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空间对抗中的激光武器 任国光黄裕年 ( 北京应用物理与计算数学研究所北京 10 0 0 8 8 ) 1 ．引言 在高技术战争中，空间是赢得战争的先决条件，谁能控制空间，就意味着谁能控制地球在9 0 年代的海湾战争和科索沃战争，以及最近的反恐战争中，美国大量使用和依靠各种类型的卫星，以 及它们在战争中的重人作用有目共睹 2 l 世纪战争的主要形式是核威慑下的信息战，强大的军事空问力量也是信息战中的一种战略威 慑手段，它将有效地吓阻潜在的敌人和避免军事冲突它提供了更多的威慑选择，这是一种在危机 初期就能指导和化解危机的能力美国防部在一份国防战略评论中指出：在包括核威慑在内的五个 重点之中，信息技术和空间能力是未来发展的重中之重【l 】美国需要空间武器保持2 1 世纪的军事优 势，美国的空间优势已成为冷战后美国以强凌弱和推行霸权主义的重要工具 可以毫不夸张地说，美国要实现各项重大战略将取决于对空间的利用美国对空间能力的严重 依赖，也无疑暴露出新的弱点，更何况美国的空间系统十分脆弱因此，削弱、破坏和摧毁美国的 空间设施，对美国的对手而言就成了最有吸引力的选择1 9 9 7 年l O 月进行的一次卫星易损性试验 的结果，使美国卫星的脆弱性暴露无遗。

据报道在试验中采用3 2 W 的跟踪激光器就使美国空军用 来探测火箭发射的小型探测技术综合3 号( M S T I ．3 ) 卫星的红外探测器饱和 2 ．激光武器对卫星的杀伤力 ’ 2 ．1 高能激光系统已做好准备满足当前最具挑战性的武器应用 激光武器被认为是革命性的，它以光速攻击目标的独特性能将使战场发生革命性变化激光器 不仅是防御武器，它还是很有前途的进攻性武器激光武器将是2 1 世纪夺取制空权承I 控制空问的重 要的新概念武器，它对美国武器库的转型是至关重要的 美国目前正在发展的高能激光武器有战区和战术机载激光武器，车载激光武器、舰载激光武器、 地基激光武器和天基激光武器口】其中，机载激光( A B L ) 、地基激光( G B L ) 和天基激光( S B L ) 都可单独用作反卫武器，也可与天基中继镜系统联合作为反卫武器最近战术高能激光系统已成功 演示了击落喀秋莎火箭和大炮炮弹，机载激光正在紧张准备明年进行拦截弹道导弹的演示试验就 高能激光器而言，氟氘和氧碘化学激光器已经成熟，都已研制出兆瓦级的装置，目前正在努力使其 集成进各自的作战平台，同时美国防部已加快了发展采用高效能激光器的第二代激光武器( 固体激光 器和自由电子激光器) 的步伐，特别是大功率固体激光器，在未来1 0 年战术高能激光武器有可能进入 电激光器的时代n 2 ．2 卫星对激光易损性的初步分析 通过评估激光作为反卫武器的潜力，可以看出激光武器有很好的前景。

例如激光具有极高的实 时性和敏感性，它也演示了极高的精确性和准确性，并表明有很高的灵活性和选择目标破坏等级的 能力同时，激光技术发展所展现出来的很多能力也表明，为何激光具有作为反卫武器的前景 激光是通过热效应来杀伤目标的，与导弹和典型的空中与地面目标相比，卫星在受到热攻击时 更容易损坏，而且照射时间眭，易受低辐照度攻击卫星最薄弱的环节是成像传感器，它们大多采 用大口径接收光学系统，且灵敏度离，当它们受到其．f 作带宽和视场内的辐射攻击时，由于接收系 统的聚焦作用，将会在光学元件上产生很高的功率密度，因此极易受到破坏一般来说，大多数传 感器易受到1 0 4 ～l j ／e r a 2 的孔径能量密度的损伤然而关键的问题不在于杀伤能量密度的大小，而在 于如何能使激光进入传感器的孔径，并对传感器维持一定的照射时间，才能以适当的能量将其破坏 众所周知．卫星传感器的视场较小，激光进入传感器视场的概率较低，即使进入视场对C C D 传感器 的作用时间也很有限( 在像元上的驻留时间为m s 量级) 而且卫星传感器可采取多种激光加固和防 范措施，如针对入射激光的波长对光学系统进行适当的镀膜和采用“眼睑”保护装置等，更何况许 多别类卫星并无光学传感器。

因此仅考虑用激光干扰传感器，并不是一种十分有效的反卫手段，它 只是在一定条件下的特殊用途 各种卫星都有一些其它的薄弱环节，例如温控、高度控制、姿态控制、供电、结构、跟踪和遥 测等，激光对这些子系统的攻击将破坏卫星的正常工作状态，从而使卫星失效，不过所需的激光功 率较大和需要更长的作用时间，一般所需的破坏阂值约为每平方厘米几百焦耳当然要对这些部件 实施软、硬杀伤难度较大，但作为反卫的有效手段，还是必须考虑的 3 ．空间对抗中的激光武器 美国发展激光反卫技术已有十多年了，他们研究了激光反卫的各项关键技术，建成了一些子系 统，进行了许多演示试验，其中包括专门发射两颗卫星进行空间试验美国发展的激光反卫武器有 地基激光、机载激光和天基激光系统．最近又开始发展作为地基激光和机载激光威力倍增器的 E A G L E 系统2 0 0 2 年l O 月美国中止了“天基激光综合飞行实验”计划，这样天基激光计划就从 一项大型的空间实验演示计划收缩成为一项小规模的技术发展计划} 4 J ．我们在这里就不作讨论了 3 ．1 地基激光系统 3 ．1 ．1 系统概念 G B L 系统可用于执行“空间控制”任务．由高能激光器和发射望远镜组成的系统能威胁或摧毁 敌方的侦察卫星．或打击对美国陆军、空军或天军构成威胁的力量。

G B L 已列为美国未来重要的反 卫武器对于高度达到1 0 0 0 k i n 的低轨卫星来说，系统典型的射程大约为2 0 0 0 k m 在l k m 区域内 的典型目标上能产生1 0 0 W ／c m s 的辐照度，并保持约1 0 s 的照射时间就可能形成杀伤效应 ’ 由于气候和大气吸收的影响，地基激光必须在0 ．5 ～1 ．5 u 1 1 1 的波长范围内运行p 】，对于1p m 的 波长需要1 个3 m 直径的激光发射与接收望远镜从这些参数加上大气损耗，可以大致推出需要几 兆瓦连续波功率输出的激光器为了使大气湍流损耗始终低于5 0 ％，望远镜还必须配备一个利用自 适应光学( A O ) 的大气湍流补偿系统总的说来G B L 反卫的效能受气候和大气的影响较大 地基激光系统还具有对处在同步轨道和中低高度的卫星构成最低程度的攻击能力，用低得多的 辐照度( O ．5 w ／c l n 2 ) 也会造成卫星星体或其太阳能阵列的过热，当然照射时间可能需要1 0 0 s 或更长 3 ．1 ．2 关键技术的进展和存在的问题 空军G B L 反卫计划的中心是进行集成束控演示，并行开展的技术工作包括C O I L 装置，大型跟 踪和柬传输望远镜，自动跟踪／照明激光器和卫星易损性评估。

( 1 ) 高能激光器 C O I L 最有可能作为G B L 系统中主战激光器的候选者( 波长1 ．3 1 5um ) ，G B L 的研发就是围绕 C O I L 进行的兆瓦级C O I L 需要的许多技术都已开发并应用于A B L 中当然用于G B L ，C O I L 将 不会受到A B L 对重量和体积的严格限制，但C O I L 必须改进热控和液体循环技术，以满足所需的长 持续时间运行为了提高输出功率，还必须进一步提高效率【6 J C O I L 是可持续发展的化学激光器．因为它是具有最短波长和最高效率的化学激光器：研发中的 各类新型C O I L 层出不穷；从目前的技术来看获得兆瓦级的连 续波输出功率还得采用化学激光器 ( 2 ) 激光发射与接收望远镜 美国在激光反卫实验中使用了空军的1 ．5 m 望远镜( 带 A O ) 和陆军的1 ．5 m 海石定向器( 不带A O ) 但美空军在9 0 年代中后期建成了带A O 的3 ，5 m 和3 ．6 7 m 的大型望远镜，分 别安装在空军的星火光学靶场和毛伊空间监视站，这大大提升 了激光大气传输和成像的能力这两台带自适应光学的望远镜 与高能激光器寿| = l 配就具有反卫能力。

毛伊空间监视系统是目前 世界上最大的光学卫星跟踪望远镜，它能精确跟踪在轨卫 星，是美国监视空间目标的重要设施 图1 在低地球轨道上测得的光强分布 具有9 4 1 个单元A O 的3 ．5 m 望远镜是空军战略光学研究计划最重要的装置，它具有G B L 反卫 所需的光束控制和大气补偿能力空军正在用这台望远镜进行综合束控试验，以验证满足G B L 反卫 武器的光束控制和大气补偿系统的可行性和综合能力初步的结果表明，即使是在采用目标作为信 标带来误差的情况下，补偿后的光强( 图1 左) 也比未补偿的光强( 图l 右) 高1 0 倍1 7 1 ( 3 ) 跟踪照明激光器和钠信标照明激光器 在卫星跟踪中除了被动跟踪( 粗跟踪) 外，还需要主动跟踪( 精跟踪) ，用中等功率的照明激光 器对卫星进行泛光照明2 0 0 2 年已研制出k W 级的二极管泵浦Y b ：Y A G 激光器，重复频率达5 k H z ， 电．光效率1 2 f 3 ％目前正在研制战略照明激光器，它是具有优良束质的4 k W 级二极管泵浦同体激光 器，其性能将大大超过现有的k W 级跟踪照明激光器【B 】 G B L 的大气补偿系统除A O 外，还需一个人造信标探测系统，将大气畸变的信息带回地面进行 校正补偿。

G B L 利用的是9 5 k m 高大气层中钠原子的后向散射带回大气畸变信息，这就需一个工作 于一定频率且能激励钠原子的激光器研制信标激光器的难度非常大，因为与天文学相比它要求较 高的空间分辨平【J 较宽的带宽红外天体学的工作，采用1 0 b 2 0 W 的信标激光器就行了，如果要把它 推进到G B L 反卫的可见光波长．就需要2 0 0 w 的平均功率，重复频率l k H z 目前还在研究与开发中 3 ．1 ．3 地基激光的走型空间试验 ( 1 ) 低功率大气补偿实验和中继镜实验 9 0 年代初美国专门发射了两颗卫星．在空间进行G B L 低功率大气补偿实验( L A C E ) 和中继镜 实验( R M E ) ，耗资3 ．1 3 亿美元．为期一年多，用以验证G B L 的跟踪和瞄准，以及A O 补偿大气湍 流的能力[ 9 1 L A C E 卫星高度5 4 7 k m ，地面发射镜直径0 ．6 m ，采用2 4 1 单元的A O 4 W 的氩离子激光经过 6 4 4 1 a n 传输到卫星靶板上，实时测量光束的直径和特性，测量表明A O 对低功率激光的大气畸变实 现了近衍射极限的补偿。

． R M E 卫星高度4 3 5 k m ，将9 W 的N d ：Y A G 激光发射到卫星上的反射镜，光束反射到地面相距4 0 k m 另一地点的测量靶板上，3 ．5 m 的靶扳上有3 9 个小望远镜．用米监测光束的瞄准误差和抖动测量 表明跟瞄精度达到亚微弧度，这也就意味着G B L 能击中1 0 0 0 k m 远处的l m 大小的目标 ( 2 ) 地基激光对成像卫星的易损性实验 1 9 9 7 年1 0 月美国进行了用地面强激光射击卫星的试验，以检验卫星的易损性，试验的靶星是 寿命将至的空军M S T I ·3 卫星该卫星的轨道高度是4 2 0 1 a n ，卫星的关键传感器是2 5 6 x 2 5 6 像元的 锑化铟红外相机试验中M I R A C L 光腔的某些部件损坏，改用功率仅为3 2 m 的低功率照明激光器进 行【”I 试验结果表明锑化镏传感器发生局部严重饱和，这说明侦察卫星的成像传感器极易受到低功 率激光的干扰 ( 3 ) 地基激光集成求控演示试验 激光柬控技术的重大进展己在L A C E 和星火光学靶场进行的演示试验中得到验证，但要从～个 武器级( 3 ．5 m ) 望远镜把补偿后的激光传输到目标的能力尚来得到证明。

这项工作将与2 0 0 1 财年的 空军G B L 计划中的主动跟踪和卫星成像实验同时进行计划在2 0 0。