激光武器原理是什么

【專家解說】：激光武器 激光武器是一種利用沿一定方向發(fā)射的激光束攻擊目標(biāo)的定向能武器，具有快速、靈活、精確和抗電磁干擾等優(yōu)異性能，在光電對抗、防空和戰(zhàn)略防御中可發(fā)揮獨特作用。它分為戰(zhàn)術(shù)激光武器和戰(zhàn)略激光武器兩種。它將是一種常規(guī)威懾力量。 戰(zhàn)術(shù)激光武器的突出優(yōu)點是反應(yīng)時間短，可攔擊突然發(fā)現(xiàn)的低空目標(biāo)。用激光攔擊多目標(biāo)時，能迅速變換射擊對象，靈活地對付多個目標(biāo)。 激光武器的缺點是不能全天候作戰(zhàn)，受限于大霧、大雪、大雨，且激光發(fā)射系統(tǒng)屬精密光學(xué)系統(tǒng)，在戰(zhàn)場上的生存能力有待考驗。 陸軍的快速發(fā)射高炮的炮管壽命短，連續(xù)發(fā)射幾分鐘后就要更換，而激光武器不存在多次發(fā)射的壽命問題?？梢灶A(yù)計，未來在目前彈炮結(jié)合防空武器系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將出現(xiàn)將新型防空導(dǎo)彈。高炮和激光武器三結(jié)合的對空防御系統(tǒng)。其中，激光武器主要攔截從低空、超低空突然來襲的近距離目標(biāo)，這有可能大大提高對精確武器的攔截溉率，解決當(dāng)前存在的極近程防空問題，并可用于保衛(wèi)重要目標(biāo)，如重要機(jī)構(gòu)、指揮中心、通訊和動力中樞等。目前研制的激光武器的體積一段較大，重量較重，所以各國首先考慮艦載應(yīng)用。目前，發(fā)達(dá)國家的大型水面艦只已開始采用核能作為動力，中型水面艦只的電動化改進(jìn)也已進(jìn)入實質(zhì)階段，這都為激光武器在艦艇上的應(yīng)用鋪平了道路。 鑒于激光武器的重要作用和地位，美、俄、以色列和其他一些發(fā)達(dá)國家都投入了巨額資金，制定了宏大計劃，組織了龐大的科技隊伍，開發(fā)激光武器。至90年代初，僅美國政府對激光武器的研究投資就達(dá)90億美元。80年代中后期，蘇聯(lián)和英國的軍艦或陸上已有實驗性戰(zhàn)術(shù)激光武器裝備，美、法、德等國也作了大量試驗。戰(zhàn)略激光武器研究費用高，技術(shù)難度大，其前景還有待觀察。 激光武器的效費比是比較高的。在防空武器方面，當(dāng)前主體是導(dǎo)彈，激光武器與之相比消耗費用要便宜得多。例如，一枚“愛國者”導(dǎo)彈要60-70萬美元，一枚短程“毒刺”式導(dǎo)彈要2萬美元，而激光發(fā)射一次僅需數(shù)千美元，今后隨著技術(shù)的發(fā)展，激光發(fā)射一次的費用可降至數(shù)百美元。 去年6月6日，美國軍方在新墨西哥州南部的懷特桑茲導(dǎo)彈試驗場首次進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)高能武器試驗，成功摧毀了一枚飛行中的喀秋莎火箭。美軍方官員稱，這是世界上第一種以激光為基礎(chǔ)的反導(dǎo)系統(tǒng)。美軍方還將于近期進(jìn)行該武器擊落多枚“來襲導(dǎo)彈”的試驗。該系統(tǒng)由美加利福尼亞州的承包商湯普森·拉莫·伍爾德里奇公司專門為美國陸軍和以色列設(shè)計制造，開發(fā)費用高達(dá)2億美元。該系統(tǒng)尤其適合部署在人口稠密的地方，而且成本十分低廉，據(jù)估算，每攔截一枚導(dǎo)彈只需約3000美元。美國防部目前正在考慮研制一種機(jī)動性能更強(qiáng)、打擊范圍更廣、主要針對彈道導(dǎo)彈的激光攔截技術(shù)。 激光武器 1975年10月18日，美國北美防空司令部一片混亂。事情是從一個報警電話開始的。 “哈羅，我是控制中心的監(jiān)測員。我們在印度洋上空的647預(yù)警衛(wèi)星的在外探測器，受到來自蘇聯(lián)西部的強(qiáng)紅外閃光的干擾，不能正常工作。” 這是怎么回事? 最初，人們從自然原因分析，認(rèn)為可能是流星群的強(qiáng)光干擾，或者，是蘇聯(lián)的天然氣管道破裂失火，形成強(qiáng)光。 “這不可能?！北泵婪揽账玖畈康母呒墔⒅\反駁說，“我們的衛(wèi)星是濾光鏡，它對自然光不敏感。流星群每月都有，衛(wèi)星從來不受干擾……” “據(jù)估計，這次神秘的閃光，比洲際導(dǎo)彈發(fā)射的光強(qiáng)要大1000倍。天然氣管道失火絕不可能有如此強(qiáng)光發(fā)射……”另一個參謀說。 “也許是前蘇聯(lián)研制出了新的激光武器。”一位軍官說出了大家最擔(dān)心的一句話。 “天哪，但愿不是這樣。”有人喊道。 這場風(fēng)波尚未平息，一個月后，即1975年11月17日、18日兩天，美國空軍的兩顆數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星，由于受來自蘇聯(lián)的紅外干擾，又停止了工作。據(jù)檢查，是紅外姿態(tài)控制儀失靈。 很快，“蘇聯(lián)激光武器攻擊并破壞了美國衛(wèi)星”的消息，像一場臺風(fēng)，席卷了整個美國，在全世界也引起了強(qiáng)烈震動。 美國官方想穩(wěn)定一下國內(nèi)的慌亂表緒。國防部長拉姆斯菲爾德召開記者招待會，宣布說:“我看到了報紙的報道，關(guān)于激光武器的使用，經(jīng)調(diào)查，沒有情報能夠證實。” 但紙包不住火。幾句安慰的話絲毫沒有平息輿論的壓力。1980年5月22日，美國負(fù)責(zé)公共事務(wù)的助理國防部長兼五角大樓發(fā)言人托馬斯·羅斯，在新聞發(fā)布會上說: “中央情報局和其他情報部門業(yè)已查明，蘇聯(lián)正在研制一種能夠摧毀衛(wèi)星的激光武器系統(tǒng)?！彼又终f:“但是，這項研究在美國也在進(jìn)行著。前蘇聯(lián)在達(dá)到的功率方面也許稍稍領(lǐng)先。” 我國古代傳說中就有“用光殺人”的記載?！斗馍裱萘x》中有“哼”“哈”二將，可從鼻中噴出光來，使敵人喪命?？茖W(xué)幻想中也早有“魔光”、“死光”之說。但只有到1960年出現(xiàn)激光后，這些幻想才變成了現(xiàn)實。 激光具有單色性，基譜線寬度很窄。普通光源中氪燈的譜線寬度為千分之五埃 (一埃是一億分之一厘米)，算最窄的了，但氦氖激光器產(chǎn)生的激光譜線寬度只有千萬分之一埃。就是說，激光的單色性比氪燈提高了幾十萬倍。 激光能夠向一個方向輻射，散開角度只有幾分，甚至小到一秒。激光的高方向性使它在軍事上很受重視。 高度集束的激光，能量也非常集中。舉例說，在日常生活中我們認(rèn)為太陽是非常亮的，但一臺巨脈沖紅寶石激光器發(fā)出的激光卻比太陽還亮200億倍。當(dāng)然，激光比太陽還亮，并不是因為它的總能量比太陽還大，而是由于它的能量非常集中。例如，紅寶石激光器發(fā)出的激光射束，能穿透一張1/3厘米厚的鋼板，但總能量卻不足以煮熟一個雞蛋。 激光作為武器，有很多獨特的優(yōu)點。首先，它可以用光速飛行，每秒30萬公里，任何武器都沒有這樣高的速度。它一旦瞄準(zhǔn)，幾乎不要什么時間就立刻擊中目標(biāo)，用不著考慮提前量。另外，它可以在極小的面積上、在極短的時間里集中超過核武器100萬倍的能量，還能很靈活地改變方向，沒有任何發(fā)射性污染。 激光武器分為三類:一是致盲型。前面我們講過的機(jī)載致盲武器，就屬于這一類。二是近距離戰(zhàn)術(shù)型，可用來擊落導(dǎo)彈和飛機(jī)。1978年美國進(jìn)行的用激光打陶式反坦克導(dǎo)彈的試驗，就是用的這類武器。三是遠(yuǎn)距離戰(zhàn)略型。這類的研制困難最大，但一旦成功，作用也最大，它可以反衛(wèi)星、反洲際彈道導(dǎo)彈，成為最先進(jìn)的防御武器。 激光怎樣擊毀目標(biāo)呢?科學(xué)家們認(rèn)為有兩個方面:一是穿孔，二是層裂。所謂穿孔，就是高功率密度的激光束使靶材表面急劇熔化，進(jìn)而汽化蒸發(fā)，汽化物質(zhì)向外噴射，反沖力形成沖擊波，在靶材上穿一個孔。所謂層裂，就是靶材表面吸收激光能量后，原子被電離，形成等離體“云”?！霸啤毕蛲馀蛎泧娚湫纬蓱?yīng)力波向深處傳播。應(yīng)力波的反射造成靶材被拉斷，形成“層裂”破壞。除此以外，等離子體“云”還能輻射紫外線或X光，破壞目標(biāo)結(jié)構(gòu)和電子元件。 激光武器作用的面積很小，但破壞在目標(biāo)的關(guān)鍵部位上，可造成目標(biāo)的毀滅性破壞。這和驚天動地的核武器相比，完全是兩種風(fēng)格。 粒子束武器 所謂粒子束武器，是將電子、質(zhì)子或離子等粒子，利用粒子加速器加速到光速的0.6~0.7倍，然后發(fā)射出去。當(dāng)粒子在前進(jìn)方向上遇到障礙物時，粒子所帶有巨大的動能就傳輸?shù)秸系K物上，使其毀壞。它能夠穿過云霧，又不怕反射，這使它比激光武器略勝一籌。人們估計，用它對付帶有核彈的洲際導(dǎo)彈，是很有效的。 但是，要制造粒子束武器，卻是一項極其困難的任務(wù)。這里至少要“過五關(guān)”。 第一是能源要強(qiáng)。根據(jù)計算，要把導(dǎo)彈彈體擊穿，需要粒子束武器的能源產(chǎn)生能量3千萬焦耳、脈沖寬度百萬分之一秒的脈沖電流。這個功率是非常大的，它相當(dāng)于15000個發(fā)電量為200萬千瓦的發(fā)電站的總功率。目前，能夠產(chǎn)生這樣大功率的只有核爆炸。 第二是加速器要好。目前的加速器要得到高能量，流強(qiáng)就要變?nèi)?要得到高流強(qiáng)，能量就要減小。總之不能兼顧。粒子束武器要求加速器能量高，流強(qiáng)大，這就很難研制出來。 第三是粒子束的瞄準(zhǔn)跟蹤。導(dǎo)彈在千里之外，張角極小，運動又快，粒子束是一細(xì)束，要打中目標(biāo)，需要有精度極高的指揮控制系統(tǒng)。 第四是傳輸問題。粒子束在空氣中傳輸時能夠形成一條高溫電離空氣“通道”，從而減弱帶電粒子的能量損失。但在外層空間，由于地磁場的影響，將使粒子束劇烈偏轉(zhuǎn);由于自身電荷的排斥力，粒子束發(fā)散很厲害。有人提出用中性粒子束作武器，因為中性粒子不帶電，所以不存在因電荷排斥產(chǎn)生的發(fā)散問題，也不會受到地磁場的影響。但中性粒子在加速器中無法加速，這里還需要做許多工作。 第五是要搞清楚粒子束是怎樣破壞目標(biāo)的。要搞清破壞機(jī)理，分析影響破壞效果的因素，提出粒子束武器的技術(shù)指標(biāo)。 正因為技術(shù)上難度太大，美國才中斷了“蹺蹺板計劃”。 到了1978年，形勢發(fā)生了變化。來自蘇聯(lián)的越來越多的情報證明，蘇聯(lián)確實正在執(zhí)行一個龐大的發(fā)展粒子束武器的計劃。估計它已耗資30億美元，有大約2000名第一流學(xué)者的350個實驗室正在進(jìn)行與此有關(guān)的研究?？磥恚绹@然落后了! 面臨如此尖銳的挑戰(zhàn)，美國的態(tài)度由懷疑觀望變?yōu)榧逼鹬弊贰?978年底，國防部成立定向能束技術(shù)局，將三軍的研究力量集中起來，制訂了五年計劃。主管這個局的國防部次長幫辦戴維斯博士充滿信心地說:“粒子束技術(shù)是第二次世界大戰(zhàn)以來武器的一項根本變革。它會導(dǎo)致一場轟動，也會使美國戰(zhàn)略發(fā)生根本變化?！? 電磁炮 自古以來，戰(zhàn)場上總是炮火轟鳴，硝煙彌漫。作為火器的槍和炮，其發(fā)射動力都是火藥，因而，在發(fā)射過程中，不可避免地要有火藥的燃燒和爆炸。而電磁炮則不同，它依靠電磁力把彈丸發(fā)射出去。你只聽到彈丸發(fā)射和飛行的嘯鳴聲，戰(zhàn)場上很干凈。戰(zhàn)士們發(fā)射電磁炮，簡直像坐在試驗室里操作儀器…… 1937年的一天，美國普林斯頓大學(xué)教授諾思厄普在試驗室中布置了一個實驗。他用兩根銅棒在桌上作成道軌的模樣，然后將電源的正負(fù)兩極和道軌連接起來。他把一切布置停當(dāng)，就拿起一塊鐵塊，向“道軌”上放去。 怪事出現(xiàn)了:鐵塊剛接觸道軌，立刻受到一種神秘的推力，沿著道軌飛跑起來，越“跑”越快，最后順著道軌另一端飛射出去。靠窗放著的一個大玻璃瓶，被鐵塊砸得碎片四迸…… 幾天以后，諾思厄普在實驗室接見了軍方代表。他們很感興趣地了解了實驗裝置的情況。臨了，軍方代表說:“我們準(zhǔn)備贊助這項研究。希望你能用這個原理制成一種新式武器?？墒牵惺裁疵帜?” 諾思厄普思索了一下，說:“它是借電磁力工作的，就叫電磁炮吧!” 電磁炮的原理并不復(fù)雜。中學(xué)生都學(xué)過，電流可以產(chǎn)生磁場，當(dāng)“道軌”上放上鐵塊，實際上便形成了一個閉合回路。鐵塊在這個磁場中受到磁場力的作用，根據(jù)左手定則，這力的方向正是沿著道軌方向的。這里，要使鐵塊變成摧毀目標(biāo)的武器，必須使它的速度足夠快。而要獲得高速度，必須有強(qiáng)大的電流。遺憾的是，在30年代沒有能產(chǎn)生大電流的電波，盡管諾思厄普絞盡腦汁，法國、德國和日本等國也先后研制過電磁炮，但都沒有成功。 70年代以后，所謂“單極發(fā)電機(jī)”出現(xiàn)了，電磁炮的研究這才有了大突破。 電磁炮需要有大電流直流脈沖電源，電流應(yīng)該有數(shù)萬到數(shù)10萬安培，普通發(fā)電機(jī)是無法勝任的。“單極發(fā)電機(jī)”是澳大利亞國立大學(xué)發(fā)明的，它是利用浸泡在液氮中的超導(dǎo)體線圈借超導(dǎo)現(xiàn)象產(chǎn)生高強(qiáng)勵磁磁碭，利用厚的銅圓盤作轉(zhuǎn)子，在磁場中迅速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電流。輸出電流利用液體金屬鈉作為觸點，從圓盤的中心和圓周引出。 這種發(fā)電機(jī)的輸出電流可達(dá)數(shù)10萬安培以上，利用高速的機(jī)械或電磁制動，使轉(zhuǎn)子在1/10秒或更短的時間剎車，可以產(chǎn)生極強(qiáng)的直流脈沖電流。 如果用電感耦合方式將這種大電流脈沖耦合到銅“導(dǎo)軌”上，將使滑塊受到強(qiáng)大電磁力而迅速飛出。為使滑塊在“導(dǎo)軌”末段再得到加速，外面又設(shè)計了一種超導(dǎo)線圈，以造成末端再加速磁場。整個過程用每秒運算500萬次的大容量電子計算機(jī)控制協(xié)調(diào)。這就構(gòu)成了一個完整的電磁炮。 電磁炮的原理性試驗已經(jīng)成功。美國利弗莫爾研究所1975年在電磁炮的 “道軌”上發(fā)射了重 1/3公斤的穿甲彈，速度每秒3公里，其動能超過最先進(jìn)火炮的4倍。不久，速度提高到每秒5公里。據(jù)報道，用電磁炮發(fā)射的只有幾克重的小彈丸因速度極大，竟一下子穿透了挺厚的鋼板! 電磁炮的優(yōu)點很多。它只發(fā)射彈丸，省去了炮彈殼和火藥，減少了成本和污染。它不需要堅固的炮管和復(fù)雜的發(fā)火機(jī)構(gòu)，并且絕無“膛炸”的危險。通過改變電流可以非常方便地調(diào)節(jié)“炮彈”的速度，使準(zhǔn)確性大大提高。更重要的是，電磁炮的彈丸可以達(dá)到宇宙速度。有人計算，其速度可以達(dá)到每秒20公里以上。也就是說，電磁炮發(fā)射的彈丸可飛出地球，打擊衛(wèi)星或其他宇宙目標(biāo)。 從經(jīng)濟(jì)上看，因為發(fā)電可利用廉價柴油，獲每兆焦耳能量只需0.1美元，而使用火藥產(chǎn)生同樣能量卻需10美元。 電磁炮可以安裝在坦克、飛機(jī)上，或像普通火炮一樣放在地面上，也可以安裝在衛(wèi)星或空間渡船上。 當(dāng)然，在Nod把它用于武器平臺之前，激光的出現(xiàn)已經(jīng)有一段時間了，但是在之前，它們由于包括體積、重量、冷卻、能量需求、以及戰(zhàn)場耐用性等大量問題的存在而不適于用作為武器。因為這些因素，激光僅作為次要角色發(fā)揮作用--比如做成用于攔截遠(yuǎn)程導(dǎo)彈的固定炮臺--直到一個不出名的泰國工程師開發(fā)出了一種新的、耐用的、反射和折射系統(tǒng)，這革命性地給激光設(shè)備的建造和使用開創(chuàng)了新道路。 在對日本科學(xué)家創(chuàng)造的持久磁性陶瓷深入研究的基礎(chǔ)上，這個工程師成功創(chuàng)造了人工陶瓷晶體，在這種晶體內(nèi)部反射和折射光線的能量損失僅與加工最精細(xì)的玻璃反射鏡相當(dāng)。這個發(fā)現(xiàn)的有效性被世界上的大多數(shù)人被錯過了--玻璃鏡仍然更加便宜且容易制造，另外多數(shù)軍方很久以前就簡單地因其不可行而放棄了激光武器。許多美國軍火商在嘗試使導(dǎo)彈和彈道武器更加完善，而其基礎(chǔ)研究則已經(jīng)用粒子武器完成了。然而，為泰國工程師提供走私材料用于那些怪誕實驗的Nod成員發(fā)現(xiàn)陶瓷晶體可能有助于Nod未來擴(kuò)張基層組織、并公開對抗發(fā)達(dá)國家。這種觀點被證明是對的，Nod工程師很快開發(fā)出了一臺新的激光防御武器。 其原型建筑最初有10層樓高，并且需要一個擁有冷卻裝置和供能系統(tǒng)的巨大地基。其中一個Nod建造者在看到它將一個模擬目標(biāo)坦克變成蒸汽時，感嘆地說“看啊，它帶來了凱恩之光”。被賦予這個評論的建筑從來沒有單獨使用過--只是作為Nod一個更大型裝置的一部分--專門的地下能源供給和冷卻管道系統(tǒng)被開發(fā)出來了，這使這個塔能夠吸收能量并將多余熱量送到附近的Nod發(fā)電站中。最終的建筑，除去內(nèi)部的冷卻系統(tǒng)和能量供應(yīng)，看起來像埃及式的大型方尖石碑。因此，“光明石碑”這個名字產(chǎn)生了。 在第一次Nod和GDI的沖突期間，光明石碑的形式?jīng)]有什么變化，因為GDI的坦克指揮官根本沒法找出它可利用的弱點。雖然在一個現(xiàn)有基地里，光明石碑比較便宜且容易建造，但它在戰(zhàn)斗狀態(tài)下仍然格外的耐用。然而，當(dāng)凱恩重新露面、第二次戰(zhàn)爭開始時，GDI的裝甲部隊和武器裝備(還沒說數(shù)量)被改進(jìn)到了一個使得光明石碑不能那么有效地防御基地的程度。一個只能算是比較成功的解決方案，通過將其內(nèi)部的能量供應(yīng)及冷卻系統(tǒng)與外部連接起來，以增加射程和能量。從而得到一個擁有更大的地基的建筑和最初的原型十分相似。由于建筑風(fēng)格的原因，建筑的地基區(qū)域形狀一只巨大的蝎子--當(dāng)然，這不會增加武器的威力。 更有趣的是，雖然沒那么有效、有用，一種小型的激光炮塔最終被開發(fā)了出來，它很好地彌補(bǔ)了光明石碑最大的弱點:對步兵。這些小型炮塔使用了和原版光明石碑一樣的能量及冷卻管道系統(tǒng)，但是它們安裝在一個穩(wěn)固的、可以旋轉(zhuǎn)的平臺上，并使用了標(biāo)準(zhǔn)的激光炮。最終，激光炮塔被證明為對付GDI步兵和輕裝甲的有效防御武器。