远望智库高级研究员 张文昌
激光被称为“最快的刀”“最准的尺”“最亮的光”，更有甚者将其称为“死光”。1916年，著名的物理学家爱因斯坦提出“受激辐射”理论。1960年，美国科学家梅曼首次制造出世界第一束激光和第一台激光器。之后，世界军事界一直试图将这一“死光”武器化。特别是美军，上世纪七八十年代就开始了机载激光反导的研究，虽然探索之路非常曲折，但也不断取得突破，特别是近几年更是发展迅速，其发展情况值得总结、借鉴。
YAL-1A
一、主要研发活动情况
YAL-1A激光攻击飞机人所共知，是准备用于助推段反导拦截的装备。该机以波音747-400F为基础，由波音、洛·马和诺·格三大公司共同研制。
该机发展计划始于1992年，之后由美空军飞利浦实验室与洛克威尔和波音公司牵头，对机载激光武器系统进行概念设计。工程化研制开始于1996年，要求5年内生产出能够拦截弹道导弹的原型机。项目原称“机载激光器”（ABL），2009年10月改称“机载激光试验台”。项目管理一开始由美国空军负责，后于2001年10月交给美国国防部导弹防御局。
计划开发的核心装备，包括6个红外搜索跟踪传感器，1套二氧化碳测距弱激光器，1套千瓦级固态跟踪照射激光器，1套千瓦级固态信标照射激光器，1套兆瓦级（演示型功率1～2兆瓦，作战型功率2～3兆瓦）化学氧碘攻击激光器。
美空军要求，该机能在12～15公里高度摧毁距离300～600公里远的助推段飞行的弹道导弹，一次出航攻击激光器可发射40次，每次辐射目标3～5秒钟。
基本的作战想定是，先用红外搜索跟踪传感器通过探测弹道导弹发动机喷出的热量发现目标，之后用二氧化碳测距激光器测量飞机到目标的距离。然后再用固态跟踪照射激光器照射导弹，以建立连续的精确跟踪，确定瞄准点；用固态信标照射激光器照射导弹并接受回光，测量大气湍流对激光束造成的畸变，使光束控制/火力控制系统能通过自适应光学系统对攻击光速进行补偿，确保攻击光速能够聚焦到目标瞄准点上。最后由兆瓦级化学氧碘激光器发射高能激光进行攻击，攻击部位一般选择在导弹燃料箱。整个过程不到2分钟。
该机一度令美国政界军界充满希望，最初计划研制7架（1架概念验证型，1架工程研制型，5架生产型），2003年底2004年初进行首次导弹拦截试验；2006年生产出首批3架，具备初始作战能力；2008年具备全面作战能力。但该机2000年1月首飞后，直到2010年2月11日，才首次进行拦截试验，用1兆瓦激光击毁一枚飞行中的液体燃料弹道导弹。但随后对不久发射的第二枚固体燃料弹道导弹的拦截失败了，原因是系统出现异常。之后，在该年度又进行的至少三次靶试均遭失败。
后经评估，鉴于YAL-1A激光攻击飞机所涉及的七项关键技术没有一项完全成熟，美国国防部2011年12月决定终止该机的研发。YAL-1A激光攻击飞机的研发历时近16年，总耗资超过50亿美元，2012年2月14日，YAL-1A原型机完成了最后一次告别飞行，便黯然落幕。
主要问题：一是氧碘化学激光器结构复杂、庞大，80吨太重，55千克/千瓦的质量功率比太高，只能由大型飞机搭载。二是实际反导拦截距离只有160公里左右，距离对固体燃料弹道导弹300公里、对液体燃料弹道导弹600公里的最大射程要求相差较大。三是化学药剂消耗量大，每次出航均需补充约14吨化学药剂，最多只能发射24次激光太少，费用太高。四是化学药剂易燃、剧毒、腐蚀性强，排出的废气有害，使用维护复杂，危及人身安全。五是12公里的作战高度不够，大气对激光的吸收太强，平台抖动效应无法克服，激光束稳定性差。六是旋转炮塔和机身过热，易引发空中事故，激光系统反应较慢，无法连续发射。七是载机波音747-400F笨重庞大、速度慢、机动性差，目标信号特征明显，生存能力低，靠近敌方导弹发射位置不现实，深入敌方腹地不可能。
主要收获：美军对机载激光器、光束控制和能源制备等技术有了深入掌握，对激光器体积、重量和功率的需求，激光器的稳定和作战高度，有了更加深刻的认识，为美国后续机载激光反导武器的发展打下基础。
YAL-1A反导示意图
YAL-1A下马的2011年，导弹防御局就启动了“定向能研究”项目，以资助林肯实验室的光纤组合激光器和劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的二极管泵浦碱金属激光器的研发工作。2012年，这两种激光器架构通过了导弹防御局的可行性审查。
光纤组合激光器：以掺杂金属元素的玻璃纤维作为增益介质产生激光输出。优点是电光转换效率高，超过40%；能发出接近理想衍射极限的光束，光束质量高；封装后可在极端的温度、冲击和振动环境下可靠工作，环境适应能力强，免维护，稳定性好；体积小，散热性好，塑形容易，可分布安装。缺点是单个光纤激光器的输出功率有限，一般不能超过10千瓦。否则功率太大，大量光子进入光纤会使其迅速加热，难以及时散热光纤就会自毁。需采用波长组合技术、相参组合技术，才能汇聚多个光纤放大能量，形成更强激光波束。2014年，通过组合42个光纤激光器，使输出功率达到44千瓦。但质量功率比太高，达40千克/千瓦。近年，正向5千克/千瓦的水平迈进。
二极管泵浦碱金属激光器：以碱金属的饱和蒸汽作为增益介质，以半导体二极管作为泵浦源。优点是量子效率理论值超过90%，废热减少了80%，激光波长能与大气传输窗口相匹配，且位于近红外电学耦合元件的敏感波段，可通过增加单个增益模块的尺寸来成比例地放大输出功率，单孔径功率可达兆瓦级，设计简单。缺点是单个模块内处理的能量非常高，具有一定的危险性。2015年，二极管泵浦碱金属激光器输出功率达到了14千瓦，累积运行超过100分钟。未来几年，将向30千瓦冲刺，进行120千瓦方案设计。
目前，光纤组合激光器和二极管泵浦碱金属激光器被认为是当今世界上最有前途发展成为体积小、重量轻、可机（车）载的兆瓦级激光器。
YAL-1A激光攻击飞机终止研发以后，美军并没有放弃空基激光反导构想，而是将平均功率兆瓦级的攻击激光器由氧碘激光器改为了二极管泵浦碱金属激光器或光纤合成激光器，将载机由波音747-400F改成了高空长航时无人机，以融合无人机和定向能两方面技术优势。这种想法早在2001年阿富汗战争时，在无人机技术不断成熟的情况下，就产生了，并一直大力推进。
2009年4月，美空军进行了MQ-9“死神”无人机携带多光谱瞄准系统MTS-B跟踪弹道导弹发射的试验。2011年，美国国防部导弹防御局启动“定向能研究”项目，每年安排预算，开展高空长航时无人机激光探测、助推段弹道导弹拦截的研究。2015年2月，美国国防高级研究计划局和空军研究实验室支持的机载高能激光武器“航空自适应激光波束控制”炮塔已经完成8次飞行测试。
2016年8月，随着固体激光技术、激光光束控制技术、红外探测技术等不断进步，美国国防部导弹防御局正式提出了“低功率激光验证机”项目,并发布“意见征询书”，寻求运用新的途径将高效紧凑的激光武器集成到高空长航时无人机上的可行方案，计划2020年前开展装机试飞,2021年前完成目标捕获跟踪、精确瞄准、任务激光器稳定性和杀伤能力的演示试验，最后与现有反导系统进行联合作战概念验证，2023年左右完成。
项目的主要开发内容，开发1个100瓦的低功率代理激光器，1个千瓦级的跟踪激光器和1个功率可达150千瓦的任务激光器。激光器电光效率>40%，系统重量和体积要非常低。高空长航时无人机飞行高度约2万米，留空时间36小时以上，巡航速度0.45马赫；有效载荷最低2268千克、最高5670千克，可支持1～2米口径光学有效载荷；能为激光器提供140～280千瓦的电能，供电时间不少于30分钟；具备低震动特性，角位移小于50毫弧度；具备地面持续控制能力。
“低功率激光验证机”的研发，将使激光器、探测器、光束控制系统、处理器、电源和热管理系统与高空无人机载平台集成技术，跟踪激光器防区外远程捕获、跟踪和锁定目标的能力，代理高能激光器的瞄准和稳定精度，任务激光器的远距离作战效能，在现有反导系统中的作战概念，等等，都能得到有效验证，标志着美军机载固体激光反导武器已开始从基础科学研究向工程化开发迈进，将为后期过渡到研发高功率机载激光反导武器，提供必要的技术、实验数据和作战经验，奠定基础。未来，将按比例提高固态激光武器的输出能量水平，达到可用于助推段反导的程度。
无人机携带多光谱瞄准系统MTS-B跟踪弹道导弹发射的试验
二、发展动因
攻与防是相伴而生的两件事。上世纪40年代末，美国和苏联开始异常激烈的军备竞赛，大力发展核武器及其运载工具弹道导弹、轰炸机、潜艇。这时，反导装备的发展也分别在美苏两国开始了，目的都是试图既拥有无坚不摧的进攻性核力量，同时又拥有坚不可摧的战略防御能力。
上世纪70年代，美国一边和苏联签署《限制反弹道导弹系统条约》，一边发展机载激光武器。80年代，美国提出“星球大战”发展设想。90年代，苏联解体，俄罗斯陷入经济困难，而此时，美国的反导技术日趋成熟，于是在2001年断然宣布退出《限制反弹道导弹系统条约》，趁俄罗斯内乱之机，几年内一举发展成功中段和末端反导体系，打破了美俄间的战略平衡。
2005年以后，随着经济的不断恢复，俄罗斯又大力开始了弹道导弹的升级换代，严重破坏了美国业已建立的反导能力。特别是近些年，弹道导弹技术不断扩散，拥有弹道导弹的国家不断增多，美国不时感到有弹道导弹的威胁，美国的全球霸权受到了严峻挑战。
美国一边加快弹道导弹升级换代，一边不遗余力发展更加高效的空基激光反导能力，目的就是要建立更加强大的攻防兼具的战略优势。
美国反导体系虽说是目前世界最先进，但还不能说已完善。其中，中段高层反导系统GMD拦截成功率不高，只有50%左右。中段低层反导系统“标准”-3在34次拦截试验中只成功28次。末段高层反导系统“萨德”的拦截成功率较高，在15次测试中15次成功，但针对的都是中程以下的弹道导弹，对战略弹道导弹的拦截还是个未知数。
在不能保证对来袭导弹有100%的拦截成功率的情况下，再建起机载激光初段反导系统，实现初、中、末三段相互补充的反导体系，可大大提高美军反导拦截的成功率。
特别是目前动能反导技术不断扩散，不仅像俄罗斯这样的大国反导装备技术迅速崛起，其他如以色列、印度、韩国、伊朗等国家也在不断发展。你无我有，你有我优。美军大力发展无人空基激光反导武器，就是要抢占反导技术制高点，保持绝对领先。
美国无人机机载激光初段反导示意图
助推段反导优势很多，导弹脆弱，红外信号强，速度慢，尚未释放干扰，易被探测拦截。弹头和弹体尚未分离，击落的导弹残骸碎片都落在敌国境内，不会给防御方带来任何的附带损伤。
但助推段拦截难度也是十分突出，发动机助推时间平均在3～5分钟，拦截时间窗口极短。动能拦截弹射程有限，飞行时间又很长，如果用动能拦截弹进行初段反导，拦截系统必须距离导弹发射地很近，这无论在技术上还是战术上，都很难实现。
激光武器就不一样了。激光以光速传播，时间可忽略不计；打击精度高，能将光束瞄准在弹道导弹的某一点上射击，每次射击持续时间3～5秒；激光反导成本低，特别是固体激光反导每次射击成本更低，只有不到1美元；可短时间内对不同方向的目标进行连续打击。机载激光武器机动性强，针对一个国家的不同目标，或针对不同国家，可随时机动、快速反应。无人机无人驾驶，没有人员伤亡之忧，可执行渗透打击。
东方不亮西方亮。在化学氧碘激光器的发展遇到难以克服的困难之时，固体激光器的研发露出了一线曙光。
近些年，以光纤组合激光器和二极管泵浦碱金属激光器为代表的固体激光器，在功率、重量、波束质量和可扩展性等方面，都取得了一系列突破性进展。
固体激光器输出功率虽然不比氧碘激光器，但却具有可实现低质量功率比、模块化制造、无需复杂的安全措施和后勤保障等优势，已成为激光武器发展的希望，美军重点关注的前沿技术。
无人机激光反导示意图
三、希望与挑战
美军激光武器化应该是不远的事了，实现无人机载激光助推段反导大有希望。这主要体现在以下两个方面。
一是体现在美军固体激光武器的研发进步十分迅速。
美陆军短短几年已成功试验5千瓦、10千瓦车载、机载激光武器，2017年3月又接收了洛·马公司交付的60千瓦激光器，还计划2022年试验100千瓦激光器。
美海军已将30千瓦级的光纤组合激光器加装到了“庞塞”号两栖运输舰上，在气象条件良好的情况下，激光器的杀伤距离能达到10公里左右。2017年7月，美国海军运用该激光器成功击落1架无人机。美国海军又开始研发“高能激光与综合光学杀伤监视系统”，高能激光器稳定输出功率可达60～150千瓦，2020年交付。
美空军正在开展“下一代紧凑型环境下激光改进”，研发小型光纤合成激光器，打算20年后将激光器集成到战斗机上。
美空军研究实验室拟将激光武器加装到战斗机上的构想
二是体现在无人机技术发展势头十分强劲。
美军无人机载反导激光武器的基本运用思路是，无人机携载高功率激光武器进行渗透式打击，对液体火箭助推的弹道导弹最远能在600公里的距离上有效摧毁，对固体火箭助推的弹道导弹最远能在300公里的距离上有效摧毁，而这样做的首要条件就是无人机的隐身能力。美军在飞机隐身技术上最先进，到2030年，随着美军下一代战略轰炸机B-21的研发成功，美军飞机全向全频谱隐身能力将有突破。
虽然美军无人机载激光反导武器的发展已经不是空中楼阁、可以期待，特别是通过“低功率激光验证机”的开发，一系列相关关键技术还将有进一步突破，但要走到反导程度，路还很长，面临的挑战还相当严峻。
一是要解决固态激光器“三高”和“三小”等问题。
所谓“三高”，是指高功率、高效率、高光束质量。激光功率要达到3兆瓦左右，对液体助推弹道导弹的射程要达到600公里左右，可连续射击40次，每次辐射目标3～5秒。
所谓“三小”，是指小尺寸、小质量和小功耗。重量要在5吨以下，质量功率比要低于5千克/千瓦，最终要达到1～2千克/千瓦。
对于光纤组合激光器来讲，需要提高单个放大器模块的输出功率，改善多光束组合效率，缩小激光阵列和电源尺寸，改进冷却散热系统等。对于二极管泵浦碱金属激光器来讲，需要解决功率扩展、弱化光束非线性效应等问题，解决好模块比放时的安全性。
二是要解决无人机升限、载重、续航时间、隐身和震动等问题。
无人平台飞行高度要在18000米以上，最大有效载荷要在5吨以上，要有36小时的续航能力。无人机升限在18000米以上，才能更好地避开云或大气带给激光的吸收、干扰。“全球鹰”升限可达19850米，但最大载重量却只有1.36吨，还满足不了要求。
无人机要有高隐身能力。拥有战略弹道导弹的国家多为大国，国土面积较大，而弹道导弹又大多隐藏在国土腹地，要有效对其实施打击，无人机必须可以战略深入、靠近目标、长时间留空待战，否则没有足够的反应时间和杀伤能量。这样，隐身和长时间留空就成了无人机的关键问题。而隐身、体量、任务载荷、飞行高度和留空时间几个因素，又总是矛盾的。
无人机要具备低震动特性，角位移要小于50毫弧。高能激光虽可在“极短时间内”杀伤目标，但也有前提条件，那就是激光光束可以在“极短时间内”稳定瞄准照射。而无人机的飞行，发动机的运转，外部环境的影响，都将使无人机时刻处于震动之中，而这种震动带给激光武器的影响不能消除，将严重影响光束控制和高精度跟瞄照射。这方面，美军虽有了较多的技术积累，但在进行激光光束控制技术的进一步研究时，还需深入开展载机处于实际动态环境中的激光武器高减振致稳结构设计研究，开展高精度随动跟踪技术研究，研制新的更加精密的瞄准与跟踪系统。
美国战机使用激光武器空战示意图
四、特点与启示
激光具有改变战争形态的巨大潜力，一旦武器化将对作战样式产生颠覆性影响，谁先把握，谁就掌握了未来战争致胜的主动权。特别是当前，弹道导弹装备技术的扩散不断加速，不但大国拥有，一些小国也想方设法发展，甚至一些非国家行为体也开始运用，世界面临弹道导弹的威胁日益加重。对此，强调发展动能反导手段的同时，也要把机载激光反导装备的发展摆在突出位置。
美军机载激光武器化的进程不断加速，最终实现反导应该是必然的结果。届时，具有机载激光反导能力的国家将是极个别的，国际的战略平衡将严重倾斜。魔高一尺，道高一丈。有进攻，也必能找到防御方法。要加强防激光武器的技术方法研究，做到攻防双轮驱动，建立防御先手。
目前，洲际弹道导弹推进阶段所需的平均时间为3～5分钟，俄罗斯已开始通过改用新的速燃燃料，研制并装备缩短导弹发射助推段时间，减小被红外搜索跟踪瞄准系统发现、被反导系统拦截的可能。有的国家开始试验在弹道导弹外表涂覆反射激光涂层，以大量反射激光光束能量。还有的设想是让导弹弹体旋转，以破坏激光光束的稳定瞄准与照射。
美国空军1976年就开启了美国第一代空基激光实验室计划，研发功率为0.5兆瓦的NKC-135二氧化碳高能激光武器飞机。1983年4月，该机在先后的测试中曾击落5枚AIM-9B“响尾蛇”空空导弹和1架BQM-34A“火峰”靶机。1983年，时任美国总统里根提出“星球大战”发展计划，机载激光反导武器就是其中重要部分。1996年开始工程化研制YAL-1A激光攻击飞机，今天又在开展“低功率激光验证机”计划。
美军机载激光反导武器距离实用程度还有很长的路要走，虽然探索之路十分曲折、困难重重，但美军却不在乎一时一事的成败，仍没有看到美军放松发展的念头，而是越投入越频密，把目光放到几十年甚至百年之后，坚信经过不懈探索，激光是可以发展成实用的武器，产生巨大的军事价值的。
机载激光反导装备技术的发展，难度大、周期长、成功率低，不会一蹴而就。美军在激光反导领域的不断突破、渐渐露出曙光，与军方持续推动、各方积极探索直接相关。这也启示人们，对于具有巨大潜在军事价值的技术，一定要有几十年甚至百年的安排，要有几代人、十几代人搞成一件事的决心。
科技的发展历来都不是坦途，历来都与失败、坎坷相伴，特别是像激光武器这种前沿高新技术。所以，要领先掌握未来战争制胜手段，赢得未来战争主动权，对有广泛前景的高科技前沿武器装备的研发必须要大胆探索，不怕失败，甚至不惜大胆试错。
美军最初的地基激光武器因无法克服粉尘、雾霾、风雨的干扰消耗，曾被国会嘲笑为“距离出口一米，连一个白炽灯都点不亮”。于是，美军又将激光武器搬到了波音747上，但任何一个大国都不可能让这样一个庞然大物深入自己境内肆意妄为，最后还是下马了。但美军并未就此止步，而是继续投入发展无人隐身平台。
试错也是收获。YAL-1A激光攻击飞机虽然下马了，但也取得了很多宝贵的经验，如掌握了液态机载激光武器技术、光束控制技术、能源制备技术等，为美国后续机载激光武器发展打下了基础。
广开思路，多路径探索，可创造“东方不亮西方亮”的意外惊喜。几十年来，美军十分支持军内外研究实验室和各大军工企业或就激光武器系统，或就系统中的某项技术，或就液态激光器，或就固态激光器，开展研究实验，取得了良好效果。
像激光武器这种高科技前沿武器装备的发展，必然是人力、物力、财力耗费巨大，风险极高。所以，任何有关项目的开展，既要大胆，也要慎重，要有严格的论证研究，要有扎实的前期准备，否则会带来极大的损失。
YAL-1A激光攻击飞机研发项目的立项就很不充分，技术储备也不充足，也没有充分估计可能遇到的困难，特别是氧碘化学激光器小型化问题事先没有解决方案，所以造成损失也是必然。
在YAL-1A激光攻击飞机下马后，美军吸取了教训，及时调整技术路线，转而采取“两步走”的战略，按逐步攻关、分阶段推进、按比例放大的方法，大力推动无人机载固态激光反导武器发展，先研发“低功率激光验证机”，以求先充分掌握千瓦级无人机载激光器的制造、目标搜索发现、光束控制/火控、无人机及无人机与激光器集成技术，确定最优的激光器和无人机组合，为研发低重量功率比、小体积功率比、兆瓦级激光器做充分准备。
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