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丝逆袭成功:我国全电推进力保激光武器上舰

阅读量: 1619次 发布时间:2024-07-04 08:58:08

  ——作为世界军事首强,美国依仗全球第一的经济能力和科技能力,一方面把握着大量核武器,一方面大量发展非核高精尖武器。这其中,“激光武器”作为其中重要的一环,在过去20多年取得了大量成效。美军不仅早已研发、装备和使用了激光制导和激光致盲武器,在激光炮方面,也走在世界前列。

  早在上世纪80年代,面对苏联核武器占优的局面,美国总统里根即宣布了“星球大战”计划。在这个计划里,陆基激光武器、舰载激光武器和卫星发射的天基激光武器,都担任了重要任务。还有从地面发射激光,而以卫星反射攻击导弹的“花式”玩法。尽管星球大战最终终止,但关于激光的研究却并未停下来。

  进入新世纪后,美军激光武器的研制频传利好。在2010年,美国海军舰载击落4架时速400多公里的无人机。这则消息很快传遍世界,被称为“改变未来战争模式”的革命。2011年,美国海军再次进行了舰载激光器击落无人机的实验。舰载激光器曾将试验用的摩托艇烧毁。美军的目标,是使得激光武器能够拦截超音速的喷气式战斗机(时速上千公里)乃至洲际导弹(时速上万公里),不过目前尚不能达到。

  据称,美军明年将在海湾地区的“庞塞号”两栖船坞运输舰上装备海上固体激光器,用于应付伊朗可能的无人机和快艇袭击。如果该舰真的与伊朗军队冲突,这可能是人类历史上第一次真正意义上的“激光炮”参战。美军激光战车也在紧锣密鼓地研究,据称波音公司研发的一台激光战车即将问世,用于战场激光反导。不过相对舰载激光器而言,战车本身的承重有限,因而影响到车载激光器的设备体积和作战功率。美军还计划在未来部署“空天母舰”,用天基激光摧毁“敌对国”的卫星。这可以看做星球大战计划的再版,但明显比星球大战有了更多的可行性。

  美国计划将激光炮部署在海军舰艇上,但是随之而来的电力问题成为一个难题。激光武器上舰艇,将大大增加电力消耗。这对于有限空间集合的军用舰艇来说是不小的消耗,中国“全电推进”技术近日获突破将为装备大功率激光武器打下基础。

  近日,美国“连线年美国海军的激光炮》,文章介绍了美国海军研发舰载激光器的有关情况,表示虽然面临军费削减,但是美海军仍将坚定地研发定向能武器。

  虽然经历了一年的预算削减,美国海军表示仍将全力推进舰载激光炮的研发。美国海军研究办公室主任马修科隆德(Matthew Klunder)海军少将透露,美国海军计划于2013年4月在华盛顿哥伦比亚特区召开海空暨太空协会年会,展开定向能量武器“穿透技术”大讨论,将激光武器从科幻小说真正引入现役舰艇,海军第一部激光炮也将在几个月后部署到“庞塞(Ponce)”号运输舰上进行试验。

  此次试验表明海军对激光技术的高度信任,将一部固态激光炮安装在舰艇上进行海试无疑将面临巨大的压力,而且“庞塞”号(Ponce)运输舰是一艘全新的舰艇,最近刚刚被美国海军改装成“海上前沿战略基地”,配备了攻击直升机、无人机和鱼雷等舰载武器,执行反恐任务。也就是说,海军选择了一艘新概念舰艇之上。

  由于只是第一次舰上试验,激光炮真正成为舰艇上的致使武器或许还要等上几十年时间,但是也显示了海军将高新科技应用于军事领域的决心。该项目的研发经费非常紧张,但是海军的激光武器支持者坚称定向能武器更适合国防预算持续削减的大环境。

  科隆德的前任主管、海军退役高级少将内文卡尔(Nevin Carr)表示,从某种意义上说,激光武器更经济实用,你的油箱就是弹药库。激光武器“装填弹药”只需要通过船舷上的发电机,只要舰艇的推进系统还有动力,激光炮就能不停地发射。

  可充电的弹药库不只在武器方面给海军省了钱,同时,舰艇不必拉着一船的弹药飘洋过海,也能节省大量燃油,这就直接降低了舰艇的后勤保障强度,虽然海上补给对现代舰艇已经不成问题。

  省钱的理由之外,美国海军还认为激光炮技术已经相对成熟,具备武器化的条件。2011年,美国海军利用一艘橡皮艇的舷外马达试验了一种固态激光武器,科研人员成功突破了多光谱自由电子激光器和聚焦激光的水晶玻璃透镜等技术难题,国会也提供了相应的研发资金。2012年,科隆德向“连线网站”的“Danger Room”栏目预测,2014年激光武器就能安装到现役舰艇之上。

  目前,固态激光技术已经广泛应用于商业焊接领域,2013年,美国海军将着力发展定向能武器,海军激光炮功率也将达到100千瓦,具备较强的军事意义。激光炮适合攻击无人机等“软目标”,以及小型舰艇集群。

  美国华盛顿举行的舰船电力技术研讨会上,与会专家一致认为,鉴于最近美国海军宣布将在海军舰艇上装备激光武器,此举将导致对可靠、高电压舰载电力的需求上升到前所未有的高度,成为事关国家安全的重大问题。

  美国海军研究局(ONR)技术转移办公室主管托马斯锡林表示,随着即将来临的舰载激光武器大范围部署,我们需要比以前性能更强的发电系统和电力管理系统,同时相关设备的体积还要更小。

  4月初,海军作战部长乔纳森格林纳特宣布激光武器系统(LaWS)将首次部署在“庞塞”号两栖舰上,2014年将在波斯湾接受测试。该声明强调了对容易获得的高功率发电设备的需求,这些发电设备将能够满足激光系统和其他高功率武器系统对于电力的需求。

  随着技术的不断进步,同时面临化石燃料成本不断攀升的局面,美国海军新一代水面作战舰艇将在设计过程中充分权衡电力船技术所占的比重。目前,全电力船已经出现,然而要考虑到重量、速度、机动能力以及定向能武器等因素,全电力作战舰艇的设计变得更加复杂。

  海军研究局的科研人员正致力于开发先进电力技术,其中包括基于碳化硅的晶体管、变压器以及电力转换器等。海军研究局动力与能源科学技术负责人表示,碳化硅能够显著提高电源品质,同时能够减少部件最多90%的尺寸和重量。碳化硅是海军未来水面作战舰艇所需的关键技术,海军未来水面作战舰艇需要大量高度可控的电力来驱动各类先进传感器、推进系统和武器系统,如激光器和电磁导轨炮。

  锡林表示,电源功率提升、性能增强、体积缩小、成本降低目前尚不能过度强调,因为这些都还是对舰载电力系统未来的期望。经改进的电力系统将可能会对军用和民用领域造成重大影响。近年来,不断有工程人员对全美范围陈旧的电网设施表示忧虑。

  美国海军在军用电力与工程方面的工作也将会使民用电网获益。海军研究局为电力舰船研究与发展联盟(ESRDC)提供了资金支持,该联盟由8所技术领先的高校组成。ESRDC的研究重点是海上电力系统,同时该联盟在一定程度上缓解了美国电力工程人员短缺的现状,并确保美国在电力系统方面的领先地位。

  海军研究局正在研究的一些关键技术包括致密能源电子设备、新型电力转换能力、能源存储以及传感器、武器装备和防护措施等。锡林表示,上述技术领域需要得到重点保障,因为这些都是对于海军和国家来讲至关重要的技术领域。

  海军全电水面作战舰艇的设计挑战在于,如何利用最低的能源存储量来提供足够的电力敏捷度。

  在本次舰船电力技术研讨会中,锡林还宣布了2013财年小企业创新研究(SBIR)在动力与能源领域将重点研发的技术,其中包括继续对冷却系统的自动设计方法进行研究、可替代能源供给、舰上能源用途监控和分析方法、紧凑型连接器以及可用于射频信号源的紧凑型电力设备等。

  中船重工武汉712研究所在船舶综合电力推进系统的自主创新中取得了重大进展,研制了以变频器、推进电机、推进变压器、功率管理系统、操纵控制系统为核心的推进系统,实现了单轴推进功率20MW以下船舶电力推进系统的全部国产化。

  这对中国海军来说是一个重大利好消息,单轴推进功率20MW,正与英国海军最新7000吨级的45型驱逐舰单轴功率相当。中国海军主战舰艇长期受动力性能影响,吨位一直做不大,可谓一副穷酸丝形象,现在国产综合电力推进技术取得突破,变身高富帅在望。

  船舶综合电力推进系统又被称为全电推进,它将船舶动力电站和辅机电站合二为一,从而达到有效利用能源、提高船舶机动性、降低船舶噪声的目的。

  全电推进目前已成为发达国家海军发展的主流,已服役的全电推进军舰有英国45型驱逐舰,正在建造中的有英国伊丽莎白女王级航母、美国DDG1000驱逐舰,正在规划中的有美国伯克3型驱逐舰、日本25DD驱逐舰。

  相对传统动力装置,全电推进的优点包括:一、系统各组件容易实现模块化和系列化、结构紧凑、布置灵活,使得舱室利用率大为提高,整个舰船设计较为方便;二、可靠性好、可维修性强、生命力强,可提高舰船的在航率和战斗力。三、噪音低、可提高舰船的安静性和隐蔽性,推进电机扭矩大,可直接带动大直径螺旋桨推动舰船行进,省却了齿轮减速装置,因而可有效降低动力系统的噪声;四、大大增加舰上电站容量,为以后装备大功率激光武器打下基础。

  以中国海军主力052C驱逐舰为例,西方禁运、国产燃气轮机不过关,052C的动力在设计之初就只能从前苏联那些国家想办法,最终选择乌克兰的GT25000燃气轮机(已实现国产化)。相对美国LM2500,GT25000燃气轮机功率偏大,4台GT25000已足够推动1.3万吨级的军舰以30节速度行进了。燃气轮机有一个特点,那就是即使在低功率下运行,油耗也不会低多少,即低工况高油耗。如果一艘9000吨级(伯克、金刚等的吨位)的军舰采用4台GT25000,会非常浪费、航程性能也不可能达标。

  所以052C不得不削足适履,只采用2台GT25000,搭配2台国产化MTU20柴油机,形成柴燃交替模式(CODOG),满载排水量只能做到6000吨级,否则航速无法达到30节的要求。或许有读者会问,不能使用3台GT25000吗?答案是否定的,因为出于冗余考虑,主力军舰都采用双轴推进,多出的1台燃气轮机是很难将功率平均分配到2根推进轴上的,硬要这样做,减速齿轮磨损会非常严重,整个动力系统噪音也会很大。

  但如果有了全电推进情况就会完全不同了,可以将吨位放大到与英国45型驱逐舰相当的7000吨级,采用3台GT25000,并省略掉2台MTU20柴油机、以及其它原来发电用的柴油辅机。在执行搜潜任务、声纳工作时,全电化052型驱逐舰可以只开启1台GT25000,推动军舰低速低噪声前进、为拖曳声纳提供最佳巡航速度,这时剩余的功率还足够全舰武器系统以及生活用电。当声纳发现敌潜艇、或要到另一阵位探测时,另外2台GT25000再启动,军舰全速行进。以上就是现代军舰反潜时的冲刺-漂流战术。而且,采用全电推进在设计时还可以考虑将1台GT25000放置在上层建筑内,远离水线,低速搜潜时使用这台燃气轮机,可让军舰往水中辐射的噪声更小。

  简单地说,中国此前已将GT25000燃气轮机国产化、也自行研制了一些小功率燃气轮机。现在全电推进技术取得突破,中国海军可以随心所欲地拼凑出功率合适的动力系统,从而克服过去动力与吨位适配的难题,一举由穷丝变身高帅富。

  但英美海军得益于大功率、低耗油的新一代燃气轮机,其新型军舰的动力-供电系统非常简洁、经济,日常维护时也非常简易。例如,英国45型驱逐舰只采用2台WR-21燃气轮机,WR-21系中冷回热燃气轮机,是油耗最低的现役机型。美国DDG1000驱逐舰满载排水量14000吨,也仅采用2台MT-30燃气轮机,如果换做GT25000则需要4台,大功率MT-30的成本优势是非常明显的。

  所以,尽管已在全电推进这一前沿技术上取得突破,中国军工还是得回过头来加强燃气轮机的研发,中国海军才有望跻身于豪门海军行列。

  今年4月,美国军方公开了未来新式舰载红外线年在波斯湾地区部署激光武器系统。美军方称这是为了应对伊朗不断发展的无人机群。

  7月,网络更是传言,美军最新无人机“捕食者”C型也加装了激光武器;而“激光战车”也即将在陆军服役。

  在科幻电影中称霸战场的激光武器,在现实中能否改变战争模式,称霸未来战场?笔者从中外专家口中得到的都是否定答案。

  人类最早认识的光,恐怕就是太阳光,之后,懂得了用火光照明并驱赶野兽。在镜子出现以后,人类开始认识光的其他性质,光的折射、反射以及不同波长的光辐射的应用。但是这些应用并不能满足人类利用自然能量的欲望,发散的光在一定的距离之后,能量总是会消耗殆尽。

  物理学家爱因斯坦在1917年提出了一套全新的技术理论:光与物质相互作用。这一理论认为,在组成物质的原子中,有不同数量的粒子(电子)分布在不同的能级上,在高能级上的粒子受到某种光子的激发,就会从高能级跃迁到低能级上,这时会辐射出与激发它的光性质相同的光。

  北京大学物理学院现代光学研究所教授张家森告诉笔者,爱因斯坦提出的这个理论认为,光可以放大。一束很弱的光在放大过程中,会得到频率和方向性一致的强光。“这个概念叫做受激放大或受激辐射。

  当时有很多世界顶尖的科研机构都在尝试将爱因斯坦的理论转化为现实,但每家机构所采用的方式都不同。第一个成功的是美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家西奥多·梅曼,1960年5月15日,他宣布获得了波长0.6943微米的激光,成为第一个将激光引入实用领域的科学家。

  张家森说:“激光与普通光的区别就在于,激光有一个受激放大的过程。光是原子或分子从高能态往低能态跃迁的过程中辐射出的电磁场。普通光(比如太阳光、灯光)就是一定数量的原子在辐射的过程中互不相关,辐射出的光也“各自为政”。而激光就是某种物质的原子或分子在另外的光的影响下才辐射,在放大—返回—再放大形成的回路中产生出的光无论是方向性还是频率都是一致的,这就是激光。”

  梅曼实现这一过程是利用一个高强闪光灯管激发红宝石。闪光灯管线圈缠绕在指尖大小的特殊红宝石晶体上,发出的光线照射进红宝石,并得到了一束集中而纤细的红光,当它射向某一点时,可以达到比太阳表面还高的温度。

  随着激光的问世,它也迅速应用在不同的领域:医疗、遥感勘测、舞台效果、条形码扫描器、激光唱碟……

  1964年,007电影《金手指》中的大反派威胁007要用激光将他锯成两半。激光武器很快便成为科幻电影中的重要角色。电影《星球大战》更是将激光武器描写的淋漓尽致。1983年,美国总统里根发表了“星球大战”的演讲,描绘了基于太空的激光武器。激光武器开始进入现实。

  由于激光的方向性好、波长范围窄(单色性好),比起普通光其用途就比较大。张家森说,激光可以沿着一个方向传播,能量也可以传播很远的距离,因此就可以成为武器。“在日常的应用中,我们主要是利用激光的方向性好这一方面,而它的单色性主要是应用于科研。”

  “激光对人或物造成的损伤大部分是由热引起的,激光正是因为其方向性好而能够将集中的能量传输到较远的距离。”他说,“作为武器的激光,也不需要选择特定的波长,其能量的大小主要是与光子数有关。通过控制光子的总能量来控制武器的杀伤力。”

  实际上,目前,激光已经在一些武器中使用,比如激光制导导弹。但在使用中,激光仅仅是作为一种辅助工具引导导弹打击目标而不是直接对目标进行攻击。此外,激光的致盲与干扰作用也已经在一些战争中使用。

  军事科学院研究员杜文龙告诉笔者,低功率的激光武器在技术上已经非常成熟,但只是可以造成人眼眩晕或致盲,以及对精密武器造成致盲,属于干扰性武器。目前也只有美国军方有少量的使用,其他国家几乎没有。

  著名智库“全球安全”负责人约翰·派克(John Pike)在接受笔者邮件采访时描述,美国海军打算在波斯湾部署的激光武器属于中功率设计,其目的是防御伊朗革命卫队的快艇。

  不过杜文龙告诉记者,目前美军激光武器都还在试验阶段,展示的成果也都是靶场上的试验结果,包括2013年在导弹驱逐舰“Dewey”的主炮位上加载的激光器也从未在实战中应用,并且其威力也仅仅适用于低空近距离防御。

  在国外媒体的报道中,美国军方已经十分自信地发布了有关舰载激光武器的视频片段。在一段长约3分30秒的画面中,一架真实尺寸的试验无人机在受到激光武器的打击后,瞬间起火坠毁在大洋之中。视频中所展示的就是“Dewey”上加载的激光武器。

  这段画面点燃了部分军迷对激光武器的热情,而军方也认为激光武器将成为现代战场上海军战术革命的“游戏转变”者。

  在《星球大战》中,能够毁灭一个星球的激光炮、激光战机、单兵使用的激光枪甚至是激光剑是否能成为未来战场的霸主?

  张家森告诉笔者,首先,类似激光剑这种将激光固化的想法只可能停留在想象中。而作为武器,激光实际上有很多限制。随着传输距离的增加,距离越远,激光的能量也会越发散。这不仅仅是对于激光武器来说,对于激光的很多应用,距离都是一个致命的弱点。

  “为了解决这样的问题,一般来说都是使用直径在1~2米的大型望远镜把能量发射到更远的地方,减小其发散。”张家森说,“在激光通讯当中,比如地面与卫星的通讯,必须用望远镜将激光送到卫星上去。”

  第二个限制因素就是传输中的损耗。不仅空气对能量的吸收会增加传输损耗,空气中的一些颗粒物也会吸收能量。这些颗粒吸收光后容易燃烧,并加热周围的空气,这样就会产生空气的扰动——喘流,这种扰动相当于将激光分散。“这对于激光武器来说,也是一个很难解决的问题。”他说,“下雨、沙尘这样的天气对于激光武器都是致命的。”

  作为军事专家,不论是派克还是杜文龙,对于激光武器替代常规武器成为主要的作战兵器都持否定的态度。

  对环境限制,杜文龙也表示,包括PM2.5、气溶胶(液态或固态微粒在空气中的悬浮体系)等都会大大削减激光武器的能量。

  此外,目前实验的这些激光武器都还属于低功率近距离压制性武器,与独立执行反导、拦截、防空这样的激光武器相比还差的很远。“低功率武器很容易,但高功率武器很难。”杜文龙说,高功率的主要限制是能源供应。高功率激光武器需要高功率的电源供应,但其体积大、重量大,只有军舰这样的大空间平台有能力有潜力装载。如果做不到小型化,机载甚至是空间轨道的部署也是很难做到的,更不用说单兵使用的具备杀伤力的激光武器。

  杜文龙认为,激光武器想要排除雨、雾、PM2.5、气溶胶等这些环境的干扰,最好就是在近距离使用或是到大气层以外的太空地球轨道中使用。但也只能成为战场中的辅助型武器。“即使未来激光武器解决了小型化问题,能够部署在太空,也会有使用寿命的限制,电源耗尽就要重新部署。”他说。

  派克也告诉笔者,激光武器永远都不可能替代常规武器,这也是他一贯的观点。但是对于激光武器的研究,这样的计划已经进行了几十年。“只要这些研究者继续前进,这些武器系统的实现终究是有希望的。”

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