舰载激光武器打击无人机蜂群毁伤特性研究

王柏雄,宗思光,张 鑫

(1.海军工程大学 电子工程学院,湖北 武汉 430033;2.海军航空大学 青岛校区,山东 青岛 266041)

目前,各国的军备竞争非常激烈,新型武器装备不断走上军事舞台,由此衍生出来的作战样式也越来越多,无人机装备也应运而生,由于无人机在战争中存在诸多优势,因此对于无人机的防御问题也成了各国广泛关注的热点[1]。随着我国海军的不断发展,水面舰艇编队执行的任务也越来越多样化,因此,面临的海上安全威胁也越来越大,随着战争形势的不断演变,武器装备的迅猛发展,现代化海战中,水面舰艇面临的空中威胁已经不再是单纯的导弹和精确制导的炮弹,无人机的投入量也越来越大[2-3]。小型无人机蜂群,无人小艇等“低慢小”目标在战争和局部冲突中越来越多的投入到战斗中,对我海上舰艇编队造成了极大的威胁,舰艇编队急需一种有效快速低费效比的防御手段[4-6]。激光武器是用高能的激光对目标进行精确射击或者用于防御导弹等的武器,具有快速,灵活,精确和抗电磁干扰等优异性能,随着在实战中的运用,各国对激光武器重视度越来越高,由于性能优越,各国广泛将其应用于车载,机载,舰载等方式[7]。通过研究舰载激光武器打击无人机蜂群毁伤特性,为后续激光武器协同舰炮进行打击无人机方案的可行性提供数据支撑。

论文针对舰载激光武器反制无人机蜂群应用背景,研究了舰载激光武器打击无人机蜂群的毁伤理机理,分析了不同材料无人机的毁伤效果,结合无人机材料激光毁伤阈值,建立了激光武器打击无人机蜂群作战模型,计算了不同能见度、激光打击功率条件下(10 kW、30 kW、50 kW)对无人机蜂群的有效打击距离。对激光武器打击无人机蜂群的作战效能做出验证,通过仿真得到的数据来验证其有效性。为后续激光武器协同舰炮进行打击无人机方案的可行性提供数据支撑。

根据激光大气传输方程,高能激光经过空气衰减后激光上靶功率密度prt计算公式[8]如下:

(1)

式中,P0为激光武器发射功率(已知);T为持续上靶时间(已知);A为目标远场光斑面积。

上靶能量密度E为:

(2)

式中,S为激光光斑重叠的面积(计算得出);r2为靶标等效半径(仿真)。

激光经过大气传输,会在远场形成光斑,远场光斑r1半径为:

(3)

式中,β为激光的光束质量(已知);D为激光武器发射口径(已知);λ为激光武器的波长(已知);R为激光武器与目标的距离。

因激光武器与来袭弹药的相对态势不同,在不同照射角度下激光武器的远场光斑投射在目标表面会发生形变,综合考虑系统误差和目标运动的影响,激光武器实际上靶区域为不规则图形,被辐照的区域面积称为激光光斑重叠的面积S,其大小由靶标等效半径r2决定。

(4)

式中,x计算方法如下,其中dt为激光光斑的中心到目标等效靶点的距离:

(5)

最终激光武器对目标的毁伤判定由激光上靶能量密度和激光上靶功率密度决定,当以上两个指标大于目标材料的毁伤阈值时,判定可以毁伤:

(6)

式中,E0为目标材料毁伤能量密度阈值;pr0为目标材料毁伤功率密度阈值。

3.1 无人机的激光毁伤机理

(1)光电设备的软毁伤机理

即对光电侦察载荷、天线或机身内部电子元器件等部件进行激光辐照,使得光学器件致眩、致盲,及任务载荷失效,致使无人机丧失侦察、导航等任务效能。光电设备致眩主要分为可见光和红外两类。对于可见光侦察设备,激光辐照探测器导致饱和效应,无法输出正常图像;对于红外侦察设备,窗口材料吸收激光导致温升,当温度上升到一定程度,窗口材料通过热辐射致使光电设备发生光饱和效应,无法输出正常图像。无人机搭载的可见光传感器、激光测距仪等光电设备波长与固体激光武器波长接近,容易实现致眩干扰。

(2)机翼/机身/设备舱的激光硬毁伤机理

激光硬毁伤即通过毁伤无人机关键部件达到使其丧失作战能力的目的。例如机翼、机身等结构件受激光辐照导致燃烧或结构受损,使得无人机飞行失控坠毁;激光照射油箱、发动机或机载导弹战斗部等易燃易爆部位,产生大爆炸,毁伤机体;供电电路、控制器等设备受激光辐照后,因过热而故障或死机,导致无人机失去动力或飞行失控坠毁;锂电池在激光作用下甚至会发生爆炸。已开展研究表明,机壳蒙皮是最易受激光武器攻击的部位,根据材料种类与厚度不同,毁伤功率密度阈值约50～150 W/cm2。

3.2 对不同材料的无人机的毁伤效果分析

无人机机身、机翼等部位为了保证力学载荷、减重效益和成型工艺,大量采用由结构蒙皮材料组成复合结构材料,主要有玻璃纤维/环氧树脂+纤维纸/环氧树脂蜂窝芯+玻璃纤维/环氧树脂复合蒙皮,以及碳纤维/环氧树脂+纤维纸/环氧树脂蜂窝芯+碳纤维/环氧树脂结构复合蒙皮,两者被激光照射,达到毁伤阈值时,会发生不同程度的烧蚀穿孔,产生两种后果,其一是对机身内部电子元器件进行辐照毁伤,其二是影响机身结构材料强度及气动性能,使无人机丧失作战能力,进而达到毁伤目的。无人机不同部位材料功能如表1所示。

表1 无人机组成结构图

对于不同的材料,由于其自身性能的不同,使用激光武器对其进行打击的时候,所用的打击时间和激光武器发射激光的功率也各不相同,通过对不同材料的模拟仿真打击实验,记录激光武器对于不同材料的打击所使用的时间以及功率数据,根据实验数据建立实验数据库,为后续激光武器在实战中投入使用提供理论支撑。典型不同功率激光辐照无人机毁伤性能如表2所示[9-11]。

表2 不同功率激光对不同材料的毁伤时间表

4.1 舰载激光武器对无人机蜂群毁伤距离

激光武器打击无人机的过程是:发射激光、激光传输、激光照射、激光灼烧[11]。因而打击过程中的毁伤距离主要取决于激光武器的发射功率以及激光传输过程中的能量损耗。在进行海上作战的时候,不同的海上气象水文环境对激光武器发射激光打击无人机有一定的影响。本文以打击小精灵无人机的碳纤维材料部位为例。对良好能见度(天空晴朗)情况和中等能见度(可见霾)情况进行仿真模拟实验,得出不同情况下激光武器对无人机的毁伤距离数据。激光武器的发射功率由发射端即可操控,因此属于可控因素。因此,主要研究不同大气环境条件下的激光传输损耗情况,得出毁伤距离数据,为激光武器反制无人机工程应用提供参考。

基于小精灵无人机的组成部位以及各部位所使用的材料,并通过多次数据仿真模拟,得出不同功率舰载激光武器对小精灵无人机在不同能见度情况下的毁伤距离汇总表如表3所示。

表3 激光武器对小精灵无人机不同部位在不同能见度情况下的毁伤距离

通过仿真数据统计分析,可以得到以下结论:激光发射功率越高,激光武器对无人机毁伤距离越远;气象能见度将极大的影响激光武器的作战效能,能见度越低,激光武器对无人机毁伤距离越近,在使用激光武器反制无人机蜂群时,必须考虑气象能见度的影响;激光武器对无人机不同部位打击毁伤距离不同,其中针对光电传感器的打击毁伤距离最远,因碳纤维材料抗激光辐照阈值高,激光对覆盖碳纤维材料的机身打击最难,毁伤距离近。

4.2 舰载激光武器打击能力评估分析

实战中,激光武器对无人机的毁伤效果受制于多种因素。本文以小精灵无人机为例,给出无人机的飞行高度,飞行速度,无人机使用材料的毁伤阈值,通过找到无人机的易损伤部位,查找数据得到易损伤材料的毁伤辐射时间T1,评估分析激光武器对无人机的毁伤距离以及毁伤架次,此为特定激光功率、气象能见度下的激光武器打击无人机蜂群的作战效能。评估示意图如图1所示。

图1 激光武器对无人机的毁伤效能计算流程

研究激光武器反无人机蜂群目标作战时,激光武器对于无人机蜂群的最大毁伤距离至关重要,它决定着激光武器的开火时间。以来袭10架次小精灵无人机为例,无人机初始高度为2000 m,飞行速度为30 m/s,气象能见度为15 km能,激光波长为1064 nm,采用脉冲光进行照射。选取典型的激光发射功率30 kW、50 kW,对无人机的碳纤维材料进行照射毁伤的最大毁伤距离仿真图,如图2所示。

图2 不同激光功率下激光武器对无人机的毁伤距离

当激光发射功率为30 kW时,激光武器对小精灵无人机蜂群碳纤维蒙皮的最大毁伤距离为1547 m,根据材料激光毁伤阈值可知,碳纤维材料的毁伤照射时间为10 s,在此时间内,剩余无人机蜂群向前推进300 m,由事先制定好的毁伤概率模型可以得出,在此条件下激光武器可以有效毁伤5架小精灵无人机,因此,此条件下激光武器的毁伤概率为50 %。

当激光发射功率为50 kW时,激光武器对小精灵无人机蜂群碳纤维蒙皮的最大毁伤距离为1911 m,根据材料激光毁伤阈值可知,碳纤维材料的毁伤照射时间为10 s,在此时间内,剩余无人机蜂群向前推进300 m,由事先制定好的毁伤概率模型可以得出,在此条件下激光武器可以有效毁伤6架小精灵无人机,因此,此条件下激光武器的毁伤概率为60 %。

论文以激光武器打击无人机蜂群军事需求为牵引,对舰载激光武器打击无人机蜂群进行毁伤理论分析,对不同材料的无人机的毁伤效果分析,结合无人机的材料激光毁伤阈值,建立激光武器打击无人机蜂群作战模型,计算在不同激光功率条件下(10 kW、30 kW、50 kW)对无人机蜂群的有效打击距离,得到:良好能见度(10～20 km)情况下激光武器对无人机蜂群的有效毁伤距离为1547 m;中等能见度(4～10 km)情况下毁伤距离研究,激光武器对无人机蜂群的有效毁伤距离为1160 m。对激光武器打击无人机蜂群的作战效能做出验证,通过仿真得到的数据来验证其有效性,得到此条件下不同激光功率条件下激光武器最大毁伤架次,研究成果可为激光武器反制无人机方案设置提供理论支撑。

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