美國運輸機機載激光系統研制進展

易亨瑜，鎖興文，易欣儀，齊 予，張 凱

(1.中國工程物理研究院 應用電子學研究所，綿陽 621900；2.中國軍事科學院 國防科技創新研究院，北京 100071；3.復旦大學 化學系，上海 200438)

引 言

美國空軍和美國特種作戰司令部(Special Operations Command，SOCOM)下屬的第4代武裝運輸機AC-130J是“大力士”運輸機C-130經過多次武器升級后的對地攻擊飛行器，執行近距離空中支援以及武裝防御等任務。目前現役飛機上僅安裝了低功率光電對抗和紅外對抗裝置，當發現敵方導彈時，通過釋放紅外誘餌彈，實現防御目的。但是隨著導彈制導技術的進步，導引頭能區分戰斗機引擎和紅外誘餌等不同波段的信號，因此一旦導彈鎖定飛機，飛機的成活率就大大降低；另外紅外誘餌彈的采購每年都要花費大量經費[1]。

為了提高戰斗機的生存能力和作戰能力，2015財年(financial year,FY),空軍首先啟動機載“自防御高能激光演示器”(self-protect high energy laser demonstrator，SHIELD)計劃，用于中等距離的導彈防御。之后SOCOM也倡議了運輸機的“機載高能激光計劃”(airborne high energy laser,AHEL)[2-5]，典型作戰目標擴大為導彈、火箭彈、地面目標等。

國外機載激光武器的發展，已有較多文獻[6-16]報道，而關于運輸機機載激光武器詳細的系統集成、技術挑戰、研制進展等，這方面文獻相對較少。本文中將介紹美國運輸機機載激光武器計劃，分析其面臨的技術挑戰，梳理近年來的研制進展。

1 立項背景

“幽靈騎士”AC-130J(見圖1)是AC-130U空中炮艇的升級，2016年正式服役，其開發目的是支持地面部隊在海外的應急行動。它最大航程為4071.6km，配備電-光和紅外雙傳感器、30mm和50mm口徑加農炮、全天候合成孔徑雷達以及格里芬導彈、鷹獅導彈、地獄之火導彈等精確打擊套件(precision strike package，PSP)。傳感器允許武裝運輸機能夠在任何天氣中辨別地面的友軍目標。

圖1 AC-130J發射誘餌彈誤導敵方導彈

相對于戰斗機，武裝運輸機體積和重量較大、飛行速度較慢，同時又離作戰目標較近，無法防御地面強大的防空火力。因此空軍特種作戰司令部(Air Force Special Operations Command，AFSOC)認為必須采用新的辦法提高飛得又慢又低的武裝運輸機的生存能力，其中的關鍵就是引入高能激光武器，擊毀敵方的地對空、空-空導彈和機載目標。這樣AC-130J不僅能保護自己，而且還能保護整個特種作戰混編攻擊機群，并能精確攻擊地面目標，使機動車輛、船舶和地面飛機失能，使敵方的關鍵系統失效，如指揮車、發電系統、通信系統和雷達系統等(見圖2)。

SOCOM是運輸機載激光武器的主要倡議單位，其首長約瑟翰·佛特爾中將2016-03-01在簽署呈報國會防御委員會的記錄中，詳細闡述了AC-130激光運輸機的多種優勢，指明了AHEL武器 “極具軍事價值”。另外空軍也對此非常關注，將其作為戰斗機載激光武器研制的技術儲備。AFSOC前任司令官布萊德利·海瑟爾徳中將、現任司令官布拉德·韋伯中將，都非常關注AC-130J機載激光武器研制項目。

圖2 a—AC-130J作戰概念 b—攻擊敵方相控陣雷達的作戰設想

激光武器的關鍵優勢在于能夠熔化或者焚燒敵方目標的能力，并且不會導致爆炸，不會暴露其所在方位；其次激光武器擁強大的彈倉深度，只需要依靠1加侖燃料就可獲得數以千計的發射次數，遠比單一用途武器如炸彈或導彈更為便宜和有效；另外，激光武器在破壞敵軍通信、人質救援任務、城市作戰環境、靜默打擊中凸顯優勢。海瑟爾徳中將十分看重激光武器的無聲攻擊能力。

2 研制計劃

2.1 機載高能激光計劃

AFSOC制定了機載高能激光(AHEL)計劃，將激光武器集成進AC-130J飛機中，使之具有進攻與防御的能力，并準備2020年在外場進行演示試驗。2015年,AFSOC對國防工業界發布一項“挑戰書”——在這一個10年結束之前在武裝運輸機AC-130上安裝電力驅動的高能激光器[17]。

2.1.1 計劃目標 運輸機載激光武器的研制，得到了國防部辦公室和SOCOM的經費支持，以及空軍的技術支持。SOCOM計劃在AC-130飛機上集成一臺200kW的激光武器，擁有對數英里之外目標的高精度的靜默摧毀能力。為了實現這一目標，2016年，美國空軍要求國會提供1.2億美元的資金，首先研制出一套60kW激光樣機，其次定標放大150kW以上，最終達到200kW的目標[18]。另外AFSOC表示，一架武裝運輸機AC-130W已被批準退役，來支持這項工作的開發和測試。原計劃在2017財年啟動，并在2020年開展飛行試驗，其演示內容將是輕研發、重實戰能力。采用快速樣機方法，將多個成熟的激光子系統(例如光束發射、激光器、熱管理和電力)進行快速集成，開發出一個武器樣機組，用于作戰評估，并引導出未來需求。其中高能激光組件將能夠進行模塊化升級，并與PSP系統進行無縫集成。

2.1.2 研制經費 2016-03- 18《內部防御》報道，SOCOM向國會申請2017財年追加2千萬經費，啟動AHEL計劃。之后打算在2018和2019財年各申請4千萬經費，投入AHEL計劃的研發工作。由于國會并不充分了解AHEL計劃的作戰的效益與技術的成熟度，在一定程度推遲了立項和削減了申報經費。

美國國防部辦公室為了支持激光運輸機的研制計劃，于2018財年專門在PE 0603699D8Z(新興能力)計劃中，臨時設立了713/高能激光器專項，經費為1400萬，啟動AHEL計劃的風險降低研究。

SOCOM從2018財年開始，在研發類預算的SF100航空系統高級開發計劃中，專門設立了PSP高能激光器專項，用于在AC-130平臺上高能激光武器演示。另外在采購類預算的1202PSP計劃中，從2020財年開始，也有部分經費用于AC-130機載高能激光武器的研制。其經費如表1所示。

表1 SOCOM預算的AHEL計劃研制經費/百萬美元

2.2 技術挑戰

2.2.1 空間重量 雖然高能激光武器已經安裝到海軍艦艇、陸軍重型卡車和波音747大型飛機上，但AFSOC承認，將其安裝在像AC-130運輸機這類空間較小的飛機上，仍處于研究階段，不過這并沒有阻止AFSOC自2015年以來就追求該武器技術。

從技術層面來講，要把一臺激光武器安裝在地面基地、一艘海軍戰艦或者甚至一臺陸軍車輛上，都會比安裝在一架飛機上容易得多，因為飛機上每寸空間都很重要，并且在飛行中每個部件都會振動。目前世界上第1臺正式服役的激光武器，是安裝在排水量達到將近17000t的美國“龐塞號”軍艦[19]上。相比之下，AC-130J滿負荷時重量為82t。

為使飛機能夠承載激光武器，大量的研發工作還須開展，包括飛機的尺寸、重量、動力方面的工程設計。而對于現有激光技術而言，如何設計一個足夠小型化、能夠裝載到快速移動的運輸機上的可移動作戰光源仍舊是一個很大的挑戰?？哲妼Π惭b在AC-130武裝運輸機上高能激光系統的重量和體積都有嚴格限制。重量大約在2268kg以下，為一輛牧羊人吉普車的重量；并且激光器在2017年服役的AC-130J上占據的空間不要超過一挺機關炮的位置。

2.2.2 電力問題 隨著高能固體激光器的小型化，機載激光武器的作戰光源逐漸由化學激光器，轉變為電力驅動的固體激光器。隨著激光輸出功率的提高，固體激光器將需要越來越多的電力，并產生更多的廢熱。因此高能固體激光器的運行，將加劇了飛機電力的消耗，會帶來用電量和熱載荷的大幅增加且波動劇烈，而飛機發電容量和熱管理能力有限。為機上激光系統提供足夠的電力以及如何實現系統冷卻，逐漸成為一項越來越大的技術挑戰，因此如何高效管理飛機電力成為一個亟待解決的問題。AC-130上的4臺勞斯萊斯T56-A-15引擎，每臺都能產生3.9MW的電力，其余量足夠維持200kW激光武器的運行。

2.2.3 航空光學效應 機載光束發射轉塔在設計上突出在氣流中。由于孔徑上激發的非穩定沖擊氣流，將導致在尾場出現強烈的航空光學畸變。這些畸變降低了目標上的功率密度(即減弱了激光定向能系統的毀傷能力)，并限制了定向能對前場目標的打擊能力。

為削弱和調制發射塔周圍的大尺度湍流結構，需要采用優化尾場指向角的流體控制策略，同時采用自適應光學同步流場控制技術。在地面實驗中，可利用風洞試驗，驗證穩定和周期性流體的控制技術性能，并通過自適應光學系統進行閉環校正；在飛行實驗中，還需在發射塔上集成流體控制裝置。

在AHEL樣機中負責光束控制的MZA公司，曾參加機載航空光學實驗室(Airborne Aero-Optics Laboratory，AAOL)、機載激光(airborne laser，ABL)武器等系統的研制，長期以來，一直被視為在大氣傳輸和自適應光學系統領域中波動光學建模的專家。以前機載激光計劃的經驗教訓，為AHEL樣機的風險降低研究奠定了基礎(見圖3a)。另外洛·馬公司、國防先進研究計劃局和空軍研究實驗室已在2015年演示驗證了超音速機載發射塔的性能，完成了近60次飛行測試，驗證了機載激光發射塔可在接近超音速的條件下實現向任何方向的射擊(見圖3b)。公司研制的發射塔采用自適應光學并結合空氣動力學和氣流控制技術，解決了突出的發射塔在飛機尾部引起的極端湍流效應，從而能夠360°控制高能激光束的發射，實現了全方位的光束發射，突破了超音速的限制。試驗結果將被美國國防部先進研究計劃局和空軍研究實驗室采納，來制定未來高速飛行器上機載激光武器系統的技術要求。洛·馬公司的試驗結果，對AC-130運輸機上安裝激光武器的計劃，將有一定參考價值。

圖3 a—AAOL機載發射塔 b—洛·馬公司的機載激光發射試驗

2.2.4 機械振動 機載平臺的氣動-機械抖動問題對光束控制的需求，也是AHEL計劃的難點。氣動流場將使發射塔產生抖動，機身的振動將導致光學鏈路上光束的漂移，都將使輸出光斑產生彌漫現象，從而降低了光束質量，甚至破壞光束系統自身。核心是研制出激光武器系統的機載隔振平臺，并發展平臺之間光學鏈路中光束的穩定技術。借鑒AAOL、ABL和先進戰術激光(advanced tactics laser，ATL)武器等機載激光計劃的經驗和技術，這方面的光束控制技術將不再是AHEL項目面臨的最大挑戰。

ABL、ATL計劃雖然已經下馬，在過去幾年的激光打靶演示中，發展了激光在大氣層中精確打擊目標的武器系統能力，掌握了航空環境下光束的控制技術，驗證了大氣層中使用激光武器的可行性，為后續的機載激光武器的研制提供了寶貴的技術經驗。美國軍方由此而獲得了機載激光器、航空光束控制等領域的技術積累和試驗經驗，為后續發展機載激光武器打下了堅實基礎。

3 系統結構及性能

3.1 激光武器系統

經過前期的研究，SOCOM于2019年6月披露了AHEL樣機的系統架構，如圖4所示。

圖4 AC-130上60kW激光武器樣機的系統架構

可以看到，AHEL樣機包括了總控裝置、火控裝置、束控和發射裝置、激光器及其電源、熱管理等子系統，其中束控裝置將含有變形鏡、快反鏡等自適應光束元件。

3.2 作戰光源

2016年,海瑟爾徳中將向突防網(breaking defense net)透露，目前有好幾家公司同時在研制激光武器，“我們一直關注著他們的進展”，“現在技術已經成熟，可以在AC-130上應用激光武器”。

3.2.1 對作戰光源的要求 在初期的AHEL樣機中，激光器輸出功率為60kW。根據AC-130的搭載能力，激光器重量不超過約2268kg，這基本上是武裝運輸機現有30mm口徑機關炮的重量。表2中為60kW樣機的設計要求。

表2 60kW樣機的設計要求

3.2.2 候選光源 如圖5a所示，通用原子公司在HELLADS計劃和RELI計劃支持下，采用分布式增益液體激光技術，2015年研制出的第3代激光器模塊，實現了75kW的高質量光束輸出，重量功率比達到4kg/kW、體積為1.3m×0.4m×0.5m，光束質量β<2、電光效率接近30%；采用緊湊的鋰離子電池提供電力，能持續運行30s以上。通過2個模塊的串聯可實現150kW的激光輸出，光束質量下降為β=4[20]。作為最早的候選作戰光源，通用原子公司響應海瑟爾徳中將的號召，正在研制更為緊湊的第4代高能激光模塊。

圖5 a—通用原子公司的高能液體激光器 b—洛·馬公司的光譜合成光纖激光器

如圖5b所示，洛·馬公司在RELI計劃和陸軍車載激光計劃下，2017年3月研制出60kW光譜合成的光纖激光器，其電光效率達到了43%[21]，估計光束質量β≈1、體積功率比為10kg/kW，也成為AHEL計劃作戰光源的備用選項之一。

由于洛·馬公司的光纖激光器效率高達40%，受到空軍機載武器專家的關注。在40%的激光效率下，60kW激光器需要150kW電力，150kW激光器需要375kW電力，大大緩解了飛機的電力供應，有助于激光功率的進一步提升；另外采用高能量密度的電池和超級電容器，還將有助于降低激光武器的重量和成本。最終60kW樣機選擇了洛·馬公司的光纖激光器。

3.3 發射塔

激光發射塔可布置在戰斗機的機身側面，或者布置在機腹。不同的布置，將決定激光武器的作戰方式，最終影響其作戰能力。發射塔安裝在機身側面，激光武器的使用方式是向左轉向時“開火”，即飛機向左側傾斜、轉彎并向目標持續照射。這種方式，比較適合于空對地戰，或可用于空-空導彈的防御。如果戰斗機的防御重點是地-空導彈，那么將可能會將發射塔安裝在機腹，使用更為方便。另外不同的安裝方式，導致的空氣湍流不同，所需的流場控制技術可能會有差別。

空軍科學咨詢委員會(Air Force Scientific Advisory Board，AFSAB)開展了一項研究，對比考察了激光器在飛機腹部的安裝位置與其在飛機側面替換原30mm口徑機關炮的安裝位置。AFSAB的研究發現，由于飛機自身將遮攔激光器的有效發射半球，側面安裝方式將限制激光器能夠打擊的范圍。激光發射半球上方的一半區域，對于地-空導彈的防御，基本上無用。而機腹安裝的發射塔，在防御地-空導彈有完全的發射角度。因此激光武器發射塔安裝在武裝運輸機的腹部，從長遠來看，將提供更多的進攻和防御能力；但是腹部安裝發射塔將需要更多經費、更多時間來研發。而飛機側面安裝的結構，對現有飛機的修改較少。

圖6 a—AC-130激光運輸機的側面攻擊示意圖 b—ATL機載激光武器系統

AFSOC權衡了武裝運輸機的激光武器打擊能力與安裝方式，為了更快速地將激光武器部署在飛機上，已經達成共識，移除機身側面的30mm炮、并將在此處安裝激光武器作為首選。將激光器安裝在AC-130J運輸機的側面，能形成低成本的、能快速部署的攻擊能力(見圖6)?！盀榱私档脱菔驹囼灣杀?，AFSOC正在考慮的是將發射塔安裝在現有的側孔中，而這是目前機關炮所在的位置”，AFSAB主席維爾納·達姆說?！斑@仍然會讓我們學到很多關于如何在AFSOC任務中使用激光器的經驗，雖然這種安裝方式在演示試驗中并不像機腹安裝方式那么有用”(見圖7)。

圖7 AC-130機載激光武器安裝示意圖

3.4 毀傷能力

作戰中，高能激光對目標的破壞，主要是激光束產生的熱使目標加熱、燒蝕、熔化、誘導爆炸、燃燒或致盲。目標材料的破壞閾值常用功率密度作為判定指標。對于激光器輸出功率為P、發射口徑為D、射程為L，激光波長為λ、光束質量為β的平面聚焦束和高斯聚焦束，激光在目標上的遠場功率密度W可統一為：

(1)

式中,r為光斑半徑,不同大氣環境的大氣透過率η取值不同?？梢钥吹?，激光器輸出功率越大，沉淀在目標上的功率密度也大；另外激光波長越短、光束質量越好，則激光的打擊能力越強。事實上激光對付大多數先進導彈特別有效，為了提高命中精度，大多數精確制導武器都采用了光學或光電傳感器，它們使用的材料對激光特別敏感，破壞閾值僅為10W/cm2～100W/cm2，是易損部件。AHEL也能破壞導彈的雷達和光學頭罩(頭罩的破壞閾值102W/cm2～103W/cm2)，造成導彈空氣動力學失衡而墜落或使制導系統無法獲得目標的形狀、大小和距離等信息而脫靶。

針對目前公布的AHEL樣機參量，取發射口徑D=30cm，激光器出口光束質量β=1?？紤]到大氣湍流影響，假設經激光束大氣傳輸到達目標上時β=5。計算可得AHEL樣機的毀傷能力：能夠毀傷6.4km射程內導彈的光-電傳感器，破壞2km范圍內導彈的光學頭罩。

4 研制進展

4.1 時間表

AHEL計劃將開展可行性研究、系統架構開發，啟動風險降低研究，根據“最佳”子系統提議，進行子系統采購，開展60kW樣機地面集成和飛機集成，最后進行演示試驗和評估。目標是基于AC-130J的擴展性，展示精確的機載激光武器系統，能夠針對復雜環境和地形進行攻擊。圖8是AC-130高能激光器研制進度表。圖中，PDR為初級設計評審，CDR為關鍵設計評審。

圖8 AC-130高能激光器進度表

4.2 技術進展

4.2.1 可行性研究 根據空軍部長和空軍參謀長的要求，空軍科學顧問委員會研究小組開展了AC-130J機載激光武器的可行性研究，評估機載激光技術的當前狀態，并確定系統尺寸、重量、電力需求、熱管理、航空光學效應、對飛機性能影響等集成問題。研究小組的目的是檢查武裝運輸機的運行和戰術，以確定激光武裝運輸機可能發揮作用的潛在進攻和防御情景，并確定可能限制激光武器應用的運行、后勤和維護等方面的需求。此外，小組還要評估對激光武器的潛在缺陷和敵方可能采取的對抗措施。最終于2017-06-07專家小組認為：加裝激光器的武裝運輸機具有潛在的可行性；建議空軍將武裝運輸機未來的激光武器系統技術納入其激光武器路線圖，將技術投資集中在研發可部署的激光武裝運輸機上；在AHEL樣機研制中可以設立多個里程碑。

4.2.2 風險降低研究 國防部辦公室于2018財年啟動AHEL計劃的風險降低研究。研究內容包括對現有激光控制設備的現代化、診斷組件的開發、飛機隔振結構的設計和制造、在模擬飛機環境中測量激光性能、飛機光學窗口安裝和整流罩的開發，以及對現有AC-130作戰管理系統的修改，以支持激光武器作戰。為AHEL戰術樣機設計提供的信息有助于提前確定主要AHEL子系統所需的工程設計更改。2019財年繼續利用2018財年的資金，開展工作，在成功進行地面風險降低測試后，后續工作由SOCOM接收，繼續樣機開發和機載試驗。

4.2.3 系統集成測試 2018財年啟動AC-130J飛機的系統架構、可行性設計、接口控制文檔和風險降低等開發。2019財年繼續進行系統架構的開發，采購光束發射子系統和激光器子系統，編寫接口控制文檔，完成AC-130J飛機的風險降低工作。2020財年接收已訂購的部件，開始將部件組裝成武器系統；完成長周期主要器件開發所需的采購。2021財年在系統集成后，將對已組裝的子系統進行地面測試和飛行測試。

4.3 研制團隊

AHEL計劃將采用“政府主導、多家公司參與，共同完成AHEL系統的專業技術和組件”。為方便將來的系統修改/升級，海軍海面作戰中心達爾格倫分部作為政府領導的系統集成商，獲得2017財年經費的30%，負責項目的成本、進程安排以及最終性能；而空軍生存循環管理中心得到10%，其余60%的經費將流向各個合同商。

AHEL合同方的選擇在2017財年的第一季度和第二季度開始。參與競爭的有洛·馬公司、通用原子公司、諾·格公司、波音公司、雷神公司以及L-3通信公司。根據國防部軍械技術聯盟的建議進行AHEL樣機“最佳”子系統的購買，另外還將充分利用國防部擁有的資源和設施、國防部定向能社團的測試硬件等，并要求AFSOC提供飛機、機組人員和維修服務。據報道，AFSOC已考慮列出4架～5架武裝運輸機作為平臺目標清單。

在AC130機載激光武器研制中，海軍水面作戰中心達爾格倫分部負責樣機集成、電力和飛機隔振結構、風險控制、子系統裝配、熱管理子系統開發、集成和地面測試等大部分工作。另外，在2019財年引入MZA聯合公司開發高功率激光光束發射器，2020財年引入洛馬公司阿庫萊特分公司開發高功率激光器，2021財年引入通用技術服務公司開發電池型抽運電源，最終飛行測試/演示將由多方參與。

5 結束語

AC-130J 機載60kW高能激光系統是下一代武器，能夠在復雜環境中實施精確的隱秘打擊，不僅使AC-130飛機能防護運輸機免受地-空導彈的襲擊，而且擁有摧毀數英里之外目標的無聲攻擊能力，在城市環境、人質解救和地面“軟”目標破壞中凸顯優勢。

運輸機載激光武器的研制，得到了國防部辦公室和SOCOM的經費支持，以及空軍的技術支持。該項目預計在2018財年啟動，并在2022年開展飛行演示試驗，其演示內容將是輕研發、重實戰能力。在AHEL計劃演示2年后，SHIELD計劃也將開展演示試驗。

激光器將安裝在AC-130J運輸機的側面，替換原30mm機關炮，而激光發射塔安裝在原30mm口徑的炮眼中，以形成低成本的、能快速部署的攻擊能力。從而能在試驗中總結如何在AFSOC任務中使用激光器的作戰經驗、總結戰術方法，并不斷進行修改和完善。通過分析可以看到，AHEL樣機在電力需求、系統冷卻等技術上幾乎不存在什么問題，主要挑戰是如何克服航空光學效應和機械振動，確保激光的光束質量。不過ALL,ABL和ATL等計劃的研究成果，為“激光武裝運輸機”的研制，奠定了技術基礎，降低研制風險。

目前60kW級AHEL樣機的毀傷能力，能夠毀傷6.4km射程內導彈的光-電傳感器，破壞2km范圍內導彈的光學頭罩。當60kW激光樣機的研制成功后，將作戰光源將升級到150kW以上，最終達到200kW的目標。為了進一步提升激光射程或打擊能力，AC-130J運輸機側面的開孔可能將擴大到60mm～80mm口徑，從而增大激光的發射口徑。