作者:张章 来源:中国科学报 发布时间:2015/6/1 9:16:23
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激光武器粉墨登场
光学纤维或让科幻战场成为现实

 

一架无人机静静地飞过美国新墨西哥州的不毛之地,直到它突然失去控制,坠毁在地。

然后,一台狙击炮从发射台升起,并开始瞄准目标。在沙漠地面上,一辆巨型沙色卡车,在发射看不见的红外光束,摧毁一个接一个的目标。

这种高能激光移动验证机(HEL MD)是由航空巨头芝加哥波音公司为美国军方研发的一台激光武器原型。在卡车内部,波音电子物理学工程师Stephanie Blount正盯着自己笔记本屏幕上的目标,并利用手掌游戏控制器指导激光发射。“感觉非常像游戏。”她说。

它似乎十分寻常:激光武器是现代电子游戏的主要道具之一,数十年来,各类射线枪在科幻小说中十分常见。但现在,它们不再是幻想。波音公司研发的原型只是美国和欧洲近年来研发的诸多类似武器中的一种,而这在很大程度上多亏相对便宜、便携和强劲的激光器的发展。这些激光器能通过光学纤维产生光束。

这些光纤武器的输出功率以千瓦(kW)计数,数量级低于美国战略防御计划预计的百万瓦特。

但当下,这些类似目前波音系统的测试表明,激光有足够的能力克服恐怖组织的威胁。“这是非常划算的方案,可以十分便宜地制造小型狙击炮或火箭。”Blount说。

例如,2014年年底,美国海军展示了一种名为LaWS的船载激光武器系统,该武器能定位恐怖分子和海盗使用的小船。该实验武器目前安装于庞塞号上——海湾地区一艘水陆两栖火力支援舰。

但开发者表示,要全面部署此类武器仍存在挑战,从提高武器功率到克服在雾天和多云天气中使用激光的障碍等。不过,防务和安全专家正开始更严肃地对待激光。“在近半个世纪的探索后,美国军方今天正处于部署相关定向能武器的风口浪尖。”新美国安全中心(CNAS)先进技术专家Paul Scharre在今年4月发布的一份激光武器报告中写道。

功率困境

一直以来,激光武器都让研发者迷醉,在上世纪八九十年代战略防御计划全盛时期尤为如此。CNAS 报告显示,1989年,美国对激光武器的投入达到顶峰,当时政府投资金额相当于2014年的24亿美元。但从那时到现在,经费水平一直较低。之前的预期目标——击落飞来的弹道导弹,已证实难以达到。

激光武器的秘诀在于将能量集中在一个足够小的点,以便加热和毁灭目标,而要做到这些,需要一台能用于战场的紧凑、便携设备。说远比做容易。例如,1996年,美国空军启动机载激光武器项目,作为防御弹道导弹的计划之一。由于当时无法达到百万瓦特当量的输出功率,研发者选择使用化学氧碘激光(COIL),它能由一种化学反应添加燃料。

但COIL过于庞大,因此只能由波音747运载,并且为激光燃料留下的空间很小。“它需要远程混合装置以及数万磅的化学物质。”洛克希德·马丁公司定向能系统主管Paul Shattuck说。该公司为上述项目提供了光束控制技术。

华盛顿海军研究实验室定向能物理学家Phillip Sprangle表示,另一个重要问题是空气。他指出,不仅尘埃和自然湍流会使光束分散,激光走过的通路还会引发“热晕效应”。Sprangle解释道,当光束以极高的能量传播时,“空气会吸收激光,加热空气,并导致光束扩散”。反过来,这种扩散会削弱激光的能量。

至少,对于机载激光项目而言还有个好消息:类似天文学家用来观察恒星的自适应光学技术或许是解决方案。该技术利用镜面自动扭曲激光束,以便削弱湍流的影响,结果类似矫正眼睛畸变的眼镜。“随着光束穿越空气,它被清理一新,最终能完美且密集地击中目标。”

到2010年,适应光学技术已经能良好地用于机载激光设备,帮助其摧毁飞行中的弹道导弹。但在那时,尺寸问题等后勤方面的困境还是让国防部失去了研发能量武器的热情。2012年年初,该部门彻底取消了机载激光武器项目。同时,国防部在高能激光方面的投入也被削减,从2007年的9.61亿美元到2014年的3.44亿美元。

聚光灯下的光纤

经费并未消失不见:人们的注意力已经转向更经济的光纤激光器。光纤激光器出现于1963年,自上世纪90年代以来,其已经发展为盈余超过预期。尽管其他固体激光器使用刚性杆、晶体平板或磁盘产生光束,但大型光纤激光器要使用能包裹紧凑线圈的薄光学纤维。

这些光纤能从便宜的激光二极管的更明亮版本中收集光能,然后将光能放大,整个电光转换效率能增加30%。这至少能使其他类型的固体及激光器的能效翻倍,接近COIL等化学激光器。而且,光纤本质上较长和薄,因此其表面积和体积比例较大,并能很快地散发余热,这将有助于延长激光器使用寿命和减少维护工作。

上世纪90年代,这些工作开始吸引人们的注意,当时光纤激光器开始被用于加强运载互联网数据的海底电缆的光信号。到本世纪初,研究人员开始致力于研发用于焊接、钻孔和切割的千瓦特级工业激光器,而这些设备也引发了军事专家的兴趣。

Shattuck回忆道,2010年前后,他和同事听闻以色列平民被当作从加沙地带发射的火箭弹的目标,“一位村长表示,‘请给我们一些防护’。”Shattuck说。而这激发洛克希德·马丁公司研发区域防御反弹药(ADAM)系统,该系统使用了常备的10千瓦特激光器以降低成本。

自2012年开始,该公司透露,ADAM无法定位1.5公里外的船只、遥控飞机和小口径火箭。尽管不愿透露ADAM的价格,洛克希德·马丁公司表示,目前已经准备为客户提供该系统。

Blount没有过多提及波音公司的HEL MD原型——它也使用了10千瓦特商业光纤激光器。该系统能从车用发动机或独立发动机中提取能量,她表示:“摧毁许多目标只需要两杯燃料。”这使其比常规导弹更便宜。“一枚便宜导弹需要10万美元,并且一次使用。而激光武器系统一次发射的费用少于10美元。”波音公司定向能系统负责人David DeYoung说。

Blount还强调,激光武器的复兴与图像识别和瞄准系统的发展密不可分。“更好地瞄准,能让光束更有效地打击目标的薄弱环节。”她说。多亏电脑瞄准,HEL MD能全自动控制。

数字的力量

瞄准和定位技术可能已经整装待发,但能量仍然成问题。一台商业激光器10千瓦特的输出功率处于激光武器能使用的最低端。而且,使用光纤会限制光束的能量和质量,原因之一是光子冲过光纤时会将其迅速加热,并能引发毁坏。为避免这些,研究人员正计划结合数台激光器的输出功率。

实现这一目标的理想方式可能是“相干合成”,每台激光器发出的波能匹配在一起,形成紧密的同步形式。麻省理工学院林肯实验室激光学家Tso Yee Fan表示,该技术被广泛用于收音机和微波设备中。

但实现可见光和红外光的相干性非常困难。每台激光器必须发出几乎差不多的波长,其振动平面必须精确地排成一排,而且每个波的波峰和波谷必须一致。“对于射频和微波而言,波长约有数厘米。”Fan说,“但在光学领域,波长仅有约1微米,因此进行这些控制实际非常困难。”

但Sprangle表示,这无伤大体。2006年,他和同事研发出计算机模型,表明数个光纤激光器的非相干合成光束打击目标的有效性与相干合成一样。他表示,无论使用哪个方法,“当你准备穿越空气湍流远距离发射时,最终打击目标的光束的功率相同”。2009年,该研究小组通过实验证实了这一理论。

在Sprangle工作的基础上,美国海军研究局开发出30千瓦特的LaWS。该系统非相干联合了6台商业光纤激光器,目前安装于庞塞号,并已在小型船只和遥控飞机方面进行了试验。

无独有偶,导弹专业部门德国MBDA也研发出一种类似的方法。2012年10月,该公司成功使用其40千瓦特联合光纤束系统摧毁了约2000米外的飞行炮弹模型。MBDA的试验还揭露了科学小说中提及的防御激光武器盔甲的真相。他们发现,镜面上的任何尘埃都将让目标更快被摧毁。

尽管能力目前较弱,但Scharre相信,在未来5~10年,光纤激光器武器将在美国军队防御领域占据一席之地。“它们可能不会像星球大战中的那样宏大,但它们能拯救生命、保卫安全。”他说。(张章)

《中国科学报》 (2015-06-01 第3版 国际)
 
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