基于专利跟踪分析国外激光武器发展情况

林运赠,徐晓艳,王永芳

(中国航天系统科学与工程研究院,北京 100037)

1 引 言

激光武器利用激光能量束损伤目标使其丧失作战能力[1],具有快速、灵活、精确、抗干扰等优点,可在光电对抗、反导反卫、空间攻防、要地防御中发挥重要作用[2]。目前,美军已经全面开展了陆基、车载、舰载、机载、天基、水下航行器的激光武器装备研制,着手打造陆海空天的定向能作战体系[3-4]。

2020-2022年,美军重点激光武器项目开展情况包括以下几个方面:

一是美军推进水下航行器的激光武器技术突破。2020年2月,公开报道称美国弗吉尼亚核潜艇将成为世界上最先装备强大激光武器的潜艇[5]。针对该项目,美国海军研究生学校曾在2015年公开了“将高能激光集成在弗吉尼亚级潜艇”项目的研究摘要[6],但未披露方案细节。

二是美军实现60 kW级舰载激光炫目武器装备应用[7]。近两年,美国“海军光学炫目拦截器(ODIN)”和“高能激光与一体化光学致盲与监视系统(HELIOS)”均已实现舰载装备应用。其中,HELIOS是由美国洛马公司研制的反近岸快攻艇、反无人机集成武器系统,可发射60 kW级以上的高能激光束,使目标眩目、具备反情监侦能力,美国海军将其安装在阿利伯克级驱逐舰普雷布尔号(DDG 88)上并出海[8]。2021年10月,洛马公司向美空军交付了第一部机载高能激光系统(AHEL),并安装到AC-130军炮艇机上进行了测试,输出功率达到60 kW级。

三是美军推进高功率反导/反无人机激光武器装备研制[9-16]。2020年,美海军研究办公室(ONR)联合诺格公司研制的150 kW级固态激光武器系统“激光武器演示器”[17],是美海军“固态激光技术成熟化项目”(SSL-TM)的一部分,该系统安装于“波特兰号”运输舰上[18];2020年,该军舰测试用激光武器击落一架无人机[19]。2021年12月14日,“波兰特”号两栖船坞运输舰载亚丁湾海域进行舰载固态激光武器测试,成功摧毁一个静止的水上目标[20]。2021年10月公开报道称,美陆军计划在2022年展示一款300 kW的激光武器[21],该设备的大小与运输集装箱相当,安装在重型卡车上,可防御弹道导弹、巡航导弹以及无人机等,由通用原子电磁系统公司和波音公司负责研制[22]。

为了深入跟踪国外激光武器发展情况,本文围绕近年国外激光武器发展背景,检索分析了国外近5年的激光武器专利情况,重点针对国外专利技术分布、政府资助情况进行了分析,并对国外重要激光武器项目背景专利进行挖掘分析,梳理了国外激光武器近年的发展特点,为我国激光武器发展与风险防御提供参考。

2 国外高能激光武器专利检索情况

为了跟踪国外高能激光武器领域发展情况,我们在德温特世界专利索引数据库中开展了国外专利检索,检索时间涵盖2017年1月1日至2022年2月1日公开专利。其中,为了确保专利数据检索结果全面、客观地反映近5年国外高能武器发展状况,采取了全面细化的检索策略:

一是对各关键技术进行检索,具体包括高能激光武器总体技术、高能激光器、激光合束技术、高精度光束指向与瞄准技术、高能激光系统热管理技术等。

二是针对国外重点项目的主要承研单位进行申请人检索,包括参与美军高能激光武器研制项目的洛马公司、BAE系统公司、雷神公司、波音公司、诺格公司等。

三是针对美国政府资助专利进行检索,资助政府包括美国陆海空军,以及美国国防部、美国导弹防御局、美国能源部和美国国防高级研究计划局等。

四是针对技术细节点进行补充检索,重点针对激光炫目武器、反导/反无人机激光武器进行了细化检索。

按照上述专利检索策略(如图1所示),共检索获取了435项相关专利,具体如表1所示。

表1 国外高能激光武器专利申请量统计表

图1 国外专利检索策略示意图

3 国外激光武器专利技术分布分析

在图2中,针对激光武器各关键技术领域的专利申请量占比进行了比较分析。

图2 国外激光武器专利技术构成分析

结果显示,在近5年的国外激光武器专利中,高能激光器的专利申请最多,有117项,占申请总量的27 %,专利技术方案侧重光纤激光器的优化设计,主要采用光谱展宽抑制技术和窄线宽光纤光路设计方法提高激光器输出功率和质量,以助于提升激光武器的远距离打击能力。

激光合束技术的专利申请量排名第二,有108项,占申请总量的25 %,专利主要涉及相关合束、光谱合束、几何合束等。其中,美军专利以光谱合束为主要发展方向,采用衍射效率较高的光栅减少偏振影响,并采用双光栅结构减少由线宽造成的光束质量下降,在利用相同的光栅实现光束多次反射后合束,降低激光合束系统的体积和复杂性。

高能激光武器总体技术专利申请量排名第三,有89项,占申请总量的20 %,专利方案涉及水下激光武器系统、激光炫目武器系统和综合集成系统等。从美军专利技术方案来看,激光系统系统呈现激光炫目打击、烧毁打击、侦察监视等多功能集成一体化趋势,以提升激光武器系统作战有效性。

高精度光束指向与瞄准技术方面有76项专利,占申请总量的18 %,专利方案涉及光学相控阵、空间传播校正、光束瞄准与动态跟踪等。主要围绕导弹、无人机等机动目标的快速跟踪打击需求,对高能激光指向与瞄准进行技术改进,最新技术方案包括采用低功率光束控制,解决光学元件易受损的问题,且优选液晶实现波束切换控制,以提升激光束的快速精确指向。

在激光武器热管理技术方面有45项专利,占申请总量的10 %,专利方案侧重相变储热技术改进,主要涉及高效换热相变结构设计。

从上述结果结果来看,国外主要从提升激光器功率、合束效率、光束精度与速度等方面,突破高能激光武器作战距离、机动目标跟踪和持续作战能力。

4 国外激光武器专利区域分布分析

如图3所示,国外激光武器技术创新主要来自于美国、德国、以色列、英国等国家,这些国家也是近5年推进激光武器研制的主要国家。

图3 国外专利技术来源国家分析

其中,美国有265项激光武器专利,占国外申请总量的61 %。美国专利主要技术创新主体包括洛马公司、雷神公司、美国陆/海/空军等。近5年,美国专利新出现的专利技术方案主要包括:一是水下航行器激光武器专利,重点突破水下高效激光传输,实现水下目标打击;二是激光多功能集成专利,基于激光实现眩目、干扰、侦察等多项功能,提升激光武器整体威慑力。此外,美国针对激光武器在反导和反无人机的应用需求,提出了基于光路选择和光学液晶相控阵的高精度波束指向和快速波束切换。

在美国专利申请中,有145项受到美国政府资助了,占美国专利申请总量的54.7 %。如图4所示,美国政府资助专利的延迟公开时间集中在2～4年,且有23项专利的延迟公开时间超过了5年,有两项专利的延迟公开时间达到了9年,这些专利技术方案涉及美军技术保密范围,具有较高的跟踪分析价值。

图4 美国政府资助专利延迟公开时间统计分析

针对激光武器专利的资助政府进行了统计,发现DARPA、美国导弹防御局、美国海军、美国空军、美国陆军和美国能源部均在资助推进定向能装备研制,这些专利具有较高的美军项目应用背景,是后续专利挖掘分析的重点。

5 国外重点项目专利方案分析

围绕国外专利技术研究热点,在美国政府资助专利、重点项目研制单位专利中筛选了8项核心专利进行分析,主要涉及外军核潜艇激光武器、炫目激光武器。

5.1 外军核潜艇激光武器专利分析

早在2011年,美国海军计划将高能激光武器装备在弗吉尼亚核潜艇,并要求光学物理公司研制一种潜艇用的波束瞄准器[23],用于激光目标瞄准;2015年,美国海军研究生学校启动“将高能激光集成在弗吉尼亚级潜艇”的研究项目;2020年2月,公开报道称美国弗吉尼亚核潜艇将装备强大激光武器的潜艇。

针对水下航行器应用激光武器进行专利检索,获取了4项相关专利,主要来自于美国海军、欧洲导弹集团(MBDA)和日本三菱重工公司。基于这些重点专利的分析,挖掘解读水下激光武器的打击方式和实现途径。

一是采用双激光激发水下高效光传导通道,实现水下目标打击。针对水下激光传输损耗大的问题,美国海军申请了两项水下高能激光传导技术专利,分别为专利US8941967B2“水下激光引导放电”和专利US9088123B2“双激光器产生扩展水下等离子体”。围绕非线性光学效应(克尔效应),美国海军通过两次激光发射在水下激发等离子体高效传输通道,确保激光束在水下长距离传输过程中保持较高的聚焦性和高功率峰值,以摧毁远距离水下目标。

二是采用激光武器分体安装,实现水面或海岸附近陆上目标隐蔽打击。针对核潜艇浮上水面易暴露目标且水上探出部分装载空间受限的问题,美欧采用了与专利US9045210B2“具有光束操作系统的水下航行器”相似的方案。其一,将潜艇光电桅杆或潜望镜作为激光传输通道,仅将激光武器的主体装置安装在潜艇舱体内,从而实现潜艇激光武器水上高能发射。其二,可将激光辐射装置设置在水面子航行器上,该子航行器与潜艇内的激光武器主体部分采用光纤传递激光能量,从而隐蔽地攻击水上目标,避免潜艇暴露位置。

三是通过激光产生高能气泡或等离子体射流以摧毁水下目标。日本三菱重工公司在2017年申请的专利 EP3489616A1“一种水下激光发射装置”,可用于攻击水下潜艇或鱼雷。该装置通过将激光束聚焦在水下近距离目标物上产生气泡或等离子体,通过气泡或等离子体的轰击有效地摧毁目标物体。其中,高功率激光束在水下传播时,能量衰减速度很快,而该专利采用的技术方案是将激光束在水下会聚,并局部地沸腾水以产生气泡或等离子体,并通过气泡射流或等离子体射流破坏水下目标。

总之,从国外核潜艇激光武器专利分析结果来看,在核潜艇上实施高能激光武器装备,具有以下优势:①激光武器系统可以直接应用核潜艇的供电和冷却系统,从而降低了激光武器的安装体积;②在隐蔽性方面,激光束在视觉上不可见且发射无噪声,不能在光学或声学上定位。③在目标瞄准方面,激光辐射装置具有光学或电光瞄准装置,可以直接从辐射发射装置的位置进行目标瞄准,而不需要第二架潜望镜或光电桅杆来观察目标。

5.2 美军激光炫目武器专利分析

近几年,美国海军基于“海军光学炫目拦截器”(ODIN)激光武器系统[24]和“高能激光与一体化光学致盲与监视”(HELIOS)项目[25],推进针对光学制导导弹和无人机的对抗技术提升,达到反监视和反侦察的作战需求。其中,ODIN系统已在导弹驱逐舰“杜威”号上搭载[26],用于破坏无人机的光学瞄准和导航控制能力;HELIOS系统在2021年完成系统测试,将于2022年安装在阿利伯克级驱逐舰普雷布尔号(DDG 88)上并出海[27]。此外,美国海军还基于战术飞机红外对抗系统(TADIRCM)[28]和大型飞机红外对抗系统(DoN LAIRCM)的研制[29-31],实现海军大型飞行的红外对抗能力提升。

在上述美国激光炫目武器研制项目中,主要的承包商包括洛马公司和BAE系统公司。以下将重点针对这两个研究主体的专利技术方案进行分析。

5.2.1 洛马公司的激光干扰与炫目打击装置

洛马公司主要承担了美国海军的“海军光学炫目拦截器”(ODIN)[32]和“高能激光与一体化光学致盲与监视系统”(HELIOS)[33]研制,其专利主要涉及激光干扰与炫目打击装置及其网络系统。

一是视觉干扰网络及其系统优化设计。洛马公司专利US10082369B2“一种视觉干扰网络及其系统”,通过可见光、红外或紫外光的发射或反射来瞄准敌方光学传感系统,从而助力激光干扰与炫目打击,且光学损伤信号可以沿着飞行路径顺序输出。此外,每个激光扫描模式的地面投影可以是正方形,矩形,椭圆形,圆形,椭圆形,三角形,八边形,六边形,或非对称多边形中的一种形式,可用于不同的威胁区域实施激光打击,或针对重点威胁目标进行重叠使用。该激光视觉干扰网络在能量叠加方面具有以下优势:其一,该方案可通过激光束重叠来增加针对重叠部分的扫描频率宽度和激光束强度;其二,该方案可针对非重叠部分保持相同光能或降低非重叠部分的光能量,从而有效地改变光学对抗子系统的扫描模式;其三,该激光视觉干扰网络可以基于接收远程数据进行威胁打击,从而确保有效损伤敌方光学系统的同时,避免遭受敌方反打击。

二是结合光电红外威胁警告和主动打击策略。洛马公司专利US10101455B1“一种结合光电红外威胁警告和主动反应对策的装置”,针对传统红外对抗措施需要专用的导弹预警传感器,且不能提前检测或对抗潜在威胁的问题,设计了结合光电红外威胁警告和主动反应对策的装置。该装置包括:①产生激光束的激光器;②用激光束扫描关注区域以收集关注区域中感兴趣的物体产生的威胁信号的跟踪模块;③用于观察关注领域威胁信号的被动警告模块,可产生被动警告操作信号;④根据威胁信号产生主动操作激光束的主动模块;⑤用于将激光束引导至目标的反应模块,可产生反应操作信号。该方案可检测和应对发射前后的威胁,可实现先发制人的防御策略,且能够一次解决多个威胁。

总之,洛马公司的激光干扰与炫目打击装置采用具有独立目标探测与预警系统、激光发射与转向装置的激光红外对抗系统,主要应用于对安装空间、重量没有严格约束的平台。

5.2.2 BAE系统公司的模块化激光对抗系统

BAE系统公司承担了美国海军的战术飞机指示红外对抗系统(TADIRCM)[34]、大型飞机红外对抗(DoN LAIRCM)系统[35]的研制,并承担了英国国防部的快速喷气机定向红外激光系统技术演示项目[36],其相关专利主要涉及模块化结构激光红外对抗系统。

一是基于模块更换实现军用飞机激光对抗系统升级。BAE系统公司专利US9829281B2“一种军用飞机激光对抗系统升级方法”,使用集成的激光单元替换原系统中的单一功能激光部件,使用脉冲激光和连续波激光来提高系统的光学对抗能力和目标瞄准能力。该可更换单元集成了脉冲激光和连续波激光模式,可根据需要使用多个脉冲和连续波激光束,在必要时可将两个光束组合起来,以提供更高的性能,实现光学导引武器的有效对抗。这种集成激光模块可作为定向红外对抗(DIRCM)系统的一部分,用来对抗光学制导导弹;也可用来提升平台的光学瞄准能力。

二是基于激光实现低成本的目标监测与跟踪,降低红外对抗成本。BAE系统公司的专利US8665421B1“基于激光的热寻导弹红外对抗系统”,受到了美国海军的资助,资助合同号为N00173-05-C-6020。现有的导弹预警系统(Missile Warning Systems,MWS),包括通用导弹预警系统(Common Missile Warning System,CMWS),能够以高置信度探测和报告导弹威胁,但MWS 的粗略角度跟踪能力不足以直接使用红外对抗系统,而且传统的红外对抗架构必须依靠采用低温冷却红外焦平面和大型万向架的二级跟踪系统,这大大增加了系统成本和质量。此外,传统的红外对抗系统往往需要复杂的指针/跟踪器-炮塔组件,这些组件通常非常昂贵。由此可见,传统的红外对抗系统的成本和重量较高,除了少数高价值飞机外,无法广泛实施。针对该问题,BAE系统公司提出了一种基于激光的红外对抗系统,实了成本效益优化。该方案基于单像素检测器检测导弹威胁,激光指示器单元根据探测器收集的信息向导弹威胁发送激光束实施光学器件致盲打击。其中,单像素检测器具有最低的带宽要求,可实现更低成本的目标监测与跟踪,降低红外对抗系统成本。

总之,BAE系统公司的专利技术方案侧重于模块化结构的激光红外对抗系统设计,可用于对传统机载激光功能模块进行替换,实现功能扩展,技术方案更关注小型化、轻质化设计改进。

6 结论与建议

6.1 外军激光武器发展总结

(1)外军扩展激光水下打击和炫目反导能力

从国外激光武器技术发展动态来看,美欧正在全面推进激光武器全域作战能力,促进定向能作战能力提升和作战领域扩展,呈现多域作战且作战方式多样发展态势。

重点发展方向包括:一是推进水下航行器的激光武器技术发展,重点突破水下激光高效传输;二是推进载激光炫目武器装备应用,基于高能激光束使目标眩目且具备反情监侦能力,可以无人机光学侦察系统造成威慑。

(2)外军基于多功能集成提升激光作战能力

在多功能集成作战系统方面,美军通过对现有装备的激光功能模块进行更换升级,实现高能激光打击、激光干扰、激光眩目、光学侦察等功能集成,不仅可基于高能激光实现目标摧毁打击,还可基于激光干扰或致盲实现目标制导系统无效,从而大幅提升激光武器系统作战效能。

6.2 技术发展与风险防御启示

(1)关于激光武器核心部件优化、系统轻质与小型化的技术突破

在激光武器方面,国外针对高效光纤光栅、光纤增益材料、液晶开关、高效相变储热等核心部件进行了技术创新,提升了激光束功率、波束切换速度和固体激光系统制冷效率,支撑激光作战距离、瞄准精度、跟踪速度、持续出光等作战能力提升。另外,通过激光武器系统分体设计、系统简化,也可促进武器系统轻质、小型化突破,便于多域作战灵活部署。

(2)关于激光防护的技术应用启示

国外激光武器全域作战能力提升,从攻防对抗角度,为应用激光防御技术提供了启示。一是提升高能激光预警能力,识别定向能激光攻击方位,以支撑进行激光束遮挡、偏转、机动规避等防御措施;二是设计激光防护结构、保护涂层等,以实现高能激光波束能量损耗抵制。