光学纤维或让科幻战场成为现实
时间:2017-12-07

  纤维或使科幻小说战场成为现实 - 新闻 - 科学网

  然后一个狙击手从发射台上升,开始瞄准它。在沙漠地面上,一辆巨大的沙子车发射不可见的红外线,逐一摧毁目标。

  高能激光手机验证器(HEL MD)是航空巨头芝加哥波音公司为美军开发的一种原型激光武器。在卡车内部,波音电子物理工程师斯蒂芬妮·布朗特(Stephanie Blount)正盯着笔记本电脑屏幕上的目标,用他的掌上游戏控制器指挥激光枪。这感觉非常像一个游戏。她说。

  这似乎不寻常:激光武器是现代电子游戏的主要道具之一,几十年来,各种类型的射线枪已经在科幻小说中变得很普遍。但现在,他们不再是幻想。波音公司开发的原型只是近年来在美国和欧洲开发的许多类似武器之一,这在很大程度上要归功于相对便宜,便携和强大的激光器的发展。这些激光器可以通过光纤产生光束。

  这些光纤武器的产量是以千瓦(kW)来衡量的,比美国战略防御计划预计的100万瓦特要低几个数量级。

  但是到目前为止,这些与目前的波音系统类似的测试表明,激光有足够的能力来克服恐怖组织的威胁。这是以小部分成本制造小型狙击手或火箭的极具成本效益的解决方案。布朗特说。

  例如,在2014年底,美国海军展示了一种名为LaWS的舰载激光武器系统,该系统为恐怖分子和海盗定位船只。实验武器目前安装在庞塞上湾地区的两栖火力支援船上。

  不过,开发商表示,这些武器的全面部署仍然面临挑战,从增加武器到克服在雾天和阴天使用激光的障碍。然而,国防和安全专家正在开始更严肃地对待激光。经过近半个世纪的探索,美军今天正处在部署有关定向能武器的风口浪尖。新美国安全中心(CNAS)高级技术专家保罗·沙尔(Paul Scharre)在今年4月份发表的激光武器报告中写道。

  权力困境

  激光武器让开发者着迷,特别是在二十世纪八九十年代的战略防御计划鼎盛时期。根据CNAS的报道,美国在激光武器上的投资在1989年达到顶峰,当时的政府投资在2014年相当于24亿美元。但是从那时起,资金水平一直很低。以前预期的被击落的弹道导弹目标难以实现。

  激光武器的秘诀在于把能量集中在一个足够小的位置来加热和摧毁目标,要做到这一点,需要一个可以在战场上使用的小巧便携的设备。说远比做容易。例如,1996年美国空军发射了一种机载激光武器计划,作为防御性弹道导弹计划之一。由于当时无法达到兆瓦级的输出功率,开发商选择使用化学氧碘激光器(COIL),这种激光器可以通过化学反应添加燃料。

  但是COIL太大,不能仅由波音747来运载,而且没有足够的激光燃料空间。它需要远程混合设备和数万磅的化学品。洛克希德·马丁公司的定向能源系统负责人Paul Shattuck说。该公司为上述项目提供了波束控制技术。

  华盛顿海军研究实验室的定向物理学家菲利普·斯普拉格(Phillip Sprangle)说,另一个重要问题是空气。他指出,不仅尘埃和自然的湍流会使光束分散,激光路径也会导致热光晕效应。 Sprangle解释说,随着光束以极高的能量传播,空气吸收激光,加热空气,并使光束扩散。反过来,这种扩散会削弱激光能量。

  至少对机载激光项目来说是一个好消息:像天文学家一样看着恒星的自适应光学可能是解决方案,该技术使用一个镜子来自动扭转激光束,以减弱湍流的影响,并导致眼镜可以校正眼睛的像差,当光束穿过空气时,它会被清理干净,最终完美地和集中地击中目标。

  到2010年,自适应光学技术已经在机载激光设备中得到了很好的应用,有助于摧毁飞行中的弹道导弹。但是当时的尺寸问题等后勤困境让国防部失去了发展能源武器的热情。在2012年初,该部门完全取消了机载激光武器计划。与此同时,国防部对高能激光的投资也从2007年的9.61亿美元下降到2014年的3.44亿美元。

  聚光灯光纤

  资金并没有消失:人们的注意力已经转移到了更经济的光纤激光器上,光纤激光器出现在1963年,并且发展成为20世纪90年代以来超过预期的盈余,而其他固态激光器则使用刚性棒,晶体板或圆盘为了产生光,大型光纤激光器使用包裹紧凑线圈的薄光纤。

  这些光纤从更便宜的激光二极管的更亮版本中收集光线,然后放大光线,使电光转换效率提高30%。这至少使其他类型的固体和激光器的能量效率提高一倍,接近化学激光器如线圈。而且,由于光纤本身较长,较薄,所以其表面积和体积比,快速散热,有利于延长激光器的使用寿命,减少维护工作。

  当光纤激光器开始被用于增强携带互联网数据的海底电缆的光信号时,这些努力在90年代开始引起人们的关注。世纪之交,研究人员开始研制千瓦级工业激光器进行焊接,钻孔和切割,也引起了军事专家的兴趣。

  沙特克回忆说,他和他的同事在2010年左右听说,以色列平民是从加沙地带发射的火箭的目标,一位村长说我们会被要求提供一些保护。沙特克说。这启发了洛克希德·马丁公司开发了一个区域防御反弹(ADAM)系统,该系统使用一个10千瓦的激光器来降低成本。

  自2012年以来,该公司透露,ADAM无法找到1.5公里外的船只,遥控驾驶飞机和小口径火箭。尽管不愿意透露ADAM的价格,洛克希德·马丁公司表示现在已经准备好向客户提供该系统。

  Blount并没有太多提及波音的HEL MD原型机,该原型机也使用了一个10千瓦的商用光纤激光器。该系统从汽车发动机或独立发动机获取能量,她说:只有两杯燃料需要摧毁许多目标,这使得它比传统导弹便宜,一枚价格低廉的导弹需要10万美元,一次使用,激光武器系统的射击成本不到10美元,波音定向能源系统负责人戴维德(David DeYoung) , 说过。

  布朗特还强调,激光武器的复兴与图像识别和瞄准系统的发展密不可分。她说:“更好地让光束更有效地击中目标的弱点。”由于计算机瞄准,HEL MD可以完全自动控制。

  数字的力量

  瞄准和定位技术可能已经准备就绪,但能源仍然是一个问题。 10千瓦商业激光的输出功率是激光武器可以使用的最低端。而且,使用光纤限制了光束的能量和质量。其中一个原因是撞击光纤的光子迅速加热并可能造成损坏。为了避免这种情况,研究人员正计划将几个激光器的输出功率结合起来。

  实现这一目的的理想方式可以是相干合成,每个激光器发射的波能匹配在一起形成紧密的同步。麻省理工学院林肯实验室的激光科学家Tso Yee Fan说,这项技术被广泛用于无线电和微波设备。

  但是,要实现可见光和红外光的相干性是非常困难的。每个激光必须发射几乎相同的波长,振动平面必须准确地排成一行,每个波峰和波谷必须一致。对于射频和微波,波长大约是几厘米。范说,但在光学领域,波长只有1微米左右,所以做这些控制其实很困难。

  但Sprangle说它是无害的,2006年,他和他的同事开发了一个计算机模型,表明光纤激光器的几个非相干合成光束撞击的有效性与相干合成相关,无论采用何种方法,说,最后的目标光束的力量是相同的,当你准备在空中湍流的长距离发射。 2009年,研究小组通过实验证实了这一理论。

  根据Sprangle的工作,美国海军局开发了一个30千瓦的LaWS。该系统与六个商用光纤激光器非连贯地结合在一起,目前安装在Ponce号码上,并在小型船只和遥控飞机上进行了测试。

  巧合的是,德国的MBDA导弹专业人员开发出了类似的方法。 2012年10月,该公司成功销毁了一个约2000米的飞行模型,使用40千瓦光纤束系统。 MBDA审判还透露了科学小说中提到的防御性激光武器装甲的真相。他们发现镜子上的灰尘会使目标更快被毁灭。

  尽管目前的弱点,沙尔认为光纤激光武器将在未来5到10年在美国的军事防御中占有一席之地。他们可能不像“星球大战”那样雄心勃勃,但他们拯救生命并捍卫安全。他说。 (张章)

  中国科学通报(2015-06-01第三版国际)

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  自然报告(英文)