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摘要：机载激光武器具有光速攻击、效费比高、无限弹舱、机动灵活等诸多优点，在反导、对地攻击、载机自卫等方面具有重要的应用价值。发达国家早在上世纪七十年代就开展了相关项目研究。本文对多个先进机载激光武器项目进行介绍，并对未来发展进行了展望。
关键词：机载激光武器;激光器;气动光学
1 引言
激光武器具有光速攻击、效费比高、无限弹舱等诸多优点，得到了发达军事大国的青睐。进一步将激光武器系统集成到机载平台后，极大扩展了作战范围，并且可以避免地面附近稠密大气对于激光传输的影响。
早在上世纪七十年代，发达国家就在NKC-135平台上开始了激光武器系统的飞行实验，验证了一系列关键技术[1， 2]。上世纪九十年代起在波音747-400F的基础上研制了用于上升段反弹道导弹的机载激光武器系统[3-5]。本世纪以来，一方面开展了对地攻击、战机自卫以及基于无人机平台的反弹道导弹机载激光武器系统研究[6-8]。一方面也在公务机平台上继续开展气动光学等支撑技术研究[3]。本文将对上述典型机载激光武器系统进行简要介绍。
2 主要机载激光武器项目
2.1 机载激光实验室项目
发达国家的機载激光武器研究始于上世纪70年代的机载激光实验室（Airborne Laser Laboratory，ALL）项目。ALL的主要目标是验证激光武器能够集成到飞机平台上，并且可以在真实作战场景中应对多种威胁，具体包含本机自卫以及为飞机和舰队提供防空两项任务[1]。ALL于1972年确定采用一架NKC-135试验机进行改装。ALL机身内集成了输出功率为500kW级气动CO2激光器（波长为10.6μm），机背上安装了捕获跟踪瞄准系统的炮塔。为了抑制气动光学效应对于激光传输的影响，ALL的炮塔及其后方整流罩做了特殊设计和改装，并开展了大量的风洞实验和飞行测试。
ALL于1975年1月首次开始飞行试验，共分为三个阶段。第一阶段中测试了捕获跟踪瞄准真实目标的能力，结果表明ALL具备了项目需要的精度。第二阶段中采用一台低功率CO2激光器代替高能激光器，并完成了其余所有设备的集成。第三阶段开展了高能激光器的集成，根据其特点研制了新的准直系统和激光发射炮塔，并对飞机结构进行了改造。
ALL作为试验系统成功验证了机载激光武器的概念，达到了项目的预期目标。该项目开展的大量气动光学研究工作为后续项目提供了借鉴。然而该项目采用的高能激光器过于庞大，波长过长，而发射口径较小，严重影响了光束长距离传输后的毁伤效果，此外该项目无法移植到战斗机等小型平台上，最终发达国家军方判定该项目不具有实用性，ALL于1984年退役，在1988年5月4日飞往某发达国家空军博物馆收藏[1]。
2.2 机载激光项目
为了应对日益严重的弹道导弹威胁，某发达国家空军于1994年重启了旨在击落处在上升段弹道导弹的机载激光武器项目，命名为“机载激光”（ The airborne laser， ABL ）[3-5]。ABL以输出功率约为1MW的高能化学氧碘激光器（波长1.315μm）作为光源，以一架波音747-400F货机为平台进行改装，型号变更为YAL-1A，。YAL-1A头部原气象雷达位置安装了捕获跟踪瞄准系统口径为1.5m的望远镜。为了容纳化学氧碘激光器，YAL-1A机体结构进行了加强。此外YAL-1A还安装了用于探测导弹尾焰的红外搜索跟踪系统（IRST）、用于目标跟踪的kW级Yb： YAG照明激光器（波长1.030μm）、用于大气传输补偿自适应光学系统的Nd： YAG信标激光器（波长1.064μm）、以及用于导弹测距的CO2激光器（波长10.6μm）[2]。YAL-1A作战时，首先由IRST发现导弹目标并由主动测距系统借助CO2激光器完成目标测距后，随后照明激光器持续照射目标，引导捕获跟踪瞄准系统的激光发射望远镜指向目标，同时信标激光器照射目标，为大气传输补偿自适应光学系统提供大气湍流信息，由变形镜对其引起的像差进行预补偿，最终化学氧碘激光器发射激光束破坏目标[2]。
通过ABL项目在高能化学激光器、光束控制、自适应光学、激光武器系统、先进光学加工等方面取得了显著的进展，在历史上首次采用定向能武器击落弹道导弹。然而由于化学氧碘激光器输出功率未达预期，最终有效作战距离仅有数十公里，战场生存性堪忧。此外该系统过于复杂庞大，消耗的特殊化学燃料补给困难，且项目严重超支，最终在2011年12月被取消。YAL-1A于2012年2月14日完成最后一次飞行，并于2014年9月拆毁。
2.3 先进战术激光项目
为了在城市等环境中精确攻击15km以内的静止或运动地面战术目标并且避免附带损伤，某发达国家在开展ABL项目的同时于2000年12月启动了先进战术激光（Advanced Tactical Laser， ATL）项目。该项目具有强烈的试验性质，最终被认为“缺乏战术价值”，没有得到进一步发展。
需要指出的是，无论是ALL、ABL还是ATL都采用高能化学激光器作为光源。虽然化学激光器具有输出功率大、光束质量高的优点，但是其体积大、重量高，并不适合对体积重量有严格要求的机载平台。近年来随着高能固体和光纤激光器的快速发展，一些发达国家重启了基于AC-130J特种作战飞机平台的电驱动机载激光武器项目，如图1所示[5]。该项目计划在2020年完成地面集成，2021年完成飞机平台集成，2022年完成飞行验证。
图1 基于AC-130J的电驱动机载激光武器系统分解。
2.4 自卫高能激光演示项目
为了赋予战术飞机采用激光拦截来袭导弹的能力，某发达国家于2015年启动了自卫高能激光演示（Self-protect High Energy Laser Demonstrator， SHiELD）项目。与ALL、ABL、ATL等项目不同，SHiELD项目的目标是在战斗机等平台上集成激光武器系统，因此要求激光武器系统足够紧凑且坚固耐用，并且能够在高强度空战条件下工作，选用光纤激光器作为光源。该项目分为3个阶段：第一阶段的目标是完成低功率飞行试验，包含针对非合作运动目标的捕获、跟踪、瞄准、聚焦性能以及抑制气动光学像差的能力;第二阶段的目标是完成高能激光器子系统的研制和验证;第三阶段的目标是针对来袭目标完成系统全功能验证。该项目的地面演示样机于2019年4月23日成功击落了多枚飞行中的导弹[6]，计划将在2021年在战斗机平台上开展飞行试验。 2.5 基于无人机平台的机载激光反导项目
虽然旨在上升段反导的ABL项目因诸多原因下马，但仍將弹道导弹视为重要威胁，并认为机载激光武器是应对弹道导弹的有效手段。近年来高光束质量电驱动激光器输出功率不断攀升，功率重量比不断提高，在无人机平台上搭载激光武器系统进行反导成为可能。发达国家初步开展了相关项目的推进，但是尚未见到详细方案和技术指标的报道。
2.6 机载气动光学实验室项目
激光武器载机高速飞行过程中，光学窗口附近的附面层、湍流、激波等会造成空气密度变化，影响折射率分布，最终在激光传输链路引入像差，通常称之为气动光学效应。气动光学效应会显著降低激光束到靶功率密度，是限制机载激光武器作战效能的重要因素。由于ALL项目采用波长10.6μm的气动CO2激光器作为光源，而且缺乏良好的测量手段，当时给出了“气动光学像差的影响在40000英尺高度可忽略”的错误结论[1]。
进入21世纪以来，机载激光武器系统采用的高能化学或电驱动激光器的波长降低到1μm附近，气动光学效应的影响急剧增大，为此发达国家于2007年开展了机载气动光学实验室（Airborne Aero-Optics Laboratory， AAOL）项目。该项目以塞斯纳Citation Bravo公务机作为载机，其中一架飞机上装载了Nd： YAG激光器，另外一架飞机上安装了通光口径101.6mm的激光接收炮塔。开展实验时两架飞机保持距离50m的编队飞行，激光载机向炮塔载机发射激光用于测量气动光学像差。该项目取得了大量气动光学效应的一手资料，为相关机载激光武器项目提供了有力支撑。目前基于该平台的气动光学研究及验证工作仍在继续开展。
3 总结
近几十年来，发达国家通过多个项目的研究，对机载激光面临的关键问题有了较深入的认识，解决了其中一些关键技术问题，在此基础上不断推进机载激光武器的实用化进程，即将进入实际装备运用阶段。未来机载激光技术必将在航空领域和战场发挥重要作用。
参考文献
[1] Demos T. Kyrazis "Airborne Laser Laboratory departure from Kirtland Air Force Base and a brief history of aero-optics，" Optical Engineering 52（7）， 071403 （2012）.
[2] Steven Lamberson， Harold Schall， Paul Shattuck， “The airborne laser”， Proceedings of SPIE， 6346， 63461M （2007）
[3] Eric J. Jumper， Michael A. Zenk， Stanislav Gordeyev， David Cavalieri， Matthew R. Whiteley， “Airborne Aero-Optics Laboratory”， Optical Engineering 52， 071408 （2013）
[4] “Airborne Laser Photo Album”， http：//www.airborne-laser.com/airborne_laser_photo_album/
[5] Oluyomi Yomi Faminu， “AC-130J Airborne High Energy Laser Demonstration” （会议报告）
[6] Brian Ferguson， “Air Force’s SHiELD shoots down airborne missiles with laser”， https：//www.stripes.com/news/us/air-force-s-shield-shoots-down-airborne-missiles-with-laser-1.579873
作者简介：白吉宾（1983-2-），男，内蒙古呼和浩特市人，蒙古族，现任北京飞机维修工程有限公司（Ameco）西南航线中心维修检验工程师，工程师。研究方向：航空维修安全与质量。
关键词：机载激光武器;激光器;气动光学
1 引言
激光武器具有光速攻击、效费比高、无限弹舱等诸多优点，得到了发达军事大国的青睐。进一步将激光武器系统集成到机载平台后，极大扩展了作战范围，并且可以避免地面附近稠密大气对于激光传输的影响。
早在上世纪七十年代，发达国家就在NKC-135平台上开始了激光武器系统的飞行实验，验证了一系列关键技术[1， 2]。上世纪九十年代起在波音747-400F的基础上研制了用于上升段反弹道导弹的机载激光武器系统[3-5]。本世纪以来，一方面开展了对地攻击、战机自卫以及基于无人机平台的反弹道导弹机载激光武器系统研究[6-8]。一方面也在公务机平台上继续开展气动光学等支撑技术研究[3]。本文将对上述典型机载激光武器系统进行简要介绍。
2 主要机载激光武器项目
2.1 机载激光实验室项目
发达国家的機载激光武器研究始于上世纪70年代的机载激光实验室（Airborne Laser Laboratory，ALL）项目。ALL的主要目标是验证激光武器能够集成到飞机平台上，并且可以在真实作战场景中应对多种威胁，具体包含本机自卫以及为飞机和舰队提供防空两项任务[1]。ALL于1972年确定采用一架NKC-135试验机进行改装。ALL机身内集成了输出功率为500kW级气动CO2激光器（波长为10.6μm），机背上安装了捕获跟踪瞄准系统的炮塔。为了抑制气动光学效应对于激光传输的影响，ALL的炮塔及其后方整流罩做了特殊设计和改装，并开展了大量的风洞实验和飞行测试。
ALL于1975年1月首次开始飞行试验，共分为三个阶段。第一阶段中测试了捕获跟踪瞄准真实目标的能力，结果表明ALL具备了项目需要的精度。第二阶段中采用一台低功率CO2激光器代替高能激光器，并完成了其余所有设备的集成。第三阶段开展了高能激光器的集成，根据其特点研制了新的准直系统和激光发射炮塔，并对飞机结构进行了改造。
ALL作为试验系统成功验证了机载激光武器的概念，达到了项目的预期目标。该项目开展的大量气动光学研究工作为后续项目提供了借鉴。然而该项目采用的高能激光器过于庞大，波长过长，而发射口径较小，严重影响了光束长距离传输后的毁伤效果，此外该项目无法移植到战斗机等小型平台上，最终发达国家军方判定该项目不具有实用性，ALL于1984年退役，在1988年5月4日飞往某发达国家空军博物馆收藏[1]。
2.2 机载激光项目
为了应对日益严重的弹道导弹威胁，某发达国家空军于1994年重启了旨在击落处在上升段弹道导弹的机载激光武器项目，命名为“机载激光”（ The airborne laser， ABL ）[3-5]。ABL以输出功率约为1MW的高能化学氧碘激光器（波长1.315μm）作为光源，以一架波音747-400F货机为平台进行改装，型号变更为YAL-1A，。YAL-1A头部原气象雷达位置安装了捕获跟踪瞄准系统口径为1.5m的望远镜。为了容纳化学氧碘激光器，YAL-1A机体结构进行了加强。此外YAL-1A还安装了用于探测导弹尾焰的红外搜索跟踪系统（IRST）、用于目标跟踪的kW级Yb： YAG照明激光器（波长1.030μm）、用于大气传输补偿自适应光学系统的Nd： YAG信标激光器（波长1.064μm）、以及用于导弹测距的CO2激光器（波长10.6μm）[2]。YAL-1A作战时，首先由IRST发现导弹目标并由主动测距系统借助CO2激光器完成目标测距后，随后照明激光器持续照射目标，引导捕获跟踪瞄准系统的激光发射望远镜指向目标，同时信标激光器照射目标，为大气传输补偿自适应光学系统提供大气湍流信息，由变形镜对其引起的像差进行预补偿，最终化学氧碘激光器发射激光束破坏目标[2]。
通过ABL项目在高能化学激光器、光束控制、自适应光学、激光武器系统、先进光学加工等方面取得了显著的进展，在历史上首次采用定向能武器击落弹道导弹。然而由于化学氧碘激光器输出功率未达预期，最终有效作战距离仅有数十公里，战场生存性堪忧。此外该系统过于复杂庞大，消耗的特殊化学燃料补给困难，且项目严重超支，最终在2011年12月被取消。YAL-1A于2012年2月14日完成最后一次飞行，并于2014年9月拆毁。
2.3 先进战术激光项目
为了在城市等环境中精确攻击15km以内的静止或运动地面战术目标并且避免附带损伤，某发达国家在开展ABL项目的同时于2000年12月启动了先进战术激光（Advanced Tactical Laser， ATL）项目。该项目具有强烈的试验性质，最终被认为“缺乏战术价值”，没有得到进一步发展。
需要指出的是，无论是ALL、ABL还是ATL都采用高能化学激光器作为光源。虽然化学激光器具有输出功率大、光束质量高的优点，但是其体积大、重量高，并不适合对体积重量有严格要求的机载平台。近年来随着高能固体和光纤激光器的快速发展，一些发达国家重启了基于AC-130J特种作战飞机平台的电驱动机载激光武器项目，如图1所示[5]。该项目计划在2020年完成地面集成，2021年完成飞机平台集成，2022年完成飞行验证。
图1 基于AC-130J的电驱动机载激光武器系统分解。
2.4 自卫高能激光演示项目
为了赋予战术飞机采用激光拦截来袭导弹的能力，某发达国家于2015年启动了自卫高能激光演示（Self-protect High Energy Laser Demonstrator， SHiELD）项目。与ALL、ABL、ATL等项目不同，SHiELD项目的目标是在战斗机等平台上集成激光武器系统，因此要求激光武器系统足够紧凑且坚固耐用，并且能够在高强度空战条件下工作，选用光纤激光器作为光源。该项目分为3个阶段：第一阶段的目标是完成低功率飞行试验，包含针对非合作运动目标的捕获、跟踪、瞄准、聚焦性能以及抑制气动光学像差的能力;第二阶段的目标是完成高能激光器子系统的研制和验证;第三阶段的目标是针对来袭目标完成系统全功能验证。该项目的地面演示样机于2019年4月23日成功击落了多枚飞行中的导弹[6]，计划将在2021年在战斗机平台上开展飞行试验。 2.5 基于无人机平台的机载激光反导项目
虽然旨在上升段反导的ABL项目因诸多原因下马，但仍將弹道导弹视为重要威胁，并认为机载激光武器是应对弹道导弹的有效手段。近年来高光束质量电驱动激光器输出功率不断攀升，功率重量比不断提高，在无人机平台上搭载激光武器系统进行反导成为可能。发达国家初步开展了相关项目的推进，但是尚未见到详细方案和技术指标的报道。
2.6 机载气动光学实验室项目
激光武器载机高速飞行过程中，光学窗口附近的附面层、湍流、激波等会造成空气密度变化，影响折射率分布，最终在激光传输链路引入像差，通常称之为气动光学效应。气动光学效应会显著降低激光束到靶功率密度，是限制机载激光武器作战效能的重要因素。由于ALL项目采用波长10.6μm的气动CO2激光器作为光源，而且缺乏良好的测量手段，当时给出了“气动光学像差的影响在40000英尺高度可忽略”的错误结论[1]。
进入21世纪以来，机载激光武器系统采用的高能化学或电驱动激光器的波长降低到1μm附近，气动光学效应的影响急剧增大，为此发达国家于2007年开展了机载气动光学实验室（Airborne Aero-Optics Laboratory， AAOL）项目。该项目以塞斯纳Citation Bravo公务机作为载机，其中一架飞机上装载了Nd： YAG激光器，另外一架飞机上安装了通光口径101.6mm的激光接收炮塔。开展实验时两架飞机保持距离50m的编队飞行，激光载机向炮塔载机发射激光用于测量气动光学像差。该项目取得了大量气动光学效应的一手资料，为相关机载激光武器项目提供了有力支撑。目前基于该平台的气动光学研究及验证工作仍在继续开展。
3 总结
近几十年来，发达国家通过多个项目的研究，对机载激光面临的关键问题有了较深入的认识，解决了其中一些关键技术问题，在此基础上不断推进机载激光武器的实用化进程，即将进入实际装备运用阶段。未来机载激光技术必将在航空领域和战场发挥重要作用。
参考文献
[1] Demos T. Kyrazis "Airborne Laser Laboratory departure from Kirtland Air Force Base and a brief history of aero-optics，" Optical Engineering 52（7）， 071403 （2012）.
[2] Steven Lamberson， Harold Schall， Paul Shattuck， “The airborne laser”， Proceedings of SPIE， 6346， 63461M （2007）
[3] Eric J. Jumper， Michael A. Zenk， Stanislav Gordeyev， David Cavalieri， Matthew R. Whiteley， “Airborne Aero-Optics Laboratory”， Optical Engineering 52， 071408 （2013）
[4] “Airborne Laser Photo Album”， http：//www.airborne-laser.com/airborne_laser_photo_album/
[5] Oluyomi Yomi Faminu， “AC-130J Airborne High Energy Laser Demonstration” （会议报告）
[6] Brian Ferguson， “Air Force’s SHiELD shoots down airborne missiles with laser”， https：//www.stripes.com/news/us/air-force-s-shield-shoots-down-airborne-missiles-with-laser-1.579873
作者简介：白吉宾（1983-2-），男，内蒙古呼和浩特市人，蒙古族，现任北京飞机维修工程有限公司（Ameco）西南航线中心维修检验工程师，工程师。研究方向：航空维修安全与质量。