0 引言

随着导弹技术的迅猛发展，导弹防御能力日益重要，以美国为首的各军事强国开始大力发展天基、陆基、空基和海基导弹防御系统。其中海基导弹防御不仅是国家反导系统的一部分，还是保护舰队自身生存的重要保障。反舰导弹隐身性、速度、机动性不断增加，制导精度和抗干扰能力也不断增强，另外为之提供目标指示的天基监视系统也不断发展，给舰队水面舰艇的生存构成了严重威胁。特别是以航母等高价值目标为中心的海上编队，其防空反导非常重要。在这种情况下，美国海军提出了将定向能武器用于航母编队防御的设想。

1 定向能武器

定向能武器主要包括高能激光武器和高能微波武器。

1.1 高能激光武器

目前在研的激光器包括固态激光器、化学激光器和自由电子激光器等。其中功率最大的是化学激光器，其次为固态激光器。

对于空基和天基激光武器，尺寸、重量、体积、功率和冷却是主要考虑因素；对于陆基和海基激光武器，最主要的问题是大气的影响，如大气湍流，大气的吸收、散射、折射和热聚焦。吸收和折射对激光武器在陆上和海上的应用影响很大，在大气层的对流层，即通常11 km以下，集中了主要的衰减作用气体，包括水蒸气、二氧化碳、云、雾和其他气溶胶。特别是在海洋环境下，空气中水蒸汽变化较大，常会影响激光武器的使用。

1）固态激光器

20世纪60-70年代，固态激光器开始广泛用于军事，如测距仪等。20世纪90年代，人们开始在它们的基础上研制军用激光器。1995年，美国国防高级研究计划署启动了一个研制项目，论证了输出功率250 W的二极管抽运固态激光器。这种激光器主要有3个问题：一是二极管费用，每瓦功率需要10~20美元，对于10 kW以上的激光器来说比较昂贵；二是效率只有9%~19%；三是耐高温性差，废热传输复杂。据美国空军估算，摧毁小型战术导弹所需的最小能量为100 kJ左右。这种激光器本身尺寸较小，主要是冷却问题，美国空军认为在战术飞机上可采用自然环境冷却的方式，这种方式具有较好发展前景，预计可在2015-2020年实现，不过目前还有很多问题需要解决。

2002年9月，“联合大功率固态激光器”（JHPSSL）项目启动，诺思罗普·格鲁曼公司获得研制合同。2006年，诺·格公司开始研制100 kW激光器。2007年9月，该公司研制出高功率增益模块，输出功率达到3.9 kW，并以20.6%的效率持续运行了500 s。2007年12月20日，“联合大功率固态激光器”项目的第1个实验型激光器链--“激光器链1”（LC1）成功演示。

2008年9月，诺·格公司负责研发的美国军用“联合大功率固态激光器”（JHPSSL）计划通过了第3阶段的第3个关键节点，激光功率达30 kW，光束质量达理论限制的2.1倍，并保持该性能指标超过5 min，总运行时间超过40 min，电光转换效率超过了19%。该计划的目的是开发可用于巡航导弹防御的、功率为100 kW级的固态激光器。通过这次示范，证明设计100 kW的固态激光器已经没有问题。

2010年5月及7月，美国海军激光武器系统（LaWS）项目进行了一系列试验，使用固体激光器在海洋环境中成功击落多架无人机。

2）化学激光器

迄今为止，在功率方面进步最大的就是化学激光器。潜力较大的包括氟化氢激光器、氟化氘激光器和二氧化碳碘激光器等。其中氟化氢激光波长为2.7~3.3 μm，属于红外范围，易被大气吸收。氟化氘激光波长3.5~4.2 μm，穿透大气的性能相对好一些。氟化氢激光器主要考虑作为天基激光，用于弹道导弹防御。氟化氘激光器是美国20世纪70年代为海军开发的，是“鹦鹉螺战术高能激光器”论证的重点，这是美国与以色列合作进行的一个项目；TRW公司的“中红外先进激光器”（MIRACL）也采用氟化氘激光器，是美国唯一达到兆瓦级的激光器，已结合“海上光束引导系统”（Sea-Lite Beam Director System），完成了一系列试验，包括1987年打下5架亚音速BQM-34靶机，1989年成功拦截超音速“汪达尔人”导弹靶机。在取得这些成功的基础上，合同商提议在海上进行工程样机论证，但美国海军认为氟化氘激光的波长不合适。

美国空军正在开发多模块兆瓦级化学碘化氧化学激光器（COIL），用作机载激光武器（ABL）。其激光波长较短，尺寸比氟化氢和氟化氘激光器小。另外和氟化氘激光器一样，被水雾的吸收率远小于氟化氢激光。这种激光器已安装在NKC-135飞机上进行过试验，可成功进行导弹拦截。

3）自由电子激光器

美国海军正在研究用于短程反舰导弹防御的自由电子激光武器。2006年杰斐逊实验室研制出了波长1.6 μm、平均功率14.3 kW的自由电子激光器，这种波长适于海上应用。美国目前正在研制功率1~3 μW的自由电子激光武器，射程5~20 km，用于航母编队防御，样机预计2020年研制出来。

2009年4月，美国海军研究局授予波音公司价值1.63亿美元的合同，用于开发自由电子激光武器。2010年3月，波音公司成功完成了美国海军自由电子激光武器系统的初步设计，下一步将制造样机用于海上试验。

1.2 高能微波武器

高能微波武器又称射频武器，是将高能微波源产生的微波，经高增益天线定向辐射，将微波能量聚在窄波束内，以极高的强度照射目标。

高能微波武器主要包括大功率微波系统和超宽带微波系统。大功率微波系统是根据目标射击特征，发射目标设计带宽频率的大功率信号，造成目标信号处理器失灵。超宽带微波系统的频率范围覆盖了数百兆赫到千兆赫的范围；大功率微波系统频率为数万兆赫。二者脉冲效应快，可在目标保护电路生效之前对其进行破坏。在研的脉冲功率武器主要有3种：电容型、电感型和爆炸型。目前可以制造250亿瓦的超宽带微波武器系统。

另外，美国海军还在研究一种主动拒止技术（ADT），目的是使用毫米波作为定向能、非致命武器，用于阻止人的进攻。该技术使用95 GHz的毫米波对抗来袭敌军部队。为此，美国海军水面战中心达尔格林分部（NSWCDD）研制了一种探测阵列，用于探测95 GHz的毫米波的投射能量。阵列单元如图 2所示。

2 定向能武器的主要防御功能 2.1 防御反舰导弹

在可预见的未来，先进的反舰巡航导弹将成为海军主战舰艇最大的威胁。定向能武器系统拦截和摧毁巡航导弹的方式有3种。主要方法是用超宽带微波系统的电磁效应使导弹破坏或损坏，或用面空导弹摧毁非机动导弹。由于激光系统易受环境制约，并不能时刻使用，因此用高能激光进行定向摧毁只能作为次要手段。

超宽带微波系统可用于产生瞬时扰乱效应，并产生作用时间更长的闩锁（使导弹内芯片失效）或烧毁效应。导弹飞行速度越快，高度越低，则导航和控制系统越容易受小扰动的影响。掠海飞行导弹需要非常灵敏的控制系统，以免飞入水中。例如，离海平面9 m高以3 Ma速度飞行的导弹，50 ms内能飞行46 m，只需要对导弹的雷达测高计或导航软件进行短时间扰乱，导弹就可能撞上海面，从而达到“硬杀伤”的效果。如果能量足够，还可引起闩锁或烧毁效应，从而加大杀伤概率。超宽带微波武器并非针对导弹特定机理进行攻击，因此不需要获悉敌方导弹特定信息；其频率覆盖范围越大，对导弹造成破坏或毁损的概率越大。

另一种方法是采用高能激光武器系统，结合传感器，探测、跟踪并拦截来袭导弹。对于迎面来袭导弹，难以对其形成结构性或有效载荷杀伤（payload kill）。虽然雷达罩本身易受损伤，但安置在导弹内部的导航与控制系统可能难以直接杀伤。不过，一旦导弹的传感器系统受损或被毁，就更容易遭受微波破坏和直接攻击。巡航导弹设定程序时，通常设定为如果丢失传感器数据，则自动飞向最后指定目标。当导弹失去机动能力时，常规面空拦截导弹的拦截成功率将大幅度提高，如RIM-116A面空导弹。另外，如果来袭导弹的导航系统被微波照射破坏，不能从传感器获得新数据，则无法重新获得目标位置并调整轨迹。

对于飞过平台防御范围内的目标，常规防空导弹难以进行拦截，而用激光武器则很容易做到。大量试验项目表明，在横向飞过情况下，用陆基或机载激光武器系统可以成功拦截导弹目标。如果用传统的区域防空系统对付来袭导弹，则点防御系统必须面对日益先进的反舰导弹机动弹头，难度越来越大。在协同防御中，来袭导弹如果进行机动来避开点防御导弹系统，就很可能被高能激光武器摧毁；如果要降低被激光拦截的可能性，就要直接攻击目标，但这样就会增加被面空导弹成功拦截的概率。表 6为高能激光武器对迎面来袭和横向飞过导弹目标的毁损性能。

现在反舰导弹速度越来越快，特征信号也越来越小，加剧了防御这些导弹的难度。例如对于以3 m高、4 Ma速度掠海飞行的来袭导弹，自探测到开始，只有约20 s时间进行拦截，留给轨迹探测、捕获、识别和拦截武器发射的时间非常短，在这种情况下，拦截弹的飞行时间对拦截成功与否非常重要。对于防御方来说，不利之处是必须在数秒内将拦截弹速度从0加速到3 Ma。即使在来袭导弹进入雷达视距后立即发射拦截弹，最大拦截距离也只有近7 nmile，留给武器系统的时间很短。在多枚反舰导弹快速连续袭击情况下，防御系统运作周期很短，防御难度很大。

定向能武器系统的“飞行”速度（光速）比导弹高6个数量级，可以缩短拦截时间，迅速命中来袭导弹。向目标发射足够的激光能量只需要2~5 s，这段时间里即使以4 Ma高速飞行的导弹也只飞过了3.5 nmile。在激光强度足够的情况下，可以在防御平台外16~18 nmile处摧毁来袭导弹，这个距离是常规拦截系统的2倍多。

由于空气散射，超宽带微波武器系统作用距离虽然短于激光武器系统，但相对于常规导弹还是具有明显的速度优势。超宽带微波武器对来袭导弹导航设备部件产生破坏所需的持续照射时间通常为600 ms左右或更少。

2.2 攻击来袭敌机

与敌方巡航导弹相比，对敌方飞机的跟踪识别难度较大，特别是在己方编队上方有己方航母舰载机的情况下。定向能武器系统可以留出更多的时间，进行更严格地识别，减少误伤。

与防御导弹相比，用定向能武器防御飞机有较大差别。例如，破坏战术飞机的雷达罩对其空气动力生存能力影响很小，而且基本不会影响飞机上装备了主动导引头的空射反舰导弹。另一方面，即使飞机迎面奔袭，定向能武器也可攻击飞机的控制面、油箱和挂载武器等多个部位。在环境条件允许的情况下可使用激光武器，具备精确跟踪目标的能力，而且可以减少误伤。

微波武器系统对飞机的攻击能力并不理想。首先，敌方飞机可能在微波武器射程之外发射导弹或激光制导炸弹。第二，有人飞机与导弹相比，其控制系统难以摧毁，而且冗余性高，对于装备数字飞行控制系统的飞机，需要几乎同时破坏飞机上2台以上的飞行控制计算机。杀伤敌机传感器和任务计算机将增加敌机攻击航母的难度。飞机精密度越高，使用任务计算机控制关键子系统的可能性越高。

定向能武器对轻型飞机和直升机等低速（指300 kn以下）飞行目标杀伤力更大，还可用激光跟踪系统提供远程小目标图像。如在过去，敌方可用轻型飞机和直升机等小目标在远程观察，由于其尺寸远小于航母等高价值目标，可在被识别之前识别出航母。但激光跟踪系统的应用将使航母重新掌握优势，只要识别出敌方目标，就可用激光迅速对其进行摧毁。即使不能在远程对目标进行识别和拦截，还可用超宽带微波武器系统在末段实施拦截，而且成功率较高，因为轻型飞机动力装置比较脆弱。如果敌方采用“神风自杀式飞机”攻击，可用微波武器将其提前引爆。

3 定向能武器在航母上的集成

定向能武器系统在尺寸、重量、功率和冷却方面要求较高，特别是需要兆瓦级的能量传输和配电系统，对应用平台有一定要求。航母排水量大，且发配电能力较强，是美国海军重点考虑应用的平台之一。如美国海军“尼米兹”级发电量达64 MW，其下一代航母“福特”级发电量将达到“尼米兹”级的2.5~3倍，为定向能武器的上舰提供了基础；定向能武器也可装备在巡洋舰、驱逐舰等其他水面舰艇上。与陆基和空中平台相比，舰艇可用海水进行定向能武器系统的冷却。

目前美国海军“尼米兹”级航母采用北约“海麻雀”导弹和近程武器系统进行自防。美国海军考虑了在航母上应用定向能武器的4种方式，认为结合定向能和常规防空武器的方式最佳。

1）使用高能微波武器替代现有防空舰炮和导弹。虽然高能微波武器系统可全天候使用，但有效作用距离较短，而且采用单一防御系统风险也较高。

2）使用高能激光武器替代现有防空舰炮和导弹。但激光对环境敏感，在天气恶劣时效果较差，而且对迎面来袭目标防御能力有限。

3）同时使用高能微波武器和高能激光武器替代现有防空舰炮和导弹。微波武器和激光武器可互为补充，而且不受航母弹药库容量限制。

4）同时使用常规防空武器、高能微波武器和高能激光武器。其中常规防空武器采用滚体导弹发射装置。这种方式可提供最强的自防御能力，是满足21世纪上半叶需求的最佳方式。3个独立系统都可在360°范围内提供防御能力，从而使航母具备抗饱和攻击的能力，而且其火力范围的重叠和快速的反应可消除现有系统的弱点。航母上现有防空系统在集中于一个方向防御时会出现漏洞。滚体导弹发射装置弹仓容量更大，不需要频繁装填弹药；另外在装填弹药时，也可用定向能武器系统提供防御。表 2为3种防空武器系统的性能比较，可见3者具有很好的互补性。

此外，在环境允许情况下，航母还可通过集成光学传感器和高能激光系统，加强识别敌方飞机和水面舰艇的能力。另外定向能武器还具备其他用途，包括使敌方侦察飞机传感器致盲、击伤高速汽艇上的恐怖分子等。

4 结语

国外正在积极开展定向能武器技术研究，在高能激光、微波等武器的技术方面已经有一定成就。定向能武器可以用于为编队提供反舰导弹防御能力和攻击来袭敌机的能力，未来美国航母将继承定型能武器，作为编队防御的重要组成部分。