激光武器,无人机的克星?
这是2023年11月25日在乌克兰首都基辅拍摄的无人机(右)和乌克兰防空火力
文/黄国志
编辑/黄红华
在当今世界局部战争的战场上,从士兵到身披重甲的主战坦克,从碉堡工事到集群目标,最害怕的武器莫过于各类无人机以及巡飞弹了。尤其是所谓“第一人称视角”,即FPV微小型无人机,凭借其较快的飞行速度、极为灵活的控制能力以及相当低廉的造价,能够以“蜂群”战术对各种目标实施轮番饱和攻击,直至目标被彻底摧毁。
这种情况下,各国军方以及军工技术人员都在积极研发全新的反无人机系统,以应对几乎无处不在的无人机威胁。其中,最被看好、拦截效费比最高的反无人机系统,当属高能激光武器。
始于冷战时期的技术
自1960年美国科学家梅曼研制成功世界第一台红宝石激光器,并且获得了人类历史上第一束激光后,世界各军事强国就萌生了将这种方向性强、单色性和相干性好、亮度与能量密度极高的人造光束应用于军事的想法。美国作为世界上最早发明激光器的国家,自然也走在了激光武器研发的前列,其冷战中的对手——苏联紧跟其后。
只不过,当时在东西方对抗的紧张时期,美苏都将精力放在了用于反导、反卫星的大型战略级别的高功率激光武器。尤其是美国里根政府提出规模极其庞大的“星球大战”计划,其主要内容就是要在太空、陆地以及军舰上部署高能激光武器,用于拦截苏联的各型中远程以及洲际弹道导弹。
后来随着冷战结束,特别是由于反导导弹技术日益成熟,美国基本上放弃了研发技术难度大、造价极其高昂的战略级高能激光武器,转而研发总体尺寸和重量小得多、技术难度低、造价相对便宜的战术级高能激光武器。其中,尤以美国海军最为积极,其与美国国防部下属科研机构以及国内各大军工企业一起,启动了多个不同技术路线的战术级高能激光武器研发项目,如海军激光武器系统(LaWS)、海面激光演示样机(MLD)以及战术激光系统(TLS)等。
21世纪初,上述这些战术级高能激光武器研发项目相继进入到实机测试阶段。比如,美国雷神公司研制的LaWS激光武器与“密集阵”近防系统相结合,挂载于6管20毫米加特林炮的一侧,最大输出功率33千瓦,在2008年至2010年的多次海上测试中多次成功击落无人机。特别是在2010年5月的测试中,LaWS以极短的时间快速击落了3公里距离上的7架小型无人机,充分展示了激光武器在反无人机方面的巨大潜力。
能有效应付无人机
从作用原理上看,激光武器对于无人机的毁伤形式主要分为热烧蚀效应、激波毁伤效应和辐射毁伤效应。其中,激光武器最主要的破坏手段当属热烧蚀效应。在激光束作用于无人机时,其蒙皮材料内部的电子获取激光能量,进而产生剧烈碰撞,转化为热能。随着激光照射区域温度迅速升高,当温度大于熔点时,无人机蒙皮材料就会被熔化甚至汽化。
珠海航展上展示的用于拦截小型无人机等“低慢小”目标的车载战术激光武器系统
一般来说,为尽可能减轻机身重量,微型以及中小型无人机大多采用非金属的复合材料制作蒙皮,相对低廉的材料包括玻璃纤维、环氧树脂、PE/PP(聚乙烯/聚丙烯)等,高端一些的则会采用碳纤维、芳纶纤维等。这些复合材料强度好、重量轻、耐腐蚀,制作无人机蒙皮可以更好地兼顾飞行性能、减轻重量以及保证足够强度等几方面的需求。而最为高端的大中型无人机,通常采用高性能的铝合金材料作为蒙皮,与通常有人驾驶飞机使用的蒙皮材料基本一致。
这些蒙皮材料的熔点各不相同,碳纤维材料的熔点为300℃左右,而铝合金材料一般可达600℃左右。但对于温度能够达到数千甚至上万摄氏度的激光束来说,只需毫秒级照射时间,就足以将各类无人机蒙皮熔化、汽化。随着蒙皮的熔化、汽化,激光束会继续照射无人机的内部结构以及设备,针对不同情况产生进一步的毁伤破坏。比如,激光束照射无人机控制系统,会将其内部的电路板以及芯片烧毁,使其彻底失去自动控制能力而坠毁;照射到某些自杀式无人机的战斗部时,可以将其内部的装药引爆,将无人机彻底炸毁;即便是照射到无人机的电池组或者燃料箱,也可以使其起火燃烧。
此外,高能激光束所产生的激波毁伤效应和辐射毁伤效应也会对无人机造成巨大破坏。比如,激波毁伤效应主要是指无人机蒙皮或者机体结构材料熔化、汽化后形成高速喷射的等离子体,其产生的巨大冲击力会进一步破坏无人机的内部结构,使机身、机翼发生断裂,乃至空中解体。而辐射毁伤效应是指等离子体在喷射发生冲击的同时,也会释放X射线,从而形成类似于电磁脉冲的毁伤效果,使得无人机的控制系统芯片失效。
事实上,即便是某些功率较小的激光武器,其发射的激光束不足以对无人机蒙皮形成破坏效果,也可以通过照射无人机最脆弱的部分——光电传感器,来达到使无人机失去战斗力的目的。测试表明,激光束对无人机光电传感器的光学窗口实施照射时,光束通过镜头直接聚焦在CCD(电荷耦合元件,即图像传感器)或者CMOS(传感器)等图像传感芯片上。当光束照射所造成的表面温度达到200℃左右,就能够对图像传感芯片造成永久损伤,使其彻底失效。
在美国海军证明了高能激光武器可以有效对付无人机后,美国其他军兵种乃至更多的国家都开始纷纷研发这类新式武器。比如,美国陆军同样也面临着无人机和巡飞弹的威胁,于是以“斯特瑞克”轮式8×8装甲车底盘为基础,研发了定向能机动近程防空系统(M-SHORAD),其最大输出功率达到50千瓦。此外,英国研发了代号“龙火”的战术激光武器,最大输出功率同样为50千瓦,既可以装备在舰艇上,也可以安装在各种轮式或者履带式车辆上。
以色列为对付哈马斯以及黎巴嫩真主党发射的火箭弹、迫击炮弹以及无人机,研发了一款命名为“铁束”的战术激光武器,与利用导弹实施拦截的“铁穹”防空系统配合作战。由于以色列对于“铁束”的作战要求更高,必须能够拦截弹药类目标,所以其最大输出功率提升到了100千瓦。2023年5月,“铁束”战术激光武器首次在实战中拦截了多枚哈马斯发射的火箭弹。
不过,在拦截无人机方面,取得首个实战战绩的当属沙特军队装备的“沉默猎手”战术激光武器。2022年沙特召开首届国际防务展,首次对外宣布其最新装备的“沉默猎手”战术激光武器在实战中击落了13架胡塞武装发射的自杀式无人机,并且展示了起火烧毁的无人机残骸。该型战术激光武器的最大输出功率为30千瓦,最大杀伤射程为4000米,在1000米距离上持续照射足以烧穿5毫米厚的钢板。考虑到胡塞武装生产使用的自杀式无人机在设计上更加简陋,其蒙皮甚至只能采用最为低端的PE/PP或者玻璃纤维材料,“沉默猎手”战术激光武器对付这类无人机几乎可以说是轻而易举。
未来发展方向
从未来发展看,用于拦截无人机的战术激光武器有两个方向,一是与其他武器,比如小口径自动炮、机枪、防空导弹等结合,组成综合化的反无人机杀伤系统。
因为激光束具有严重依赖天气条件的致命缺陷,在雨雪雾以及扬尘等不良环境下,其发射的能量会被空气中的颗粒、水汽以及气溶胶吸收、散射,使得威力和射程大大降低。这种情况下,拦截无人机的重任就要交给小口径自动炮、机枪、防空导弹等其他武器来执行了。目前,国外已经研发多款所谓的“光炮结合”武器系统,激光武器射程一般为1.5千米到7千米,而小口径自动炮为3千米到4.5千米,两者既有重叠的杀伤区,也可以实现远近相互补充,达到1+1>2的效果。
二是反无人机战术激光武器进一步实现小型化乃至微型化。目前,美国M-SHORAD和英国“龙火”两款战术激光武器已经可以安装在轮式装甲车底盘,这确实是一个巨大的进步。如果战术激光武器能够进一步缩减重量和体积,那么就可以普及到更多的中小型车辆上,与遥控武器站结合在一起,保护更多的步兵。再进一步,如果能够为单兵配备达到自动步枪尺寸和重量的反无人机激光枪,那么步兵的安全保障就可以再上一个台阶。
(作者系《现代兵器》采访部主任)