一架無(wú)人機(jī)悄無(wú)聲息地在美國(guó)新墨西哥州貧瘠的土地上空滑翔——突然，它失去了控制，急速墜落到地面。
波音公司的高能激光移動(dòng)演示系統(tǒng)
“龐賽”號(hào)上的激光武器系統(tǒng)
被ALADIN擊中的汽車
然后，一發(fā)迫擊炮彈從發(fā)射器中射出，劃過(guò)一條高聳的弧線后落向目標(biāo)——結(jié)果卻在半空中爆炸了。
一輛沙土色的大型卡車停在沙漠上，其頂部有一個(gè)立方體裝置在轉(zhuǎn)動(dòng)，正是此裝置發(fā)射出的隱形紅外光束一個(gè)接一個(gè)地摧毀了無(wú)人機(jī)和炮彈。這種“高能激光移動(dòng)演示系統(tǒng)” (簡(jiǎn)稱HEL MD)是航空航天業(yè)巨頭波音公司為美國(guó)陸軍研發(fā)的原型激光武器。在車內(nèi)，波音的電子物理學(xué)工程師斯蒂芬妮·布朗特（Stephanie Blount ）看著筆記本電腦的屏幕，盯著目標(biāo)并用游戲機(jī)手柄調(diào)整激光的發(fā)射方向。她說(shuō)：“這感覺(jué)就像是在打游戲。”
波音公司的高能激光移動(dòng)演示系統(tǒng)
這樣的情景在我們看來(lái)非常自然：激光武器是現(xiàn)代視頻游戲的一個(gè)基本元素，而且，早在第一臺(tái)激光器于1960年問(wèn)世之前的數(shù)十年里，各種射線槍就已經(jīng)遍布于科幻小說(shuō)之中了。不過(guò)，現(xiàn)在這類武器已不再是個(gè)幻想。波音的原型激光武器僅是近年來(lái)美國(guó)和歐洲研發(fā)的多種同類武器中的一個(gè)，這類武器的出現(xiàn)，很大程度上得益于相對(duì)廉價(jià)、便攜且堅(jiān)固耐用的光纖激光器的問(wèn)世。
這些激光武器的輸出功率為數(shù)千瓦，比曾設(shè)想用于美國(guó)“戰(zhàn)略防御計(jì)劃”（又稱星球大戰(zhàn)計(jì)劃）的兆瓦級(jí)激光器低好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。“星球大戰(zhàn)計(jì)劃”是美國(guó)在冷戰(zhàn)期間制訂并最終廢棄了的計(jì)劃，該計(jì)劃打算利用激光武器摧毀攜帶核彈頭的彈道導(dǎo)彈。
雖然現(xiàn)代激光武器的設(shè)計(jì)目標(biāo)沒(méi)那么高遠(yuǎn)，但它很快就要降臨現(xiàn)實(shí)世界了。對(duì)波音系統(tǒng)等激光武器的測(cè)試表明，激光有足夠的力量壓制來(lái)自恐怖組織的威脅，而耗資僅為傳統(tǒng)防御系統(tǒng)的一小部分。布朗特說(shuō)：“要對(duì)付小型迫擊炮或用下水管制成的火箭筒等造價(jià)低廉的武器，這是個(gè)性價(jià)比很高的解決方案。”
例如，2014年底美國(guó)海軍展示的一種叫做LaWS的艦載激光武器系統(tǒng)能夠攻擊恐怖分子和海盜駕駛的那種小型船只。這種實(shí)驗(yàn)性武器現(xiàn)已安裝在美軍駐扎于波斯灣的兩棲運(yùn)輸艦“龐賽”號(hào)（Ponce）上。
“龐賽”號(hào)上的激光武器系統(tǒng)
研發(fā)者提醒，要全面部署激光武器還面臨很多挑戰(zhàn)，包括提升武器的功率，攻克在大霧和多云條件下操縱激光的難題等。但是，防務(wù)和安全領(lǐng)域的專家已經(jīng)開(kāi)始重視激光武器了。新美國(guó)安全中心（CNAS）的先進(jìn)技術(shù)專家保羅·沙勒（Paul Scharre）在今年4月份發(fā)布的激光武器報(bào)告中寫道：“經(jīng)過(guò)將近半個(gè)世紀(jì)的探索，今日的美軍終于即將部署可用于實(shí)際軍事行動(dòng)的定向能武器。”
功率難題
長(zhǎng)久以來(lái)，武器研發(fā)者一直對(duì)激光武器充滿興趣，尤其是在上世紀(jì)八九十年代，美國(guó)星球大戰(zhàn)計(jì)劃正在火熱進(jìn)行之時(shí)。根據(jù)CNAS的報(bào)告，美國(guó)在激光武器研究上的投入在1989年達(dá)到了頂峰，當(dāng)時(shí)政府支出的金額相當(dāng)于2014年的24億美元。自從那時(shí)起，研究經(jīng)費(fèi)雖然不再有那么多，但一直沒(méi)有中斷。然而最初的目標(biāo)，即用激光擊落襲來(lái)的彈道導(dǎo)彈，卻被證明是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。
任何激光武器的原理都是將能量集中到足夠小的一點(diǎn)上，來(lái)加熱并摧毀目標(biāo)——而且要用適合戰(zhàn)場(chǎng)的小型便攜式設(shè)備實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)。這說(shuō)來(lái)容易，做起來(lái)難。例如，1996年美國(guó)空軍啟動(dòng)了“機(jī)載激光武器”（Airborne Laser）項(xiàng)目，打算以此作為空軍協(xié)助防御彈道導(dǎo)彈的一個(gè)手段。由于那時(shí)通過(guò)電力不可能獲得武器所需要的兆瓦級(jí)功率的能量，研發(fā)者們選擇了化學(xué)氧碘激光器（簡(jiǎn)稱COIL），這種激光器的能量可通過(guò)化學(xué)反應(yīng)獲得。但是COIL體積太龐大，只有波音747飛機(jī)才能裝得下，而且沒(méi)給激光器的燃料留多少空間。洛克希德·馬丁空間系統(tǒng)公司（Lockheed Martin Space Systems）為此計(jì)劃提供了光束控制技術(shù)，該公司定向能系統(tǒng)的研究主管保羅·沙特克（Paul Shattuck）說(shuō)：“COIL需要上萬(wàn)磅的遠(yuǎn)程混合裝置和化學(xué)原料。”
另一個(gè)主要問(wèn)題是大氣，美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室的定向能物理學(xué)資深科學(xué)家菲利普·斯普蘭格（Phillip Sprangle）說(shuō)。光束不僅會(huì)被塵埃和天然湍流散射，而且在其路徑上還會(huì)產(chǎn)生“熱暈效應(yīng)”。斯普蘭格解釋道，功率極高的光束傳播時(shí)，“大氣吸收激光，加熱空氣而導(dǎo)致激光發(fā)散”。光束發(fā)散就會(huì)導(dǎo)致激光能量分散。
對(duì)機(jī)載激光武器項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，有個(gè)好消息，至少還是有辦法可以解決這個(gè)問(wèn)題的：即自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，就是類似方法讓天文學(xué)家可以更清楚地觀測(cè)恒星。此技術(shù)采用鏡面自動(dòng)扭曲激光光束，抵消湍流的影響，作用相當(dāng)于矯正眼睛視覺(jué)偏差的眼鏡。沙特克說(shuō)：“當(dāng)激光穿過(guò)大氣時(shí)，光束會(huì)變得整齊起來(lái)，激光到達(dá)目標(biāo)時(shí)將是非常集中的。”
到2010年，自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到足以讓機(jī)載激光武器摧毀飛行中的彈道導(dǎo)彈了。盡管如此，到那時(shí)為止，諸如尺寸等后勤方面的問(wèn)題已經(jīng)使得美國(guó)國(guó)防部基本失去了發(fā)展能量武器的熱情，在2012年初徹底廢棄了機(jī)載激光武器項(xiàng)目。與此同時(shí)，美國(guó)國(guó)防部在高能激光器上的總體支出也在下降，從2007年的9.61億美元降至2014年的3.44億美元。
備受矚目的光纖
盡管如此，資金并未完全撤出。研究重點(diǎn)已經(jīng)轉(zhuǎn)移到光纖激光器，從而以更經(jīng)濟(jì)的方式取得成效。光纖激光器是1963年問(wèn)世的，從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，這種技術(shù)的進(jìn)步幾乎要完全歸功于馬塞諸塞州牛津鎮(zhèn)的IPG Photonics公司。其他的固態(tài)激光器都是采用剛性的晶體棒、晶體板或晶體片來(lái)產(chǎn)生激光，所以體積都相當(dāng)大，而光纖激光器采用的是能夠纏繞成緊湊線圈的纖細(xì)光纖（見(jiàn)“光纖的放大效應(yīng)”）。光纖能夠從激光二極管——跟DVD播放器里用的廉價(jià)激光頭一樣，就是更亮一些——收集光能，然后把光的能量放大，總體上從電能到光能的轉(zhuǎn)化率超過(guò)30%。這樣的效率至少是其他固態(tài)激光器的兩倍，接近COIL等化學(xué)激光器的轉(zhuǎn)化率。另外，由于光纖本身既長(zhǎng)又纖細(xì)，其表面積與體積之比非常大，能夠快速地把廢熱散發(fā)出去，這種能力可以讓激光器擁有很長(zhǎng)的使用壽命，同時(shí)也降低了維護(hù)需求。
20世紀(jì)90年代，光纖激光器開(kāi)始用于改善海底光纜中的光信號(hào)，以更好地輸送互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。正是在這一時(shí)期，光纖激光器的這些優(yōu)點(diǎn)引起了業(yè)界的關(guān)注。不過(guò)，自21世紀(jì)初期以來(lái)，IPG公司重點(diǎn)開(kāi)發(fā)的是用于焊接、鉆孔和切割的千瓦級(jí)工業(yè)激光器——這類設(shè)備也引起了軍事研究者的關(guān)注。
大約在2010年，沙特克回憶到，他和洛克希德·馬丁公司的同事們收到了一些以色列平民的來(lái)信，這些人正遭受加沙地帶發(fā)射的火箭彈的威脅。他說(shuō)：“一個(gè)村子的村長(zhǎng)站出來(lái)說(shuō)，‘求你們給我們一些保護(hù)自己的辦法。’”這激勵(lì)了洛克希德·馬丁公司研發(fā)“區(qū)域防御反彈藥激光武器系統(tǒng)”（簡(jiǎn)稱ADAM），這個(gè)系統(tǒng)采用了IPG公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)10千瓦激光器以節(jié)約成本。自2012年以來(lái)，洛克希德·馬丁公司已證明ADAM有能力摧毀1.5千米范圍內(nèi)的船只、無(wú)人機(jī)和小口徑火箭彈等目標(biāo)。盡管洛克希德·馬丁公司還不愿意透露ADAM的價(jià)格，或者是否已經(jīng)有人購(gòu)買，但他們表示公司現(xiàn)已準(zhǔn)備好為客戶提供這種系統(tǒng)。
不同于有所保留的洛克希德·馬丁公司，布朗特大方透露了波音HEL MD原型系統(tǒng)的很多信息。這種激光武器系統(tǒng)用的也是商用10千瓦光纖激光器，可從汽車引擎或獨(dú)立的發(fā)動(dòng)機(jī)獲得能量，布朗特說(shuō)：“只要不到兩杯的燃料就能讓激光維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)摧毀多個(gè)目標(biāo)。”用于防御時(shí)，這要比傳統(tǒng)的導(dǎo)彈經(jīng)濟(jì)很多。波音公司定向能系統(tǒng)負(fù)責(zé)人戴維·德楊（David DeYoung）說(shuō)：“一發(fā)便宜的導(dǎo)彈也要10萬(wàn)美元，而且只能用一次。而激光武器系統(tǒng)打一次還用不了10美元”。
布朗特強(qiáng)調(diào)，激光武器的復(fù)興與圖像識(shí)別和瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的進(jìn)步是密不可分的。“瞄準(zhǔn)和追蹤系統(tǒng)越完善，光束就能越有效地打擊目標(biāo)最薄弱的部位。”她說(shuō)。
得益于計(jì)算機(jī)控制的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，HEL MD能夠以全自動(dòng)模式運(yùn)行。波音公司在2014年5月成功測(cè)試了這種模式，不過(guò)，試驗(yàn)揭示了另一個(gè)意想不到的挑戰(zhàn)。激光武器的光束無(wú)聲無(wú)息且不可見(jiàn)；還有，不是所有目標(biāo)被摧毀后都會(huì)爆炸，因此一場(chǎng)自動(dòng)化的戰(zhàn)斗可能在操作人員未察覺(jué)的情況下就結(jié)束了。“戰(zhàn)斗發(fā)生得非常快，除非你24小時(shí)盯著顯示屏，否則根本注意不到，”布朗特說(shuō)，“因此我們?cè)谙到y(tǒng)里增加了聲音，每次激光器開(kāi)火時(shí)都會(huì)播放。我們計(jì)劃用上很多《星際迷航》和《星球大戰(zhàn)》中的聲音片段。”
數(shù)量多，力量大
瞄準(zhǔn)和定位技術(shù)可能已經(jīng)整裝待發(fā)，但能量仍然是個(gè)問(wèn)題。一臺(tái)商用激光器10千瓦的輸出功率已經(jīng)是激光武器的底線，再低就沒(méi)什么用處了。而且，使用光纖會(huì)限制光束的能量和質(zhì)量，原因之一是如果功率過(guò)高，大量光子涌入光纖會(huì)令其迅速加熱，來(lái)不及把熱量散發(fā)出去，因此而毀壞。為避免出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題，研究人員正努力把數(shù)臺(tái)激光器輸出的光束組合起來(lái)。
實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的理想方式可能是“相干合成”，讓每臺(tái)激光器發(fā)出的光波以精確同步的形式一起傳播。麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室的激光科學(xué)家范佐怡（Tso Yee Fan）說(shuō)，相干合成技術(shù)在無(wú)線電和微波技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但在可見(jiàn)光和紅外波段實(shí)現(xiàn)相干合成非常困難。每臺(tái)激光器發(fā)出的光的波長(zhǎng)必須幾乎完全一樣，振動(dòng)平面必須精確對(duì)齊，而且每列波的波峰和波谷也必須重疊。“無(wú)線電或微波的波長(zhǎng)為數(shù)厘米，”范佐怡說(shuō)，“但光學(xué)技術(shù)處理的波長(zhǎng)大約僅有1微米，因此要進(jìn)行這類控制真的非常困難。”
但斯普蘭格表示，這不是什么大問(wèn)題。2006年，他和同事利用計(jì)算機(jī)模擬證明，用數(shù)個(gè)光纖激光器“非相干合成”得到的光束打擊一個(gè)點(diǎn)，效果與相干合成幾乎一樣。他表示，“當(dāng)你穿越大氣湍流，遠(yuǎn)距離發(fā)射激光時(shí)，最終擊中目標(biāo)的光束功率幾乎相同”。2009年，他的團(tuán)隊(duì)用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這個(gè)理論，他們用鏡面把光纖激光器的4條光束匯聚到了3000多米外一個(gè)直徑5厘米的圈圈之內(nèi)。
在斯普蘭格研究成果的基礎(chǔ)上，美國(guó)海軍研究所開(kāi)發(fā)出了30千瓦的LaWS系統(tǒng)。該系統(tǒng)把6臺(tái)商用光纖激光器以非相干的方式組合起來(lái)。2014年9月，LaWS被安裝在“龐塞”號(hào)上，并已在小型船只和無(wú)人機(jī)等目標(biāo)上進(jìn)行了試驗(yàn)。
歐洲導(dǎo)彈集團(tuán)（MBDA）德國(guó)分公司也研發(fā)出一種類似的方法。2012年10月，該公司用其40千瓦合成光纖激光系統(tǒng)成功摧毀了大約在2000米外飛行的模型炮彈。MBDA的試驗(yàn)還打破了科幻作品中用反射裝甲防御激光武器的幻想。他們發(fā)現(xiàn)，鏡面上的塵埃會(huì)燃燒起來(lái)，導(dǎo)致目標(biāo)被摧毀，過(guò)程甚至比非反射性表面還快。
MBDA未來(lái)武器系統(tǒng)主管馬庫(kù)斯·馬丁施泰特（Markus Martinstetter）堅(jiān)持認(rèn)為，在試圖擊落目標(biāo)時(shí)，高精度瞄準(zhǔn)可以最大程度減小無(wú)關(guān)人員意外受傷的幾率，與傳統(tǒng)炸藥相比尤其是這樣。“沒(méi)有彈片四濺的危險(xiǎn)，而且我們僅在準(zhǔn)確瞄準(zhǔn)目標(biāo)時(shí)才會(huì)開(kāi)啟激光。”他說(shuō)。
洛克希德·馬丁公司也在致力于開(kāi)發(fā)可以攻擊更復(fù)雜、距離更遠(yuǎn)的目標(biāo)的激光武器，他們的廉價(jià)ADAM系統(tǒng)對(duì)付不了這類目標(biāo)。例如，今年3月，該公司報(bào)告其“先進(jìn)測(cè)試高能量武器系統(tǒng)”（ATHENA）能夠成功摧毀安裝在測(cè)試平臺(tái)上的小型卡車的引擎。ATHENA系統(tǒng)采用了類似機(jī)載激光武器系統(tǒng)的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，以及該公司“加速激光演示行動(dòng)”（ALADIN）中的光纖激光系統(tǒng)。
被ALADIN擊中的汽車
ALADIN將幾個(gè)光纖激光器輸出的光束組合起來(lái)，得到一束功率30千瓦的激光，每個(gè)光纖激光器波長(zhǎng)都稍有不同。此“波長(zhǎng)光束合成”方法是林肯實(shí)驗(yàn)室原創(chuàng)的，與把互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳入光纜的方法類似。范佐怡注意到，這種方法比相干合成更簡(jiǎn)單，比非相干合成的光束質(zhì)量更好，因此更擅長(zhǎng)擊中距離更遠(yuǎn)、體積更小的目標(biāo)。
賈森·埃利斯（Jason Ellis）是CNAS的訪問(wèn)學(xué)者，也是這家智庫(kù)激光武器報(bào)告的主要撰寫者。他表示，這樣的研究成果使他確信，光纖激光武器技術(shù)即將發(fā)展成熟，不斷涌現(xiàn)的技術(shù)進(jìn)步可以讓激光武器的功率達(dá)到數(shù)百千瓦，并將攻擊范圍擴(kuò)大到數(shù)百千米。
盡管有這么多進(jìn)展，2014年2月，美國(guó)國(guó)家安全專家的一次投票顯示，僅有五分之一的專家認(rèn)為，定向能武器技術(shù)將在10年內(nèi)發(fā)展成熟。
邁克爾·卡特（Michael Carter）是美國(guó)勞倫斯·利福摩爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室光子科學(xué)方向的一名項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，他提醒說(shuō)，今天的激光武器與科幻小說(shuō)中的相去甚遠(yuǎn)。“它們還不是《星際迷航》里的光炮，”他說(shuō)，“人們談?wù)摴馑俚膽?zhàn)斗，但是摧毀目標(biāo)還是要花費(fèi)時(shí)間的。最基本的，如果你看不見(jiàn)目標(biāo)——雨太大或霧太濃，你的激光器就打不中它們。”他認(rèn)為，當(dāng)前階段演示系統(tǒng)的最大價(jià)值可能在于，在更好的激光武器出現(xiàn)之前找出處理諸多挑戰(zhàn)的方法。“不要把‘龐塞’號(hào)上裝的激光器誤當(dāng)成是新的戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)，”卡特提醒道，“這或許是沿這個(gè)方向邁出的第一步，但游戲本身不會(huì)改變”。
甚至軍火公司自己也知道不要過(guò)分樂(lè)觀。例如，MBDA公司預(yù)測(cè)，真正可用于實(shí)戰(zhàn)的激光武器系統(tǒng)即使是數(shù)十千瓦量級(jí)的，也還要3~5年后才能問(wèn)世。而且在某些情況下，例如大霧天氣，傳統(tǒng)武器總是會(huì)更為有效。“你只需要為未來(lái)的防衛(wèi)者提供這兩種武器，將選擇權(quán)交到他們手上，”德楊建議道。
盡管光纖激光武器目前能力有限，但沙勒相信，在未來(lái)5~10年，它們將在美國(guó)國(guó)防力量中占據(jù)一席之地。“它們可能不會(huì)像《星球大戰(zhàn)》中的那樣規(guī)模宏大并具有戰(zhàn)略意義，但它們能拯救生命，保衛(wèi)美軍基地、船只和人員的安全。”他說(shuō)。
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