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【科普】高能激光武器到底有多厲害?

作者: 時間:2016-03-18 來源:科普中國 收藏

  激光真的能比子彈、炮彈更有效地殲滅敵人、擊落飛機(jī)、擊穿坦克嗎?要回答這個問題,還要從陽光說起。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201603/288438.htm

  物體被陽光照射后,表層材料都會吸收光的能量而被加熱,能量高到一定程度,物體表面就會軟化、熔融。如果光線能量再高,并且匯聚于一點(diǎn),物體表面就會氣化,甚至電離產(chǎn)生所謂的等離子體。

  我們知道,物質(zhì)是由原子或分子構(gòu)成的。激光就是物質(zhì)受到與自身分子振蕩頻率相同的能量激勵時所產(chǎn)生的一種不發(fā)散的強(qiáng)光,由于是在物質(zhì)受激輻射狀態(tài)下產(chǎn)生的光,所以也稱為激光。激光的最大特點(diǎn)就是在能量高的同時,發(fā)散性很小,它的能量可以集中在面積很小的一塊光斑上。在某些情況下,激光灼燒物體時,表層下的溫度會比表層高,這樣表層下的物質(zhì)會迅速氣化并引發(fā)爆炸。如果激光功率再高,照射時間更短,氣化物或者等離子體就會高速向外噴出,像火箭發(fā)動機(jī)噴氣一樣,并產(chǎn)生反沖,作用在固體材料內(nèi)部,引起變形、斷裂等破壞作用。高溫的等離子體還有可能產(chǎn)生紫外線、X射線輻射,損傷或破壞目標(biāo)結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部的電子、光學(xué)元器件。

  激光作戰(zhàn)武器吸引軍事專家的另一個優(yōu)勢是光的速度,也就是看到哪里打到哪里,不需要計算提前量,而且沒有后坐力,這些都是傳統(tǒng)槍炮絕對無法相比的。事實(shí)上,激光早已走進(jìn)了人們的生活,每個人幾乎每天都要用到。電腦以及VCD、DVD影碟機(jī)上的光驅(qū),正是靠一個小激光器從一塑料制成的光盤上讀出數(shù)據(jù)、圖像的。而在工業(yè)生產(chǎn)上,使用激光切割鋼板早已不算什么高級技術(shù)了。在真正的軍事應(yīng)用中,以激光來指示目標(biāo)的制導(dǎo)炸彈已問世30年了。

  凡此種種,我們不禁要問,為什么直到今天激光仍然沒有變成威風(fēng)凜凜的終極武器呢?要解答這個問題,首先要了解激光擊落飛機(jī)、擊穿坦克所需要的條件,也就是說照射在目標(biāo)表面單位面積能量是多大,才能夠?qū)δ繕?biāo)構(gòu)成破壞。這就好比用穿甲彈打坦克,動能越高,作用在裝甲表面單位面積上的能量就越高,越容易擊穿坦克裝甲。

  激光炮的威力和好幾個因素有關(guān)。首先,激光的功率和照射時間都和它的威力成正比,但是照射時間長會對瞄準(zhǔn)不利,因此,人們主要是想法設(shè)法提高功率。要想硬碰硬地?fù)魵繕?biāo),激光器的功率必須達(dá)到數(shù)十千瓦,我們常見的激光器能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)嗎?生活中最常見的是計算機(jī)光驅(qū)和影碟機(jī)中的激光器,稱為“半導(dǎo)體激光器”。它們理論上可以達(dá)到最大功率只有50瓦,因此根本無法用來制造激光炮。于是,具有更大功率潛能的固體激光器、氣體激光器、化學(xué)激光器進(jìn)入了人們的視野。

  世界上第一臺激光器就是紅寶石激光器,它屬于固體激光器中的一種,以紅寶石、石榴石等晶體或特殊的玻璃作為工作物質(zhì)。固體激光器結(jié)構(gòu)緊湊、牢固,因此,首先在軍事上得到了廣泛應(yīng)用。早期坦克上的測距儀就多以石榴石激光器為核心。不斷加大輸入紅寶石、石榴石中的能量,就能制造出激光炮嗎?問題又出現(xiàn)在了熱量上。固體激光器的輸出功率達(dá)到幾十千瓦,在發(fā)射過程中作為工作物質(zhì)的玻璃棒和晶體棒會產(chǎn)生高溫,這種高溫不容易散發(fā),所以一次發(fā)射后晶體棒和玻璃棒會由于高溫而產(chǎn)生嚴(yán)重形變,這會使隨后發(fā)射光束變得不再集中,而使能量產(chǎn)生分散,這樣光束的能量就不再集中而有效。

  但是,這種激光器用于攻擊一些近距離的小目標(biāo),比如無人機(jī)、炮彈、地雷還是很理想的,特別是在掃雷方面,固體激光器燒毀地雷所需要的能量,千瓦級就足夠了。美國就曾分別研制了功率500、1000瓦的石榴石激光器,裝在悍馬車頂上照射數(shù)百米范圍內(nèi)的地雷,后來,還曾用它擊落了飛行中的小型無人機(jī)。從某種意義上說,石榴石已經(jīng)走上戰(zhàn)場,只是還不像科幻作品中一閃斃命的死光那樣厲害。

  說到氣體激光器,裝甲兵們應(yīng)該不陌生,因?yàn)楝F(xiàn)代主流裝甲車輛的激光測距儀就是一種最典型的二氧化碳?xì)怏w激光器。那么,它的武器化進(jìn)程又能不能滿足軍事專家的預(yù)想呢?早在上世紀(jì)60年代,人們就造出了功率幾百千瓦的二氧化碳激光器。70年代,美國用功率400千瓦的二氧化碳激光器擊落了空空導(dǎo)彈和靶機(jī),從而鞏固了人們研制激光炮的信心。但是,在80年代開始的星球大戰(zhàn)計劃以及后來的ABL機(jī)載計劃中,美軍又放棄了二氧化碳激光器,這又是為什么呢?這個問題涉及到影響激光威力的另外幾個要素。激光的威力與波長和距離的平方成反比,激光與普通光相比較發(fā)散角雖然非常小,但并不是不存在。比如,波長是一微米的激光以一毫米的孔徑向外發(fā)散,在1千米的距離上,激光光斑的直徑可以達(dá)到2.44毫米;如果距離是100千米,激光的光斑就會達(dá)到24.4厘米,這個時候光束的能量就不再集中而變的比較分散。這個時候,唯一的方法就是盡可能降低激光的波長,但是,二氧化碳激光器產(chǎn)生的激光波長一般在10.6微米,這比紅寶石激光器的0.7微米大了兩個數(shù)量級,也正因?yàn)槿绱?,二氧化碳激光器只適合攻擊幾千米以內(nèi)的目標(biāo)而不能再遠(yuǎn)了。

  氣體激光器的波長問題成了無法逾越的障礙,于是,人們又把目光轉(zhuǎn)向了波長比較短,又容易產(chǎn)生高功率,而且散熱良好的化學(xué)激光器上?;瘜W(xué)激光器利用特殊的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生激光,它的能量來源是化學(xué)物質(zhì),因而不像固體激光器、二氧化碳激光器那樣需要外加的電能。在同樣的體積、重量下,化學(xué)激光器產(chǎn)生的能量也更高。1983年,美國建成了一臺功率達(dá)2.2兆瓦,也就是2200千瓦的氟化氘化學(xué)激光器,可產(chǎn)生3.8微米波長的激光,這一波長不到二氧化碳激光器的一半,因此,在同樣功率下威力可以高出7倍,這為化學(xué)激光器的武器化奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。但是人們還不滿足,因?yàn)?.8微米的波長還不夠短,另一種氧碘激光器產(chǎn)生的波長只有約1.3微米。在同等功率下,它的威力又是氟化氘激光器的8倍,更是二氧化碳激光器的65倍。

  在雄心勃勃的彈道導(dǎo)彈防御計劃中,美國空軍正在研制的機(jī)載就選擇了高能氧碘化學(xué)激光器,它的輸出功率達(dá)到3兆瓦,也就是3000千瓦,可以從萬米高空發(fā)射激光束,摧毀250千米外的洲際彈道導(dǎo)彈。用激光武器進(jìn)行初段反導(dǎo)攔截的效果非常徹底,這是敵方導(dǎo)彈剛從陣地上起飛,被激光摧毀的導(dǎo)彈碎片能夠全部落回到敵方領(lǐng)土上。美國的機(jī)載激光武器是初段攔截武器,在反導(dǎo)系統(tǒng)中被稱為反導(dǎo)攔截的第一炮,能夠在幾百千米的距離上摧毀彈道導(dǎo)彈、飛機(jī),甚至是太空中的衛(wèi)星。

  直到機(jī)載激光武器高能氧碘化學(xué)激光器的出現(xiàn),激光武器才終于算得上是人們構(gòu)想中的致命死光武器了。機(jī)載激光武器雖然厲害,但重量、體積都很大,只能由波音747這種大型飛機(jī)才能攜帶。因此,除了機(jī)載激光武器,美軍還在研制一種功率稍低的氧碘激光器,稱為ATL先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)激光器。這種激光武器的功率降低到300千瓦,系統(tǒng)設(shè)備的重量可減少到幾噸,以便由小得多的運(yùn)輸機(jī)、直升機(jī),甚至卡車攜帶,用于攔截十幾千米外的反艦導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈、火箭彈,或用來攻擊坦克、車輛的油箱、彈藥艙等。

  較量到現(xiàn)在,我們已經(jīng)可以展望未來的激光武器了。固體激光器雖然先天不足,但可以攻擊速度較慢的小飛機(jī)或?qū)?,即使威力不夠硬殺傷,也能燒壞目?biāo)的制導(dǎo)設(shè)備達(dá)到軟殺傷的效果。而氟化氘化學(xué)激光器因?yàn)椴ㄩL問題威力稍差一點(diǎn),但也能在反巡航導(dǎo)彈、反炮彈任務(wù)中發(fā)揮作用,成為近程護(hù)衛(wèi)的利劍。而最終拔得頭籌的無疑是具備最高能量輸出的氧碘化學(xué)激光器,它將在未來戰(zhàn)場上擔(dān)當(dāng)起攔截彈道導(dǎo)彈、攻擊敵方空間飛行器或在軌衛(wèi)星等的殺手锏。除此之外,這種高能激光器投入未來戰(zhàn)場的意義還在于它將使戰(zhàn)爭的節(jié)奏接近物質(zhì)世界的極限——光的速度。



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