新概念武器论文——激光武器.doc

《新概念武器》课程论文

论文题目： 激光武器的简介

姓 名： 刘亦轩

学 院： 机电工程

专 业： 工业工程

学 号： 20114814155

激光武器
激光武器(Laser Weapon)是一种利用沿一定方向发射的激光束攻击目标的定向能武器，具有快速、灵活、精确和抗电磁干扰等优异性能，在光电对抗、防空和战略防御中可发挥独特作用。它分为战术激光武器和战略激光武器两种。它将是一种常规威慑力量。由于激光武器的速度是光速，因此在使用时一般不需要提前量，但因激光易受天气的影响，所以时至今日激光武器也没有得到普及。

一、概念
（一）激光武器简介
我国古代传说中就有“用光杀人”的记载。《封神演义》中有“哼”“哈”二将，可从鼻中喷出光来，使敌人丧命。科学幻想中也早有“魔光”、“死光”之说。但只有到1960年出现激光后，这些幻想才变成了现实。
　　激光具有单色性，基谱线宽度很窄。普通光源中氪灯的谱线宽度为千分之五埃（一埃是一亿分之一厘米），算最窄的了，但氦氖激光器产生的激光谱线宽度只有千万分之一埃。就是说，激光的单色性比氪灯提高了几十万倍。
　　激光能够向一个方向辐射，散开角度只有几分，甚至小到一秒。激光的高方向性使它在军事上很受重视。
（二）激光武器的优点
（1）速度快；
激光武器的突出优点是反应时间短，可拦击突然发现的低空目标,它用光速飞行，每秒30万公里，任何武器都没有这样高的速度，一般不需要提前量。
（2）命中精度高，不产生后坐；
激光武器的速度是光速，因此在使用时一般不需要提前量，所以用激光拦击多目标时，能迅速变换射击对象，也就是说一旦瞄准，几乎不要什么时间就立刻击中目标，并且可以灵活地该改变方向，同时对付多个目标。
（3）面积小，威力大；
激光武器作用的面积很小，但破坏在目标的关键部位上，在极短的时间里集中超过核武器100万倍的能量，可造成目标的毁灭性破坏
（4）没有污染；
没有任何放射性污染, 这和惊天动地的核武器相比，完全是两种风格.
（5）不易受电磁干扰；
（三）激光武器的缺点

（1）受自然条件影响大；
激光武器也有局限性，其最大的缺点是不能全天候作战，受限于大雾、大雪、大雨，且激光发射系统属精密光学系统，也受大气影响严重，如大气对能量的吸收、大气扰动引起的能量衰减、热晕效应、湍流以及光束抖动引起的衰减等。
（2）难实现大规模；
由于激光武器需要大量的电能，在能量储存设备难微型化（如高能电池）的问题解决前，比较难实现大规模应用。
（3）效费比较高；
激光武器硬件可以重复使用，发射费用较低。例如，在防空武器方面，当前主体是导弹，激光武器与之相比消耗费用要便宜得多。一枚“爱国者”导弹要60－70万美元，一枚短程“毒刺”式导弹要2万美元，而激光发射一次仅需数千美元，今后随着技术的发展，激光发射一次的费用可降至数百美元。
（四）激光武器分类：
（1）致盲型
利用强烈的激光束对人的眼睛或光学探测器进行射击，会烧伤人的视网膜造成失明从而丧失战斗力或会损坏光学探测器令其无法正确判断目标。
（2）近距离战术型
可用来击落导弹和飞机。1978年美国进行的用激光打陶式反坦克导弹的试验，就是用的这类武器。
（3）远距离战略型
这类的研制困难最大，但一旦成功，作用也最大，它可以反卫星、反洲际弹道导弹，成为最先进的防御武器。
（五）激光武器工作原理
激光武器怎样击毁目标呢？科学家们认为有两个方面：一是穿孔，二是层裂。所谓穿孔，就是高功率密度的激光束使靶材表面急剧熔化，进而汽化蒸发，汽化物质向外喷射，反冲力形成冲击波，在靶材上穿一个孔。所谓层裂，就是靶材表面吸收激光能量后，原子被电离，形成等离体“云”。“云”向外膨胀喷射形成应力波向深处传播。应力波的反射造成靶材被拉断，形成“层裂”破坏。除此以外，等离子体“云”还能辐射紫外线或X光，破坏目标结构和电子元件。

二、 研制背景
自上个世纪60年代激光问世以来，科学家们就希望能够研制出激光武器，并为此进行了锲而不舍的努力。但是，要研制这种全新的武器，科学家们面临着一系列技术上的挑战：首先，需要研制出输出功率或能量足够大的激光器；其次，需要研制出能够使激光束精确瞄准和跟踪目标的系统；还要了解高能(功率)激光束在大气中传输的特性，并找出解决影响激光束传输的办法；最后需要研究激光与目标材料的相互作用机理，为设计激光武器提供技术基础。40多年来，在解决这些技术难题的科学探索过程中，科学家们尽管屡战屡败，但屡败屡战，步步为营，逐步向实现激光武器的梦想迈进。
(一)美国
美国军方对激光武器技术的研究，最初就是由美国国防部高级研究计划局支持的。当时参加研究工作主要机构有休斯飞机公司、阿维科研究实验室、普拉特·怀特尼公司、空军特种武器中心、陆军“红石”兵工厂、海军研究实验室等军内外研究部门。
1965年，阿维科研究实验室成功研制连续波气动二氧化碳激光器，美军随之启动了三军激光武器计划。1970年美空军在柯特兰基地开始建设桑迪亚光学靶场并研制高功率气动二氧化碳激光器和发射望远镜，1973年进行了激光击落靶机试验，并着手发展机载激光实验室。该实验室以NKC一135（波音707的军用型号)飞机为载机，装有500kW的气动二氧化碳激光器和光束控制发射系统。1981一1983年，美空军开始在加州军武器中心进行机载激光实验室打靶试验，先后击落了5枚“响尾蛇”空空导弹和模拟巡航导弹做低空亚音速飞行的亚音速“火蜂”靶机。“星球大战”计划开始后，机载激光实验室计划停止，但它为美国空军研制第二代机载激光武器奠定了重要基础。
美海军激光武器的发展也始于20世纪70年代初期，其目标是发展用于防御反舰导弹的战术防空高能激光武器系统。1973年，美国TRW公司研制出连续波氟化氘化学激光器，其3.8μm的主波长比二氧化碳激光器的10.6μm波长具有更好的海面传输能力。海军决定建造400kW的氟化氖化学激光器，并曾用其摧毁低空、亚音速横向飞行的“陶”式反坦克导弹。1980年，TRW公司成功研制功率2.2MW的氟化氖激光器，并于1984年与口径1.8m的“海石”光束定向器在白沙靶场完成对接。1985-1989年，该系统先后摧毁lkm远处“大力神”洲际弹道导弹助推器、“火蜂”靶机和以2.2Mach的速度低空横向飞行的“汪达尔人”导弹，表明在针对横向飞行目标的作战方式中，高能激光武器已具备舰载工程化的条件。但由于20世纪90年代中期进行的迎头拦截试验表明激光束在海面上存在较严重的热晕问题，海军的激光武器研究重点逐渐转向自由电子激光器技术。
美陆军在1974年将一辆LVTP-7型履带式水陆两栖登陆装甲车改装成激光武器机动试验装置，车上安装了15kW的连续波电激励二氧化碳激光器。1976年该装置在“红石”兵工厂击落了时速186.5km的无线电遥控靶机。进人20世纪80年代，受“星球大战”计划的影响，美国陆军没有独立开展大规模的激光武器研制工作。90年代以后，开始与以色列联合发展车载战术防空反导激光武器。
（二）前苏联
从20世纪60年代初期开始，前苏联就对激光武器进行了大量研究，主要部门有天体物理研究院科研生产联合体和维姆佩尔工业设计局。前者负责各种战略和战术激光武器系统的研究工作，曾在莫斯科附近建造了一台1MW的二氧化碳激光器，并对自由电子激光器进行了研究。后者主要研究地基激光武器。20世纪70年代初维姆佩尔设计局在现哈萨克斯坦境内的萨雷沙甘建造了一个激光试验靶场。其地基反导弹、防空激光武器系统是在一项称为“巴依哈什”的计划下发展的，系统由三辆大型车组成，每次工作几秒钟，一次所需燃料少于100kg。前苏联还研究了空间用氟化氢激光器和舰载氟化氖激光器。
（三）德国
德国于1970年开始研制高能激光防空武器系统，到1982年已进人工程发展阶段，其目的是研制一种装到“豹一2”型坦克底盘上的车载激光武器。该系统采用二氧化碳激光器，功率可达1MW左右，系统重约20t，每秒可射击1次，所载燃料共可射击60次。激光束可破坏或摧毁101m内的来袭飞机、战术导弹、巡航导弹等目标，还能致盲20km或更远处的光电传感器。
（四）法国
1986年法国正式开始实施LATEX计划,研制出40kW和4MW的二氧化碳激光器。1989年11月，法国在巴黎郊区进行了初次激光地面静态打靶试验，用40kW的二氧化碳激光器和lm口径的发射光学系统摧毁了700m远的红外制导导弹弹头。
三、关键技术
（一）激光武器技术种类
激光武器一般分为高能激光武器和低能激光武器两类。
（1）高能激光武器
高能激光武器又称强激光武器，它是一种大型的激光装置，能在很短的时间内发出高能光束，击中目标时，极大的光能被目标吸收，转变为热能，产生可达几百万度的高温和可达几百万个大气压的高压，使目标被烧蚀、击穿，甚至引起爆炸。高能激光武器可用于摧毁敌导弹、卫星、飞机等大型目标。如美国在1978年作过实验，用40kW的化学激光器击毁了飞行中的“陶”式反坦克导弹和一架靶机。目前一些国家正在研究使用激光武器在太空反卫星和反弹道导弹。如美国1983年3 月提出的SDI（星球大战）计划，便是在空间部署激光反导武器。1997年10月17日，美国成功地进行了一次激光照射卫星的试验，引起了各国军事家的广泛关注。
（2）低能激光武器
低能激光武器是指发射功率较的激光轻武器，也叫战术激光武器，如激光枪、激光致盲武器等。主要用于射击单个敌人，使之失明、死亡或衣服着火而丧失战斗力，也可以使各种光学瞄准观察器失灵。
（二）激光对抗
激光对抗就是交战双方采取专门措施，干扰、破坏对方的激光装备，使其丧失功能和战斗力，同时保护己方的军事装备和人员免遭激光武器的攻击。
激光的优点决定了激光装置具有良好的抗干扰能力，而且由于反对抗技术的发展，其抗干扰能力又有所提高，给激光对抗增加了难度。但激光也有自身的弱点，只要认识了激光武器的局限性，仍可以进行有效的对抗。实施激光对抗，首先必须用激光告警装置探测敌方激光装置的方位、距离、工作波长及脉冲编码规律。并对敌光源精确定位。然后采取对抗措施。
四、典型产品
（一）激光致盲枪
激光致盲枪是激光武器中最基础、最先出现的一种激光武器，能产生使人致盲的激光束，速度快、灵活性好、精确度高，瞬发即中，可使人的眼睛瞬间受到严重伤害，甚至致盲。
轻便，无声，没有后坐力使激光致盲枪已经成为了现代武器的佼佼者，是现代反恐行动中执行隐秘任务时重要的单兵武器。
（二）激光眩目镜
激光眩目镜是很有创新性的一种地对空激光武器，安装在军舰上，能够对进入攻击范围的空中目标发射出极强的蓝绿激光，只要驾驶员被这激光眩目镜照射到，双眼灼伤或致盲，飞机自然也就没法受到有效的控制。高效、持续性的对空打击注定了激光眩目镜在地面战场的主导地位
（三）飞秒激光系统
飞秒激光系统是国际上著名的专门消灭近视的较另类的“激光武器”，这个和战争没有关系，但是和生活却有大大的关系。它的出现带来“无刀角膜成形术”时代，真正实现了近视激光治疗手术的“全激光”。飞秒激光的“无刀”手术弥补了传统机械手术“恢复慢”“治疗时间长”的缺点，以安全、快捷的优势异军突起。“无刀”手术不但让切割更为精密，误差更小，增加了安全系数，而且手术全程只要20分钟左右就能够完成治疗，加之“无刀”的准确快捷使得角膜的愈合更加容易，只需要多半个月就能够完成恢复。飞秒激光的出现象征着人类对激光的应用已经达到了一个新的高度。
（四）高能激光炮
高能激光炮是中距离作战的行家里手，通常都会安装在舰艇、飞机、坦克上，主要用于拦截敌方导弹和防御反击，同时它也是一种反坦克利器，可以装在前沿阵地上，能在远距离发射，使敌人坦克失灵。在激光的冲击下那些又导电又导热的坚固的钢板反而成了战斗时的软肋。激光不同于任何物质，这正是激光武器的长处，可以让厚重的装甲形同虚设。
（五）机载激光武器
机载激光武器是靠射低能激光束来跟踪导弹，测出其距离和大气引起的误差，并引导高能激光束照射目标3—5秒钟，即可摧毁空中目标。经过改造，将这种机载激光武器安装在战斗机上，还可用来拦截敌方飞机，也可装在轰炸机上，深入敌方纵深地域，执行空中轰炸任务，摧毁敌方防空导弹和高射炮阵地。
机载激光器是美国导弹防御局目前正在大力推进的战区弹道导弹助推段拦截方案之一。该计划自1996年实施以来经历了多次调整，最近于2004年底成功完成了两个重要的“里程碑”试验，即6模块激光器集成后输出“第一束激光”，以及安装部分光束控制系统之后飞机的“第一次飞行”试验。美国国防部总审计局在2005年初的一份报告中对这两次试验进行了比较公正的评价，它指出“第一束激光”持续时间太短以致不能对其功率和光束质量作出有价值的预测，而“第一次飞行”也只是一次适航性飞行试验。目前该计划仍在发展用于杀伤性论证的系统部件，美国最终希望形成由7架飞机组成的作战机群，构成单战区弹道导弹助推段防御能力。如果该系统能够实现对数百千米远的助推段弹道导弹有效拦截，它将具备摧毁低轨卫星的能力，因为卫星的毁伤阈值比导弹要低一个数量级以上，但是要实现该能力可能需要对关键部件等进行改装或升级。
（六）地基反卫星激光器计划
目前主要的激光反卫星武器主要有两种。一种是陆军发展的地基氟化氘化学激光系统，这种系统采用2.2MW的中红外先进化学激光器和主镜直径L8m的“海石”光束定向器,20世纪80年代就开始拥有有限的反卫星能力，但由于法律的限制，一直没有进行反卫星试验。直到1997年10月，美国陆军进行了首次激光反卫星试验，其后以空间控制名义开展的激光反卫星武器研制工作一直在秘密进行。另一种是空军发展的地基氧碘化学激光系统，目前正在研制兆瓦级的激光器件，并利用直径3.5m的望远镜进行空间的激光传输和成像试验。此外，还在进行高功率激光的传输试验和卫星的易损性研究。
（七）舰载激光器计划
舰载激光器计划是海军一项用激光武器系统拦截反舰导弹的计划。海军早期的研究集中在化学激光器上，但是随着冷战结束，海军的作战任务由远洋作战保护海上战斗群变为近海作战对抗巡航导弹的自我防御，而化学激光器的3.8μm波长激光不如1.04μm和1.6μm激光波长在海面上的传输效果好，因此目前只能靠自由电子激光器的波长可调特性来实现上述两个波长的高功率输出。未来以自由电子激光器为主体的舰载激光器系统将主要用于舰船自卫，对付高机动巡航导弹，快速攻击船等。
五、发展方向
鉴于激光武器的重要作用和地位，美、俄、以色列和其他一些发达国家都投入了巨额资金，制定了宏大计划，组织了庞大的科技队伍，开发激光武器。目前激光武器技术发展最快的是美国，美国的激光武器从上个世纪70年代就开始了，开展了舰载、机载、车载、天基等领域的激光武器的研究。
现在，激光武器经过40多年的发展，从基本理论、基本技术到工艺逐步走向成熟。今后，激光武器的研制工作将会出现大的突破，激光武器的性能将会更大的提高。
（一）新一代紧凑化、节能型高能激器发展迅速
美军在积极推进现有化学激光武器系统实现工程化的同时，还在大力开发新一代节能型、紧凑化的高能激光器。目前美军开发的新型高能激光器主要有固体(热容)激光器、电化学氧碘激光器以及光纤激光器等。固体热容激光器主要采用具有一定热容量的固体激光介质，使激射时间和冷却时间分开，缓解了热管理问题。闪光灯抽运的固体热容激光器功率已达万瓦以上，二极管抽运固体热容激光器也能够在1s内产生30kW的平均功率。电化学氧碘激光器主要通过电化学过程解决了普通氧碘化学激光器的燃料重复使用问题，使其体积和重量大大降低。美空军正在研制用于战术机载防空的电化学氧碘激光器。高功率光纤激光器是一种以高功率多模二极管为抽运源、以双包层光纤结构为激光增益介质的激光器。英国已研制出高光束质量的千瓦级光纤激光器，美国军方认为这种光纤激光器具备装备战斗机的潜力。此外，随着二极管抽运固体激光器实现高平均功率输出，发展高效率的二极管激光器成为节能的重要手段之一，目标是将目前二极管激光器的电光效率由50%提高到80%，这将大大提高整个系统的转化效率，从而节约能源。
（二）战术激光武器将实现紧凑化、通用化和普及化
以往的激光武器系统设计，通常结合特定的作战平台来进行。随着紧凑型化学激光器技术和新型节能高能激光技术的发展，将有可能实现激光武器系统的紧凑化和多种战术平台的通用化，这种趋势将在未来1020年中得到充分体现。2010年后，美国国防部将高功率固体激光器和半导体激光器作为今后战术高能激光武器发展的重点，并同时向小型运输机和战斗机、舰船以及地面车辆等平台上推广，使其成为三军通用装备。此外，由于固体、半导体激光技术正在越来越多的国家普及，激光武器技术的扩散将不可避免。
（三）应用广泛的自由电子激光器继续向前发展
自由电子激光器从原理上与传统激光器有很大不同，它是利用电子束与电磁波通过抽运电磁场的相互作用，经受激发射放大短波长辐射。自由电子激光器的宽范围选择波长的能力是固体激光器或化学激光器难以达到的。它不仅在军事上成为公认的海上高能激光武器系统的最合理候选激光器，而且在其他方面如工业和科学研究领域也有广泛的应用。早在星球大战时期自由电子激光器就受到重视而迅速发展，但后来由于技术和资金等原因被迫中断，现在海军重新捡起这类激光器并将其作为大型舰船舰载激光武器的唯一候选激光器，表明它具有其他类型激光器不可替代的军事地位。
六、结束语
激光武器技术远远超过了目前的使用范围，能够改进成本高昂的精确导弹的精度和性能。防御专家们说，新型激光武器系统可能配置在军舰、大型飞机、战斗机、坦克、陆地交通工具甚至航天飞行器上。最近一份来自DOD 顶极科学顾问的报告作出如下结论：以激光能量为基础的武器将被证明比目前美国武器清单中任何武器都更快、更精确、成本更低。报告说：“高能激光武器有潜力以令人瞩目的方式改变美国的军事行动。”报告继续说：“美国能够开发最新的高能激光技术，很好地利用光速交战、精确可控的效能、纵深的弹药库、每发射一次的低成本和减少后勤站点。”
激光武器的广泛应用使得空中打击也变得悄无声息，猝不及防，使得陆地对抗变得精确、多变，使得海面战争变的平静、利落。
科学技术日新月异，越来越多的以激光武器为代表的未来武器不断的被研究出来，不过这样的军备竞赛还是少点为妙，再小的战争都会波及无辜。
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