艦載激光武器打擊無人機蜂群毀傷特性研究

王柏雄,宗思光,張 鑫

(1.海軍工程大學 電子工程學院,湖北 武漢 430033;2.海軍航空大學 青島校區,山東 青島 266041)

1 引 言

目前,各國的軍備競爭非常激烈,新型武器裝備不斷走上軍事舞臺,由此衍生出來的作戰樣式也越來越多,無人機裝備也應運而生,由于無人機在戰爭中存在諸多優勢,因此對于無人機的防御問題也成了各國廣泛關注的熱點[1]。隨著我國海軍的不斷發展,水面艦艇編隊執行的任務也越來越多樣化,因此,面臨的海上安全威脅也越來越大,隨著戰爭形勢的不斷演變,武器裝備的迅猛發展,現代化海戰中,水面艦艇面臨的空中威脅已經不再是單純的導彈和精確制導的炮彈,無人機的投入量也越來越大[2-3]。小型無人機蜂群,無人小艇等“低慢小”目標在戰爭和局部沖突中越來越多的投入到戰斗中,對我海上艦艇編隊造成了極大的威脅,艦艇編隊急需一種有效快速低費效比的防御手段[4-6]。激光武器是用高能的激光對目標進行精確射擊或者用于防御導彈等的武器,具有快速,靈活,精確和抗電磁干擾等優異性能,隨著在實戰中的運用,各國對激光武器重視度越來越高,由于性能優越,各國廣泛將其應用于車載,機載,艦載等方式[7]。通過研究艦載激光武器打擊無人機蜂群毀傷特性,為后續激光武器協同艦炮進行打擊無人機方案的可行性提供數據支撐。

論文針對艦載激光武器反制無人機蜂群應用背景,研究了艦載激光武器打擊無人機蜂群的毀傷理機理,分析了不同材料無人機的毀傷效果,結合無人機材料激光毀傷閾值,建立了激光武器打擊無人機蜂群作戰模型,計算了不同能見度、激光打擊功率條件下(10 kW、30 kW、50 kW)對無人機蜂群的有效打擊距離。對激光武器打擊無人機蜂群的作戰效能做出驗證,通過仿真得到的數據來驗證其有效性。為后續激光武器協同艦炮進行打擊無人機方案的可行性提供數據支撐。

2 艦載激光武器打擊無人機蜂群毀傷理論分析

根據激光大氣傳輸方程,高能激光經過空氣衰減后激光上靶功率密度prt計算公式[8]如下:

(1)

式中,P0為激光武器發射功率(已知);T為持續上靶時間(已知);A為目標遠場光斑面積。

上靶能量密度E為:

(2)

式中,S為激光光斑重疊的面積(計算得出);r2為靶標等效半徑(仿真)。

激光經過大氣傳輸,會在遠場形成光斑,遠場光斑r1半徑為:

(3)

式中,β為激光的光束質量(已知);D為激光武器發射口徑(已知);λ為激光武器的波長(已知);R為激光武器與目標的距離。

因激光武器與來襲彈藥的相對態勢不同,在不同照射角度下激光武器的遠場光斑投射在目標表面會發生形變,綜合考慮系統誤差和目標運動的影響,激光武器實際上靶區域為不規則圖形,被輻照的區域面積稱為激光光斑重疊的面積S,其大小由靶標等效半徑r2決定。

(4)

式中,x計算方法如下,其中dt為激光光斑的中心到目標等效靶點的距離:

(5)

最終激光武器對目標的毀傷判定由激光上靶能量密度和激光上靶功率密度決定,當以上兩個指標大于目標材料的毀傷閾值時,判定可以毀傷:

(6)

式中,E0為目標材料毀傷能量密度閾值;pr0為目標材料毀傷功率密度閾值。

3 蜂群無人機激光易損性分析

3.1 無人機的激光毀傷機理

(1)光電設備的軟毀傷機理

即對光電偵察載荷、天線或機身內部電子元器件等部件進行激光輻照,使得光學器件致眩、致盲,及任務載荷失效,致使無人機喪失偵察、導航等任務效能。光電設備致眩主要分為可見光和紅外兩類。對于可見光偵察設備,激光輻照探測器導致飽和效應,無法輸出正常圖像;對于紅外偵察設備,窗口材料吸收激光導致溫升,當溫度上升到一定程度,窗口材料通過熱輻射致使光電設備發生光飽和效應,無法輸出正常圖像。無人機搭載的可見光傳感器、激光測距儀等光電設備波長與固體激光武器波長接近,容易實現致眩干擾。

(2)機翼/機身/設備艙的激光硬毀傷機理

激光硬毀傷即通過毀傷無人機關鍵部件達到使其喪失作戰能力的目的。例如機翼、機身等結構件受激光輻照導致燃燒或結構受損,使得無人機飛行失控墜毀;激光照射油箱、發動機或機載導彈戰斗部等易燃易爆部位,產生大爆炸,毀傷機體;供電電路、控制器等設備受激光輻照后,因過熱而故障或死機,導致無人機失去動力或飛行失控墜毀;鋰電池在激光作用下甚至會發生爆炸。已開展研究表明,機殼蒙皮是最易受激光武器攻擊的部位,根據材料種類與厚度不同,毀傷功率密度閾值約50～150 W/cm2。

3.2 對不同材料的無人機的毀傷效果分析

無人機機身、機翼等部位為了保證力學載荷、減重效益和成型工藝,大量采用由結構蒙皮材料組成復合結構材料,主要有玻璃纖維/環氧樹脂+纖維紙/環氧樹脂蜂窩芯+玻璃纖維/環氧樹脂復合蒙皮,以及碳纖維/環氧樹脂+纖維紙/環氧樹脂蜂窩芯+碳纖維/環氧樹脂結構復合蒙皮,兩者被激光照射,達到毀傷閾值時,會發生不同程度的燒蝕穿孔,產生兩種后果,其一是對機身內部電子元器件進行輻照毀傷,其二是影響機身結構材料強度及氣動性能,使無人機喪失作戰能力,進而達到毀傷目的。無人機不同部位材料功能如表1所示。

表1 無人機組成結構圖

對于不同的材料,由于其自身性能的不同,使用激光武器對其進行打擊的時候,所用的打擊時間和激光武器發射激光的功率也各不相同,通過對不同材料的模擬仿真打擊實驗,記錄激光武器對于不同材料的打擊所使用的時間以及功率數據,根據實驗數據建立實驗數據庫,為后續激光武器在實戰中投入使用提供理論支撐。典型不同功率激光輻照無人機毀傷性能如表2所示[9-11]。

表2 不同功率激光對不同材料的毀傷時間表

4 艦載激光武器對無人機蜂群目標作戰能力

4.1 艦載激光武器對無人機蜂群毀傷距離

激光武器打擊無人機的過程是:發射激光、激光傳輸、激光照射、激光灼燒[11]。因而打擊過程中的毀傷距離主要取決于激光武器的發射功率以及激光傳輸過程中的能量損耗。在進行海上作戰的時候,不同的海上氣象水文環境對激光武器發射激光打擊無人機有一定的影響。本文以打擊小精靈無人機的碳纖維材料部位為例。對良好能見度(天空晴朗)情況和中等能見度(可見霾)情況進行仿真模擬實驗,得出不同情況下激光武器對無人機的毀傷距離數據。激光武器的發射功率由發射端即可操控,因此屬于可控因素。因此,主要研究不同大氣環境條件下的激光傳輸損耗情況,得出毀傷距離數據,為激光武器反制無人機工程應用提供參考。

基于小精靈無人機的組成部位以及各部位所使用的材料,并通過多次數據仿真模擬,得出不同功率艦載激光武器對小精靈無人機在不同能見度情況下的毀傷距離匯總表如表3所示。

表3 激光武器對小精靈無人機不同部位在不同能見度情況下的毀傷距離

通過仿真數據統計分析,可以得到以下結論:激光發射功率越高,激光武器對無人機毀傷距離越遠;氣象能見度將極大的影響激光武器的作戰效能,能見度越低,激光武器對無人機毀傷距離越近,在使用激光武器反制無人機蜂群時,必須考慮氣象能見度的影響;激光武器對無人機不同部位打擊毀傷距離不同,其中針對光電傳感器的打擊毀傷距離最遠,因碳纖維材料抗激光輻照閾值高,激光對覆蓋碳纖維材料的機身打擊最難,毀傷距離近。

4.2 艦載激光武器打擊能力評估分析

實戰中,激光武器對無人機的毀傷效果受制于多種因素。本文以小精靈無人機為例,給出無人機的飛行高度,飛行速度,無人機使用材料的毀傷閾值,通過找到無人機的易損傷部位,查找數據得到易損傷材料的毀傷輻射時間T1,評估分析激光武器對無人機的毀傷距離以及毀傷架次,此為特定激光功率、氣象能見度下的激光武器打擊無人機蜂群的作戰效能。評估示意圖如圖1所示。

圖1 激光武器對無人機的毀傷效能計算流程

研究激光武器反無人機蜂群目標作戰時,激光武器對于無人機蜂群的最大毀傷距離至關重要,它決定著激光武器的開火時間。以來襲10架次小精靈無人機為例,無人機初始高度為2000 m,飛行速度為30 m/s,氣象能見度為15 km能,激光波長為1064 nm,采用脈沖光進行照射。選取典型的激光發射功率30 kW、50 kW,對無人機的碳纖維材料進行照射毀傷的最大毀傷距離仿真圖,如圖2所示。

圖2 不同激光功率下激光武器對無人機的毀傷距離

當激光發射功率為30 kW時,激光武器對小精靈無人機蜂群碳纖維蒙皮的最大毀傷距離為1547 m,根據材料激光毀傷閾值可知,碳纖維材料的毀傷照射時間為10 s,在此時間內,剩余無人機蜂群向前推進300 m,由事先制定好的毀傷概率模型可以得出,在此條件下激光武器可以有效毀傷5架小精靈無人機,因此,此條件下激光武器的毀傷概率為50 %。

當激光發射功率為50 kW時,激光武器對小精靈無人機蜂群碳纖維蒙皮的最大毀傷距離為1911 m,根據材料激光毀傷閾值可知,碳纖維材料的毀傷照射時間為10 s,在此時間內,剩余無人機蜂群向前推進300 m,由事先制定好的毀傷概率模型可以得出,在此條件下激光武器可以有效毀傷6架小精靈無人機,因此,此條件下激光武器的毀傷概率為60 %。

5 總 結

論文以激光武器打擊無人機蜂群軍事需求為牽引,對艦載激光武器打擊無人機蜂群進行毀傷理論分析,對不同材料的無人機的毀傷效果分析,結合無人機的材料激光毀傷閾值,建立激光武器打擊無人機蜂群作戰模型,計算在不同激光功率條件下(10 kW、30 kW、50 kW)對無人機蜂群的有效打擊距離,得到:良好能見度(10～20 km)情況下激光武器對無人機蜂群的有效毀傷距離為1547 m;中等能見度(4～10 km)情況下毀傷距離研究,激光武器對無人機蜂群的有效毀傷距離為1160 m。對激光武器打擊無人機蜂群的作戰效能做出驗證,通過仿真得到的數據來驗證其有效性,得到此條件下不同激光功率條件下激光武器最大毀傷架次,研究成果可為激光武器反制無人機方案設置提供理論支撐。