大家不觉得几十年后空军会彻底杯具吗？

高能激光武器是发射激光束直接毁伤军事目标的新概念武器。近几年来,美国高能激光武器的研制取得了突破性进展,其机载激光器即将投入实战。据预测,从2006年到2025年间,美国的机载、车载、舰载、地基、天基五大类平台的高能激光武器将陆续进入实战部署阶段,主要用于毁伤导弹、飞机、卫星等空中目标。高能激光武器以光速传输电磁能,导弹、飞机、卫星等超音速运动目标与光速相比近似于静止目标,因此在毁伤目标时无需计算提前量,瞬间即中。高能激光武器主要依靠红外探测器捕捉、跟踪目标,作战过程不受电磁波干扰,防御方难以利用电磁干扰手段降低其命中目标的概率。高能激光武器发射时无后坐力,转移火力快,可在360°范围内调整火力,击中一个目标后只需调整一下角度即可攻击另一个目标,从而能在短时间内大批毁伤空中目标。不难看出,高能激光武器投入实战后,将导致毁伤空中目标方式的革命性变革,人们将不得不面对这一严酷的现实。搞清高能激光武器对空中目标的毁伤机理,对于防御激光武器是非常重要的。高能激光武器的破坏效应主要有热烧蚀破坏效应、激波破坏效应和辐射破坏效应。本文将对这三大破坏效应的毁伤机理进行初步分析,并探讨相应的防御途径或措施。

热烧蚀破坏效应

激光照射到目标上后,目标材料物质的电子由于吸收光能产生碰撞而转化为热能,使材料的温度由表及里迅速升高,当达到一定温度时材料被熔融甚至气化,由此形成的蒸气以极高的速度向外膨胀喷溅,同时冲刷带走熔融材料液滴或固态颗粒,从而在材料上造成凹坑甚至穿孔,这种效应称为热烧蚀破坏效应。热烧蚀破坏效应是激光武器最重要的毁伤手段。
1热烧蚀破坏效应的特性
实验表明,热烧蚀破坏效应与激光光源参数、外界环境参数和材料物质参数密切相关。
激光光源参数包括激光波长、功率密度、激光作用时间、激光束的时空结构(脉冲或连续波)等;外界环境可以是真空环境、各种大气环境和人工设计的具有易反射或易吸收功能的各种环境;材料物质的参数既包括材料的比热系数、热传导系数、热扩散系数、熔点等热物理性能参数,也包括材料的弹性模量、屈服强度、拉伸断裂强度等力学性能参数。这些参数的不同,将导致激光对材料的热烧蚀破坏效应的不同。1998年12月,南京理工大学通过精密的计算和严格试验完成了《激光武器的毁伤机理与防护技术》报告。根据这个技术报告,可以对激光的热烧蚀效应总结出以下若干重要结论:
(1)在激光对材料的热烧蚀破坏过程中,材料表面温度与激光作用时间的平方根成正比,即激光对材料作用的时间越长,材料表面的温度越高。对于给定能量的脉冲激光,当增加功率密度时,缩短脉冲持续时间,则加热时间必然缩短,而材料表面的温度将会升高。也就是说,使用峰值功率高、持续时间短的脉冲激光可以更有效地对材料表面加热。但是,高功率脉冲激光与材料作用时,材料表面产生的等离子体的屏蔽作用对激光的烧蚀效果又有负面影响。
(2)激光对材料的热烧蚀破坏阈值既可用能量密度阈值描述,也可用功率密度阈值描述。在矩形短脉冲情况下,激光对给定材料破坏的能量密度阈值是一个常数,而功率密度阈值与脉宽成反比;在矩形长脉冲情况下,激光对给定材料的破坏能量密度阈值与脉宽的平方根成正比,而功率密度阈值与脉宽的平方根成反比。也就是说,短脉冲激光主要靠达到功率密度阈值对材料产生烧蚀破坏,长脉冲激光主要靠达到能量密度阈值对材料产生烧蚀破坏。
(3)不同的物质材料对激光的吸收能力和反射能力各不相同,反映这种能力的物理概念是材料对激光的吸收系数与反射系数。根据能量守恒定律,激光不能穿透的材料的反射系数与吸收系数之和为100%。激光对材料的热烧蚀破坏能力,与材料对激光的反射系数成反比,与材料对激光的吸收系数成正比。
(4)对于熔点相同的两种材料,当照射激光功率较小时,热传导系数较大的材料被烧熔所需时间较长,热传导系数较小的材料被烧熔所需时间较短;随着入射激光功率的逐步增大,材料在激光的作用下进行热传导的时间逐步缩短,两种材料被烧熔所需时间逐步接近;当辐射激光功率足够大时,材料在激光作用下来不及进行热量传导,两种材料被烧熔所需时间达到一致。
(5)如果材料参数与激光脉冲的参数合适,在材料表面气化时,还有可能使材料深部温度高于表面温度,这时材料内部因热过载而形成高温进而产生高压,当达到阈值时便会发生热爆炸,从而提高激光穿孔的破坏效率。
2热烧蚀效应对飞行器的毁伤方式
高能激光武器的热烧蚀效应对导弹、飞机、卫星等飞行器的破坏主要表现为直接烧蚀破坏、结构力学破坏和对光电器件的破坏。
导弹、飞机、卫星的壳体一般都是熔点在1500°C左右的合金材料,功率2～3MW的脉冲高能激光只要在其壳体表面某固定部位辐照3～5s,就容易被烧蚀熔融甚至气化,使目标内部的燃料燃烧爆炸或元器件损伤遭毁。这种破坏称为直接烧蚀破坏。

当辐照的激光功率较低时,目标所吸收的激光能量虽使材料表面局部温度升高,但低于熔点,这时虽然不能烧熔材料,但是能改变材料的物理和力学性能,如使屈服强度、拉伸强度下降。这种现象称为软化效应。实际上,即使功率较大的激光照射目标时,目标也是在熔融之前产生软化效应而遭毁的。因此,激光武器不一定非要把导弹、飞机、卫星等的壳体表面烧出洞来才能毁伤目标,而可以通过软化效应造成其壳体材料抗拉抗压强度下降,使其在自身应力的作用下遭毁。特别是导弹设计的准则是尽量减小结构重量,以保证必要的有效载荷,因此在进行结构设计时不可能留有很大的余量,从而使导弹壳体材料产生软化效应时,在其飞行气动应力的作用下就很容易变形甚至解体。这种使目标外壳变形或解体毁伤目标的情景称为结构力学破坏。
当激光作用于光电器件使其温度升高时,会严重影响光电器件的技术性能而使其失效。例如对于光电探测器,温度过高、光照过强就会大大影响其成像质量,甚至根本无法工作。这种情况就是对光电器件的破坏。
3飞行器防御热烧蚀破坏的途径
美国研制的激光武器发射的都是主要依靠功率密度阈值毁伤目标的短脉冲高能激光,如机载激光器、天基激光武器的发射功率为2～3MW,舰载激光器和地基激光器的发射功率最终将达到兆瓦,车载激光武器“鹦鹉螺”的发射功率为500kW,均为纳秒级脉宽和微米级波长,每次发射持续时间为3～6s。激光辐射到空中目标上后,需要在其某固定部位稳定一定的时间以积累起足够的能量,才能将目标烧毁。根据前面的分析我们知道,在如此强大的高功率脉冲激光的辐照下,增大目标材料的热传导系数对于防御激光的热烧蚀毁伤是没有意义的,防御方应该从以下几个方面着眼:
(1)飞行器应该滚动飞行。导弹弹体旋转飞行,卫星在轨道上滚动飞行,飞机在遭遇激光照射时立即作不规则的翻滚飞行,使激光不能盯住空中目标的某个固定部位积累能量,可以延长被激光烧毁的时间,有效地防御热烧蚀破坏。
(2)飞行器壳体可采用抗激光结构设计技术。美国研究了一种用于卫星、飞机、导弹等飞行器抗激光烧蚀破坏的保护性壳体结构。以导弹为例,其抗激光防护结构不会使导弹的总成本和总重量增加太多。这种抗激光烧蚀结构有两层防热层,中间夹一层抗激光烧蚀阻挡层,三层粘结在一起,固联到导弹壳体的外表面。图1为早期导弹的壳体结构(称1结构),图2为现代导弹的壳体结构(称2结构),图3为抗激光导弹壳体设计结构(称3结构)。1结构包括金属壳体(11),燃料密封衬套(12)。在2结构中,23为外包层,21为玻璃纤维复合材料的导弹壳体结构件,22为燃料密封衬套。3结构即为抗激光烧蚀结构,导弹壳体包含一层玻璃纤维构件31,燃料密封衬套32,而33、34、35的作用是抗激光烧蚀,其中33、35是防热层,可以是软木复合材料(软木酚醛、软木环氧树脂、软木腈橡胶),厚度可在01～1cm之间选择;34是烧蚀阻挡层,一般由浸渍重金属、树脂的碳纤维织物构成。实验证明,这种结构具有很强的抗激光烧蚀性能