指哪打哪的激光武器,会是战场杀⼿锏吗?

作者: 鲁坦

来源: 转⾃公众号:科普中国

发布日期: 2023-11-04 08:53:34

本文探讨了激光武器在现代战争中的潜力及其面临的技术挑战,特别是以⾊列的“铁束”激光防御系统。文章分析了激光武器的优势,如打击速度快、命中精准度高、理论上无限次发射等,同时也指出了其现实问题,如能量供给、热控、光束控制等技术难题。此外,文章还提到了激光武器在实战中的应用,如沙特阿拉伯使用中国制造的“寂静狩猎者”激光防御系统击落⽆⼈机。

近年来,近程激光防御系统取得重⼤进展,但世界各国研制中的⼤功率远程激光武器系统,仍旧⾯临⾮常多尚未突破的技术难题。近期,⽹络上流传着⼀个巴以冲突中,以⾊列以激光武器击落敌⽅⽕箭弹的视频,据称激光武器是以⾊列“铁束”(Iron beam)激光防御系统,看起来⾮常厉害。但该视频其实可以追溯到10⽉11⽇⽹友上传的⼀段战争沙盒游戏《武装⾏动3》(Arma 3)的游戏视频,并不能当真。

10⽉16⽇,该游戏制作公司——捷克波⻄⽶亚互动⼯作室(Bohemia Interactive Studio)的⾸席执⾏官⻢雷克·斯潘内尔(Marek Spaněl)在其个⼈社交媒体证实,⽹传视频来⾃游戏录屏,并且提醒,要注意使⽤各种游戏视频谎称是战争实拍的⾏为。

那么,放下视频真假不说,“铁束”到底是何⽅神圣?

2014年初,以⾊列军⽕巨头拉斐尔先进防务系统公司(Rafael Advanced Defense Systems)在新加坡航展上展示了铁束定向能防空系统。所谓“定向能武器”(direct-energy weapon)是指释放⾼能量定向击毁⽬标的⾮弹道武器,包括激光、粒⼦束、⾼能微波等。铁束采⽤的就是⾼能激光作为杀伤⼿段,该系统由以⾊列国防部出资,拉斐尔公司联合美国洛克希德·⻢丁公司研发。

拉斐尔公司曾宣称,铁束将会在2015年进⼊以⾊列陆军服役。但在2022年表示,该系统还需要2-3年的时间才能完成实战部署。

由于以⾊列⾯临巨⼤的国⼟防空压⼒,其假想敌包括射程⼏千千⽶、可携带核⽣化弹头的中远程地对地弹道导弹,射程数百千⽶的中近程战术地对地弹道导弹和巡航导弹,射程数千⽶到数百千⽶的各型号⽕箭弹,低成本简易⽕箭弹、迫击炮弹、军⽤⽆⼈机和简易改装的⽆⼈机等各式各样的⽬标。

为此,以⾊列军⽅打造了⼀个由多层防空武器组成的防空系统。其最外层防空由作战半径超过2000千⽶的“箭3”(Arrow 3)⼤⽓层外拦截导弹组成;第⼆层为作战半径数百千⽶的“箭2”(Arrow 2)导弹;百千⽶以内的⽬标由中层防御“⼤卫投⽯索”(David’s Sling)导弹负责拦截;铁穹(iron dome)作为近层和末端防御系统,负责拦截敌⽅射程在4-70千⽶的各种⽕箭弹和其他低速弹药。

在这四层防空系统中,铁穹⽆疑是其中最⼤的明星。⾃2011年服役以来,铁穹拦截各种⽕箭弹袭击的场景已经成为了新时代战争的名场⾯。⼗⼏年来,铁穹以近九成的拦截成功率击落了上万枚各种⽬标,成为了当今最优秀的防空系统之⼀。⼀个典型的铁穹作战单元的基本构成包括:探测和跟踪系统,其核⼼为相控阵雷达,可以同时跟踪1100个⽬标。

指挥和控制系统,负责分析来⾃探测跟踪系统的数据,解算导弹的拦截弹道;如果系统研判⽬标弹着点会在⽆⼈区,就会⾃动放弃拦截。发射系统和导弹系统。因为以⾊列国⼟⾯积有限,敌⼈的来袭⽅向可以提前预判,故⽽采⽤固定发射阵地;导弹发射器配备20发塔⽶尔(Tamier)拦截弹,每个作战单元装备3-4台发射器。塔⽶尔采⽤中段指令制导和主动雷达末制导,并装备近炸⾼爆战⽃部。

⼀个铁穹作战单元可以覆盖约150平⽅千⽶,60-80枚备弹可以对抗30-60个来袭⽬标。

当然,铁穹系统并⾮⽆懈可击。铁穹的最⼤缺点就是抗饱和打击能⼒有限,尽管它在抗饱和打击⽅⾯已经是“世界最强”之⼀。以⾊列⽬前装备有⼗⼏个铁穹作战单元,其全部待发的拦截弹在第⼀波哈⻢斯饱和⽕箭弹⻬射攻击中,就⼏乎消耗殆尽。利⽤铁穹系统再装填导弹的⽕⼒空⽩,哈⻢斯实现了有效打击。

此外,相较于哈⻢斯简易⽕箭弹(单枚成本仅⼏百到⼏千美元),铁穹需要付出更⾼的经济成本。⼀个铁穹作战单元的成本约为5000万美元,每枚塔⽶尔拦截弹的成本约4-5万美元。这对于⼀个采⽤⾼性能相控阵雷达和主动雷达引导拦截弹的⾼端防空系统已经是⾮常低的价格,但根本⽆法与⽆需精确制导的⽕箭弹相⽐。这⼀次的巴以冲突,很多分析家认为,以⾊列的铁穹系统拦截弹库存已经消耗殆尽。

即便铁穹的单发拦截成功率提升到100%,这种“兑⼦”游戏从时间成本和经济成本上都是不可持续的。

相⽐于防空导弹或者防空⽕炮,激光武器有着⽆与伦⽐的理论优越性。⾸先,激光束的速度是光速,打击速度极快且命中精准度极⾼(激光沿直线⾏进,⽆需考虑⽬标弹道轨迹);其次,激光本身没有质量,因此发射激光束也不像发射炮弹和导弹⼀样需要考虑后坐⼒或者震动,发射系统的⼒学设计会相对简单。

理论上,只要有能源输⼊,激光武器可以⽆限次发射,⽽不⽤像传统武器⼀样考虑备弹数量和再装填速度。同时,每次打击只需考虑其消耗能源成本,单发成本低,并且没有炮弹、导弹的设计、⽣产、物流、仓储、检修、报废的全寿命成本问题,减少了后勤负担。因此,理论上低成本、有⽆限开⽕能⼒的激光防空系统,就成了对抗类似哈⻢斯⽕箭弹作战场景的理想武器。这也是以⾊列在铁穹系统列装之前就开始研发铁束系统的原因。

理想很丰满,现实却很⻣感,激光武器要想从科幻⾛向现实,还有很多技术难题。⾸先,激光之所以能⽤作武器,主要依赖于其携带的能量。当⾼能光线照射到物体后,会产⽣强烈的热效应,让物体表⾯迅速升温,对物体造成破坏。⽣活中的激光切割、激光焊接、激光⼿术⼑等利⽤的都是这个原理。所以,要摧毁⽬标,必须有⾜够强度的激光照射到⽬标上。

激光和其他的电磁波⼀样,在空间传播遵守能量的平⽅反⽐定律,所以单位⾯积的能量会随着交战距离的增加⽽迅速衰减。如果要⽤激光拦截远距离的⽬标,⽐如数百千⽶外的弹道导弹,理论上需要激光器的功率最少要达到兆瓦级。美国曾提出“机载⾼能激光拦截系统”(ABL)的概念,即把⾼能激光器装在⻜机上,拦截⼏百千⽶外敌⽅刚刚发射、尚在助推阶段的战术地对地弹道导弹。

最终,美军将YAL-1A系统(⼀台1兆瓦级、总重近20吨的氧碘化学激光器)搭载在改造的波⾳747上,但该项⽬于2011年被取消。时任美国国防部部⻓罗伯特·盖茨表示:“需要⽐现在⻜机上的化学激光器强⼤20到30倍的激光器,才能在距离发射场任意距离的地⽅发射……如果要实施此计划,需要10到20架747,每架花费10亿美元,每年运营费⽤为1亿美元。”

现阶段,为了提⾼⼯程的可⾏性,各国在继续推进兆瓦级激光武器研发的同时,把着⼒点放在了百千瓦和⼗千瓦级激光武器。铁束系统即百千瓦级的激光防空系统,作战⽬标主要是⽕箭弹、迫击炮弹等相对⾼速的弹道⽬标。把激光武器从战略防御转变成射程较近的战术武器,即便激光器能量下降了⼀到两个数量级,技术难度依然很⼤。

难度主要体现在两⽅⾯,⼀是能量供给,尤其对于对机载、舰载、⻋载平台,激光发射需要瞬时⼤电流,同时⼜要求连续发射能⼒,这需要极⾼性能的电能储存设备。⼆是热控,激光器⼯作时,能量并不能完全转化为光能,相当⼤部分会变成热,对激光器乃⾄整个激光武器的结构安全都会造成巨⼤的冲击。另外,激光武器控制系统异常复杂。

虽然激光速度极快且准直性好,但实际应⽤中,光线会因为地球⼤⽓的吸收、散射、湍流和热晕效应,能量削弱并发⽣光束畸变和光斑移动。⽽且与⼏乎可以⼀击必杀的炮弹、导弹不同,激光需要⼀定的照射时间才能破坏⽬标,这⼀时间在1-10秒之间。因此激光武器需要跟踪瞄准,不仅要提升功率,还要减弱⼤⽓对激光的影响,这对光束控制系统提出了极⾼要求。

以YAL-1A系统为例,它的激光器发射端为直径1⽶的反射镜,在100千⽶外,激光束的光斑直径约20厘⽶。激光器本身在⻜⾏,载机的震动和颠簸,不均匀⼤⽓引起闪烁,在这种情况下,还要让光斑在⼏秒内准确压在⼀个⾼速运动的⽬标上,技术难度可想⽽知。在反制激光武器⽅⾯,传统的烟雾⼲扰就可以⼤⼤降低激光武器的作战效果;云雾、⾬雪、沙尘、雾霾都会阻碍激光的传播。

在以⾊列这样相对⼲旱的环境中,激光武器可以使⽤的可能性还⽐较⼤,在其他⽓候多变的区域,很多时候激光武器⽆法做到全天候使⽤。此外,在⽕箭弹、⽆⼈机等表⾯涂上⼀层可以反射激光的涂料,也可以让激光失去作⽤。

2023年初,多家外媒报道沙特阿拉伯军⽅使⽤从中国引进的“寂静狩猎者”(Silent hunter)激光防御系统击落多架胡塞武装的⾃杀式⽆⼈机,成为激光武器的⾸个实战战果。

从亚美尼亚同阿塞拜疆的纳卡争端、到俄乌冲突,直⾄最近的巴以冲突,在21世纪20年代发⽣的这些战争中,各式各样的⽆⼈机成了当之⽆愧的战场明星。如同第⼀次世界⼤战中的坦克⼀样,这些⽆⼈机改变了战争的模式。对抗⽆⼈机,成为了今天各国军队的⾸要任务。与传统的⻜机、导弹、⽕箭甚⾄炮弹⽐,⽆⼈机属于低空、慢速、⼩⽬标,蜂群⼀般的低成本⽆⼈机,让传统防空系统难以识别,难以跟踪,难以打击。

美国海关和边境保护局装备的MQ-9捕⻝者⽆⼈机。⼀架商⽤四轴⽆⼈机或者简易⽆⼈机,成本远低于防空导弹,甚⾄⽐要能击落它们的炮弹成本还低。这时候,激光防空的必要性就凸显出来了。因为这些⽆⼈机多数⾼度不⼤,续航距离也有限,所以百千瓦,甚⾄⼗千瓦级别的激光就可以在⼏千⽶距离上对其进⾏有效拦截。我国作为⽆⼈机⼤国,同时⼜是⼀个激光技术强国,很早就开始了这⽅⾯的研究。

在最近⼏届中国航展等国内外的防务展上,中国的激光武器也已经站上了展台。相信在更加前沿的领域,我国的激光领域科学家也⼀定在进⾏着探索和实践,激光的对抗,已经从科幻电影⾛进了真实战场,我们正在⽬睹这⼀切的发⽣。

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