引 言

近些年美国海军加快了固体激光武器、电磁轨道炮及超高速炮弹等新概念武器的研究，这些武器能够有效地提高舰艇的自防御能力，改变水面舰艇战术规则，甚至会给海军水面作战带来革命性的变化。

1 军事需求分析

尽管美军水面舰艇安装了大量自防御武器，比如“密集阵”系统、防空导弹等，但是一些专家分析认为，对于反舰导弹的饱和攻击，仍会使舰队受到巨大的伤害，2015 年美海军舰队进行了场景推演，航母编队的防御能力十分令人担忧。

1） 提高抗饱和攻击能力

应对饱和攻击及高速机动反舰导弹攻击的有效途径就是提高武器的拦截概率，激光武器几乎没有弹丸飞行时间，直接命中目标，当其到靶功率足够时，其拦截概率非常高；电磁炮发射的超高速炮弹速度可达 6～7 Ma，是传统炮弹的 2～3 倍，大大缩短了交火时间，对来袭目标的拦截概率可以有较大的提高。

2） 提高舰艇弹药容量

弹药容量是海军当前防御武器的制约因素之一。巡洋舰有 122 组导弹发射单元，驱逐舰有 90 或 96 组单元，抛除“战斧”巡航导弹和反潜火箭弹，防空导弹只有几十组，且在舰上不可补弹，拦截每枚敌方反舰导弹需要 1～2 组，之后必须退出补给。而激光武器采用电能，可反复发射；电磁炮的超高速炮弹能储存几百发，优势非常明显。

3） 打击低价值目标的需要

美海军研究院对“蜂群战术”（多架低成本无人机）进行了数百次模拟推演，结果表明 30% 的概率可突破“宙斯盾”防空系统的防线，而这些无人机单价仅有 15 000 美元。

4） 作战费效比的问题

每枚防空导弹采购成本从 90 万到几百万美元不等；激光武器每次射击少于 1 美元，电磁炮的超高速炮弹大约 2.5 万美元。

2 固体激光武器

美国海军近十年着重于舰载固体激光武器的发展，其使命任务定位于 1 英里到几英里的近程防御系统，可有效对抗小船和无人机，随功率的增加，还可对抗巡航导弹和弹道导弹。

除了发射成本低和无弹药库限制的优点外，还具有交火快速、对付机动目标能力强、精确打击等优点；缺点是直线打击，受大气影响大、不是全天候武器，点杀伤（对付饱和攻击能力弱），具有附带损害等。

2.1 现状

2008 年 8 月，美国海军研究办公室（ONR）提出的海上激光武器演示计划，有雷声公司、波音公司和诺·格公司等多家积极参与。

雷声公司开发的激光武器系统称为 LAWS（Laser Weapon System），采用 6 套 5.5 kW 光纤激光器，BQ = 17，电光转换效率 25%，空间合束，使用“密集阵”系统作为粗跟踪系统。2009 年 6 月，在加利福尼亚南部中国湖成功击毁了 5 架靶机。2010 年 5 月，在尼古拉斯岛，通过海面，成功击毁了 4 架靶机。2012 年 9 月，安装在“杜威”号（DDG-105）驱逐舰上，开展舰船平台试验。2014 年，LAWS 系统的激光功率进一步扩大到 100 kW，在“庞塞”号上开展了为期 1 年的试验，测试了与舰船雷达系统和作战系统的融合，在其中 12 次射击测试中命中率为 100%。2014 年 12 月，海军宣称“庞塞”号上的 LAWS 是一个可用于实战的系统，技术成熟度可达到 6。

BAE 系统公司以 MK38 Mod 2 型 25 mm 舰炮为跟瞄平台，开发了战术激光武器系统，称为 MK38 TLS（Tactical Laser System）。该武器系统的主要作战目标是小型舰船、无人机和空中目标；系统采用 IPG 公司单模光纤激光器，输出功率为 10 kW，BQ = 2.1，电光转换效率约 30%；激光发射模块采用波音公司的“激光复仇者”。2011 年启动，8 月在埃格林空军基地开展了跟踪试验，2012 年底，完成了系统打靶试验，2013 年初，该公司建议海军及时开展海上试验，并宣称该系统适装性很强，可以安装在很多现役舰艇上。

诺·格公司于 2009 年 3 月完成了 MLD (Maritime Laser Demonstration)样机方案，采用 7 个 15 kW 板条固体激光器模块，合成为 105 kW，BQ = 3，电光转换效率 20%～25%。2010 年 7 月，开展了海洋环境下小船跟瞄试验。2011 年 4 月，MLD 安装在海军的自防御测试舰上（DD964），成功击毁了小船靶标，技术成熟度为 5。诺·格公司称，可以在 4 年内完成工程样机，并且激光功率可以扩大到 300 kW。

2.2 有待提高的主要技术

尽管高能激光武器系统在海洋环境中的试验取得了很大进展，但围绕着作战效能、舰船平台的融合以及工程化等方面还有许多事情要做。

1） 高功率高质量波束

激光武器依靠能量积累对目标进行毁伤，当前的试验波束功率在 100 kW 级，应对无人机和小船取得了明显的效果，但是应对反舰巡航导弹、反舰弹道导弹尤其是超高音速导弹，功率则需要到 500 kW 甚至 1 000 kW。

另外一个关键要素是波束质量，虽然单模块的光束质量较高，但需要注意到 LAWS 和 MLD 均采用了合成技术，光束质量不可避免的下降；在波束功率及发射单元相同的情况下，到靶功率密度和波束质量的平方成反比，相对于功率参数而言，功率密度是形成有效毁伤的更直接的参数。

2） 跟瞄发射系统舰用化

其一就是在舰船摇摆和振动的情况下保持足够精确的动态指向精度；其二就是光学系统对海洋盐雾等的环境适应性，比如发射窗口对腐蚀和污染的保护等；其三就是跟瞄发射系统作为甲板面设备的紧凑化、可靠性、维修性、环境适应性等工程化问题。

3） 电源和散热技术

当前的固体激光器大约只有 30% 的电光转换效率，比如 150 kW 的激光武器，需求电源功率约 500 kW，工作体制是短暂和间歇性，从整船配电来讲，系统匹配性和经济型欠优，因此储能及电源管理技术是一个需要考虑的问题；另外，剩余 70% 的能量基本以热能形式产生，高效的散热系统也必不可缺。

4） 大气传输补偿技术

大气湍流、潮湿和雾霾的大气条件导致激光束发散和扭曲变形，降低效能；另外，随着激光波束功率的提升，热晕效应也会明显。远程激光传输一般采用自适应补偿技术，但会系统的复杂性和成本急剧增加，近程防御武器是否需要补偿或采用何种新的补偿技术尚需进一步通过试验综合论证。

5） 舰艇的适装性

适装性主要有 2 方面的内容：一是激光武器系统与现有舰艇作战系统、火力控制及信息的融合和对接；二是跟瞄发射系统、激光器系统、电源、散热系统在现有舰艇的整体结构布局及安装，体积和重量是主要的约束。

2.3 发展路线

2015 年 7 月，美国海军发布固体激光武器研究指南，以 100～150 kW 为目标，在 2018 年开展工程化样机的海上试验，主要用于有效拦截无人机和小船。随后进一步增大至 200～300 kW，可以对抗某些反舰巡航导弹，甚至几百千瓦到 1 MW，将可以对付更多的反舰巡航导弹及反舰弹道导弹，如表 1 所示。2015 年 10 月，诺·格公司在此次指南竞争中胜出，开始启动激光武器系统演示验证程序（LWSD）。

3 电磁轨道炮和超高速炮弹

除了固体激光器，美国海军从 2005 年起，还开展了电磁轨道炮和超高速炮弹的研发，电磁炮与传统舰炮相比，主要有以下特点：一是初速高，可达 5.9～ 7.4 Ma；二是射程远，32 MJ 射程可达 180 km，而 MK45 Mod4 型 127 毫米舰炮最大射程只有 38 km；三是弹丸飞行时间短，射击精度明显提高；四是毁伤效果大，是现有火炮的 3～5 倍；五是无需发射药和炸药，安全性高，且可消除或减小炮口冲击波，大大提高生存能力。因此电磁炮主要用于远程火力支援，也可用于中程反导。

3.1 现状

该项目由 BAE 系统公司和通用原子能公司 2 个团队同时承担，主要技术要求：炮口动能 20～32 MJ，射程 50～100 nmile。分 2 个阶段完成，第 1 阶段着重于电源和轨道技术的研究。2012 年，海军进行了试验评估，高功率脉冲电源技术、轨道抗烧蚀技术以及冷却技术均取得了阶段性成功；第 2 阶段以 10 连发为目标。2015 年，完成了全比例复合身管试验，结构强度和工艺性得到了很好的证明，脉冲电源和冷却系统的试验亦取得成功，技术成熟度达到了 5 级。

超高速制导炮弹采用低阻力空气动力学技术，速度高、机动性强；采用精确电子制导系统，可以有效拦截当前及未来的目标威胁，如图 1 所示。长约 610 mm、重 12.7 kg；配装不同的适配器，不但可以用于电磁炮，也可用于 127 mm 及 155 mm 等常规舰炮见图 2～图 4。从 127 mm 舰炮发射时，弹丸速度仍可达到 1 000 m/s，而目前的神枪手半主动激光制导炮弹速度只有 620 m/s，可有效提高反舰导弹的拦截能力，大大扩充现役舰艇的对空及对海能力。超高速制导炮弹的作战能力、射程等应用如表 2 所示。

3.2 有待提高的主要技术

电磁轨道炮和超高速炮弹存在的问题，主要涉及到身管寿命、超高速弹丸、电源系统及舰艇适装性等。在 127 mm 或 155 mm 舰炮上装备超高速炮弹还涉及到与现有武器系统的融合适配。

1） 身管寿命以及和供弹系统的整合集成

轨道是电磁炮的关键技术之一，工作电流兆安级，还要经受极大的瞬时热流冲击，造成导轨的严重烧蚀。发射质量 20 kg, 初速 2 000 m/s 的轨道寿命大约有 100 发，而 155 mm 舰炮的身管寿命可达 3 000 发。同时对重量亦有严格的限制。轨道材料和侵蚀效果的实验表明，侵蚀量最小的是使用钨的导轨炮。但是钨的价格昂贵，而且强度较差，目前，正对各种铜合金和碳化钨等材料进行实验。

2） 电源系统的储能密度及热管理技术

由于电磁发射能源完全来源于电能，具备高储能密度、大储能量及快速充电特性的高功率脉冲电源是电磁炮走向工程应用的关键环节。虽然近年来小型化脉冲电源已有了很大进步，但是样机的重量接近 600 t，距离实用还有很大差距，美海军设想的驱逐电磁炮的功率需求为 15～30 MW；同时，舰电必须能保证脉冲电源系统的快速再充电，使电磁导轨炮获得较高的持续射速，从而满足火力支援的需要，目前主要的研究方向是高储能密度电容组方案。

对于连续发射的电磁炮而言, 系统的热管理问题极为重要, 必须采用综合性的散热和冷却技术措施, 实现系统内热载荷的平衡。

3） 超高速制导炮弹技术

电磁炮发射的炮弹组件由电枢、弹托和弹丸构成。目前采用的固体电枢较好的控制了电流密度和温度，在抗烧蚀上取得了一定进步，但弹丸组件与身管的匹配性还需进一步提高；同时内部制导部件的抗过载能力（20 000～45 000 G）、超高速飞行时的热结构技术等尚需进一步研究。

4） 舰船适装性：研究解决电磁炮系统的电磁兼容性、发射声场特性、全舰电力动态匹配技术等问题。

3.3 发展计划

基于以上问题，海军研究办公室计划集成一型新的战术型原理样机，2016 年在高速双体船的直升机平台上开展海上演示试验。据参考文献[4]，海军计划在 2020-2025 年实现电磁炮的装舰。

4 结 语

随着技术的发展，美国海军近些年加快了新概念武器的发展。舰载激光武器以固体激光器主要为主要方向，定位于舰艇近程防御；电磁轨道炮和超高速制导炮弹结合，定位于远程精确打击，同时兼顾中程导弹拦截。二者均以电能为能源，匹配全电力舰的发展趋势，突出的优点是弹容量大和作战费效比高，会对未来的作战模式带来重要的影响，尤其是超高速炮弹适配现役舰炮，以极低的成本实现媲美导弹的远程精确打击；目前基本突破了关键技术样机阶段，开始着手工程化研究。