一篇很好的科普老文 ___ 关于MD战略激光武器

发表于：2005-12-15 14:48:55

1 前言



美国对天基激光器(SBL)用于弹道导弹防御的兴趣在于：（1）弹道导弹比较易毁坏，无法承受激光能量；（2）化学激光器能把反导弹的能量发射到5万公里外；（3）天基激光器能在助推段拦截弹道导弹，在敌方领空击毁导弹及其战斗部。



所有激光武器的杀伤机理是发射足够长时间的高密度激光束来毁坏目标。就天基激光器而言，如果照射在导弹助推器上激光具有适当的密度和持续适当的时间，激光能量就可以点燃导弹的表皮。利用直径为10米的反射镜反射氟化氢激光束能产生0.32微弧度发散角，并在4000公里处产生一个直径1.3米的激光斑。激光斑上20兆瓦的能量能产生1.5kW／cm2的能量流。激光斑需要在目标上照射6.6秒，产生10kJ／cm2的额定杀伤能量，而在2000公里处，照射1.7秒就足够了。



采用烧蚀材料可以使激光束毁坏导弹助推段所需的杀伤能量增加一倍，甚至两倍。 曾经讨论在导弹助推器上涂覆反射涂层来使激光偏转，但是，在助推段的磨蚀会使涂层失去反射作用。反激光的另一个理论方法是使导弹旋转，这样，通过缩短激光照射在导弹上的光斑时间，可以使导弹硬度增加两倍。但是，导弹旋转周围的均匀加热可能会引入另一个摧毁助推段的杀伤机理。



已原则上选择化学氟化氢激光器作为天基激光器，因为激光器采用的反应剂把过剩的热量发散到空间时，反应剂能吸收废气。氢和氟的稳定性和长保管时间也是积极因素。



理论上装有20兆瓦氟化氢激光器和直径10米的反射镜的天基激光器工作在2.7微米波长。光束穿过大气层时会衰减，大部分光束可达到10km左右的高度。穿透更远的距离是没有必要的，因为激光器直到导弹到达这个高度时才攻击导弹。从政治上考虑激光不能从地球大气层下方通过也是一个优点，也就是说天基激光器没有从空间到地面的“死光武器”这样的恶名声。



通常认为天基激光器不能在它们轨道的中段和再入阶段摧毁再入飞行器，因为即使在不考虑可能对抗措施的情况下，再入飞行器在任何情况下也能经受得住很大的热应力和机械应力。



理论上的天基激光器系统由在低地球轨道(1300公里)的20颗卫星群组成。轨道方式取决于威胁的性质，而最佳高度取决于助推器发动机停止运转的高度、激光器的输出功率和导弹的硬度。那时把前苏联的洲际弹道导弹看作是主要威胁时，选择了极轨道，因为极轨道能够完全覆盖北纬；但是，极轨道要把天基



激光器集中在没有部署弹道导弹的极点。最佳布局应是许多个轨道相对赤道倾斜700。



在80年代，在“战略防御倡议”计划下，进行了天基激光器试验和研制。目前在400万美元的“天基激光器集成飞行试验”的框架下开展研究活动，由美国空军和弹道导弹防御机构共同提供资金，洛克希德·马丁公司导弹与空间业务分公司、TRW空间与电子集团(现在是洛斯罗普·格鲁门公司)和波音空间与通信集团构成的集团作为主承包商。试验演示飞行器装载ALPHA兆瓦级化学激光器和2．8米直径光束定向反射镜，预计2012年进入轨道。



2 机载激光器



机载激光器计划旨在开发一种称为YAL-A1攻击激光器的机载系统。这种系统能够对战区弹道导弹进行定位和跟踪，并在导弹助推段将其摧毁。YAL-A1工作时，在敌方领空外围巡逻，如果美国各种传感器探测到敌方导弹的发射，将把信息传输到飞机，由飞机捕获和跟踪装有被动红外传感器的目标。



选定化学氧碘激光器(COIL)作为机载激光器是出于几个原因。化学氧碘激光器不同于其他化学激光器，它只发射1．315微米单波长激光；这种短波长减小了限制其他激光器在大气中使用的衍射效应。化学氧化碘激光器还有在受激氧产生过程释放大部分过剩热量的优点，大大减少了激光腔内的扰动， 因而容易产生高质量光束。1兆瓦化学氧碘激光器能产生5兆瓦废热，用氨处理这些热量。飞机头可旋转，并装有一个把光束聚焦在导弹上的直径1．5米的反射镜。



机载激光器的实际拦截距离是由主激光束的精度、光束可传输的功率密度和被攻击导弹的结构设计决定的。关于这一点，工业界和国防部之间存在分歧。国防部把拦截距离定在飞机防空区外200公里左右；如果这种高价值飞机应保持在前线后方的75公里处，导弹有效防御距离将减少到敌方领土内125公里左右。然而，工业界引用BDMO的关于效果的要求，实际计划作战距离在400公里或更远。



波音防御与空间公司负责的机载激光器小组目前在按照1300万美元“计划定义和风险减低(PDRR)合同开展工作，合同要求该小组对首套原型机载激光器演示系统进行生产、集成和飞行试验。计划该合同到2004年完成，2005年可能开始进行工程、制造和发展(EMD)阶段。计划2007／2008年使3架飞机达到初步作战能力，2009／2010年使7架飞机全能作战能力。



3 反卫星激光器



卫星特别容易受到激光攻击。卫星的热量管理在其设计中是至关重要的，因为在空间吸收的太阳辐射和再次辐射回太空的平衡通过在表面材料的发射率和吸收率之间的进行微妙的平衡。为了使固体电子装置工作，必须把内部温度控制在一个很窄的温度范围内，卫星外表面的任何损伤都会对温度产生严重影响。既然卫星没有设计成可以再分布热量，所以能从容不迫地进行激光攻击。反卫星激光武器只需要100秒的攻击时间，这个时间就是低地球轨道卫星暴露给地面站或机载武器的时间。几个W／cm2到10W／cm2的目标辐射度都会是致命的。



一般可以采用陆基和机载反卫星激光武器。1997年10月，美国国防部对中红外化学激光器和已放弃的MSTI-3航天器进行了一项试验，试验结果令人满意。但是，机载反卫星激光武器与陆基反卫星激光武器相比存在许多优点。它可以避免低空扰动，装有激光武器的小机群可以将自身定位在靠近目标卫星地面轨迹的位置，而固定陆基激光器必须等待瞄准低空卫星的时机。而且，反卫星激光器系统可以工作在最可能干扰光束传播和陆基激光器跟踪目标的云层上面的同温层。另一方面，飞机对激光反射镜尺寸、硬件质量、燃料和所携带的冷却剂有限制。执行反卫星任务时，跟踪和瞄准是一个相当复杂的过程。



虽然将YAL—1A反卫星激光器作为反卫星武器有潜在的可能性，但最主要的问题是系统利用被动红外技术跟踪目标并引导激光器。这要求目标有强红外辐射，同时必须用雷达等主动系统探测卫星。还有一个不同的看法是，目前为反卫星激光器研制的系统是否能够用于执行反卫星任务。



目前，美国国防部仍对研制反卫星武器的天基激光器感兴趣。但是，空军和航空航天工业认为，在未来，反卫星激光器将完全能执行在地球表面350公里范围内拦截卫星的任务。可以认为，如果反卫星激光器能够部署在卫星必须飞过的精确位置，反卫星激光器可以摧毁最可能的低地球轨道卫星。把反卫星激光器看作是国会支持的陆军计划的潜在竞争者。

发表于：2005-12-15 14:48:55

1 前言



美国对天基激光器(SBL)用于弹道导弹防御的兴趣在于：（1）弹道导弹比较易毁坏，无法承受激光能量；（2）化学激光器能把反导弹的能量发射到5万公里外；（3）天基激光器能在助推段拦截弹道导弹，在敌方领空击毁导弹及其战斗部。



所有激光武器的杀伤机理是发射足够长时间的高密度激光束来毁坏目标。就天基激光器而言，如果照射在导弹助推器上激光具有适当的密度和持续适当的时间，激光能量就可以点燃导弹的表皮。利用直径为10米的反射镜反射氟化氢激光束能产生0.32微弧度发散角，并在4000公里处产生一个直径1.3米的激光斑。激光斑上20兆瓦的能量能产生1.5kW／cm2的能量流。激光斑需要在目标上照射6.6秒，产生10kJ／cm2的额定杀伤能量，而在2000公里处，照射1.7秒就足够了。



采用烧蚀材料可以使激光束毁坏导弹助推段所需的杀伤能量增加一倍，甚至两倍。 曾经讨论在导弹助推器上涂覆反射涂层来使激光偏转，但是，在助推段的磨蚀会使涂层失去反射作用。反激光的另一个理论方法是使导弹旋转，这样，通过缩短激光照射在导弹上的光斑时间，可以使导弹硬度增加两倍。但是，导弹旋转周围的均匀加热可能会引入另一个摧毁助推段的杀伤机理。



已原则上选择化学氟化氢激光器作为天基激光器，因为激光器采用的反应剂把过剩的热量发散到空间时，反应剂能吸收废气。氢和氟的稳定性和长保管时间也是积极因素。



理论上装有20兆瓦氟化氢激光器和直径10米的反射镜的天基激光器工作在2.7微米波长。光束穿过大气层时会衰减，大部分光束可达到10km左右的高度。穿透更远的距离是没有必要的，因为激光器直到导弹到达这个高度时才攻击导弹。从政治上考虑激光不能从地球大气层下方通过也是一个优点，也就是说天基激光器没有从空间到地面的“死光武器”这样的恶名声。



通常认为天基激光器不能在它们轨道的中段和再入阶段摧毁再入飞行器，因为即使在不考虑可能对抗措施的情况下，再入飞行器在任何情况下也能经受得住很大的热应力和机械应力。



理论上的天基激光器系统由在低地球轨道(1300公里)的20颗卫星群组成。轨道方式取决于威胁的性质，而最佳高度取决于助推器发动机停止运转的高度、激光器的输出功率和导弹的硬度。那时把前苏联的洲际弹道导弹看作是主要威胁时，选择了极轨道，因为极轨道能够完全覆盖北纬；但是，极轨道要把天基



激光器集中在没有部署弹道导弹的极点。最佳布局应是许多个轨道相对赤道倾斜700。



在80年代，在“战略防御倡议”计划下，进行了天基激光器试验和研制。目前在400万美元的“天基激光器集成飞行试验”的框架下开展研究活动，由美国空军和弹道导弹防御机构共同提供资金，洛克希德·马丁公司导弹与空间业务分公司、TRW空间与电子集团(现在是洛斯罗普·格鲁门公司)和波音空间与通信集团构成的集团作为主承包商。试验演示飞行器装载ALPHA兆瓦级化学激光器和2．8米直径光束定向反射镜，预计2012年进入轨道。



2 机载激光器



机载激光器计划旨在开发一种称为YAL-A1攻击激光器的机载系统。这种系统能够对战区弹道导弹进行定位和跟踪，并在导弹助推段将其摧毁。YAL-A1工作时，在敌方领空外围巡逻，如果美国各种传感器探测到敌方导弹的发射，将把信息传输到飞机，由飞机捕获和跟踪装有被动红外传感器的目标。



选定化学氧碘激光器(COIL)作为机载激光器是出于几个原因。化学氧碘激光器不同于其他化学激光器，它只发射1．315微米单波长激光；这种短波长减小了限制其他激光器在大气中使用的衍射效应。化学氧化碘激光器还有在受激氧产生过程释放大部分过剩热量的优点，大大减少了激光腔内的扰动， 因而容易产生高质量光束。1兆瓦化学氧碘激光器能产生5兆瓦废热，用氨处理这些热量。飞机头可旋转，并装有一个把光束聚焦在导弹上的直径1．5米的反射镜。



机载激光器的实际拦截距离是由主激光束的精度、光束可传输的功率密度和被攻击导弹的结构设计决定的。关于这一点，工业界和国防部之间存在分歧。国防部把拦截距离定在飞机防空区外200公里左右；如果这种高价值飞机应保持在前线后方的75公里处，导弹有效防御距离将减少到敌方领土内125公里左右。然而，工业界引用BDMO的关于效果的要求，实际计划作战距离在400公里或更远。



波音防御与空间公司负责的机载激光器小组目前在按照1300万美元“计划定义和风险减低(PDRR)合同开展工作，合同要求该小组对首套原型机载激光器演示系统进行生产、集成和飞行试验。计划该合同到2004年完成，2005年可能开始进行工程、制造和发展(EMD)阶段。计划2007／2008年使3架飞机达到初步作战能力，2009／2010年使7架飞机全能作战能力。



3 反卫星激光器



卫星特别容易受到激光攻击。卫星的热量管理在其设计中是至关重要的，因为在空间吸收的太阳辐射和再次辐射回太空的平衡通过在表面材料的发射率和吸收率之间的进行微妙的平衡。为了使固体电子装置工作，必须把内部温度控制在一个很窄的温度范围内，卫星外表面的任何损伤都会对温度产生严重影响。既然卫星没有设计成可以再分布热量，所以能从容不迫地进行激光攻击。反卫星激光武器只需要100秒的攻击时间，这个时间就是低地球轨道卫星暴露给地面站或机载武器的时间。几个W／cm2到10W／cm2的目标辐射度都会是致命的。



一般可以采用陆基和机载反卫星激光武器。1997年10月，美国国防部对中红外化学激光器和已放弃的MSTI-3航天器进行了一项试验，试验结果令人满意。但是，机载反卫星激光武器与陆基反卫星激光武器相比存在许多优点。它可以避免低空扰动，装有激光武器的小机群可以将自身定位在靠近目标卫星地面轨迹的位置，而固定陆基激光器必须等待瞄准低空卫星的时机。而且，反卫星激光器系统可以工作在最可能干扰光束传播和陆基激光器跟踪目标的云层上面的同温层。另一方面，飞机对激光反射镜尺寸、硬件质量、燃料和所携带的冷却剂有限制。执行反卫星任务时，跟踪和瞄准是一个相当复杂的过程。



虽然将YAL—1A反卫星激光器作为反卫星武器有潜在的可能性，但最主要的问题是系统利用被动红外技术跟踪目标并引导激光器。这要求目标有强红外辐射，同时必须用雷达等主动系统探测卫星。还有一个不同的看法是，目前为反卫星激光器研制的系统是否能够用于执行反卫星任务。



目前，美国国防部仍对研制反卫星武器的天基激光器感兴趣。但是，空军和航空航天工业认为，在未来，反卫星激光器将完全能执行在地球表面350公里范围内拦截卫星的任务。可以认为，如果反卫星激光器能够部署在卫星必须飞过的精确位置，反卫星激光器可以摧毁最可能的低地球轨道卫星。把反卫星激光器看作是国会支持的陆军计划的潜在竞争者。