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机载激光武器打击能力分析 美国以其强大的军事实力__了基于各种发射平台的激光武器系统,使其成为目前激光武器技术发展最为先进的国家在众多的激光武器中,用于拦截弹道导弹的机载激光武器ABL发展最为迅速、投资规模最大按照目前的计划,ABL将很快投入战场应用,对弹道导弹构成拦截能力本文在分析ABL作战性能的基础上,研究了ABL对弹道导弹的攻击能力,并通过激光破坏工作状态下的导弹发动机机理与阈值分析,进一步阐述了ABL对弹道导弹构成的威胁能力
一、机载激光武器现状及趋势 激光武器以其传输速度快、能量集中等特点,受到当今军事强国的普遍__美国是激光武器技术发展最为先进的国家,在其各种激光武器中,用于反弹道导弹的ABL进展最快ABL计划始于上个世纪70年代,经过30多年的努力,技术已相当成熟,在平均输出功率、光束质量和小型化等方面取得了重大进展,已处于实战应用的边缘目前正在将兆瓦级化学氧碘激光器COIL、跟踪瞄准系统、光束控制系统和其他的关键设备__在波音747-400F运输机上,计划在2008年进行近程弹道导弹拦截试验之后,将对ABL系统进行中程和远程弹道导弹拦截能力测试根据目前的规划,这些扩展试验将安排在2009年和2010g进行 截至目前,ABL系统已完成了一系列试验装有束控/火控系统的飞行试验、6个__的激光器模块集成在一起产生单束激光的演示验证试验、飞机的旋转炮塔试验以及与弹道导弹防御系统互联的通信系统试验等目前高能激光器最长持续出光时间已达到
5.25s 美国一旦对ABL进行实战部署,将对大多数国家的战术弹道导弹构成严重威胁从长远看,随着高能激光武器射程的进一步提高和大量部署,特别是成为导弹防御系统的有机组成部分后,将对某些国家的洲际弹道导弹构成威胁
二、ABL战术技术指标分析 ABL的主要战术技术指标包括 作战平台波音747-400F飞机飞行高度12-15km 发射镜直径
1.5m 发射功率作战型COIL为2-3MW 发射波长1-2μm标准波长
1.315μm 射程距离固体导弹300km液体导弹600km 发射频度一次加足燃料可射击20-40次,每次持续3-5s 一次作战需要时间12s从捕获到摧毁和评估 每次攻击间隔时间1-2s 目标跟踪与瞄准误差
三、ABL主要作战模式 ABL飞机在12-15km高空、距前线90km以外的空域与前线平行作“8”字形巡航飞行,一架次巡航时间可达8h战时为了增加控制区域半径,ABL飞机及其护航机群可强行穿越敌方领空 按计划美国将部署7架ABL飞机,组成一个完整机群,以2架为一个班次进行巡航值班每个班次8h,3个班次6架飞机24h值班,1架留作备用,能对单个战区形成全天时监视、攻击弹道导弹的作战能力在特殊情况下在一个军事危机区域至少应部署5架飞机 为了尽可能降低反应时间,2架值班飞机在空中巡航时,始终保持有一架能够面对监视区域
四、ABL作战过程 ABL系统在接到命令后飞抵军事威胁区上空开始战备值班红外探测器不断搜索探测主动段飞行的导弹,当检测到敌方导弹发动机喷射的尾焰时进行目标识别;当确定为导弹目标时,ABL首先从飞机上部的吊舱内发射一束低能量的主动测距激光束CO2,对目标粗锁定,提供导弹的位置坐标;然后旋转激光炮塔,使其对准目标;随后,发射跟踪激光束TILL和信标照射激光束BILL照亮目标;跟踪激光束接触上导弹后,照射导弹的鼻锥顶部,利用反射光用高分辨率成像传感器对导弹弹体成像,进一步确定导弹的位置、外形及易损部位、激光传输路线上大气的特性,据此调整反射镜自适应变形参数,将精确的跟踪、瞄准参数提供给光束和火力控制系统最后ABL发射高功率激光束,会聚到导弹发动机壳体上,一次出光持续时间约3-5s,使发动机壳体破坏在整个作战过程中控制转塔跟着导弹弹道随动
五、ABL打击能力 强激光对靶材料的毁伤效果由靶面光束强度激光功率密度决定,激光功率密度决定于激光功率及其作用__激光在到达目标前要经过大气传输由于ABL采用自适应技术使ABL在其作战高度上能够很好地解决强激光远场聚焦问题因此,在计算激光强度时,可以暂时忽略大气影响激光远场光斑半径是确定激光功率密度的关键确定光斑大小需要考虑以下几个因素 1.理论衍射角 由物理理论可知,若光束的强度和相位是稳定的,则激光束在远场靶面上形成的是衍射图样该图样是一系列明暗交替的同心圆第一个暗环所包围的__亮斑的光强占整个入射光束光强的84%因此强激光对目标的破坏作用主要由该斑产生 2光束质量因子对衍射角修正 实际上,由于激光器或光学系统的抖动、激光在大气中传输时的湍流及热晕等对激光束的影响,照射到靶面上的激光发散角比理论值大,需要光束质量因子对其修正 3.实际衍射角 由光强分布规律可知,理想情况下,中心部位最强,边缘处最弱因此,以整个光斑内的平均功率作为激光毁伤效应的评价标准不是很科学,通常按工程计算方法进行约定比如光斑内的能量占整个入射能量的70% 由于ABL作战型的发射功率2-3MW、光束质量因子
1.1-
1.2.综合以上因素,可得到不同距离处激光的光斑半径与功率密度见表 由以上论述可知,当ABL的发射功率为3MW时,射程300km的ABL对导弹的攻击能力近似为2000W/cm2,此值是主动段弹道导弹需要承受的激光功率密度
六、激光破坏发动机壳体机理与阀值 导弹发动机燃烧室既是推进剂贮存和燃烧的场所,又是弹体结构的一部分发动机壳体可以是金属材料如钢等,也可以是复合材料,或者是金属与复合材料双层结构 作为结构件,在不承受载荷的情况下,激光要破坏它需要把加热点熔穿但发动机工作时燃烧室内压力可达几兆帕甚至十几兆帕,除内压外,导弹飞行时还需承受轴压、弯矩、扭矩等的作用,因此要破坏它并不需要将其熔穿,只需把它加热到一定温度而使其强度降低即可 有资料显示,某钢的熔点为1430,在100时抗拉强度为1657MPa,当温度升到500时抗拉强度为626MPa,此时强度已降到不足100时的一半由于结构质量的限制,导弹承载结构的安全系数一般不大,因此,只需加热到一定温度,结构件就会在载荷作用下断裂 对于复合材料壳体,在激光的作用下壳体烧蚀变薄,同时可能出现层裂现象,降低结构强度 除结构强度降低外,固体发动机装药药柱紧贴燃烧室壁,激光作用于壳体造成的高温有可能传到药柱,并将之引燃,在引燃处高压燃气的作用下,药柱碎裂,燃烧__增大,室压骤增,超过燃烧室强度极限,将使发动机__若发动机只被烧出一个小孔,未引起发动机炸裂,但由于燃气泄漏,室压降低,推力的大小和方向将改变,甚至有可能造成发动机熄火对于液体发动机,当贮箱受到强激光照射时,贮箱破损,可能造成推进剂泄漏,引起发动机提前关机;也可能削弱弹体结构的承载能力,导致导弹折断坠毁甚至贮箱会在激光束和内压的共同作用下爆裂 为了小型化、轻质化和增加射程,大部分导弹发动机的壳体材料都采用凯芙拉/环氧复合材料,因为凯芙拉纤维的强度和弹性模量都高于钢材,比重很小,是固体导弹壳体较理想的材料美国对凯芙拉壳体发动机的激光烧蚀情况进行了试验内压为660-680kPa、直径为50cm的模型在
4.1kW/cm2光束的作用下爆裂,时间为
0.63s,光束增强为33kW/cm2,爆裂时间缩短为
0.11s 各种资料显示,经过实验验证,强激光破坏工作状态下导弹发动机包括固体和液体火箭发动机以及__喷气发动机所需的激光强度只有103W/cm2量级 因此,射程300km的ABL对主动段导弹发动机构成了严重打击能力如果战时ABL在护航机保护下,强行越过一定距离的边防线,激光功率密度还要增大;再者,弹道导弹在主动段有一定的射向距离,实际上相当于缩短了ABL的作战距离从这两方面 综上所述,导弹发动机破坏阈值在103W/cm2量级,在射程100km、200km、300km的近衍射极限ABL产生的激光功率密度为14660W/cm23664W/cm
2、1628W/cm2因此ABL对弹道导弹主动段发动机有严重的毁伤能力 按照目前ABL的发展趋势和规划以及激光器技术的不断发展ABL将在2015年前后具备初始战区反弹道导弹能力激光武器一旦应用于战场,将对射程内目标产生很大的毁伤能力目前美国、___等军事强国已经开展了许多针对激光武器的对抗技术研究,并且有相当一部分技术已应用于武器装备上。