激光技术在导弹和空天对抗中的应用.pdf

控制与制导本文 2008?08?31收到, 作者分别系二炮装备研究院技术基础与保障中心工程师、工程师、研究员激光技术在导弹和空天对抗中的应用郭? 纲 ? ? 周 ? 伟 ? ? 叶名兰??摘? 要? 通过对美、俄等国激光制导、激光陀螺、激光武器等技术发展和应用的分析, 归纳总结出激光制 导和激光陀螺等技术可提高导弹武器的命中精度; 而激光武器 /反激光技术在导弹与空天对抗中的应用将出现新的作战样式, 并将孕育新的战场关键词 ? 激光武器 ?? 激光技术? ? 实战应用? ? 激光制导激光是于 1960年在世界上首次出现,由于其具有单色性 好、方向性强、能量集中等特点, 很快就得到各国的重视电子信息技术的不断发展及军事上 的需求, 推动了激光技术快速发展, 各种激光器研制成功, 为其广泛应用于导弹、空天等武器创 造了条件激光制导、激光定位、激光杀伤等技术的研究在 美、英、法、俄 (苏联 )等发达国家相继展开, 激光雷达、激光陀螺仪、激光反导、空天激光技术 等不断取得新的成果并应用或即将应用于各种武器装备中, 对武器装备的发展、战术技术性能的 改善、乃至作战样式的变革产生了重大的影响自 1964年美国率先研制成 功导弹靶场的激光跟踪测量雷达以来, 美国、英国、法国、德国、 日本等先后研制了多种激光雷达, 分别用于导弹靶场试验鉴定、航天器交换对接、导弹精确制导、火力控制、直升机防撞、水雷探测、战场侦察、预警探 测、化学战剂探测等军事领域。

激光制导技术的发展、激光陀螺的研制成功及在导弹控制系统中 的应用改善了武器的战术技术性能1985年美国提出战略防御计划 ( SDI)后, 激光技术在军事系统和空天武器上的应用倍受重 视地基、空基、天基激光武器相继在美、俄等国开展研究, 并将激光技术的应用直接引向导弹与空天攻防作战领域激光武器 与战略弹道导弹的对抗, 激光武器与运行在轨道上的卫星、空间航天器的对抗等新的空间作战样 式成为各国军事家研究的重要课题关注激光技术的发展及其在军事领域的应用, 特别是在导弹与空天武器中的应用, 对导弹武 器装备的发展和作战具有极其重要的意义1? 激光制导技术用于导弹武器,有效提高了命中精度激光制导是利用目标反射的激光来探测、跟踪目标并控制导 弹飞向目标的制导技术激光制导具有制导精度高、目标分辨率高、抗干扰能力强、体积小、质 量轻等优点但激光光束易受云、雾和烟尘的影响, 不能全天候使用, 如它与其它制导系统组合, 将具有更加广泛的用途 激光制导武器, 按照其采用的制导方式不同, 通常可分为激光驾束制导和激光寻的制导 激光驾束制导就是导弹发射后沿激光发射机照射目标的激光束飞行, 按导弹偏离波束中心的偏差形成控制指令, 导引导弹飞 向目标的制导技术, 适合于近程导弹的作战使用。

瑞典的 RBS?70防空导弹和 ADATS防空反坦克导弹等采用的就是激光驾束制 导方式激光寻的制导是指弹外或弹上激光束照射在目标上, 弹上的 激光寻的器接收目标漫反射的激光信息来捕获、跟踪目标, 并控制导弹飞向目标按照激光源所在位置的不同, 激光寻的制导又 可分为激光半主动式寻的制导和激光主动式寻的制导半主动式寻的制导是指寻的 器在弹上, 而激光源在弹外的载体上, 是目前常用的制导方式美制 海尔 法 AGM?114A、幼 畜AGM?65E等激光制导导弹就是 半主动激光寻的导弹的典型代表, 主要用于攻击坦克、各种战车、雷达等地面军事目标, 其命 中概率超过了 90 %再如, 法国?40?飞航导弹 ? 2009年第 2期控制与制导?的 AS? 30L、俄罗斯 ??29等空地导弹也采用了这种制导方式, 主要用于攻击机场、桥梁、水面舰 艇等目标这些导弹已在战争中应用并发挥了重要作用半主动激光制导还应用在美国正在研制 的下一代空地导弹 联合空地导弹 ( JAGM )上该导弹采用包括半主动激光制导、被动红外制导和主动毫米波雷达制导复合的 三模导引头, 以实现发射后不管并精确命中目标主动式激光寻的制导是指激 光源和寻的器均安装在弹上, 导弹发射后能主动寻找目标。

与毫米波寻的制导和红外寻的制导相比, 激光雷达寻的制导的主要优 点是: 分辨率高, 信号稳定, 能产生三维图像; 缺点是电源设备大而重, 激光成像扫描速度较 慢随着技术的发展, 激光制导武器将向着发射后不管的主动式激光制导方向发展, 智能探测、识别、跟踪, 直到命中目标, 并 可实施全天候、隐身化作战如美 国 的 先 进 巡 航 导 弹 AGM ?129A, 其飞行中段采用激光雷达高度表地形匹配辅助惯导, 命中 精度小于 40 m; AGM?129B采用惯性制导 + 激光雷达 ( CO2激光主动成像雷达导引头 ) + GPS+ 新的红外成像导引头和数据链系统组成的复合制导系统, 使导弹的精度由 CEP !40 m 提高 到3 m 因此, 激光制导尤其是激光成像制导技术成为先进国家争先研究和发展的重点技术项目他 们致力发展智能化、小型化激光制导系统,提高制导的作用距离, 并与其它制导模式组合形成复合制导系统, 以适应远程精确打击的需要美国正在研制多模 增强型激光雷达导引头, 这种导引头具有广域搜索和识别目标的能力, 并可对抗伪装或植被遮挡 的目标[ 6]此外, 激光近炸引信作为一种高可靠度和高精度的引信也已在各类导弹上使用, 如美国的哈 姆反辐射导弹, 采用主动激光近炸引信, 作用距离近, 引爆角范围窄, 抗角度干扰能力强, 从而 有效地提高了导弹战斗部的杀伤效能。

2? 激光陀螺在组合制导的应用 可缩短作战准备时间一般情况下, 航空平台或精确制导武器常用的精确导航器件 主要是全球定位系统 ( GPS)和惯性导航系统 ( I NS)激光陀螺出现之后, 成为新一代航空器、导弹、灵巧炸弹等测控系统的核心 部件激光陀螺是在光学干涉原理基础上发展起来的新型导航仪器, 成为新一代捷联式惯性导航 系统理想的主要部件, 用于对所设想的物体精确定位它的基本原理是: 采用环形激光器使之在 惯性空间转动, 产生正反两种激光束, 激光束随惯性转动产生拍频效应, 从而达到陀螺仪所要求的各种稳定和转速指标激光陀 螺与传统的机电陀螺相比, 其突出优点在于: 具有大动态范围和高速率性能; 由于接通电源就能 产生激光, 所以不存在滞后效应, 启动时间短, 而且运行过程中的稳定性好 激光陀螺的结构十分简单, 可靠性高,功耗很小, 易于维护, 造价低廉最重 要的一点是激光陀螺能够直接输出数字控制信号, 而不是像以前那样先输出模拟信号, 再将其转 换为数字信号 能够直接输出数字信号就能够直接与计算机系统相连, 从而可实现自动化或智能化控制 激光陀螺捷联系统应用于火箭和导弹等高速飞行系统, 可不断地计算它们的实时速度和位 置, 利用实时速度、位置进行制导方程的运算, 从而可有效控制火箭导弹沿标准弹道飞行, 将载荷准确送入预定的弹道。

激光陀 螺与 GPS等组成复合制导系统,不仅可提高命中精度, 而且可缩短作战准备时间 美国在激光陀螺的研制及应用方面始终居世界领先地位, 目前已经在很多高技术武器装备中将其与 GPS联合使用如 20世 纪 90年代开始改进升级的战术战斧巡航导弹制控系统中, 其惯性导航系统选用环形激光陀螺代替传统的机电陀螺, 加之采用精 确的地形辅助导航 ( PTAN) 系统, 增强了 GPS的功能再装一台前视电视摄像机或红外成像装 置, 能有效提高目标捕获和毁伤判定能力 这种复合制导方式使战斧导弹具备全自主导航能力,不仅命中精度高而且使任务规划 时间大大缩短此外, 美国杭尼韦尔公司还在研究高精密光纤陀螺, 它采用保偏光纤线圈, 高功 率的光纤激光器通过特殊措施压制噪音,具有良好的性能现?41?飞航导弹?2009年第 2期? 控制与制导在, 该公司又在研制高精度、战略级的光纤陀螺 (如高精度消偏型陀螺 ), 以满足军事和航天的 战略需要日本自行研制的 TR1和 M5火箭上, 率先使用了光纤构成光 路的激光陀螺, 组成了不仅适用于火箭也适用于导弹的高精度、简单可靠的控制系统英、法、俄及印度等国也分别在海军攻击 型核潜艇、作战飞机和弹道导弹的惯性导航系统中采用了激光陀螺或光纤陀螺系统, 对装备性能 的提高发挥了重要作用。

3? 激光在反导系统的应用开辟了导弹防御的新途径 随着弹道导弹的发展和使用, 弹道导弹防御成为各国关注的主要问题, 尤其是美俄等军事 大国, 他们在总结冷战时期导弹防御系统发展的经验教训后, 充分利用高新技术, 寻求发展新型弹道导弹防御系统的新途径, 激 光反导就是其中之一激光在导弹防御系统中的应用主要包括:激光雷达探测来袭导弹, 激光照射破坏导弹的结构 弹道导弹防御的基本前提是探测和跟踪来袭的导弹目标, 确定其发射点、 命中点和可能的拦 截点而单纯地依靠某一类传感器系统不可能解决对目标的探测、识别和精密跟踪, 这需要多个传感器来完成使用多部探测 器测得各种目标的特性数据, 然后进行最佳地融合如美国陆军提出选择有识别能力的动能杀伤 拦截器, 就是将被动探测器与激光雷达结合起来, 因为这两种探测器所测得的目标特性具有互补性利用连续的红外方位和俯仰测量结果与激光雷达的精确距离 测量数据, 使弹道估算误差成数量级下降, 从而为杀伤拦截器提供了准确的目标数据, 为碰撞杀 伤拦截奠定了基础激光武器有硬破坏和软破坏两种杀伤机理拦截弹道导弹的激光武器是以 ∀硬 #破坏为主, 它 是利用定向发射的聚焦激光束直接攻击目标的武器。

软破坏激光武器以人眼、光电传感器为目 标, 直接毁伤飞机、导弹的高能激光武器, 目前主要在美国等军事大国中开展研制软杀伤激光武器在世界各国已研制出多种, 有便携式和机载、舰载和车载型等早在 1985年, 美国里根政 府的 ∃战略防御倡议%计划中, 就将激光武器作为反战略弹道导弹的主选武器之一, 尽管在发展过程中遇到了各种困难, 但激光武 器技术的研究一直没有中断1995年, 美国和以色列联合研制了称为 ∀ 战术高能激光武器系统 #的车载战术激光武器该 激光武器以高能氟化氘化学激光器为基础, 用于对付战术火箭之类的目标该系统在 2000年多 次与多枚喀秋莎火箭弹交战试验获成功进入 21世纪, 美国政府通过不断调整核战略和作战理论, 将高能激光武器作为美国导弹防御系统的主要组成部分加快发展美国国防部认为, 高能激光 武器是随时可以对付当今一些最具挑战性的武器, 不管它是进攻性还是防御性的, 因此, 该系统提供了未来对敌保持不对称技术优势的潜力 进入 21世纪, 美国 的激光武器尤其是高能激光反导武器及相关技术日趋成熟, 如机载激光武器有望在不久的将来投 入作战使用这种高能激光武器主要拦截助推段飞行的弹道导弹, 通过发射高能激光束, 照射飞行中的弹道导弹的发动机, 发 动机受到一定功率的激光束的辐照, 其局部温度急剧升高, 将使发动机壳体的力学性能降低, 并 产生微观损伤, 结构的整体或局部刚度也会降低, 最终使发动机的壳体材料破坏而形成裂纹。

当裂纹不断扩大时, 就会使发动机 发生爆炸或弹体折断如果激光的光斑比较小时, 产生的裂纹较小, 即使不会让发动机爆炸, 也 会使燃料泄漏、发动机减压、旋转、姿态失控而使导弹偏航不难看出, 激光武器的发展为反导弹开辟了新的技术途径 俄罗斯的激光武器研究和进展情况一直是严格保密的, 据俄专家透露, 俄罗斯早于美国开始研制战术激光武器, 并且武器库 内已经拥有高精度的战斗用化学激光武器样品 早在 1972年, 苏联生产的便携式激光炮就能够打 击空中目标, 美国认为, 俄罗斯的技术水平与美国是伯仲之间4? 激光技术应用于空天对抗, 孕育了新的作战样式空天对抗是指为争夺空天使用权和控制权, 对敌方的空天系 统进行攻击 /干扰及对己方空天系统进行保护的作战行动上述?42?飞航导弹 ? 2009年第 2期控制与制导?的高能激光武器与飞行。