激光武器是怎么工作的,它原理是什么?

【专家解说】：激光武器 激光武器是一种利用沿一定方向发射的激光束攻击目标的定向能武器，具有快速、灵活、精确和抗电磁干扰等优异性能，在光电对抗、防空和战略防御中可发挥独特作用。它分为战术激光武器和战略激光武器两种。它将是一种常规威慑力量。 战术激光武器的突出优点是反应时间短，可拦击突然发现的低空目标。用激光拦击多目标时，能迅速变换射击对象，灵活地对付多个目标。 激光武器的缺点是不能全天候作战，受限于大雾、大雪、大雨，且激光发射系统属精密光学系统，在战场上的生存能力有待考验。 陆军的快速发射高炮的炮管寿命短，连续发射几分钟后就要更换，而激光武器不存在多次发射的寿命问题。可以预计，未来在目前弹炮结合防空武器系统的基础上，将出现将新型防空导弹。高炮和激光武器三结合的对空防御系统。其中，激光武器主要拦截从低空、超低空突然来袭的近距离目标，这有可能大大提高对精确武器的拦截溉率，解决当前存在的极近程防空问题，并可用于保卫重要目标，如重要机构、指挥中心、通讯和动力中枢等。目前研制的激光武器的体积一段较大，重量较重，所以各国首先考虑舰载应用。目前，发达国家的大型水面舰只已开始采用核能作为动力，中型水面舰只的电动化改进也已进入实质阶段，这都为激光武器在舰艇上的应用铺平了道路。 鉴于激光武器的重要作用和地位，美、俄、以色列和其他一些发达国家都投入了巨额资金，制定了宏大计划，组织了庞大的科技队伍，开发激光武器。至90年代初，仅美国政府对激光武器的研究投资就达90亿美元。80年代中后期，苏联和英国的军舰或陆上已有实验性战术激光武器装备，美、法、德等国也作了大量试验。战略激光武器研究费用高，技术难度大，其前景还有待观察。 激光武器的效费比是比较高的。在防空武器方面，当前主体是导弹，激光武器与之相比消耗费用要便宜得多。例如，一枚“爱国者”导弹要60－70万美元，一枚短程“毒刺”式导弹要2万美元，而激光发射一次仅需数千美元，今后随着技术的发展，激光发射一次的费用可降至数百美元。 去年6月6日，美国军方在新墨西哥州南部的怀特桑兹导弹试验场首次进行战术高能武器试验，成功摧毁了一枚飞行中的喀秋莎火箭。美军方官员称，这是世界上第一种以激光为基础的反导系统。美军方还将于近期进行该武器击落多枚“来袭导弹”的试验。该系统由美加利福尼亚州的承包商汤普森·拉莫·伍尔德里奇公司专门为美国陆军和以色列设计制造，开发费用高达2亿美元。该系统尤其适合部署在人口稠密的地方，而且成本十分低廉，据估算，每拦截一枚导弹只需约3000美元。美国防部目前正在考虑研制一种机动性能更强、打击范围更广、主要针对弹道导弹的激光拦截技术。 激光武器 1975年10月18日，美国北美防空司令部一片混乱。事情是从一个报警电话开始的。 “哈罗，我是控制中心的监测员。我们在印度洋上空的647预警卫星的在外探测器，受到来自苏联西部的强红外闪光的干扰，不能正常工作。” 这是怎么回事？ 最初，人们从自然原因分析，认为可能是流星群的强光干扰，或者，是苏联的天然气管道破裂失火，形成强光。 “这不可能。”北美防空司令部的高级参谋反驳说，“我们的卫星是滤光镜，它对自然光不敏感。流星群每月都有，卫星从来不受干扰……” “据估计，这次神秘的闪光，比洲际导弹发射的光强要大1000倍。天然气管道失火绝不可能有如此强光发射……”另一个参谋说。 “也许是前苏联研制出了新的激光武器。”一位军官说出了大家最担心的一句话。 “天哪，但愿不是这样。”有人喊道。 这场风波尚未平息，一个月后，即1975年11月17日、18日两天，美国空军的两颗数据中继卫星，由于受来自苏联的红外干扰，又停止了工作。据检查，是红外姿态控制仪失灵。 很快，“苏联激光武器攻击并破坏了美国卫星”的消息，像一场台风，席卷了整个美国，在全世界也引起了强烈震动。 美国官方想稳定一下国内的慌乱表绪。国防部长拉姆斯菲尔德召开记者招待会，宣布说：“我看到了报纸的报道，关于激光武器的使用，经调查，没有情报能够证实。” 但纸包不住火。几句安慰的话丝毫没有平息舆论的压力。1980年5月22日，美国负责公共事务的助理国防部长兼五角大楼发言人托马斯·罗斯，在新闻发布会上说： “中央情报局和其他情报部门业已查明，苏联正在研制一种能够摧毁卫星的激光武器系统。”他接着又说：“但是，这项研究在美国也在进行着。前苏联在达到的功率方面也许稍稍领先。” 我国古代传说中就有“用光杀人”的记载。《封神演义》中有“哼”“哈”二将，可从鼻中喷出光来，使敌人丧命。科学幻想中也早有“魔光”、“死光”之说。但只有到1960年出现激光后，这些幻想才变成了现实。 激光具有单色性，基谱线宽度很窄。普通光源中氪灯的谱线宽度为千分之五埃 （一埃是一亿分之一厘米），算最窄的了，但氦氖激光器产生的激光谱线宽度只有千万分之一埃。就是说，激光的单色性比氪灯提高了几十万倍。 激光能够向一个方向辐射，散开角度只有几分，甚至小到一秒。激光的高方向性使它在军事上很受重视。 高度集束的激光，能量也非常集中。举例说，在日常生活中我们认为太阳是非常亮的，但一台巨脉冲红宝石激光器发出的激光却比太阳还亮200亿倍。当然，激光比太阳还亮，并不是因为它的总能量比太阳还大，而是由于它的能量非常集中。例如，红宝石激光器发出的激光射束，能穿透一张1/3厘米厚的钢板，但总能量却不足以煮熟一个鸡蛋。 激光作为武器，有很多独特的优点。首先，它可以用光速飞行，每秒30万公里，任何武器都没有这样高的速度。它一旦瞄准，几乎不要什么时间就立刻击中目标，用不着考虑提前量。另外，它可以在极小的面积上、在极短的时间里集中超过核武器100万倍的能量，还能很灵活地改变方向，没有任何发射性污染。 激光武器分为三类：一是致盲型。前面我们讲过的机载致盲武器，就属于这一类。二是近距离战术型，可用来击落导弹和飞机。1978年美国进行的用激光打陶式反坦克导弹的试验，就是用的这类武器。三是远距离战略型。这类的研制困难最大，但一旦成功，作用也最大，它可以反卫星、反洲际弹道导弹，成为最先进的防御武器。 激光怎样击毁目标呢？科学家们认为有两个方面：一是穿孔，二是层裂。所谓穿孔，就是高功率密度的激光束使靶材表面急剧熔化，进而汽化蒸发，汽化物质向外喷射，反冲力形成冲击波，在靶材上穿一个孔。所谓层裂，就是靶材表面吸收激光能量后，原子被电离，形成等离体“云”。“云”向外膨胀喷射形成应力波向深处传播。应力波的反射造成靶材被拉断，形成“层裂”破坏。除此以外，等离子体“云”还能辐射紫外线或X光，破坏目标结构和电子元件。 激光武器作用的面积很小，但破坏在目标的关键部位上，可造成目标的毁灭性破坏。这和惊天动地的核武器相比，完全是两种风格。 粒子束武器 所谓粒子束武器，是将电子、质子或离子等粒子，利用粒子加速器加速到光速的0.6～0.7倍，然后发射出去。当粒子在前进方向上遇到障碍物时，粒子所带有巨大的动能就传输到障碍物上，使其毁坏。它能够穿过云雾，又不怕反射，这使它比激光武器略胜一筹。人们估计，用它对付带有核弹的洲际导弹，是很有效的。 但是，要制造粒子束武器，却是一项极其困难的任务。这里至少要“过五关”。 第一是能源要强。根据计算，要把导弹弹体击穿，需要粒子束武器的能源产生能量3千万焦耳、脉冲宽度百万分之一秒的脉冲电流。这个功率是非常大的，它相当于15000个发电量为200万千瓦的发电站的总功率。目前，能够产生这样大功率的只有核爆炸。 第二是加速器要好。目前的加速器要得到高能量，流强就要变弱；要得到高流强，能量就要减小。总之不能兼顾。粒子束武器要求加速器能量高，流强大，这就很难研制出来。 第三是粒子束的瞄准跟踪。导弹在千里之外，张角极小，运动又快，粒子束是一细束，要打中目标，需要有精度极高的指挥控制系统。 第四是传输问题。粒子束在空气中传输时能够形成一条高温电离空气“通道”，从而减弱带电粒子的能量损失。但在外层空间，由于地磁场的影响，将使粒子束剧烈偏转；由于自身电荷的排斥力，粒子束发散很厉害。有人提出用中性粒子束作武器，因为中性粒子不带电，所以不存在因电荷排斥产生的发散问题，也不会受到地磁场的影响。但中性粒子在加速器中无法加速，这里还需要做许多工作。 第五是要搞清楚粒子束是怎样破坏目标的。要搞清破坏机理，分析影响破坏效果的因素，提出粒子束武器的技术指标。 正因为技术上难度太大，美国才中断了“跷跷板计划”。 到了1978年，形势发生了变化。来自苏联的越来越多的情报证明，苏联确实正在执行一个庞大的发展粒子束武器的计划。估计它已耗资30亿美元，有大约2000名第一流学者的350个实验室正在进行与此有关的研究。看来，美国显然落后了！ 面临如此尖锐的挑战，美国的态度由怀疑观望变为急起直追。1978年底，国防部成立定向能束技术局，将三军的研究力量集中起来，制订了五年计划。主管这个局的国防部次长帮办戴维斯博士充满信心地说：“粒子束技术是第二次世界大战以来武器的一项根本变革。它会导致一场轰动，也会使美国战略发生根本变化。” 电磁炮 自古以来，战场上总是炮火轰鸣，硝烟弥漫。作为火器的枪和炮，其发射动力都是火药，因而，在发射过程中，不可避免地要有火药的燃烧和爆炸。而电磁炮则不同，它依靠电磁力把弹丸发射出去。你只听到弹丸发射和飞行的啸鸣声，战场上很干净。战士们发射电磁炮，简直像坐在试验室里操作仪器…… 1937年的一天，美国普林斯顿大学教授诺思厄普在试验室中布置了一个实验。他用两根铜棒在桌上作成道轨的模样，然后将电源的正负两极和道轨连接起来。他把一切布置停当，就拿起一块铁块，向“道轨”上放去。 怪事出现了：铁块刚接触道轨，立刻受到一种神秘的推力，沿着道轨飞跑起来，越“跑”越快，最后顺着道轨另一端飞射出去。靠窗放着的一个大玻璃瓶，被铁块砸得碎片四迸…… 几天以后，诺思厄普在实验室接见了军方代表。他们很感兴趣地了解了实验装置的情况。临了，军方代表说：“我们准备赞助这项研究。希望你能用这个原理制成一种新式武器。可是，叫什么名字呢？” 诺思厄普思索了一下，说：“它是借电磁力工作的，就叫电磁炮吧！” 电磁炮的原理并不复杂。中学生都学过，电流可以产生磁场，当“道轨”上放上铁块，实际上便形成了一个闭合回路。铁块在这个磁场中受到磁场力的作用，根据左手定则，这力的方向正是沿着道轨方向的。这里，要使铁块变成摧毁目标的武器，必须使它的速度足够快。而要获得高速度，必须有强大的电流。遗憾的是，在30年代没有能产生大电流的电波，尽管诺思厄普绞尽脑汁，法国、德国和日本等国也先后研制过电磁炮，但都没有成功。 70年代以后，所谓“单极发电机”出现了，电磁炮的研究这才有了大突破。 电磁炮需要有大电流直流脉冲电源，电流应该有数万到数10万安培，普通发电机是无法胜任的。“单极发电机”是澳大利亚国立大学发明的，它是利用浸泡在液氮中的超导体线圈借超导现象产生高强励磁磁砀，利用厚的铜圆盘作转子，在磁场中迅速旋转产生电流。输出电流利用液体金属钠作为触点，从圆盘的中心和圆周引出。 这种发电机的输出电流可达数10万安培以上，利用高速的机械或电磁制动，使转子在1/10秒或更短的时间刹车，可以产生极强的直流脉冲电流。 如果用电感耦合方式将这种大电流脉冲耦合到铜“导轨”上，将使滑块受到强大电磁力而迅速飞出。为使滑块在“导轨”末段再得到加速，外面又设计了一种超导线圈，以造成末端再加速磁场。整个过程用每秒运算500万次的大容量电子计算机控制协调。这就构成了一个完整的电磁炮。 电磁炮的原理性试验已经成功。美国利弗莫尔研究所1975年在电磁炮的 “道轨”上发射了重 1/3公斤的穿甲弹，速度每秒3公里，其动能超过最先进火炮的4倍。不久，速度提高到每秒5公里。据报道，用电磁炮发射的只有几克重的小弹丸因速度极大，竟一下子穿透了挺厚的钢板！ 电磁炮的优点很多。它只发射弹丸，省去了炮弹壳和火药，减少了成本和污染。它不需要坚固的炮管和复杂的发火机构，并且绝无“膛炸”的危险。通过改变电流可以非常方便地调节“炮弹”的速度，使准确性大大提高。更重要的是，电磁炮的弹丸可以达到宇宙速度。有人计算，其速度可以达到每秒20公里以上。也就是说，电磁炮发射的弹丸可飞出地球，打击卫星或其他宇宙目标。 从经济上看，因为发电可利用廉价柴油，获每兆焦耳能量只需0.1美元，而使用火药产生同样能量却需10美元。 电磁炮可以安装在坦克、飞机上，或像普通火炮一样放在地面上，也可以安装在卫星或空间渡船上。 当然，在Nod把它用于武器平台之前，激光的出现已经有一段时间了，但是在之前，它们由于包括体积、重量、冷却、能量需求、以及战场耐用性等大量问题的存在而不适于用作为武器。因为这些因素，激光仅作为次要角色发挥作用——比如做成用于拦截远程导弹的固定炮台——直到一个不出名的泰国工程师开发出了一种新的、耐用的、反射和折射系统，这革命性地给激光设备的建造和使用开创了新道路。 在对日本科学家创造的持久磁性陶瓷深入研究的基础上，这个工程师成功创造了人工陶瓷晶体，在这种晶体内部反射和折射光线的能量损失仅与加工最精细的玻璃反射镜相当。这个发现的有效性被世界上的大多数人被错过了——玻璃镜仍然更加便宜且容易制造，另外多数军方很久以前就简单地因其不可行而放弃了激光武器。许多美国军火商在尝试使导弹和弹道武器更加完善，而其基础研究则已经用粒子武器完成了。然而，为泰国工程师提供走私材料用于那些怪诞实验的Nod成员发现陶瓷晶体可能有助于Nod未来扩张基层组织、并公开对抗发达国家。这种观点被证明是对的，Nod工程师很快开发出了一台新的激光防御武器。 其原型建筑最初有10层楼高，并且需要一个拥有冷却装置和供能系统的巨大地基。其中一个Nod建造者在看到它将一个模拟目标坦克变成蒸汽时，感叹地说“看啊，它带来了凯恩之光”。被赋予这个评论的建筑从来没有单独使用过——只是作为Nod一个更大型装置的一部分——专门的地下能源供给和冷却管道系统被开发出来了，这使这个塔能够吸收能量并将多余热量送到附近的Nod发电站中。最终的建筑，除去内部的冷却系统和能量供应，看起来像埃及式的大型方尖石碑。因此，“光明石碑”这个名字产生了。 在第一次Nod和GDI的冲突期间，光明石碑的形式没有什么变化，因为GDI的坦克指挥官根本没法找出它可利用的弱点。虽然在一个现有基地里，光明石碑比较便宜且容易建造，但它在战斗状态下仍然格外的耐用。然而，当凯恩重新露面、第二次战争开始时，GDI的装甲部队和武器装备（还没说数量）被改进到了一个使得光明石碑不能那么有效地防御基地的程度。一个只能算是比较成功的解决方案，通过将其内部的能量供应及冷却系统与外部连接起来，以增加射程和能量。从而得到一个拥有更大的地基的建筑和最初的原型十分相似。由于建筑风格的原因，建筑的地基区域形状一只巨大的蝎子——当然，这不会增加武器的威力。 更有趣的是，虽然没那么有效、有用，一种小型的激光炮塔最终被开发了出来，它很好地弥补了光明石碑最大的弱点：对步兵。这些小型炮塔使用了和原版光明石碑一样的能量及冷却管道系统，但是它们安装在一个稳固的、可以旋转的平台上，并使用了标准的激光炮。最终，激光炮塔被证明为对付GDI步兵和轻装甲的有效防御武器。