引言 

    氣動(dòng)CO2激光器自1966年提出以來(lái)，一直受到極大的關(guān)注。由于激光技術(shù)中氣動(dòng)技術(shù)的引進(jìn)，為提高激光器的功率和效率開(kāi)辟了廣闊前景[2]。該激光器系統(tǒng)無(wú)化學(xué)毒害和污染，制作簡(jiǎn)便，其發(fā)射的波長(zhǎng)為10.6um正處于大氣窗口，可輸出連續(xù)波高功率激光等突出特點(diǎn)，在激光武器的發(fā)展中占有極其重要的地位[1]。 

    激光武器作為一種新概念武器，與傳統(tǒng)常規(guī)武器相比，以其速度快，方向性好，能量密度高，作戰(zhàn)耗費(fèi)比高等優(yōu)點(diǎn)，成為新世紀(jì)武器中的新寵。本文主要介紹美、法、徳、俄在利用氣動(dòng)CO2激光器研制的激光武器，綜述目前氣動(dòng)CO2激光武器的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。 

    1.美國(guó)研制的氣動(dòng)CO2激光武器 

    第一代高能激光器于60年代后期出現(xiàn)不久，發(fā)展激光武器的努力就拉開(kāi)序幕。最早得高能激光器是1968年發(fā)明的CO2激光器。70年代早期，美國(guó)三軍相繼開(kāi)始研究高能激光對(duì)有關(guān)軍事目標(biāo)得破壞作用。 

    高能激光武器最初的原型機(jī)之一是美國(guó)空軍于70年代中期研制得MTU裝置，所用得是一臺(tái)30KW的電激勵(lì)氣動(dòng)CO2激光器。1975年，在美國(guó)阿拉巴馬（Alabama）州的紅石兵工廠(Redstone Arsenal)用MTU截?fù)粲幸戆袠?biāo)和直升機(jī)靶機(jī)的試驗(yàn)獲得成功，但沒(méi)有公布結(jié)果數(shù)據(jù)。 

    經(jīng)過(guò)幾年前期研究和論證后，美國(guó)海軍于1971年啟動(dòng)“高能激光”計(jì)劃，開(kāi)始正式研制高能激光武器。當(dāng)時(shí)面臨的兩項(xiàng)主要任務(wù)是開(kāi)發(fā)高能激光器和光束定向器，這是組成高能激光武器的兩大硬件。高能激光器是高能激光武器的核心部件，它能否提供輸出功率足夠高的激光，很大程度上決定了能否有效地對(duì)目標(biāo)造成硬殺傷。美國(guó)海軍研究認(rèn)為，要想在戰(zhàn)術(shù)距離上擊毀反艦導(dǎo)彈，高能激光器的輸出功率需要達(dá)到兆瓦級(jí)(事實(shí)上，這也是美國(guó)海軍后來(lái)對(duì)高能激光器的選擇標(biāo)準(zhǔn))。眾所周知，70年代初激光技術(shù)尚未得到充分發(fā)展，在有限的幾種激光器中，波長(zhǎng)為10.6微米的氣動(dòng)CO2激光器在技術(shù)上最為成熟，雖然其輸出功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到兆瓦級(jí)，但長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看有此潛力。于是，美國(guó)海軍選擇氣動(dòng)CO2激光器作為高能激光器。1971年末，海軍研究人員曾利用氣動(dòng)CO2激光器點(diǎn)燃了3.2千米外的木板[3]。正當(dāng)“高能激光”計(jì)劃有條不紊鋪開(kāi)之際，TRW公司卻在1973年指出，氟化氘在化學(xué)激光器在功率潛力上絕不遜于氣動(dòng)CO2激光器，而且前者發(fā)射的3.8微米激光在深海環(huán)境中的傳輸性能遠(yuǎn)優(yōu)于后者的10.6微米激光，因此更適合艦載應(yīng)用。我們知道，激光在大氣中傳輸時(shí)會(huì)受到大氣效應(yīng)的影響，導(dǎo)致能量損失，降低對(duì)目標(biāo)的破壞效果，而且影響程度與激光波長(zhǎng)有關(guān)。美國(guó)海軍考慮再三，最終決定停止對(duì)氣動(dòng)CO2激光器的研究。 

    1972年美國(guó)開(kāi)始機(jī)載激光實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃，1981年，美國(guó)空軍將一臺(tái)400kw氣動(dòng)CO2激光器安裝在被稱為機(jī)載激光實(shí)驗(yàn)室的波音NKC－135運(yùn)輸機(jī)上，進(jìn)行飛行試驗(yàn)共約770小時(shí)，試圖攔截AIM—9L型側(cè)風(fēng)式空對(duì)空導(dǎo)彈，但未能獲得成功。此后試驗(yàn)在秘密情況下繼續(xù)進(jìn)行，并與1983年5月在美國(guó)加州的中國(guó)湖海軍武器中心擊落大量側(cè)風(fēng)式導(dǎo)彈。同年9月?lián)袈銪QM-34A亞音速靶機(jī)，激光燒穿了靶機(jī)外殼，破壞了關(guān)鍵部件，引起飛機(jī)控制失靈。機(jī)載激光器實(shí)驗(yàn)計(jì)劃中的氣動(dòng)CO2激光器采用甲烷與氧混合氣體作為點(diǎn)火氣體，然后送人一氧化碳(CO)和一氧化二氮進(jìn)行燃燒。對(duì)燃燒生成氣體再吹入甲烷、氧和氮，最終的氣體成分為二氧化碳14%,氮85%、水蒸氣1%。該氣體的壓力為5.56Mpa,溫度為1630℃該高溫高壓燃?xì)庖訫a＝6的速度從170個(gè)并列噴嘴噴出，形成氮分子能級(jí)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。該能作為激光射出。在光學(xué)窗口不用玻璃，而是用噴射氮?dú)馀c外界隔絕。氣體高能激光器的排氣系統(tǒng)設(shè)在飛機(jī)機(jī)體下面，排出氣體的溫度仍有870K和lOlPa的壓力，可產(chǎn)生18kW的推力，約為激光效率的4%.該激光器的功率為456kW，從飛機(jī)前端炮塔射出的激光束功率為380kW[4]。機(jī)載激光器實(shí)驗(yàn)計(jì)劃于1984年結(jié)束，據(jù)說(shuō)共耗資約3 210萬(wàn)美元。試驗(yàn)的成功從原理上證明，用機(jī)載高能激光武器可以摧毀空對(duì)空和地對(duì)空導(dǎo)彈。但需要指出的是，該激光器完全充滿一架4發(fā)動(dòng)機(jī)大型運(yùn)輸機(jī)，而不能作為一附加裝備安裝在小型飛行器上，這給武器系統(tǒng)的運(yùn)輸和使用都帶來(lái)很大問(wèn)題，而更重要的是，龐大的體積難以避免對(duì)方導(dǎo)彈的攻擊。1988年8月，美國(guó)空軍武器實(shí)驗(yàn)室（AFWL）建造成功58千瓦氧碘化學(xué)激光器(COIL )。同時(shí)，美國(guó)物理學(xué)會(huì)研究認(rèn)為，COIL的輸出功率達(dá)到100兆瓦在理論上是可行的，而這是氣動(dòng)CO2激光器無(wú)論如何也做不到的。因此，美國(guó)空軍決定以氧碘化學(xué)激光器代替氣動(dòng)CO2激光器，以增大機(jī)載激光武器的作戰(zhàn)距離，改進(jìn)作戰(zhàn)適應(yīng)性。 

    2.法國(guó)的LATEX計(jì)劃 

    法國(guó)從70年代初期開(kāi)始研制反導(dǎo)彈戰(zhàn)術(shù)激光武器。1984年開(kāi)始實(shí)施LATEX計(jì)劃；研究帶瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的改進(jìn)型氣動(dòng)CO2激光器。LATEX計(jì)劃自1987年至1990年已完成5000多次射擊試驗(yàn)，其中一次激光擊毀了700m遠(yuǎn)處一枚導(dǎo)彈的紅外整流罩和一塊模擬飛機(jī)外殼的金屬板。 

    計(jì)劃1991年在法國(guó)西南部先用新型小功率（1KW）氣動(dòng)激光器做射擊試驗(yàn)，然后用中功率（40KW）激光器做射擊試驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用固定目標(biāo)、低速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)（50km/h）和高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)（可高達(dá)250m/s）三種目標(biāo)，以確定是否可用激光束瞄準(zhǔn)和在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)上聚焦。LATEX計(jì)劃以40KW氣動(dòng)激光器為光源，輸出光束直徑為800mm，采用1m直徑的望遠(yuǎn)鏡和SFIM單軸活動(dòng)炮塔（角加速度為1rad/s2）。其中望遠(yuǎn)鏡由一個(gè)非球面初級(jí)反光鏡和一個(gè)三軸（方位、高度、聚焦）微調(diào)次級(jí)反光鏡組成。為了補(bǔ)償大氣紊流，還研制一種自適用光學(xué)系統(tǒng)。該氣動(dòng)CO2激光器用1m3的氣柜供氣，用40kw電弧進(jìn)行電激勵(lì)，可在10秒內(nèi)提供超過(guò)1.2MW的功率，連續(xù)輸出功率為40kw，輸出波長(zhǎng)為10um，能夠保證在15～20秒內(nèi)連續(xù)射擊并擊毀目標(biāo)。精確的光束瞄準(zhǔn)和控制過(guò)程是由聚焦激光束根據(jù)紅外探測(cè)器對(duì)目標(biāo)的探測(cè)結(jié)果，在很短時(shí)間內(nèi)完成的。在700m范圍內(nèi)，可產(chǎn)生直徑為20mm的熱點(diǎn)，如果不考慮目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度，要求瞄準(zhǔn)精度為10rad。在試驗(yàn)中碰到的另一主要問(wèn)題是如何補(bǔ)償大氣紊流的影響。光路上的熱效應(yīng)往往會(huì)引起光束折射率的變化，并產(chǎn)生發(fā)散，以至抵消聚焦效應(yīng)。為了解決大氣紊流問(wèn)題，LATEX計(jì)劃采用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，將40個(gè)壓電微電機(jī)裝入光學(xué)系統(tǒng)，使其表面位移幾微米。從而可提供聚焦透鏡，通過(guò)目標(biāo)的熱反射分析計(jì)算之后，可用該透鏡波前的相位偏差補(bǔ)償任何效應(yīng)。

    自從1972年以來(lái)，法國(guó)在激光武器研究方面已經(jīng)耗資6～7億法郎，其中因?qū)嵤㎜ATEX計(jì)劃，僅1984～1990年就耗資3億法郎。其他類型激光武器也在發(fā)展[5]。 

    3.德國(guó)HELEX計(jì)劃 

    德國(guó)MBB和DIEHL公司自70年代初就開(kāi)始研究防空激光武器方案，采用平均輸出功率1MW或幾MW的氣動(dòng)CO2激光器。這種激光武器系統(tǒng)重約20噸，安裝在“豹－Ⅱ”坦克底座上，一般由2個(gè)人操縱即可。一個(gè)長(zhǎng)約11.5m的升降臂，可將發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)升至高處，以減少地面稠密大氣或戰(zhàn)場(chǎng)灰塵影響。樣機(jī)如圖1。根據(jù)設(shè)計(jì)，每秒射擊一次（成本約300美元）。發(fā)射出的強(qiáng)光束可破壞10km內(nèi)的來(lái)襲飛機(jī)、直升機(jī)、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈等，并可致盲20km或更遠(yuǎn)的光電傳感器[6]。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

    該武器系統(tǒng)的主要戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)如下：（1）對(duì)光學(xué)傳感器殺傷距離大于20km；（2）對(duì)飛機(jī)、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈殼體的殺傷距離5～10km；（3）激光器的輸出功率為1×106W;(4)使用至少由19個(gè)組元構(gòu)成的自適應(yīng)控制組合式光學(xué)鏡來(lái)改善光束質(zhì)量；（5）用碳纖維材料制造的大型發(fā)生望遠(yuǎn)鏡的直徑為1.5m；（6）氣動(dòng)激光器的噴管列陣的總面積為長(zhǎng)2m寬0.5m的矩柜，激光器工作時(shí)需要對(duì)噴管列陣進(jìn)行冷卻，以保證激光器能連續(xù)工作較長(zhǎng)的時(shí)間；（7）可折疊的升降臂長(zhǎng)11.5m，使用它能將光學(xué)平臺(tái)升起豎立在坦克車頂上，也能將平臺(tái)撤回放在坦克車的背上；（8）激光器所用的燃料，加注一次以后，可供發(fā)射60次激光，用以攻擊目標(biāo)；（9）整個(gè)裝置裝在“豹－Ⅱ”坦克底座上，總重量20噸[7]。 

    4.俄羅斯的氣動(dòng)CO2激光武器 

    前蘇聯(lián)于60年代中期開(kāi)始發(fā)展高能激光器，激光武器實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家和工程師不少于1萬(wàn)人，研究氣動(dòng)激光器、電激勵(lì)激光器和化學(xué)激光器及其在軍事上的應(yīng)用，優(yōu)先發(fā)展CO2激光器。俄羅斯已具有萬(wàn)瓦級(jí)以上氣動(dòng)CO2激光器，由列寧格勒葉夫列莫夫電物理所激光中心為主進(jìn)行研制和生產(chǎn)。功率分50～100萬(wàn)瓦、3萬(wàn)瓦和1.5萬(wàn)瓦三種，通過(guò)用氣體放電激發(fā)放出二氧化碳制得[8]。 

    5.結(jié)束語(yǔ) 

    雖然，氣動(dòng)CO2激光器因能量轉(zhuǎn)換效率低、體積大、光束質(zhì)量較差等原因，競(jìng)爭(zhēng)力似乎不如化學(xué)激光器。但是氣動(dòng)CO2激光器技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出功率高，已達(dá)數(shù)百萬(wàn)瓦級(jí)，而且不存在化學(xué)腐蝕問(wèn)題。因此，作為戰(zhàn)區(qū)反導(dǎo)彈激光武器和戰(zhàn)術(shù)激光防空武器，高能氣動(dòng)CO2激光器仍然是重要的選用激光器。

    為了使高能氣動(dòng)CO2激光器在各個(gè)領(lǐng)域里，特別是在軍事上得到應(yīng)用，必須要進(jìn)一步提高器件的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率，縮小體積，減輕重量，提高可靠性。高能氣動(dòng)CO2激光器技術(shù)必將進(jìn)一步發(fā)展。