引言
氣動CO2激光器自1966年提出以來，一直受到極大的關(guān)注。由于激光技術(shù)中氣動技術(shù)的引進，為提高激光器的功率和效率開辟了廣闊前景[2]。該激光器系統(tǒng)無化學(xué)毒害和污染，制作簡便，其發(fā)射的波長為10.6um正處于大氣窗口，可輸出連續(xù)波高功率激光等突出特點，在激光武器的發(fā)展中占有極其重要的地位[1]。
激光武器作為一種新概念武器，與傳統(tǒng)常規(guī)武器相比，以其速度快，方向性好，能量密度高，作戰(zhàn)耗費比高等優(yōu)點，成為新世紀武器中的新寵。本文主要介紹美、法、徳、俄在利用氣動CO2激光器研制的激光武器，綜述目前氣動CO2激光武器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。
1.美國研制的氣動CO2激光武器
第一代高能激光器于60年代后期出現(xiàn)不久，發(fā)展激光武器的努力就拉開序幕。最早得高能激光器是1968年發(fā)明的CO2激光器。70年代早期，美國三軍相繼開始研究高能激光對有關(guān)軍事目標得破壞作用。
高能激光武器最初的原型機之一是美國空軍于70年代中期研制得MTU裝置，所用得是一臺30KW的電激勵氣動CO2激光器。1975年，在美國阿拉巴馬（Alabama）州的紅石兵工廠(Redstone Arsenal)用MTU截擊有翼靶標和直升機靶機的試驗獲得成功，但沒有公布結(jié)果數(shù)據(jù)。
經(jīng)過幾年前期研究和論證后，美國海軍于1971年啟動“高能激光”計劃，開始正式研制高能激光武器。當時面臨的兩項主要任務(wù)是開發(fā)高能激光器和光束定向器，這是組成高能激光武器的兩大硬件。高能激光器是高能激光武器的核心部件，它能否提供輸出功率足夠高的激光，很大程度上決定了能否有效地對目標造成硬殺傷。美國海軍研究認為，要想在戰(zhàn)術(shù)距離上擊毀反艦導(dǎo)彈，高能激光器的輸出功率需要達到兆瓦級(事實上，這也是美國海軍后來對高能激光器的選擇標準)。眾所周知，70年代初激光技術(shù)尚未得到充分發(fā)展，在有限的幾種激光器中，波長為10.6微米的氣動CO2激光器在技術(shù)上最為成熟，雖然其輸出功率遠遠沒有達到兆瓦級，但長遠來看有此潛力。于是，美國海軍選擇氣動CO2激光器作為高能激光器。1971年末，海軍研究人員曾利用氣動CO2激光器點燃了3.2千米外的木板[3]。正當“高能激光”計劃有條不紊鋪開之際，TRW公司卻在1973年指出，氟化氘在化學(xué)激光器在功率潛力上絕不遜于氣動CO2激光器，而且前者發(fā)射的3.8微米激光在深海環(huán)境中的傳輸性能遠優(yōu)于后者的10.6微米激光，因此更適合艦載應(yīng)用。我們知道，激光在大氣中傳輸時會受到大氣效應(yīng)的影響，導(dǎo)致能量損失，降低對目標的破壞效果，而且影響程度與激光波長有關(guān)。美國海軍考慮再三，最終決定停止對氣動CO2激光器的研究。
1972年美國開始機載激光實驗室計劃，1981年，美國空軍將一臺400kw氣動CO2激光器安裝在被稱為機載激光實驗室的波音NKC－135運輸機上，進行飛行試驗共約770小時，試圖攔截AIM—9L型側(cè)風式空對空導(dǎo)彈，但未能獲得成功。此后試驗在秘密情況下繼續(xù)進行，并與1983年5月在美國加州的中國湖海軍武器中心擊落大量側(cè)風式導(dǎo)彈。同年9月?lián)袈銪QM-34A亞音速靶機，激光燒穿了靶機外殼，破壞了關(guān)鍵部件，引起飛機控制失靈。機載激光器實驗計劃中的氣動CO2激光器采用甲烷與氧混合氣體作為點火氣體，然后送人一氧化碳(CO)和一氧化二氮進行燃燒。對燃燒生成氣體再吹入甲烷、氧和氮，最終的氣體成分為二氧化碳14%,氮85%、水蒸氣1%。該氣體的壓力為5.56Mpa,溫度為1630℃該高溫高壓燃氣以Ma＝6的速度從170個并列噴嘴噴出，形成氮分子能級粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。該能作為激光射出。在光學(xué)窗口不用玻璃，而是用噴射氮氣與外界隔絕。氣體高能激光器的排氣系統(tǒng)設(shè)在飛機機體下面，排出氣體的溫度仍有870K和lOlPa的壓力，可產(chǎn)生18kW的推力，約為激光效率的4%.該激光器的功率為456kW，從飛機前端炮塔射出的激光束功率為380kW[4]。機載激光器實驗計劃于1984年結(jié)束，據(jù)說共耗資約3 210萬美元。試驗的成功從原理上證明，用機載高能激光武器可以摧毀空對空和地對空導(dǎo)彈。但需要指出的是，該激光器完全充滿一架4發(fā)動機大型運輸機，而不能作為一附加裝備安裝在小型飛行器上，這給武器系統(tǒng)的運輸和使用都帶來很大問題，而更重要的是，龐大的體積難以避免對方導(dǎo)彈的攻擊。1988年8月，美國空軍武器實驗室（AFWL）建造成功58千瓦氧碘化學(xué)激光器(COIL )。同時，美國物理學(xué)會研究認為，COIL的輸出功率達到100兆瓦在理論上是可行的，而這是氣動CO2激光器無論如何也做不到的。因此，美國空軍決定以氧碘化學(xué)激光器代替氣動CO2激光器，以增大機載激光武器的作戰(zhàn)距離，改進作戰(zhàn)適應(yīng)性。
2.法國的LATEX計劃
法國從70年代初期開始研制反導(dǎo)彈戰(zhàn)術(shù)激光武器。1984年開始實施LATEX計劃；研究帶瞄準系統(tǒng)的改進型氣動CO2激光器。LATEX計劃自1987年至1990年已完成5000多次射擊試驗，其中一次激光擊毀了700m遠處一枚導(dǎo)彈的紅外整流罩和一塊模擬飛機外殼的金屬板。
計劃1991年在法國西南部先用新型小功率（1KW）氣動激光器做射擊試驗，然后用中功率（40KW）激光器做射擊試驗。在實驗過程中采用固定目標、低速運動目標（50km/h）和高速運動目標（可高達250m/s）三種目標，以確定是否可用激光束瞄準和在運動目標上聚焦。LATEX計劃以40KW氣動激光器為光源，輸出光束直徑為800mm，采用1m直徑的望遠鏡和SFIM單軸活動炮塔（角加速度為1rad/s2）。其中望遠鏡由一個非球面初級反光鏡和一個三軸（方位、高度、聚焦）微調(diào)次級反光鏡組成。為了補償大氣紊流，還研制一種自適用光學(xué)系統(tǒng)。該氣動CO2激光器用1m3的氣柜供氣，用40kw電弧進行電激勵，可在10秒內(nèi)提供超過1.2MW的功率，連續(xù)輸出功率為40kw，輸出波長為10um，能夠保證在15～20秒內(nèi)連續(xù)射擊并擊毀目標。精確的光束瞄準和控制過程是由聚焦激光束根據(jù)紅外探測器對目標的探測結(jié)果，在很短時間內(nèi)完成的。在700m范圍內(nèi)，可產(chǎn)生直徑為20mm的熱點，如果不考慮目標的運動速度，要求瞄準精度為10rad。在試驗中碰到的另一主要問題是如何補償大氣紊流的影響。光路上的熱效應(yīng)往往會引起光束折射率的變化，并產(chǎn)生發(fā)散，以至抵消聚焦效應(yīng)。為了解決大氣紊流問題，LATEX計劃采用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，將40個壓電微電機裝入光學(xué)系統(tǒng)，使其表面位移幾微米。從而可提供聚焦透鏡，通過目標的熱反射分析計算之后，可用該透鏡波前的相位偏差補償任何效應(yīng)。
自從1972年以來，法國在激光武器研究方面已經(jīng)耗資6～7億法郎，其中因?qū)嵤㎜ATEX計劃，僅1984～1990年就耗資3億法郎。其他類型激光武器也在發(fā)展[5]。
3.德國HELEX計劃
德國MBB和DIEHL公司自70年代初就開始研究防空激光武器方案，采用平均輸出功率1MW或幾MW的氣動CO2激光器。這種激光武器系統(tǒng)重約20噸，安裝在“豹－Ⅱ”坦克底座上，一般由2個人操縱即可。一個長約11.5m的升降臂，可將發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)升至高處，以減少地面稠密大氣或戰(zhàn)場灰塵影響。樣機如圖1。根據(jù)設(shè)計，每秒射擊一次（成本約300美元）。發(fā)射出的強光束可破壞10km內(nèi)的來襲飛機、直升機、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈等，并可致盲20km或更遠的光電傳感器[6]。#p#分頁標題#e#
該武器系統(tǒng)的主要戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標如下：（1）對光學(xué)傳感器殺傷距離大于20km；（2）對飛機、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈殼體的殺傷距離5～10km；（3）激光器的輸出功率為1×106W;(4)使用至少由19個組元構(gòu)成的自適應(yīng)控制組合式光學(xué)鏡來改善光束質(zhì)量；（5）用碳纖維材料制造的大型發(fā)生望遠鏡的直徑為1.5m；（6）氣動激光器的噴管列陣的總面積為長2m寬0.5m的矩柜，激光器工作時需要對噴管列陣進行冷卻，以保證激光器能連續(xù)工作較長的時間；（7）可折疊的升降臂長11.5m，使用它能將光學(xué)平臺升起豎立在坦克車頂上，也能將平臺撤回放在坦克車的背上；（8）激光器所用的燃料，加注一次以后，可供發(fā)射60次激光，用以攻擊目標；（9）整個裝置裝在“豹－Ⅱ”坦克底座上，總重量20噸[7]。
4.俄羅斯的氣動CO2激光武器
前蘇聯(lián)于60年代中期開始發(fā)展高能激光器，激光武器實驗室的科學(xué)家和工程師不少于1萬人，研究氣動激光器、電激勵激光器和化學(xué)激光器及其在軍事上的應(yīng)用，優(yōu)先發(fā)展CO2激光器。俄羅斯已具有萬瓦級以上氣動CO2激光器，由列寧格勒葉夫列莫夫電物理所激光中心為主進行研制和生產(chǎn)。功率分50～100萬瓦、3萬瓦和1.5萬瓦三種，通過用氣體放電激發(fā)放出二氧化碳制得[8]。
5.結(jié)束語
雖然，氣動CO2激光器因能量轉(zhuǎn)換效率低、體積大、光束質(zhì)量較差等原因，競爭力似乎不如化學(xué)激光器。但是氣動CO2激光器技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)簡單，輸出功率高，已達數(shù)百萬瓦級，而且不存在化學(xué)腐蝕問題。因此，作為戰(zhàn)區(qū)反導(dǎo)彈激光武器和戰(zhàn)術(shù)激光防空武器，高能氣動CO2激光器仍然是重要的選用激光器。
為了使高能氣動CO2激光器在各個領(lǐng)域里，特別是在軍事上得到應(yīng)用，必須要進一步提高器件的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率，縮小體積，減輕重量，提高可靠性。高能氣動CO2激光器技術(shù)必將進一步發(fā)展。
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