人类对于定向能武器的向往有年头了, 早的有中国古代传说中的神兵利器, 更近一点的有工业化时代的英国作家 H.G.威尔斯在"世界大战"中描述的火星人热线武器, "死光"武器在其后的科幻小说里可以说是泛滥成灾. 但是只有到了1958年第一台激光装置成功运转后, "死光"武器才真正有了实现的可能. 从 70 年代初开始, 超级大国的军事科研力量开始严肃地考虑发展实战用激光武器的计划.

1973年美国空军成功地在新墨西哥州以一台二氧化碳激光装置击落了一架遥控靶机, 1976年美国陆军在亚拉巴马州进行了类似的测试, 美国海军当然不甘落后, 于1978年在加州以一台化学激光器击落了一枚"陶"式导弹. 为了进一步探索激光武器的相关技术, 美国空军于1976年启动了"机载激光实验室" ALL 计划, 在一架 KC-135 加油机上安装了一台输出波长为 10.6 微米的气体动态激光器及其支持系统. 气体动态激光系统的燃烧室工作温度为 1900 K, 工作压强是 55 个标准大气压, 反应后的废气以 870 K 温度从左侧机翼翼根下的废气排放口释放出来. 激光系统大量使用耐高温, 化学稳定性高的镍和钛合金, 反应需要的一氧化碳, 一氧化二氮, 液氦, 液氮储存在不锈钢容器里. 另外还有容积可观的水箱, 用来提供反应系统和光学系统需要的冷却水. 激光系统的光学输出功率为 456 千瓦, 维持时间是 8 秒钟, 由于光学系统内部的损耗, 从激光转塔输出的武器功率下降到 380 千瓦, 在 1 公里距离上投射到目标上的能量密度超过每平方厘米 100 瓦. "机载激光实验室"计划运行了 11 年, 在一系列实验中成功击落了 5 枚 AIM-9 导弹和一架遥控靶机.


飞行中的"机载激光实验室", 飞机背部的激光转塔清晰可见.


"机载激光实验室"作为第一架安装高能量激光武器的飞机, 为武器研发人员提供了宝贵的技术经验. 最初对光学系统内部空气中微小尘埃颗粒可能带来的问题估计不足. 高能量红外线激光束击中尘埃颗粒后, 造成尘埃颗粒部分气化. 气化发生在尘埃颗粒受到激光照射的一侧, 产生巨大的推力, 尘埃颗粒于是像微小的高速动能武器冰雹般撞击到光学表面上, 对系统光学表面造成严重的破坏. 光学系统内部的空气因此必须采取无尘化处理. 激光系统和光学系统的热管理的难度也大大超出预期.

另一方面的问题是准确控制系统输出的高能量光束远比想象的要困难得多. 要实现破坏效果, 武器系统必须能精确地将直径与足球相当的光班投射到目标上, 而且受到武器输出功率的限制, 激光束必须在目标上驻留至少数秒方能转移足够达成武器杀伤效果的能量. 搭载激光武器的飞机在飞行过程中不可避免地产生振动, 对稳定地瞄准激光束造成极大的困难, 但这还不是主要的技术障碍.

激光在空气中传播时其路径受到空气密度差异的影响很大. 不同空气团间微小的密度差造成光线的折射, 尽管折射角度很小, 仍然足以产生透镜效果. 当激光武器射击远距离目标, 穿越许多这样的"空气透镜"后, 激光束就会失去聚焦, 丧失武器效果. 另外, 高能量激光武器的光束能量密度很高, 在空气中传播时如果遇到小水滴或高湿度气体团, 能量会被急剧吸收, 造成大气的局部快速升温, 导致所谓"热晕"现象, 反复的"热晕"效应会使激光束的能量很快消散. 对光线屏蔽能力极强的云, 雾, 尘埃等也是激光所无法穿透的.

当激光束排除万难到达目标表面时, 其杀伤效果却未必理想. 激光武器必须选择激光系统能量转换效率高, 输出功率大, 在大气层中吸收率低的工作波长, 但这样的波长不一定能达成最佳的武器效果. "机载激光实验室"的10.6 微米红外线激光投射到光洁的铝合金蒙皮上时, 98% 的能量会被反射掉.



"机载激光实验室"飞机在1988年进了博物馆.


80年代的"星球大战"计划实现了激光武器光学系统性能的重大突破, 激光束长距离穿越空气时失去聚焦的问题通过自适应镜面技术得以解决. 激光武器飞机首先以低能量激光照射目标, 从目标反射回来的激光提供了飞机与目标间大气光学特征的信息, 只要光学系统主镜面能够预先扭曲发射出去的激光束, 使该扭曲效果与大气对光术的扭曲效果正好相反, 两者就可以互相抵消, 保证到达目标时激光束聚焦良好. 自适应镜面的背面排列着许多微小的做动器, 在电脑指令下对镜面或推或拉, 使镜面实现必要的变形, 对激光束进行"预扭曲". 同样的技术为现代化大孔径光学天文望远镜所普遍采用, 所以从一个国家的天文观测技术可以看出其激光武器光学系统的技术水平.

进入90年代后, "星球大战"计划随着苏联的解体而终止, 但相关技术的研发工作并未停止, 同时海湾战争后反战术弹道导弹防御成为美国空军重点攻关的技术领域, 20余年的技术积累使美国空军对高能量激光武器实战化充满信心. 1996 年波音公司率领的团队得到美国空军授予的"机载激光" ABL 计划的合同, 计划的目标是制造能够部署到局部战争战区, 拦截发射助推阶段战术弹道导弹的大型激光武器飞机.

高能量激光武器系统体积庞大, 重量惊人, 只有波音 747 这样的超大型平台才能容纳得下. ABL 系统的原型机选用了波音 747-400F 型货运飞机作为系统平台, 在后机身内携带六台高功率氧碘化学激光 (COIL) 装置, 每台都有一辆大型 SUV 那么大, 重达 3 吨. 激光系统输出波长为 1.315 微米的近红外激光束, 最大输出功率是美国的军事机密, 但是据估计应该在数兆瓦, 比"机载激光实验室"高出一个数量级. 激光束通过贯穿机身的光学通道向前传送, 由一系列复杂的光学控制设备加以聚焦, 最后由飞机最前端的光学转塔将其"预扭曲", 瞄准射向目标. 武器系统的射击扇面为 240 度.

实战中 ABL 将在敌地对空导弹射程外的 12000 米高空盘旋, 其高度灵敏的红外线传感器指向敌方战术弹道导弹可能出现的方向. 发射助推阶段的战术弹道导弹薄皮大馅, 飞行速度较低, 红外信号异常强烈, 是激光武器理想的目标. 液体燃料导弹的脆弱性最大, 因为其很薄的蒙皮下是储存在高压状态下, 易燃易爆的火箭燃料, 而导弹蒙皮在导弹穿过稠密的下层大气, 不断加速的过程中又承受着巨大的机械应力和气动压力, 只要局部蒙皮稍有破损, 导弹就会被它自己的力量撕成碎片, 大家应该还记得"挑战者"号壮观的空中解体吧. 一旦战术弹道导弹穿过云层, 尾焰为 ABL 飞机所捕获, ABL 飞机就将首先使用一套复杂的追踪程序计算出目标的大致轨迹, 而后将激光转塔指向目标, 发射一束低能量激光以获取目标的精确飞行轨迹和飞机与目标间的大气光学特征信息, 该信息被输入自适应镜面的控制系统, 由电脑向主镜面后排列的 341 个做动器发出指令, 根据需要来实现必要的镜面变形. 自适应镜面的调节频率可达每秒 1000 次. 光学系统准备就绪后, 主激光系统启动, 功率达数兆瓦的高能量激光束直奔目标而去, ABL 的光学系统将根据对目标的精确追踪数据不断调节高能量激光束的指向, 使光斑稳定地驻留在目标上, 数秒钟后在高能量激光束照射下的导弹局部蒙皮强度急剧下降, 再也无法承受燃料压力/机械应力/气动压力, 破损变形, 导弹很快四分五裂. 接下来 ABL 转而攻击下一枚导弹, 直到所有导弹被击毁, 或剩余导弹飞出有效射击区, 或激光系统的化学燃料用尽为止. 每次任务中一架 ABL 飞机可击毁 20-40 枚战术弹道导弹, 液体燃料导弹更容易摧毁, 而固体燃料导弹就更皮实一些. ABL 飞机可以利用空中加油来延长滞空时间, 但激光系统的燃料化学稳定性比较差, 必须在特殊的地面设施内装填, 因此无法在空中补充.

ABL 将高能量激光武器技术又向前推进了一大步, 但是作为实战武器系统却是令人失望的. 其有效射程原定为 600 公里, 90 年代高性能防空导弹射程不超过 200 公里时, 在地对空导弹射程边缘盘旋的 ABL 飞机将能打击敌纵深 400 公里内的战术弹道导弹, 而且相当数量的战术弹道导弹使用液体燃料, 结构比较脆弱, 相对容易被激光武器摧毁. ABL 飞机上天进行射击测试后发现尽管有几十年与大气做斗争的经验, 工程技术人员还是低估了大气层对高能量激光束的耗散作用, 实际达到的有效射程比计划减半, 仅为 300 公里. 另一方面新世纪以来战术弹道导弹数量上逐渐转向以固体燃料类型为主, ABL 的武器效果受到了削弱. 同时, 采用弹道飞行轨迹的高性能地对空导弹的最大射程达到了 400 公里, ABL 要拦截敌方的弹道导弹就必须进入其重型防空导弹的有效射击区, 与自杀无异. 理论上 ABL 的激光武器可以拦截重型防空导弹, 但是相对于液体燃料的战术弹道导弹, 使用高功率固体火箭发动机的重型防空导弹爬升速度快, 抗激光能力强, 是棘手得多的目标. 如果敌方一次齐射数枚重型防空导弹, ABL 飞机将无法在导弹发动机关机前击落所有来袭导弹, 又难以追踪发动机关闭后惯性飞行, 红外信号特征大幅度下降的导弹, 很有可能被突破起飞阶段拦截的重型防空导弹击落.

ABL 的实战效果不理想, 造价又高达 15 亿美元一架, 每年的使用成本也可能达到 1 亿美元, 显然不宜作为实用武器系统装备部队. 在 15 年的努力和 52 亿美元投资砸下去之后, ABL 仍只是高级技术验证平台. 重型反弹道导弹激光武器要实现实战化, 其输出功率必须在 ABL 的基础上再提高一个数量级, 对大气干扰的补偿技术也必须更进一步. 欲将诸多工程细节中的魔鬼一一铲除, 还需要巨大的努力, 重型战略级激光武器的春天还十分遥远.



波音 YAL-1 大型激光武器飞机. 这是高能量激光武器迄今为止的旗舰项目, 在输出功率, 有效射程, 光学系统孔径和复杂性等方面远远超过种类繁多的高能战术激光武器.



波音 YAL-1 大型激光武器飞机的光学转塔, 像不像一只邪恶的大眼睛?



ABL 激光武器的作战想象图, 实际上由于其工作波段在人眼感光范围之外, 我们是看不见它的光束的. 目前开发中的激光武器通常都在红外线波段工作, 威尔斯设想热线武器, 看来大有先见之明.