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美海军针对定向能武器需求开展“能量库”研究计划

能量系统是装备上涉及能量供给、能量转化、热量排散的系统,一方面保证装备平台及其任务系统的工作及作战效能,另一方面也影响定向能武器等先进技术在装备平台上的集成、应用情况。

美军一直十分重视能量系统技术研究,其空军研究实验室(AFRL)、海军海上系统司令部(NAVSEA)等部门已实施多个相关计划。2019年1月2日,海上系统司令部发布了“多用途舰载能量库”(Multi-ApplicationShipboard Energy Magazine研究计划的信息征求(RFI),旨在开发一种“通用的、模块化、可扩展的中间电力系统,可用于多个任务系统和舰艇型号”,以满足未来定向能武器等先进装备的需求。

美海军“能量库”研究计划信息征求页(美联邦政府“联邦商机”网站图片)

一、研究背景

1. 定向能武器技术快速发展

定向能武器是利用能量束产生杀伤的武器。依据能量载体不同,可分为激光武器、粒子束武器、微波武器等。其中,激光武器利用激光束携带的巨大能量摧毁或杀伤敌方飞机、导弹、卫星和人员等目标,具有速度快、精度高、拦截距离远、火力转移迅速、不受外界电磁波干扰等优点,得到了美俄等国的高度重视。1975年,美国2颗侦察卫星在西伯利亚上空被苏联反卫星陆基激光武器击中;1982年马岛战争,英国航空母舰和护卫舰上曾部署激光武器,使阿根廷多架飞机失控、坠毁。

上世纪80年代起,美国防部推进了化学、气体激光器研发,开发了大型化学激光测试台:中红外高级化学激光(MIRACL)/ “海石”(Sea Lite)光束导向器(SLBD)测试平台。随后启动了机载战术激光(ATL)、机载激光(ABL)、空基激光(SBL)以及战术高能激光(THEL)等项目。然而由于化学能量源具有毒性、系统体积过大等问题,研究方向逐步转向固态激光器(SSL)与自由电子激光器(FEL)。

中红外高级化学激光器与“海石”光束导向器

固态激光器(SSL)以光学透明晶体或玻璃作为基质材料,尺寸和重量较小,便于小型化、模块化设计,因而适用于舰载、机载和地面平台;其缺点在于能量转换效率较低。自由电子激光器(FEL)具有高功率、高效率和短脉冲等一系列优良特性;但其体积较大,且需要大功率电源供电。此外,研究者开发了光纤激光器、液体激光器等激光器技术。

美国诺格公司研制的固体激光器达到了105千瓦输出功率,而100千瓦功率一向被视为武器级高能激光的门槛。

诺格公司研制的高能固体激光器(美国诺格公司图片)

2.美国大力发展定向能武器

美国防部将发展定向能能力纳入国家安全范畴,定向能武器将作为维持美军优势、增强导弹防御以及应对地区冲突的关键手段。美国防部研究与工程副部长格里芬表示,定向能技术是2018年国防战略中提到的高科技能力之一,其中最受关注的是高功率激光器。为应对高超声速武器、无人机机群或小型舰艇群、高机动性巡航导弹和洲际弹道导弹等威胁,美军必须快速战场测试和部署定向能武器。

近年来,美国国会已加大对定向能武器的资金投入,2018年定向能武器峰会中,国会两党联合小组联合700多名成员代表美军及国防工业部门,探讨和概述将定向能武器扩展到实际应用的途径。国会不仅在资金方面有更多支持,同时还确保国防部创建恰当的组织机构进行资金管理和创新。

美陆军太空和导弹防御司令部针对反无人机开展的定向能武器试验

3.能量系统是定向能武器及平台的必要保障

除了本身的技术困难之外,定向能武器还面临着平台集成困难,这一困难主要来源于其对能量系统的特殊要求。

一方面,定向能武器需要平台在短时间内提供超大输入功率。正如美国国防系统信息分析中心(dsiac)指出的,“美军如果希望使用能量作为武器,首先需要有足够的能量。”定向能武器通过平台能量系统提供的输入功率,将电能等能源转换为激光等粒子束,这一过程的效率尚处于较低水平(固态激光器的效率约15%~20%)。为了提供足够的能量,平台的能量系统需要具有大功率输入及转换的能力。

另一方面,在瞬时高功率脉冲下,需要维持能量系统的稳定性,以保证平台及其他系统的正常工作。这对高密度能量储存、分配及稳定性等技术提出了新的要求。

同时,考虑到定向能武器系统能量转换的低效率,以高热流密度散热等技术为主要难点的热管理系统也是保证系统安全运行的必要条件。

空基平台方面,美空军已针对定向能武器等需求实施了多个预研和演示验证计划,包括“飞行器能量综合”计划(INVENT)、“综合动力与热管理”计划等。

舰艇平台方面,美海军海上系统司令部先后提出了下一代综合动力系统(Next Generation Integrated Power System,NGIPS)、海军动力系统(Naval Power System,NPS)和海军动力与能量系统(Naval Power and Energy Systems,NPES)3项技术发展路线图,以指导海军及国防部对舰艇能量系统技术及产品的投资。在路线图的框架下,2019年1月2日,海上系统司令部发布了多用途舰载能量库研究计划的信息征求。

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