮重要作用[2]。目前,美軍已經(jīng)全面開展了陸基、車載、艦載、機載、天基、水下航行器的激光武器裝備研制,著手打造陸海空天的定向能作戰(zhàn)體系[3-4]。

2020-2022年,美軍重點激光武器項目開展情況包括以下幾個方面:

一是美軍推進水下航行器的激光武器技術(shù)突破。2020年2月,公開報道稱美國弗吉尼亞核潛艇將成為世界上最先裝備強大激光武器的潛艇[5]。針對該項目,美國海軍研究生學(xué)校曾在2015年公開了“將高能激光集成在弗吉尼亞級潛艇”項目的研究摘要[6],但未披露方案細(xì)節(jié)。

二是美軍實現(xiàn)60 kW級艦載激光炫目武器裝備應(yīng)用[7]。近兩年,美國“海軍光學(xué)炫目攔截器(ODIN)”和“高能激光與一體化光學(xué)致盲與監(jiān)視系統(tǒng)(HELIOS)”均已實現(xiàn)艦載裝備應(yīng)用。其中,HELIOS是由美國洛馬公司研制的反近岸快攻艇、反無人機集成武器系統(tǒng),可發(fā)射60 kW級以上的高能激光束,使目標(biāo)眩目、具備反情監(jiān)偵能力,美國海軍將其安裝在阿利伯克級驅(qū)逐艦普雷布爾號(DDG 88)上并出海[8]。2021年10月,洛馬公司向美空軍交付了第一部機載高能激光系統(tǒng)(AHEL),并安裝到AC-130軍炮艇機上進行了測試,輸出功率達(dá)到60 kW級。

三是美軍推進高功率反導(dǎo)/反無人機激光武器裝備研制[9-16]。2020年,美海軍研究辦公室(ONR)聯(lián)合諾格公司研制的150 kW級固態(tài)激光武器系統(tǒng)“激光武器演示器”[17],是美海軍“固態(tài)激光技術(shù)成熟化項目”(SSL-TM)的一部分,該系統(tǒng)安裝于“波特蘭號”運輸艦上[18];2020年,該軍艦測試用激光武器擊落一架無人機[19]。2021年12月14日,“波蘭特”號兩棲船塢運輸艦載亞丁灣海域進行艦載固態(tài)激光武器測試,成功摧毀一個靜止的水上目標(biāo)[20]。2021年10月公開報道稱,美陸軍計劃在2022年展示一款300 kW的激光武器[21],該設(shè)備的大小與運輸集裝箱相當(dāng),安裝在重型卡車上,可防御彈道導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈以及無人機等,由通用原子電磁系統(tǒng)公司和波音公司負(fù)責(zé)研制[22]。

為了深入跟蹤國外激光武器發(fā)展情況,本文圍繞近年國外激光武器發(fā)展背景,檢索分析了國外近5年的激光武器專利情況,重點針對國外專利技術(shù)分布、政府資助情況進行了分析,并對國外重要激光武器項目背景專利進行挖掘分析,梳理了國外激光武器近年的發(fā)展特點,為我國激光武器發(fā)展與風(fēng)險防御提供參考。

2 國外高能激光武器專利檢索情況

為了跟蹤國外高能激光武器領(lǐng)域發(fā)展情況,我們在德溫特世界專利索引數(shù)據(jù)庫中開展了國外專利檢索,檢索時間涵蓋2017年1月1日至2022年2月1日公開專利。其中,為了確保專利數(shù)據(jù)檢索結(jié)果全面、客觀地反映近5年國外高能武器發(fā)展?fàn)顩r,采取了全面細(xì)化的檢索策略:

一是對各關(guān)鍵技術(shù)進行檢索,具體包括高能激光武器總體技術(shù)、高能激光器、激光合束技術(shù)、高精度光束指向與瞄準(zhǔn)技術(shù)、高能激光系統(tǒng)熱管理技術(shù)等。

二是針對國外重點項目的主要承研單位進行申請人檢索,包括參與美軍高能激光武器研制項目的洛馬公司、BAE系統(tǒng)公司、雷神公司、波音公司、諾格公司等。

三是針對美國政府資助專利進行檢索,資助政府包括美國陸?？哲?以及美國國防部、美國導(dǎo)彈防御局、美國能源部和美國國防高級研究計劃局等。

四是針對技術(shù)細(xì)節(jié)點進行補充檢索,重點針對激光炫目武器、反導(dǎo)/反無人機激光武器進行了細(xì)化檢索。

按照上述專利檢索策略(如圖1所示),共檢索獲取了435項相關(guān)專利,具體如表1所示。

表1 國外高能激光武器專利申請量統(tǒng)計表

圖1 國外專利檢索策略示意圖

3 國外激光武器專利技術(shù)分布分析

在圖2中,針對激光武器各關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的專利申請量占比進行了比較分析。

圖2 國外激光武器專利技術(shù)構(gòu)成分析

結(jié)果顯示,在近5年的國外激光武器專利中,高能激光器的專利申請最多,有117項,占申請總量的27 %,專利技術(shù)方案側(cè)重光纖激光器的優(yōu)化設(shè)計,主要采用光譜展寬抑制技術(shù)和窄線寬光纖光路設(shè)計方法提高激光器輸出功率和質(zhì)量,以助于提升激光武器的遠(yuǎn)距離打擊能力。

激光合束技術(shù)的專利申請量排名第二,有108項,占申請總量的25 %,專利主要涉及相關(guān)合束、光譜合束、幾何合束等。其中,美軍專利以光譜合束為主要發(fā)展方向,采用衍射效率較高的光柵減少偏振影響,并采用雙光柵結(jié)構(gòu)減少由線寬造成的光束質(zhì)量下降,在利用相同的光柵實現(xiàn)光束多次反射后合束,降低激光合束系統(tǒng)的體積和復(fù)雜性。

高能激光武器總體技術(shù)專利申請量排名第三,有89項,占申請總量的20 %,專利方案涉及水下激光武器系統(tǒng)、激光炫目武器系統(tǒng)和綜合集成系統(tǒng)等。從美軍專利技術(shù)方案來看,激光系統(tǒng)系統(tǒng)呈現(xiàn)激光炫目打擊、燒毀打擊、偵察監(jiān)視等多功能集成一體化趨勢,以提升激光武器系統(tǒng)作戰(zhàn)有效性。

高精度光束指向與瞄準(zhǔn)技術(shù)方面有76項專利,占申請總量的18 %,專利方案涉及光學(xué)相控陣、空間傳播校正、光束瞄準(zhǔn)與動態(tài)跟蹤等。主要圍繞導(dǎo)彈、無人機等機動目標(biāo)的快速跟蹤打擊需求,對高能激光指向與瞄準(zhǔn)進行技術(shù)改進,最新技術(shù)方案包括采用低功率光束控制,解決光學(xué)元件易受損的問題,且優(yōu)選液晶實現(xiàn)波束切換控制,以提升激光束的快速精確指向。

在激光武器熱管理技術(shù)方面有45項專利,占申請總量的10 %,專利方案側(cè)重相變儲熱技術(shù)改進,主要涉及高效換熱相變結(jié)構(gòu)設(shè)計。

從上述結(jié)果結(jié)果來看,國外主要從提升激光器功率、合束效率、光束精度與速度等方面,突破高能激光武器作戰(zhàn)距離、機動目標(biāo)跟蹤和持續(xù)作戰(zhàn)能力。

4 國外激光武器專利區(qū)域分布分析

如圖3所示,國外激光武器技術(shù)創(chuàng)新主要來自于美國、德國、以色列、英國等國家,這些國家也是近5年推進激光武器研制的主要國家。

圖3 國外專利技術(shù)來源國家分析

其中,美國有265項激光武器專利,占國外申請總量的61 %。美國專利主要技術(shù)創(chuàng)新主體包括洛馬公司、雷神公司、美國陸/海/空軍等。近5年,美國專利新出現(xiàn)的專利技術(shù)方案主要包括:一是水下航行器激光武器專利,重點突破水下高效激光傳輸,實現(xiàn)水下目標(biāo)打擊;二是激光多功能集成專利,基于激光實現(xiàn)眩目、干擾、偵察等多項功能,提升激光武器整體威懾力。此外,美國針對激光武器在反導(dǎo)和反無人機的應(yīng)用需求,提出了基于光路選擇和光學(xué)液晶相控陣的高精度波束指向和快速波束切換。

在美國專利申請中,有145項受到美國政府資助了,占美國專利申請總量的54.7 %。如圖4所示,美國政府資助專利的延遲公開時間集中在2～4年,且有23項專利的延遲公開時間超過了5年,有兩項專利的延遲公開時間達(dá)到了9年,這些專利技術(shù)方案涉及美軍技術(shù)保密范圍,具有較高的跟蹤分析價值。

圖4 美國政府資助專利延遲公開時間統(tǒng)計分析

針對激光武器專利的資助政府進行了統(tǒng)計,發(fā)現(xiàn)DARPA、美國導(dǎo)彈防御局、美國海軍、美國空軍、美國陸軍和美國能源部均在資助推進定向能裝備研制,這些專利具有較高的美軍項目應(yīng)用背景,是后續(xù)專利挖掘分析的重點。

5 國外重點項目專利方案分析

圍繞國外專利技術(shù)研究熱點,在美國政府資助專利、重點項目研制單位專利中篩選了8項核心專利進行分析,主要涉及外軍核潛艇激光武器、炫目激光武器。

5.1 外軍核潛艇激光武器專利分析

早在2011年,美國海軍計劃將高能激光武器裝備在弗吉尼亞核潛艇,并要求光學(xué)物理公司研制一種潛艇用的波束瞄準(zhǔn)器[23],用于激光目標(biāo)瞄準(zhǔn);2015年,美國海軍研究生學(xué)校啟動“將高能激光集成在弗吉尼亞級潛艇”的研究項目;2020年2月,公開報道稱美國弗吉尼亞核潛艇將裝備強大激光武器的潛艇。

針對水下航行器應(yīng)用激光武器進行專利檢索,獲取了4項相關(guān)專利,主要來自于美國海軍、歐洲導(dǎo)彈集團(MBDA)和日本三菱重工公司?；谶@些重點專利的分析,挖掘解讀水下激光武器的打擊方式和實現(xiàn)途徑。

一是采用雙激光激發(fā)水下高效光傳導(dǎo)通道,實現(xiàn)水下目標(biāo)打擊。針對水下激光傳輸損耗大的問題,美國海軍申請了兩項水下高能激光傳導(dǎo)技術(shù)專利,分別為專利US8941967B2“水下激光引導(dǎo)放電”和專利US9088123B2“雙激光器產(chǎn)生擴展水下等離子體”。圍繞非線性光學(xué)效應(yīng)(克爾效應(yīng)),美國海軍通過兩次激光發(fā)射在水下激發(fā)等離子體高效傳輸通道,確保激光束在水下長距離傳輸過程中保持較高的聚焦性和高功率峰值,以摧毀遠(yuǎn)距離水下目標(biāo)。

二是采用激光武器分體安裝,實現(xiàn)水面或海岸附近陸上目標(biāo)隱蔽打擊。針對核潛艇浮上水面易暴露目標(biāo)且水上探出部分裝載空間受限的問題,美歐采用了與專利US9045210B2“具有光束操作系統(tǒng)的水下航行器”相似的方案。其一,將潛艇光電桅桿或潛望鏡作為激光傳輸通道,僅將激光武器的主體裝置安裝在潛艇艙體內(nèi),從而實現(xiàn)潛艇激光武器水上高能發(fā)射。其二,可將激光輻射裝置設(shè)置在水面子航行器上,該子航行器與潛艇內(nèi)的激光武器主體部分采用光纖傳遞激光能量,從而隱蔽地攻擊水上目標(biāo),避免潛艇暴露位置。

三是通過激光產(chǎn)生高能氣泡或等離子體射流以摧毀水下目標(biāo)。日本三菱重工公司在2017年申請的專利 EP3489616A1“一種水下激光發(fā)射裝置”,可用于攻擊水下潛艇或魚雷。該裝置通過將激光束聚焦在水下近距離目標(biāo)物上產(chǎn)生氣泡或等離子體,通過氣泡或等離子體的轟擊有效地摧毀目標(biāo)物體。其中,高功率激光束在水下傳播時,能量衰減速度很快,而該專利采用的技術(shù)方案是將激光束在水下會聚,并局部地沸騰水以產(chǎn)生氣泡或等離子體,并通過氣泡射流或等離子體射流破壞水下目標(biāo)。

總之,從國外核潛艇激光武器專利分析結(jié)果來看,在核潛艇上實施高能激光武器裝備,具有以下優(yōu)勢:①激光武器系統(tǒng)可以直接應(yīng)用核潛艇的供電和冷卻系統(tǒng),從而降低了激光武器的安裝體積;②在隱蔽性方面,激光束在視覺上不可見且發(fā)射無噪聲,不能在光學(xué)或聲學(xué)上定位。③在目標(biāo)瞄準(zhǔn)方面,激光輻射裝置具有光學(xué)或電光瞄準(zhǔn)裝置,可以直接從輻射發(fā)射裝置的位置進行目標(biāo)瞄準(zhǔn),而不需要第二架潛望鏡或光電桅桿來觀察目標(biāo)。

5.2 美軍激光炫目武器專利分析

近幾年,美國海軍基于“海軍光學(xué)炫目攔截器”(ODIN)激光武器系統(tǒng)[24]和“高能激光與一體化光學(xué)致盲與監(jiān)視”(HELIOS)項目[25],推進針對光學(xué)制導(dǎo)導(dǎo)彈和無人機的對抗技術(shù)提升,達(dá)到反監(jiān)視和反偵察的作戰(zhàn)需求。其中,ODIN系統(tǒng)已在導(dǎo)彈驅(qū)逐艦“杜威”號上搭載[26],用于破壞無人機的光學(xué)瞄準(zhǔn)和導(dǎo)航控制能力;HELIOS系統(tǒng)在2021年完成系統(tǒng)測試,將于2022年安裝在阿利伯克級驅(qū)逐艦普雷布爾號(DDG 88)上并出海[27]。此外,美國海軍還基于戰(zhàn)術(shù)飛機紅外對抗系統(tǒng)(TADIRCM)[28]和大型飛機紅外對抗系統(tǒng)(DoN LAIRCM)的研制[29-31],實現(xiàn)海軍大型飛行的紅外對抗能力提升。

在上述美國激光炫目武器研制項目中,主要的承包商包括洛馬公司和BAE系統(tǒng)公司。以下將重點針對這兩個研究主體的專利技術(shù)方案進行分析。

5.2.1 洛馬公司的激光干擾與炫目打擊裝置

洛馬公司主要承擔(dān)了美國海軍的“海軍光學(xué)炫目攔截器”(ODIN)[32]和“高能激光與一體化光學(xué)致盲與監(jiān)視系統(tǒng)”(HELIOS)[33]研制,其專利主要涉及激光干擾與炫目打擊裝置及其網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

一是視覺干擾網(wǎng)絡(luò)及其系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。洛馬公司專利US10082369B2“一種視覺干擾網(wǎng)絡(luò)及其系統(tǒng)”,通過可見光、紅外或紫外光的發(fā)射或反射來瞄準(zhǔn)敵方光學(xué)傳感系統(tǒng),從而助力激光干擾與炫目打擊,且光學(xué)損傷信號可以沿著飛行路徑順序輸出。此外,每個激光掃描模式的地面投影可以是正方形,矩形,橢圓形,圓形,橢圓形,三角形,八邊形,六邊形,或非對稱多邊形中的一種形式,可用于不同的威脅區(qū)域?qū)嵤┘す獯驌?或針對重點威脅目標(biāo)進行重疊使用。該激光視覺干擾網(wǎng)絡(luò)在能量疊加方面具有以下優(yōu)勢:其一,該方案可通過激光束重疊來增加針對重疊部分的掃描頻率寬度和激光束強度;其二,該方案可針對非重疊部分保持相同光能或降低非重疊部分的光能量,從而有效地改變光學(xué)對抗子系統(tǒng)的掃描模式;其三,該激光視覺干擾網(wǎng)絡(luò)可以基于接收遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)進行威脅打擊,從而確保有效損傷敵方光學(xué)系統(tǒng)的同時,避免遭受敵方反打擊。

二是結(jié)合光電紅外威脅警告和主動打擊策略。洛馬公司專利US10101455B1“一種結(jié)合光電紅外威脅警告和主動反應(yīng)對策的裝置”,針對傳統(tǒng)紅外對抗措施需要專用的導(dǎo)彈預(yù)警傳感器,且不能提前檢測或?qū)節(jié)撛谕{的問題,設(shè)計了結(jié)合光電紅外威脅警告和主動反應(yīng)對策的裝置。該裝置包括:①產(chǎn)生激光束的激光器;②用激光束掃描關(guān)注區(qū)域以收集關(guān)注區(qū)域中感興趣的物體產(chǎn)生的威脅信號的跟蹤模塊;③用于觀察關(guān)注領(lǐng)域威脅信號的被動警告模塊,可產(chǎn)生被動警告操作信號;④根據(jù)威脅信號產(chǎn)生主動操作激光束的主動模塊;⑤用于將激光束引導(dǎo)至目標(biāo)的反應(yīng)模塊,可產(chǎn)生反應(yīng)操作信號。該方案可檢測和應(yīng)對發(fā)射前后的威脅,可實現(xiàn)先發(fā)制人的防御策略,且能夠一次解決多個威脅。

總之,洛馬公司的激光干擾與炫目打擊裝置采用具有獨立目標(biāo)探測與預(yù)警系統(tǒng)、激光發(fā)射與轉(zhuǎn)向裝置的激光紅外對抗系統(tǒng),主要應(yīng)用于對安裝空間、重量沒有嚴(yán)格約束的平臺。

5.2.2 BAE系統(tǒng)公司的模塊化激光對抗系統(tǒng)

BAE系統(tǒng)公司承擔(dān)了美國海軍的戰(zhàn)術(shù)飛機指示紅外對抗系統(tǒng)(TADIRCM)[34]、大型飛機紅外對抗(DoN LAIRCM)系統(tǒng)[35]的研制,并承擔(dān)了英國國防部的快速噴氣機定向紅外激光系統(tǒng)技術(shù)演示項目[36],其相關(guān)專利主要涉及模塊化結(jié)構(gòu)激光紅外對抗系統(tǒng)。

一是基于模塊更換實現(xiàn)軍用飛機激光對抗系統(tǒng)升級。BAE系統(tǒng)公司專利US9829281B2“一種軍用飛機激光對抗系統(tǒng)升級方法”,使用集成的激光單元替換原系統(tǒng)中的單一功能激光部件,使用脈沖激光和連續(xù)波激光來提高系統(tǒng)的光學(xué)對抗能力和目標(biāo)瞄準(zhǔn)能力。該可更換單元集成了脈沖激光和連續(xù)波激光模式,可根據(jù)需要使用多個脈沖和連續(xù)波激光束,在必要時可將兩個光束組合起來,以提供更高的性能,實現(xiàn)光學(xué)導(dǎo)引武器的有效對抗。這種集成激光模塊可作為定向紅外對抗(DIRCM)系統(tǒng)的一部分,用來對抗光學(xué)制導(dǎo)導(dǎo)彈;也可用來提升平臺的光學(xué)瞄準(zhǔn)能力。

二是基于激光實現(xiàn)低成本的目標(biāo)監(jiān)測與跟蹤,降低紅外對抗成本。BAE系統(tǒng)公司的專利US8665421B1“基于激光的熱尋導(dǎo)彈紅外對抗系統(tǒng)”,受到了美國海軍的資助,資助合同號為N00173-05-C-6020。現(xiàn)有的導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)(Missile Warning Systems,MWS),包括通用導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)(Common Missile Warning System,CMWS),能夠以高置信度探測和報告導(dǎo)彈威脅,但MWS 的粗略角度跟蹤能力不足以直接使用紅外對抗系統(tǒng),而且傳統(tǒng)的紅外對抗架構(gòu)必須依靠采用低溫冷卻紅外焦平面和大型萬向架的二級跟蹤系統(tǒng),這大大增加了系統(tǒng)成本和質(zhì)量。此外,傳統(tǒng)的紅外對抗系統(tǒng)往往需要復(fù)雜的指針/跟蹤器-炮塔組件,這些組件通常非常昂貴。由此可見,傳統(tǒng)的紅外對抗系統(tǒng)的成本和重量較高,除了少數(shù)高價值飛機外,無法廣泛實施。針對該問題,BAE系統(tǒng)公司提出了一種基于激光的紅外對抗系統(tǒng),實了成本效益優(yōu)化。該方案基于單像素檢測器檢測導(dǎo)彈威脅,激光指示器單元根據(jù)探測器收集的信息向?qū)椡{發(fā)送激光束實施光學(xué)器件致盲打擊。其中,單像素檢測器具有最低的帶寬要求,可實現(xiàn)更低成本的目標(biāo)監(jiān)測與跟蹤,降低紅外對抗系統(tǒng)成本。

總之,BAE系統(tǒng)公司的專利技術(shù)方案側(cè)重于模塊化結(jié)構(gòu)的激光紅外對抗系統(tǒng)設(shè)計,可用于對傳統(tǒng)機載激光功能模塊進行替換,實現(xiàn)功能擴展,技術(shù)方案更關(guān)注小型化、輕質(zhì)化設(shè)計改進。

6 結(jié)論與建議

6.1 外軍激光武器發(fā)展總結(jié)

(1)外軍擴展激光水下打擊和炫目反導(dǎo)能力

從國外激光武器技術(shù)發(fā)展動態(tài)來看,美歐正在全面推進激光武器全域作戰(zhàn)能力,促進定向能作戰(zhàn)能力提升和作戰(zhàn)領(lǐng)域擴展,呈現(xiàn)多域作戰(zhàn)且作戰(zhàn)方式多樣發(fā)展態(tài)勢。

重點發(fā)展方向包括:一是推進水下航行器的激光武器技術(shù)發(fā)展,重點突破水下激光高效傳輸;二是推進載激光炫目武器裝備應(yīng)用,基于高能激光束使目標(biāo)眩目且具備反情監(jiān)偵能力,可以無人機光學(xué)偵察系統(tǒng)造成威懾。

(2)外軍基于多功能集成提升激光作戰(zhàn)能力

在多功能集成作戰(zhàn)系統(tǒng)方面,美軍通過對現(xiàn)有裝備的激光功能模塊進行更換升級,實現(xiàn)高能激光打擊、激光干擾、激光眩目、光學(xué)偵察等功能集成,不僅可基于高能激光實現(xiàn)目標(biāo)摧毀打擊,還可基于激光干擾或致盲實現(xiàn)目標(biāo)制導(dǎo)系統(tǒng)無效,從而大幅提升激光武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能。

6.2 技術(shù)發(fā)展與風(fēng)險防御啟示

(1)關(guān)于激光武器核心部件優(yōu)化、系統(tǒng)輕質(zhì)與小型化的技術(shù)突破

在激光武器方面,國外針對高效光纖光柵、光纖增益材料、液晶開關(guān)、高效相變儲熱等核心部件進行了技術(shù)創(chuàng)新,提升了激光束功率、波束切換速度和固體激光系統(tǒng)制冷效率,支撐激光作戰(zhàn)距離、瞄準(zhǔn)精度、跟蹤速度、持續(xù)出光等作戰(zhàn)能力提升。另外,通過激光武器系統(tǒng)分體設(shè)計、系統(tǒng)簡化,也可促進武器系統(tǒng)輕質(zhì)、小型化突破,便于多域作戰(zhàn)靈活部署。

(2)關(guān)于激光防護的技術(shù)應(yīng)用啟示

國外激光武器全域作戰(zhàn)能力提升,從攻防對抗角度,為應(yīng)用激光防御技術(shù)提供了啟示。一是提升高能激光預(yù)警能力,識別定向能激光攻擊方位,以支撐進行激光束遮擋、偏轉(zhuǎn)、機動規(guī)避等防御措施;二是設(shè)計激光防護結(jié)構(gòu)、保護涂層等,以實現(xiàn)高能激光波束能量損耗抵制。