未来40年美国防部定向能技术展望

  本文编译自美国空军研究实验室2021年6月发布的题为《2060年：定向能的未来——未来40年美国防部定向能技术展望》的报告。

  定向能是聚集起来的电磁能集束，与其它军事系统（包括动能武器）配合使用来实现军事目的。定向能武器的具体实践有激光、射频装置、高功率微波、毫米波和粒子束技术，用于达到军事目标，如拒止、削弱、损害、破坏或欺骗。慢慢的变多的国家都意识到定向能武器在各种军事任务中具有的潜力。今天，至少有31个国家拥有定向能武器。当前，定向能武器的重要程度和竞争性持续不断的增加，这就要求制定一项国家战略，确保美国军事定向能能力可保障美国的国家利益和权力。这样一项战略必须包括对定向能武器未来的短期、中期和长期发展观点。本报告介绍了为提供长期愿景来制定这一战略所做三步努力中第一步得出的结果。

  无论是广义上的信息目的，还是狭义上攻防作战的需要，用定向能武器投射力量的能力来自于在射程内制造毁伤效果的能力。例如，激光能够最终靠将材料的温度提高到其熔点以上来将其烧穿孔，或以其它方式损坏材料。射频干扰通过破坏通信来实现信息控制。

  定向能武器造成了所有5个众所周知的“D”--摧毁、破坏、削弱、拒止和欺骗，除此以外还有美国国防部参谋长联席会议词典中确定的其它战略效果。

  通过将材料加热到熔化或其它能造成结构性破坏的温度，定向能武器有可以在材料上烧出洞来的力量，这很适合激光。可以想想焊接机和激光蚀刻机，这两种高能激光设备都是当今工业应用中常见的设备。这些激光设备在全球范围内大量应用。激光在这些应用中发挥了所长，因为将金属等硬质材料加热到熔点应用了物理学中材料最有效地吸收光的频率的原理。这些频率通常在光谱的紫外线、可见光和红外线部分，都适合产生激光。激光也可以非常紧密地聚焦，其实就是将破坏性的能量集中在一个潜在目标上。而且它还有其它独有的特性，例如传播距离远这个特性，我们将在本文件中进一步阐述。

  尽管今天高能激光设备在整个世界范围内大量涌现，但用于军事目的在远距离内制造激光效用的能力仍然有限。今天，出于我们应该进一步做出解释的原因，人们认为高能激光武器在军事上的两个最重要的使用案例是：高空（高于30,000英尺）作战，射手和目标之间的距离可达数百千米；或者地面或海上防御。2

  在2020年，有可能建造出数百千瓦级的激光武器系统，它可以在战术距离上制造破坏性的效果，如果部署它，可以实施某些攻防作战。这里所说的战术距离，我们指的是最多几千米的距离。今天，根据激光能量水平、目标材料的硬度以及武器和目标之间的距离，激光武器可以在战术距离上精确地聚焦到目标上几秒钟（Rehberg and Gunzinger 2018），产生破坏性的效果。激光武器的军事用途已经通过实际测试得到验证，包括用于对空任务，我们在本报告中会强调这方面的重要性。

  从历史上和今天来看，美国、盟国以及全球范围内的潜在对手和敌人都提出过几项有名的高能激光武器系统的概念。高能激光武器概念已经在特定任务领域（如针对小型和相对较软的目标）进行了验证，达到了较高的技术准备水平（TRL）和成熟度。今天，这些激光武器在有军事意义的射程内能造成破坏性和损伤性的效果。

  此外，激光武器技术也在广泛扩散。截至2020年，世界上十大军事强国中至少有九个已经公布了激光武器项目计划。目前还不清楚是否所有这些项目是想要造成材料的机械损伤，还是不太致命的效果。很明显，许多项目是针对无人机系统的。

  有公开发布的土耳其军队用洛克斯坦公司（ROKETSAN）的激光武器系统摧毁小型无人机的视频（Altay,İbrahim, Ed. 2019）。虽然已知的第一个成功的反无人机定向能实验是由美国于1973年在德尔塔项目（Project Delta）下进行的，但报告数据显示，2019年，土耳其军队在利比亚的冲突中使用激光武器摧毁了一架无人机。

  从左上角按顺时针方向：美国海军的激光武器演示系统，部署在美国海军“波特兰”号上；美国空军机载激光器；美国空军高能激光武器系统，2020年9月14日通过认证用于作战；土耳其军队的陆基激光武器。

  从2060年前定向能系统的扩散和军事用途来看，按照保守的预测--假设美国和盟国继续在定向能武器的技术和军事应用方面处于领头羊地位--有理由判断所有主要军事大国也拥有定向能武器。如果是对美国及其盟国最乐观的预测，最高能级激光武器仅限于美国和盟国手中。

  为了了解激光系统未来的技术发展的新趋势，我们一定要研究过去40年激光技术发展背后的驱动力。未来40年的技术发展的新趋势将由军事和商业利益所推动，除此以外还有从以前激光武器项目中吸取到的教训。从大约40年前开始，从使用气体和化学激光架构的美国机载激光计划中吸取的经验与教训是：i)激光器的体积大小会带来作战上的挑战；ii)能够达到兆瓦级的上限功率；iii)光束的控制很重要，要实现高度精确的指向也不是一件容易的事。光束控制面临的挑战包括光在大气潜在湍流中的传播，补偿搭载平台（在这样的一种情况下是飞机）的机械颤动，以及指挥、控制、通信、计算机、情报及监视与侦察(C4ISR)整合。今天，美国空军继续开发机载战术平台上的高能激光器（Insinna 2020）。美国定向能业界从早期项目中吸取这次的教训方面取得了重大进展。目前，美国和盟国的定向能工业使用固态和光纤激光器架构，主要是因为他们吸取了有关激光系统体积大小的教训，也因为光纤和其它固态激光技术的工业发展和商业化。实际上，在过去的40年里，商业发展已经彻底改变了激光技术。固态和光纤方法消除了定向能系统中对大量有毒化学品的需求。此外，光纤激光器能组合起来产生数百千瓦的功率，拥有非常良好的光束质量（Anderson 2015），并且有效载荷的大小、重量和功率（SWAP）证明适合战术需要。

  高能激光技术发展的许多趋势是由全球商业市场的力量推动的。未来的40年里，通信、信息、集成光学，甚至是商业电子等国际行业对固态和光纤激光器架构的投资将高达数万亿美元，其性能无疑将通过工程工艺的一直在改进而继续得以提高。这一些行业在未来40年内对激光技术发展的推动力度，比军事应用更大。幸运的是，军事上的独特需求所驱动的投资有几率会从产业高质量发展获得好处，因此，就算对未来持悲观态度，人们也能轻松地考虑减少大小、重量和功耗，使机载、天基和所有领域的定向能相关任务在2060年之前更加可行。

  保守地说，按照过去40年发展的趋势，未来，固态和光纤激光技术能预计在一秒钟内达到兆瓦级的极高能量功率，足以在2060年将战术射程内的激光交火时间减少到1秒以内。乐观地说，100兆瓦的固态激光系统是可能的。这一技术趋势得到了当前扩大激光功率研究的支持（Sherman 2019），以减少留驻时间和/或增加打击范围。对于激光武器技术来说，这些进展代表了一个拐点，因为它们快速缩短了交战的时间尺度，帮助更好地完成重要任务。

  在2020年飞行测试中的美国空军自防御高能激光演示器（SHiELD）吊舱；（右）未来战斗机上类似自防御高能激光演示器（SHiELD）的先进系统概念图

  一旦制造出足够的激光能量，激光武器的下一个挑战就在于能否透过大气层将激光能量传播到数千米或更远的距离，从而打到射程内的目标。未来40年技术发展的趋势将由解决此类挑战来推动。这一挑战既包括从移动平台上对移动目标进行高精确的跟踪，也包括能够准确和精确地控制光束。今天，激光武器已经强大到足以执行打击软目标的任务，如无人机系统（88th Air Base Wing Public Affairs 2020,Chuter 2019）和反导弹应用的演示（88th Base Wing Public Affairs 2019）。从静止和缓慢移动的平台上的稳定万向节支架上发射光束，达到有数百纳弧度的精确指向，同时能跟踪快速移动的物体（Kwee2007）。目前在大型机载平台上能轻松实现微弧度级精度。在未来，到2060年，乐观预测在快速移动的平台上更高的指向精度可能会接近100纳弧度。

  找出技术挑战的解决方案会推动未来的发展的新趋势。例如，激光能量在大气层传播时，穿透恶劣天气或湍流很有挑战性。湍流导致高能激光器的光束漂移和亮度波动。天气对所有的武器都存在不利影响，但对各种光学和红外传感器构成了很严重的问题，其中许多传感器为武器系统的指挥与控制提供线年的发明可能会证明克服天气影响的能力。有一个例子是，目前重点研究的超短脉冲激光器，它有望能烧穿雾气（Rudenko 2020）。

  今天，用来补偿大气湍流不利影响的技术是自适应光学，它是近40年前发明和发展出来的（Fugate 1991）。复杂的自适应光学系统今天可以补偿中等程度的湍流和大气失真。即使在技术发展最悲观的情况下，光学系统工程的改进也是可以设想的，它能在战术距离上进一步提升向目标投射高达兆瓦级连续波激光能量的效率。到2060年，乐观预测的技术成果是在战术和更远距离内投射千兆瓦或百兆瓦级的激光能量。在大气层中，能级大于几千兆瓦无疑会受到自聚焦效应的影响（Nibbering, et al. 1997）。美国国防部和盟国已经开展了军事用途的研究，并将继续研究以客观地确定与动能和网络武器配合，定向能能力在多大程度上可以对包括天气在内的特定任务和场景制造毁伤。

  一个避免天气和大气传播中问题的简单方法是在地球大气层较薄的高空部署定向能武器。由于这个原因和其它因素，定向能武器在高空的军事应用在未来仍然是重要的概念。

  尽管定向能防御系统的概念经常与科幻小说联系在一起，但事实上，陆基和舰载定向能防御系统在今天对付小型和相对较软的目标来说，就像局部点力量一样有效。机载和天基定向能平台能轻松实现更大范围的区域防御和多点防御，以形成覆盖面更广的导弹保护伞。但是，这些概念需要在2060年前取得重大的技术进步，才能实现所设想的全部能力。

  尽管在能力和具体的功率方面还需要取得重大技术进步，但在最乐观的情况下，在实践中应该能设计出一个与任务相关的作战概念，在跟踪高超声速的导弹时，可能达到纳米弧度的光束控制精度，并有足够快的指挥与控制闭环以及兆瓦级的激光功率（关于这一个概念的更多阅读，见第二（五）节和附录一：小图1和小图3）。到2060年，如果这种概念被证明是可承受和必要的，一支足够大的舰队或高空定向能系统星座就能够给大家提供导弹防御伞，作为分层防御体系的一部分。

  军事力量范围和重点的未来趋势将由新的任务领域驱动。最近，北极地区的竞争变得更激烈和拥挤。因此，俄罗斯海军已经启动了23550项目，建造激光武器来融化冰层，帮他们的破冰船走得更远更快（Yurov2020）。

  最后，本节主要是通过激光武器系统的例子，讨论了历史和现今的发展的新趋势，激光可以造成最直接的效果——在射程内破坏和毁伤——从而投送出军事力量。各种定向能武器都还面临着需要在更远距离上发挥效果的挑战，但是，有军事意义距离内的作战概念已得到了验证。固体激光技术的发展的新趋势被认为是重要的驱动因素，它将在2060年之前扩大定向能武器有效投射范围。

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