美国海军舰艇的激光武器系统技术介绍

系统技术交流 2024-10-15 11:11:14

美国海军已经在至少三艘阿利·伯克级导弹驱逐舰上安装了操作激光器——杜威号(DDG-105)、斯托克代尔号(DDG-106)和斯普鲁恩斯号(DDG-111)。这些舰艇已经接收了AN/SEQ-4光学眩目拦截器,海军(ODIN),这是一种固态激光器,能够通过禁用或破坏无人机的传感器来击败无人机。能够完全摧毁威胁的更强大的激光器,例如,具有集成光学眩目和监视功能的高能激光器(HELIOS)正在开发中,但尚未准备好进行广泛部署。HELIOS将类似于海军几年前在庞塞号航空母舰(AFSB-15)上测试的30千瓦(kW)AN / SEQ-3激光武器系统(LaWS)的放大版本。其他系统也在开发中。

美国国会研究服务局(CRS)5月9日对其报告的更新,海军舰载激光器援引USNI News的话称ODIN为“政府设计、建造、测试、安装的系统”——这在当今通常由承包商主导的开发计划中有些不寻常。2021 年 4 月的同一篇 USNI 新闻文章报道称,海军计划在 2021 年将 ODIN 系统添加到另外两个 DDG 中,未来再增加三个,总共八个。

海军尚未发布有关ODIN能力的详细信息;甚至它的额定功率也是未知的。但考虑到“令人眼花缭乱”而不是摧毁无人机的任务,其威力可能与 AN/SEQ-3 LaWS 相当或略逊一筹。LaWS的有效射程显然可达约一英里。

ODIN的重点是保护船只免受非武装无人机系统的骚扰,据报道,这个问题近年来一直困扰着水面战斗人员。《战区》就此问题撰写了大量文章,最近一次是在 6 月报道了 2019 年发生的一系列无人机群事件,这些事件影响了加利福尼亚海岸附近的至少七艘海军舰艇。

为了更好地抵御更强大的威胁,洛克希德·马丁公司正在开发 60 kW(根据 CRS 的说法,“具有 150 kW 的增长潜力”)HELIOS 激光器。尽管 CRS 报告强调 HELIOS 仍处于开发阶段,但在 6 月,Hope Seck 为 Sandboxx 报道说,第一台 HELIOS 激光器正在安装在 USS Preble (DDG-88) 上。该公司表示,预计该系统将永久禁用或摧毁机载无人机、小型水面舰艇(如快艇),甚至一些反舰导弹,如果扩大规模。

高功率 (150 kW) 诺斯罗普·格鲁曼公司激光武器系统演示器 (LWSD) 几年前安装在波特兰号航空母舰 (LPD-27) 上,并于 2020 年击落了一架无人机,并在 2021 年的一次测试中击中了木筏,USNI News 报道。

正如《需要知道》之前所写的那样,开发激光器本身是具有挑战性的,但将它们集成到船上可能是一个更大的挑战。从理论上讲,激光器提供了一个几乎无底洞的弹匣——CRS 报告估计,ODIN 或 LaWS 尺寸系统的每次射击成本约为 1.15 美元,而 480 kW 激光器的每次射击成本可能高达 10 美元,其中大部分成本是用于为激光器发电的燃料价格。但是,大多数海军舰艇的动力系统并不能很好地适应产生短时间的高强度输出。今天水面作战舰上的发电机是为了产生大量但稳态的电力来运行机载计算机和电子系统,发动机在一个单独的通道上运行,一般来说,这个通道甚至暂时不能切换,为推进器提供动力。

HELIOS 激光器是在 2021 年 12 月的一次测试中从波特兰号航空母舰 (LPD-27) 发射的。假色可以让激光束被看到——还要注意当激光击中目标时明显的火焰喷发。图片来源:美国海军(Devin Kates)

波特兰号是 LWSD 的候选者,因为它比驱逐舰等小型水面舰艇拥有更多的多余空间和动力。开发综合电力能源系统(IPES)可能是海军未来驱逐舰的建造者可以完成的最重要的事情。IPES不仅允许船上的任何发动机发电和转动螺丝,而且还采用电池来保护系统免受发射激光所需的短脉冲电的负面影响。星座级护卫舰不会有IPES,至少在舰艇的首次飞行中是这样;后 DDG-51 驱逐舰有望。

有时有人说,当成熟的真正高功率激光器(兆瓦级)到来时:“如果它飞了,它就会死。在某种程度上,这可能是真的。CRS报告指出了激光器的几个局限性。特别是,它们仅限于视线范围内;安装在船体上的激光器没有超视距能力。此外,大气层,尤其是海上大气层,可能会对激光造成严重破坏。沙子、灰尘、烟雾和水蒸气都可以吸收或散射激光能量,湍流也是如此。热光晕也会降低激光器的净有效功率,它是激光器在空气通过时加热空气的副产品。(这种效果在恒定的方位中最为明显,减小“喉咙”射击的范围。自适应光学和激光波长的选择可以在一定程度上减轻这些影响。

但是激光可能会被饱和攻击和武器设计所淹没。即使是 1 MW 的激光器也需要几秒钟才能摧毁敌方车辆或武器——如果威胁已经增强了对激光的攻击,则时间会更长。该报告还指出,杂散激光对飞机、卫星和人眼构成威胁,所有这些激光在远大于武器对机器的有效射程的距离内都处于危险之中。

尽管如此,今天驱逐舰上的ODIN系统肯定只是一个开始。1911 年,一名意大利飞行员从一架脆弱的帆布和木头 Taube 单翼飞机上投下了第一枚航空炸弹。仅仅十年后,陆军准将比利·米切尔(Billy Mitchell)领导了一场示威活动,证明炸弹可以击沉主力舰,不久之后,空中力量开始在战争中发挥巨大作用。舰载激光器今天可能处于Taube阶段,但可能用不了几十年,它们的影响就会急剧增长。

QuickSink 更新

空军研究实验室视频的屏幕截图显示了4月份在墨西哥湾进行的一次测试中,一架经过改装的GBU-31撞击货船侧面的那一刻。信用:AFRL

今年4月,“需要知道”报道了空军研究实验室(AFRL)的QuickSink计划。AFRL改装了GBU-31联合直接攻击弹药(JDAM)以攻击海上船只,并于3月初发布了有关25,000美元武器的信息。一个月后的4月28日,AFRL在墨西哥湾进行了一次试验,沉没了一艘旧货船。视频显示,炸弹似乎击中了吃水线以下的船只,打破了船的背部并将其抬出水面。

虽然该系统的15英里射程对于攻击防御严密的船只来说太短了,但它似乎是攻击海上较软目标的另一支箭袋。该测试由AFRL,第780测试联队的第96测试中队和第85联队的第53测试和评估中队进行。

根据CRS的报告,近年来在海军驱逐舰上测试的60千瓦高能激光器(HELIOS)等舰载激光器,具有集成光学眩目和监视功能的武器系统,可以“显着”减少大气水蒸气对激光器性能的影响,因为它仅在电磁波谱中的“最佳点”发射辐射。

但是,沙尘暴等其他现象并没有那么方便的解决方案,Mingus对Breaking Defense的评论中抓住了这个问题。

“我们的高能激光器非常容易受到天气的影响,”明格斯说。“这就是为什么我认为这将是一个伟大的实验室,因为每当有沙尘暴,每当有这样的事情发生时,它就会开始改变实际发射该光束的光粒子的物理特性。

这不是陆军第一次在不可预测的作战环境中测试激光武器系统。今年8月,美国陆军联合反小型无人机系统办公室主任肖恩·盖尼(Sean Gainey)少将透露,美国陆军已向美国中央司令部、美国非洲司令部和美国印太司令部责任区派出几套10千瓦激光系统进行“作战评估”。

但是,50千瓦DE M-SHORAD系统的部署代表了一个重要的测试里程碑,该系统至少自2015年以来一直在开发中,在敌对无人机的上升浪潮需要激增新能力的时候,它可以为陆军的防空系统提供重大飞跃。

自2014年俄罗斯吞并克里米亚以来,激光武器一直是国防部改进的短程防空战略的支柱,并因此转向与俄罗斯和中国等传统对手国家的“大国竞争”。

激光器拥有近乎无限的弹匣和优于标准动能武器的精度,提供了一种低成本的方法,可以持续击败来袭的火箭弹、火炮和迫击炮火力、无人机甚至旋翼飞机。根据政府问责局 2023 年的一份报告,总体而言,国防部每年花费 10 亿美元开发定向能能力。

随着对伊拉克和叙利亚美军的无人机和导弹袭击的增加,以及胡塞武装对红海商业和军用船只的导弹袭击的增加,对有效激光武器的需求具有新的紧迫性。后者导致人们呼吁在海军指挥官中增加舰载激光武器的部署,他们的军舰越来越被迫抵御即将到来的空中威胁。

DE M-SHORAD激光系统是陆军Stryker安装的5千瓦移动实验高能激光器(MEHEL)和50千瓦多任务高能激光器(MMHEL)的技术后代,被称为“守护者”,于2019年成为该服务的记录计划。根据军种预算文件,作为其 2024 财年预算请求的一部分,陆军提议为激光系统和车辆套件提供约 1.11 亿美元的研发资金,低于上一年的 1.97 亿美元,这主要是由于完成了第一批四辆原型车。

2023 年 9 月,位于俄克拉荷马州西尔堡的陆军第 60 防空炮兵团第 4 营接收了第一批由四辆 DE M-SHORAD 原型车组成的排。

“向第 4-60 ADAR 交付 DE M-SHORAD 原型机代表了陆军现代化运动的一个转型里程碑。这是一项成就,现在增加了通常被认为是下一代的能力,“DR-MSHORAD项目经理Steven Gutierrez上校当时在一份声明中说。“这些高能激光系统将成为当代战场上的游戏规则改变者,是师和旅机动编队集成、分层和纵深防空导弹防御的关键组成部分。”

DE M-SHOARD 并不是陆军防空武器库中唯一的激光武器:该军种最近与国防巨头洛克希德·马丁公司签订了一份合同,为士兵配备 Valkyrie 300 千瓦激光武器,该武器装载到重型扩展机动战术卡车上,据称将提供重要的防御,抵御其 50 千瓦表亲旨在击败的同一系列导弹和无人机威胁, 以及其他强化威胁,如来袭的巡航导弹。

在其开发中投入了如此多的时间和金钱之后,DE M-SHORAD 新生的激光排和指挥官下辖区的迫切需要将在即将在中央司令部责任区的作战测试中相交,这些测试可能有助于确定系统的局限性,这些限制阻止激光作为“全天候解决方案”来袭的无人机和导弹在中东等地区。

在弗吉尼亚州举行的水面海军协会年会上谈到海军未来的DDG(X)水面战斗舰时,综合作战系统项目执行官Seiko Okano少将透露,该服务现在已经从国防承包商洛克希德·马丁公司那里获得了一套带有集成光学眩目和监视(HELIOS)武器系统的高能激光器,以及七枚光学眩目拦截器, 来自弗吉尼亚州达尔格伦海军水面作战中心的政府开发人员的海军 (ODIN) 系统。

根据2018年与洛克希德公司签订的合同开发的HELIOS由一个60千瓦的激光和光学眩目器套件组成,旨在摧毁无人驾驶飞行器,“烧毁船只”,并破坏机载和舰载情报,监视和侦察传感器,根据国会研究服务局的说法。

根据 CRS 的说法,低功率的 ODIN 激光眩目器提供“短期”能力,可以迷惑和中和空中无人机,并摧毁各种情报、监视和侦察资产。

随着成群结队的无人机、船只和反舰导弹对水面舰艇构成越来越大的威胁,激光武器系统将被证明是一种理想的低成本、近乎无限的弹药对抗措施,可以阻止潜在的攻击。

海军水面战主任弗雷德·派尔(Fred Pyle)少将在与奥卡诺相同的SNA小组会议上发表讲话时表示,海军水面战“将继续以定向能量进行投资,以达到更高的水平,以便我们能够超越自卫并参与更多的作战任务。

“超越自卫”可能意味着将 HELIOS 的输出功率从目前的 60 kW 提高到 120 或 150 kW 的更大功率。

美国海军激光激增的消息可能会让一些观察人士感到意外,因为海军仅在两年前接受了其第一个HELIOS系统的交付,并在2022年8月才安装在阿利·伯克级驱逐舰普雷布尔号上。

但正如 Janes 在 4 月份指出的那样,该军种的 2023 财年预算提案将其范围广泛的海军激光系统系列(HELIOS 属于该范围)指定为“一项加速采购计划,以提供近期的舰载激光武器能力”,强调尽快将激光武器部署到水面军舰。

尽管有这种推动力,但该舰队不太可能在本财年看到激光器的快速部署:海军的预算请求主要要求在去年成功将武器系统集成到Preble上后,对HELIOS进行进一步的海上测试。

官员们此前曾表示,DDG-51的Flight III设计存在明显缺陷,因为它将大部分发电集中在AN/SPY-6防空和导弹防御雷达(AMDR)上,使该军种的Flight IIA驱逐舰舰队成为激光集成的首选平台。

正如时任海军水面战主任罗恩·博克索尔(Ron Boxall)少将在2019年提到AMDR到Flight III船体时所说的那样,“就力量而言,我们脱离了施利茨。“我们为此使用了大量的电力,但我们没有那么多额外的功能来增加功能。”

虽然由于发电问题,海军可能难以长期融入那些较新的Flight III驱逐舰,但海军官员希望SNA会议上讨论的新型DDG(X)水面战斗舰能够解决发电问题。

事实上,此前发布的下一代驱逐舰的预期配置——打算从2030财年开始取代阿利·伯克级和提康德罗加级——在其船尾安装双600千瓦激光器用于导弹防御,并在其船头安装一个150千瓦激光器用于小型无人机和船只。

“造船是一场漫长的游戏,对吧?”派尔说,根据《国防》杂志。“因此,当我们实现我们正在寻找的定向能功率,或者高功率微波 - 或任何可能的东西 - 或激光器时,我们希望有一个平台来降落它。

更正:23 年 1 月 23 日:本文最初指出,根据冈野圣子少将的公开评论,海军已收到六套带有集成光学眩目和监视 (HELIOS) 的高能激光器武器系统。在这篇文章发表后,海军信息主管办公室澄清说,该服务只收到了一个HELIOS武器系统,以及七个光学眩目拦截器,海军(ODIN)系统。

0 阅读:3