基于專利跟蹤分析國外激光武器發展情況

林運贈,徐曉艷,王永芳

(中國航天系統科學與工程研究院,北京 100037)

1 引 言

激光武器利用激光能量束損傷目標使其喪失作戰能力[1],具有快速、靈活、精確、抗干擾等優點,可在光電對抗、反導反衛、空間攻防、要地防御中發揮重要作用[2]。目前,美軍已經全面開展了陸基、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?？仗斓亩ㄏ蚰茏鲬痼w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],但未披露方案細節。

二是美軍實現60 kW級艦載激光炫目武器裝備應用[7]。近兩年,美國“海軍光學炫目攔截器(ODIN)”和“高能激光與一體化光學致盲與監視系統(HELIOS)”均已實現艦載裝備應用。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,可發射60 kW級以上的高能激光束,使目標眩目、具備反情監偵能力,美國海軍將其安裝在阿利伯克級驅逐艦普雷布爾號(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(AHEL),并安裝到AC-130軍炮艇機上進行了測試,輸出功率達到60 kW級。

三是美軍推進高功率反導/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)聯合諾格公司研制的150 kW級固態激光武器系統“激光武器演示器”[17],是美海軍“固態激光技術成熟化項目”(SSL-TM)的一部分,該系統安裝于“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激光武器測試,成功摧毀一個靜止的水上目標[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],該設備的大小與運輸集裝箱相當,安裝在重型卡車上,可防御彈道導彈、巡航導彈以及無人機等,由通用原子電磁系統公司和波音公司負責研制[22]。

為了深入跟蹤國外激光武器發展情況,本文圍繞近年國外激光武器發展背景,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展特點,為我國激光武器發展與風險防御提供參考。

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域發展情況,我們在德溫特世界專利索引數據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,為了確保專利數據檢索結果全面、客觀地反映近5年國外高能武器發展狀況,采取了全面細化的檢索策略:

一是對各關鍵技術進行檢索,具體包括高能激光武器總體技術、高能激光器、激光合束技術、高精度光束指向與瞄準技術、高能激光系統熱管理技術等。

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。

四是針對技術細節點進行補充檢索,重點針對激光炫目武器、反導/反無人機激光武器進行了細化檢索。

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分布分析

在圖2中,針對激光武器各關鍵技術領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構成分析

結果顯示,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 %,專利技術方案側重光纖激光器的優化設計,主要采用光譜展寬抑制技術和窄線寬光纖光路設計方法提高激光器輸出功率和質量,以助于提升激光武器的遠距離打擊能力。

激光合束技術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,并采用雙光柵結構減少由線寬造成的光束質量下降,在利用相同的光柵實現光束多次反射后合束,降低激光合束系統的體積和復雜性。

高能激光武器總體技術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、激光炫目武器系統和綜合集成系統等。從美軍專利技術方案來看,激光系統系統呈現激光炫目打擊、燒毀打擊、偵察監視等多功能集成一體化趨勢,以提升激光武器系統作戰有效性。

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

在激光武器熱管理技術方面有45項專利,占申請總量的10 %,專利方案側重相變儲熱技術改進,主要涉及高效換熱相變結構設計。

從上述結果結果來看,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距離、機動目標跟蹤和持續作戰能力。

4 國外激光武器專利區域分布分析

如圖3所示,國外激光武器技術創新主要來自于美國、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 %。美國專利主要技術創新主體包括洛馬公司、雷神公司、美國陸/海/空軍等。近5年,美國專利新出現的專利技術方案主要包括: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,實現水下目標打擊;二是激光多功能集成專利,基于激光實現眩目、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和反無人機的應用需求,提出了基于光路選擇和光學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到了9年,這些專利技術方案涉及美軍技術保密范圍,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計分析

針對激光武器專利的資助政府進行了統計,發現DARPA、美國導彈防御局、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用背景,是后續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,并要求光學物理公司研制一種潛艇用的波束瞄準器[23],用于激光目標瞄準;2015年,美國海軍研究生學校啟動“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。

針對水下航行器應用激光武器進行專利檢索,獲取了4項相關專利,主要來自于美國海軍、歐洲導彈集團(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途徑。

一是采用雙激光激發水下高效光傳導通道,實現水下目標打擊。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技術專利,分別為專利US8941967B2“水下激光引導放電”和專利US9088123B2“雙激光器產生擴展水下等離子體”。圍繞非線性光學效應(克爾效應),美國海軍通過兩次激光發射在水下激發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,以摧毀遠距離水下目標。

二是采用激光武器分體安裝,實現水面或海岸附近陸上目標隱蔽打擊。針對核潛艇浮上水面易暴露目標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,從而實現潛艇激光武器水上高能發射。其二,可將激光輻射裝置設置在水面子航行器上,該子航行器與潛艇內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,避免潛艇暴露位置。

三是通過激光產生高能氣泡或等離子體射流以摧毀水下目標。日本三菱重工公司在2017年申請的專利 EP3489616A1“一種水下激光發射裝置”,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物上產生氣泡或等離子體,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方案是將激光束在水下會聚,并局部地沸騰水以產生氣泡或等離子體,并通過氣泡射流或等離子體射流破壞水下目標。

總之,從國外核潛艇激光武器專利分析結果來看,在核潛艇上實施高能激光武器裝備,具有以下優勢:①激光武器系統可以直接應用核潛艇的供電和冷卻系統,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射無噪聲,不能在光學或聲學上定位。③在目標瞄準方面,激光輻射裝置具有光學或電光瞄準裝置,可以直接從輻射發射裝置的位置進行目標瞄準,而不需要第二架潛望鏡或光電桅桿來觀察目標。

5.2 美軍激光炫目武器專利分析

近幾年,美國海軍基于“海軍光學炫目攔截器”(ODIN)激光武器系統[24]和“高能激光與一體化光學致盲與監視”(HELIOS)項目[25],推進針對光學制導導彈和無人機的對抗技術提升,達到反監視和反偵察的作戰需求。其中,ODIN系統已在導彈驅逐艦“杜威”號上搭載[26],用于破壞無人機的光學瞄準和導航控制能力;HELIOS系統在2021年完成系統測試,將于2022年安裝在阿利伯克級驅逐艦普雷布爾號(DDG 88)上并出海[27]。此外,美國海軍還基于戰術飛機紅外對抗系統(TADIRCM)[28]和大型飛機紅外對抗系統(DoN LAIRCM)的研制[29-31],實現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系統公司。以下將重點針對這兩個研究主體的專利技術方案進行分析。

5.2.1 洛馬公司的激光干擾與炫目打擊裝置

洛馬公司主要承擔了美國海軍的“海軍光學炫目攔截器”(ODIN)[32]和“高能激光與一體化光學致盲與監視系統”(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絡系統。

一是視覺干擾網絡及其系統優化設計。洛馬公司專利US10082369B2“一種視覺干擾網絡及其系統”,通過可見光、紅外或紫外光的發射或反射來瞄準敵方光學傳感系統,從而助力激光干擾與炫目打擊,且光學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域實施激光打擊,或針對重點威脅目標進行重疊使用。該激光視覺干擾網絡在能量疊加方面具有以下優勢: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對抗子系統的掃描模式;其三,該激光視覺干擾網絡可以基于接收遠程數據進行威脅打擊,從而確保有效損傷敵方光學系統的同時,避免遭受敵方反打擊。

二是結合光電紅外威脅警告和主動打擊策略。洛馬公司專利US10101455B1“一種結合光電紅外威脅警告和主動反應對策的裝置”,針對傳統紅外對抗措施需要專用的導彈預警傳感器,且不能提前檢測或對抗潛在威脅的問題,設計了結合光電紅外威脅警告和主動反應對策的裝置。該裝置包括:①產生激光束的激光器;②用激光束掃描關注區域以收集關注區域中感興趣的物體產生的威脅信號的跟蹤模塊;③用于觀察關注領域威脅信號的被動警告模塊,可產生被動警告操作信號;④根據威脅信號產生主動操作激光束的主動模塊;⑤用于將激光束引導至目標的反應模塊,可產生反應操作信號。該方案可檢測和應對發射前后的威脅,可實現先發制人的防御策略,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探測與預警系統、激光發射與轉向裝置的激光紅外對抗系統,主要應用于對安裝空間、重量沒有嚴格約束的平臺。

5.2.2 BAE系統公司的模塊化激光對抗系統

BAE系統公司承擔了美國海軍的戰術飛機指示紅外對抗系統(TADIRCM)[34]、大型飛機紅外對抗(DoN LAIRCM)系統[35]的研制,并承擔了英國國防部的快速噴氣機定向紅外激光系統技術演示項目[36],其相關專利主要涉及模塊化結構激光紅外對抗系統。

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

二是基于激光實現低成本的目標監測與跟蹤,降低紅外對抗成本。BAE系統公司的專利US8665421B1“基于激光的熱尋導彈紅外對抗系統”,受到了美國海軍的資助,資助合同號為N00173-05-C-6020?，F有的導彈預警系統(Missile Warning Systems,MWS),包括通用導彈預警系統(Common Missile Warning System,CMWS),能夠以高置信度探測和報告導彈威脅,但MWS 的粗略角度跟蹤能力不足以直接使用紅外對抗系統,而且傳統的紅外對抗架構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,這大大增加了系統成本和質量。此外,傳統的紅外對抗系統往往需要復雜的指針/跟蹤器-炮塔組件,這些組件通常非常昂貴。由此可見,傳統的紅外對抗系統的成本和重量較高,除了少數高價值飛機外,無法廣泛實施。針對該問題,BAE系統公司提出了一種基于激光的紅外對抗系統,實了成本效益優化。該方案基于單像素檢測器檢測導彈威脅,激光指示器單元根據探測器收集的信息向導彈威脅發送激光束實施光學器件致盲打擊。其中,單像素檢測器具有最低的帶寬要求,可實現更低成本的目標監測與跟蹤,降低紅外對抗系統成本。

總之,BAE系統公司的專利技術方案側重于模塊化結構的激光紅外對抗系統設計,可用于對傳統機載激光功能模塊進行替換,實現功能擴展,技術方案更關注小型化、輕質化設計改進。

6 結論與建議

6.1 外軍激光武器發展總結

(1)外軍擴展激光水下打擊和炫目反導能力

從國外激光武器技術發展動態來看,美歐正在全面推進激光武器全域作戰能力,促進定向能作戰能力提升和作戰領域擴展,呈現多域作戰且作戰方式多樣發展態勢。

重點發展方向包括:一是推進水下航行器的激光武器技術發展,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用,基于高能激光束使目標眩目且具備反情監偵能力,可以無人機光學偵察系統造成威懾。

(2)外軍基于多功能集成提升激光作戰能力

在多功能集成作戰系統方面,美軍通過對現有裝備的激光功能模塊進行更換升級,實現高能激光打擊、激光干擾、激光眩目、光學偵察等功能集成,不僅可基于高能激光實現目標摧毀打擊,還可基于激光干擾或致盲實現目標制導系統無效,從而大幅提升激光武器系統作戰效能。

6.2 技術發展與風險防御啟示

(1)關于激光武器核心部件優化、系統輕質與小型化的技術突破

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、高效相變儲熱等核心部件進行了技術創新,提升了激光束功率、波束切換速度和固體激光系統制冷效率,支撐激光作戰距離、瞄準精度、跟蹤速度、持續出光等作戰能力提升。另外,通過激光武器系統分體設計、系統簡化,也可促進武器系統輕質、小型化突破,便于多域作戰靈活部署。

(2)關于激光防護的技術應用啟示

國外激光武器全域作戰能力提升,從攻防對抗角度,為應用激光防御技術提供了啟示。一是提升高能激光預警能力,識別定向能激光攻擊方位,以支撐進行激光束遮擋、偏轉、機動規避等防御措施;二是設計激光防護結構、保護涂層等,以實現高能激光波束能量損耗抵制。