0 引言
随着科技的发展和打赢现代化战争的现实需求,武器正朝着高精度、高毁伤的作战指标方向发展,精确制导武器已成为现代战争的主流作战武器[1]。因为具有准确性、抵御干扰的优势、结构的简洁性和较低的费用,以及可以轻松地和其他的指引系统相融合,激光指引武器自诞生之日起便引起了全球各地的热烈讨论。如今,这种技术已被普遍运用于多种军事设施,尤其是在最近几年的全球性的地区性战斗和冲突中,它的影响力日益增大[2]。本文将综述激光制导武器在作战中的使用,主要包括激光制导的基本原理、激光制导武器的发展历程、种类和未来发展趋势、激光制导武器在战争中的使用情况以及对其制导精度影响因素的简要分析。结合理论与实际,总结激光制导武器在作战使用过程中面临的问题,提出自己的观点,为进一步研究提供借鉴基础。
1 激光制导武器基本原理及其分类
1.1 激光制导基本原理
基于激光良好的方向性和强大的辐射能力,激光导引头采用特定编码的激光脉冲,实现对目标进行照射和追踪[3]。激光器发射高能量、高频率的激光束,激光束在目标表面发生漫反射现象,激光导引头通过接收返回的信号获取目标的位置信息,制导系统根据弹目关系,生成制导指令,控制激光制导武器实现精确打击[4]。激光制导的原理如图1所示。
图1 激光制导的原理
Fig.1 Schematic of laser guidance
1.2 激光制导方式的分类
根据激光制导技术的不同应用方式,激光制导武器可分为:激光半主动制导、激光主动成像制导以及激光驾束制导。
激光半主动制导是目前常见的一种制导方式,利用激光发射器对目标进行照射,导引头接收目标反射的激光信号来引导武器命中目标。这种制导方式制导精度高,但需要在发射平台上持续照射目标,存在一定的抗干扰能力要求[5]。
激光主动成像制导利用激光照射器跟踪目标,自动获取目标几何信息和特性数据[6]。这种制导技术自主性强,成像精度高,但仍处于初期发展阶段,存在成像速度慢、设备体积庞大和工作不稳定等问题。
激光驾束制导是利用飞行器上的传感器准确地跟踪和接收发射平台上的激光束,实现制导目标的方法[7]。相比其他制导方式,激光驾束制导具有实时性强、抗干扰性能好等优势。它需要在发射平台上安装激光器来提供制导信号,并通过飞行器或导弹上的传感器接收和跟踪激光束。然而,激光驾束制导也存在某些技术挑战,如激光束传输距离等限制[8]。
2 激光制导武器的发展历程
激光制导武器是一类利用激光技术进行制导的武器系统,通过激光束与目标进行交互,实现精确的打击和命中[9]。
2.1 原理验证阶段(1960—1965年)
20世纪60年代前半期处于原理验证阶段,激光制导技术的主要关注点是如何在实践中实现激光制导。1960年首台激光器问世,标志着激光技术首次应用于制导领域[10]。1961年,美国陆军导弹局开始研究将激光制导技术应用到武器制导系统中的可能性[11]。然而,当时的激光器存在能耗较高、体积和重量较大的问题,无法投入实际应用。直到1964年,马丁·马丽埃塔公司研制了首台激光指示器,标志着激光制导技术的原理验证阶段得以完成。
2.2 初步作战使用阶段(1965—1970年)
20世纪60年代末至20世纪70年代初期,激光制导技术逐步投入作战使用。1965年美国首次进行了激光制导炸弹挂载试验,并在1967年7月将风标式激光制导炸弹正式列入武器系统[12]。1969年激光制导炸弹正式在越南战场上投入使用,标志着激光制导技术在军用领域的成功应用[13]。德州仪器的第一代GBU-1激光制导炸弹如图2所示。
图2 德州仪器的第一代GBU-1激光制导炸弹
Fig.2 Texas Instruments' first generation GBU-1 laser-guided bomb
2.3 广泛研制阶段(1970—1975年)
20世纪60年代末到20世纪70年代初,激光制导技术的应用范围进一步扩大,将其从炸弹扩展到导弹、炮弹和火箭等武器系统。
1971年至1975,美国陆续进行了大规模的激光制导武器系统研制,取得了大量的研究成果,如激光制导火箭“小约翰”和“诚实的约翰”、反坦克导弹加激光制导的“陶”、“橡树棍”、“龙”以及激光束制导的低空防空导弹“尾刺”等。美国空军在空对地导弹和激光制导炮弹的研发上进行重点投入,并取得了显著进展。从1970年开始,美国空军对最初的机载激光目标指示器进行了改进,并研发了约20种不同的激光制导炸弹。其中,主要有三代产品,分别为“宝石矛”、“宝石钱”和“宝石钉”,这些产品在性能上有显著的优势。
1971年,美国决定将原本采用电视制导的“幼畜”空对地导弹改为激光制导方式。1972年,美国三军激光导引头竞争试验,因“幼畜”的激光导引头优越于陆军和海军的类似产品,被国防部确定为三军通用导引头[14]。在1974年,提出了新的修正方案,由洛克威尔国际公司获得了研制合同,开始研发三军通用激光导引头。
欧洲方面,一些国家在激光制导技术方面的起步相对较晚,但也在这一阶段研制了几种激光制导武器。法国在1969年研制了激光制导反坦克导弹“阿克拉”(akra)。瑞典则在1974年进行了激光制导防低空导弹“RBS-70”的鉴定试验。70年代初,英国研制了激光制导的低空导弹“吹笛”(blowpipe)。此外,英国还与比利时合作研制了激光制导反坦克导弹“阿特拉斯”(ATGW atlas)。这些国家在激光制导技术上的研制工作与美国相比可能稍晚一些,但它们也取得了一定的成果。
2.4 工程研制与装备阶段(1975—1980年)
在1975—1980年,激光制导技术进入了工程研制和装备阶段。这一阶段的特点是在广泛研制的基础上,重点研制了几种较为有效的制导系统,并逐步进行了型号研制、定型、投产和大规模列装。
从1975年开始,美国的激光制导技术着重研发了3种激光制导空对地导弹、2种激光制导炮弹以及1种激光制导防低空导弹。在满足三军通用激光导引头的要求下,对“幼畜”空对地导弹的激光导引头进行了工程研制,并于1978年定型或投产。同时,“大斗犬”空对地导弹在1976年开始投产,并且激光制导空对地导弹组“海尔法”被列为1978年的全面工程研制项目[14]。1975年,“尾刺”激光制导防低空导弹交付了10枚样弹,原计划在1976年装备部队。然而由于各种原因的影响,该导弹未能如期实现装备目标,目前仍处于工程研制阶段。
2.5 技术成熟和应用扩展阶段(1980—1990年)
在20世纪80年代,激光制导武器的应用范围进一步扩大。美国研发出了Paveway系列激光制导炸弹,包括Paveway II、Paveway III和Paveway IV[15]。这些炸弹通过附加激光制导装置,使传统的制导炸弹具备了精确打击目标的能力。Paveway I型和Paveway II型是最早的2个型号,而Paveway III型是在上世纪80年代研制的。它采用了模块化设计,具备自适应数字自动驾驶仪、大视场和高度敏感的导引头,从而提高了作战的灵活性[16]。aveway系列炸弹在海湾战争中发挥了关键作用,显著提高了精确打击目标的能力。这些新型激光制导炸弹具有强大的精确打击的能力,并成为远程精确打击的重要工具。
2.6 多样化发展阶段(1990—至今)
自1990年以来,激光制导武器取得了新的技术突破和多样化发展。激光技术的进步使得激光制导系统更加精确、可靠和先进。各国不断研发新型的激光制导武器,并将其应用于各种战斗场景。
在1992年,美国陆军对新型的海尔法F型导弹进行了发射试验,并成功地发射了39枚导弹,全部命中目标。此外,美国海军也在改进海尔法导弹方面取得了进展。采用了新的外形设计和现代化的弹头,并计划将改进后的海尔法导弹安装在高速巡逻艇和表面效应舰艇上[16]。
雷锡恩公司在Paveway II型和PavewayIII型的基础上增加了INS/GPS制导系统,研制出了增强型Paveway炸弹,该炸弹于2001年开始服役[17]。增强型Paveway具有全程复合制导系统,命中精度高,攻击能力大幅提升,具备全天候和多目标攻击能力[18]。雷锡恩公司在增强型基础上为英国设计了Paveway IV型炸弹,该型炸弹于2007年开始服役。Paveway IV型炸弹采用了带惯性制导的第2代全球定位系统,相比前一代炸弹,它的结构更小巧,可靠性更高,精确度也更高。这些改进使得Paveway IV型炸弹能够更有效地进行精确目标打击。
3 激光制导武器的战场使用情况
自越南战争开始,几乎在所有的战争冲突中都能见到激光制导武器的踪影,这充分说明了其高效费比的优势。
3.1 越南战争
1972年5月美空军首次向清化桥投下了第一代“宝石路 I”型(GBU-II其圆概率偏差约为3 m)激光制导炸弹,并将其成功摧毁[19]。此前美国空军曾用常规炸弹对大桥进行了64次轰炸,损失飞机多架,未能达到目的。据报道,这次发射的激光制导炸弹全部命中目标,弹着点均分布在距离激光束照射点的1.5 m 半径的圆圈内[16]。据统计,美军在越南战场上共投放了25 000多枚激光制导炸弹,且命中概率可达到70%[20]。挂载M117 750磅通用炸弹的F-105D如图3所示。
图3 挂载M117 750磅通用炸弹的F-105D
Fig.3 F-105D with M117 750-pound general purpose bomb
3.2 海湾战争
1991年美国空军向巴格达市中心的电话电报大楼投下了一枚美制宝石路GBU-27型激光制导炸弹如图4所示,标志着海湾战争全面爆发[21]。在海湾战争中美军使用GBU-12型激光制导炸弹,摧毁了伊军大量的坦克和装甲车,同时还使用了GBU-28型激光制导钻地弹成功摧毁了伊拉克的防空洞等地下目标[22]。
图4 美制宝石路GBU-27型激光制导炸弹
Fig.4 American Gem Road GBU-27 laser guided bomb
海尔法(hellfire)激光半主动制导导弹精度十分高,其中斯拉姆(slam)的精度为1 m,在攻击伊拉克发电厂时,第一枚导弹先将发电厂炸开一个大洞,2 min后另一枚导弹穿洞而过并将核心设备炸毁[23]。在战争的后期,美军还试验了 GBU-28(战后,1995年才正式命名)激光制导炸弹[24]。
美军将研制的“铜斑蛇”激光制导炮弹带到了伊拉克沙漠,因战场环境等因素,其效能表现并未让美军感到满意。因此自海湾战争之后,美军开始实施“恶劣天气用精确制导弹药”(AWPGM)计划。
3.3 科索沃战争
在1999年的科索沃战争中,由于南联盟地形复杂,气候多变,导致激光制导的精确制导武器不能完全适用这样的战场环境[25]。为了在复杂气象条件下的完成作战任务,美军首次将GPS/INS 制导组件加装在激光制导炸弹上,由此先进的精确打击武器—— 联合直接攻击弹药(JDAM)诞生[26]。在 GPS辅助制导的帮助下,JDMA可以在任何条件下成功完成精确打击任务。同时由于JDAM是利用便宜的常规炸弹加装改制而成的,使它成了性价比极高的精确打击激光制导炸弹,对JDAM的改制成功,使美国认识到GPS在军事作战中的重要性[27]。
JDAM与1991年海湾战争中大量使用的激光制导炸弹(GBU-10、GBU-12、GBU-24、GBU-27 等)相比,有着价格低廉、效益比高;全天候作战,不受恶劣天气条件的影响;可在高达24km的高空释放,具有高精确度的目标打击能力;飞机释放炸弹后可立即离开目标区域,风险较低等优点[28]。激光制导技术与GPS制导系统的有机结合,弥补了激光制导的缺陷,提高了精确制导武器的命中精度,为后续发展提供了重要的参考[29]。GBU-31(V)/B激光制导炸弹如图5所示。
图5 GBU-31(V)/B激光制导炸弹
Fig.5 GBU-31(V)/B laser-guided bomb
3.4 阿富汗战争
在2001年的阿富汗战争中,“宝石路Ⅲ”激光制导钻地炸弹(GBU-28,2270 kg,专门攻击地下掩体、指挥中心等坚固目标)和集束型(GBU-89)激光制导炸弹开始被美军大量应用[30]。据称,GBU-28是由经过改进的激光制导部件和常规炸药组成,具备穿甲、爆破和粉碎等3种功能[31]。激光制导技术确保了它的精确命中能力,而炸药则提供了强大的破坏力[32]。当炸弹被精确引导并击中目标时,它能够有效地穿透地下结构并造成广泛破坏。此后,美国在GBU-28基础上又成功开发了GBU-37型钻地炸弹,克服了GBU-28型激光制导炸弹受天气影响较大等难题,成为当时美国唯一的全天候、高精度穿透炸弹[33]。“宝石路Ⅲ”GBU-28型激光制导炸弹如图6所示。
图6 “宝石路Ⅲ”GBU-28型激光制导炸弹
Fig.6 “Paveway III” GBU-28 laser guided bomb
3.5 伊拉克战争
2003年3月20日伊拉克战争爆发,美英联军首先使用4枚900 kg的“宝石路Ⅲ”激光制导炸弹,打击了重点目标[34]。3月27日F/A-18和F-14 向伊拉克西南的共和国卫队投放了23枚炸弹,其中16枚为450 kg激光制导炸弹、4枚为全球定位系统炸弹、3枚为 450 kg 普通炸弹[35]。战争中,激光制导武器占据了弹药总量的78%,显示了它在空中打击力量中的中流砥柱地位。作为美军的重要武器之一,激光制导弹药已成为战争伊始时形成强大威胁的关键因素。美制宝石路GBU-28型激光制导炸弹如图7所示。
图7 美制宝石路GBU-28型激光制导炸弹
Fig.7 American Gem Road GBU-28 laser guided bomb
3.6 局部冲突
2017年,美军使用AGM-114R9X型低附带毁伤激光制导武器成功精准刺杀了坐在车内的埃及基地组织领导人艾哈迈德· 阿桑阿布·马斯里。2020年使用同样的武器杀害了伊朗将军苏莱曼尼[36]。AGM-114 R9X“地狱火”空对地导弹示意图如图8所示。
图8 AGM-114 R9X“地狱火”空对地导弹示意图
(虚线部分为打开后的折叠刀刃)
Fig.8 Schematic illustration of the AGM-114 R9X Hellfire air-to-ground missile
(with the dotted line showing the folded blade after opening)
3.7 俄乌战场
资料显示,目前俄乌战场上已使用的激光制导武器有俄军的Kh-29激光空地导弹,乌军的“硫磺石”空地半主动激光制导导弹[37],同时俄军的“红土地”和乌军的“克维特尼克”这两款同宗同源的激光制导炮弹也都出现在了乌克兰战场上[38]。红土地激光制导炮弹如图9所示。
图9 红土地激光制导炮弹
Fig.9 Red land laser guided projectile
4 激光制导武器作战使用精度的影响因素分析
战场环境作为战场态势的重要因素,对武器系统的作战效能影响巨大。基于半主动激光导引头的制导武器,其使用精度的主要影响因素可分为目标特性、目标背景和自然环境等3大类[39]。
4.1 目标特性
在目标特性方面,国内外学者们对其进行深入的研究。
1997年,牛燕雄等[40]指出针对激光制导武器打击的目标,可采用伪装干扰技术进行躲避,这从侧面反映了激光制导武器的制导精度受到目标表面的激光反射能量值的影响。
2020年,范俊峰等[41]将战场目标特性的分为了固定目标和移动目标等2大类,针对固定目标指出在一般情况下,目标对激光的反射率越高,激光导引头越易捕获,命中率越高。针对目标运动特性带来的各种影响,提供了不同的瞄准投放策略,以解决当目标的运动方向与炸弹的投射方向平行时,炸弹命中精度较高,而当目标的运动方向与炸弹的投射方向垂直时,炸弹命中精度较低的问题。
2021年6月,帅欢等[42]研究了海战环境下激光制导武器不同打击目标的特性,提出了目标的材质决定其光辐射特性,材料不同,光辐射性能也会不一样的研究思路。其打击目标包含敌海军基地、港口、码头等海岸目标,以及航空母舰、导弹护卫舰、导弹驱逐舰、巡航舰、小型快艇、两栖登陆艇等水面舰船和潜艇类水下舰船。
4.2 目标背景
2005年,葛强胜等[43]对烟幕用于干扰激光制导武器的机理,以及烟幕对激光的后向散射现象进行大量研究后,构建数学模型,编制了计算程序,研究水平烟幕和垂直烟幕这2种烟幕形式在不同初始参数下的假目标引偏作用。同时,提出水平烟幕和垂直烟幕配合使用,对激光制导武器的攻击可以有效干扰。
2008年9月,胡朝晖等[44]以数字仿真结合实弹靶场试验为基础,通过规划初始试验条件,得到激光制导炸弹在烟幕干扰下对典型目标的毁伤概率,从而给出了一种综合评估激光制导炸弹在烟幕干扰下作战效能的方法。
2014年,王新涛[45]指出海面会因为在海浪的作用下产生泡沫,泡沫具有一定反射激光的能力,将影响导引头对目标的锁定。
2021年,帅欢经过对海洋环境中海面反射、散射、海浪、海杂波等海上目标背景进行大量研究,发现这些因素会影响激光的传输或接收,当激光导引头接收到因起伏或受遮挡的反射光线时,会影响其作用距离及输出视线角速率精度等,欺骗导引头形成错误制导指令,降低武器的命中精度。
4.3 自然环境
2006年,谢奇峰等[46]提出了采用比例导引方式的激光制导炸弹,以加强对运动目标的打击能力,以及克服风速这一自然环境因素引起的制导原理误差。
2016年,耿蕊等[47]在研究中指出激光强度、激光波长、大气结构、传输距离等是影响激光在大气中衰减的主要因素,激光在大气中传输的透过特性用朗伯-比尔定律确定。
2017年,姚跃民等[48]得出照射系统激光探测距离及导引头捕获距离的远近受到大气能见度高低的直接影响,从而对投放准备时间及捕获概率产生影响的结论。
2019年,杜梓冰等[49]提出了一种在复杂环境下进行飞行试验考核的方法,对半主动激光制导导弹的功能性能进行测试,并提高其实战使用性能,同时指出了环境因素对激光导引头的影响。
2021年,帅欢得出结论,对激光制导炸弹的飞行状态及命中精度有较大影响的因素主要是风、雨、云、雾等自然环境。
5 激光制导武器关键技术与发展趋势
5.1 激光制导武器的作战使用模式
激光制导武器由于其制导原理的限制,目前现有的激光制导武器多为半主动制导方式,其作战使用模式主要包含本照本投、它照本投、地照本投等3类。
5.1.1 本照本投
飞机本机挂载激光照射器对目标进行照射,同时本机发射激光制导武器,并引导激光制导武器打击目标。其优点是照射与武器投放由一机单独完成,可自由选择进入方位角对目标进行打击。缺点是武器投放后飞机仍须持续对目标进行照射,直至摧毁目标,因此对飞机载体平台的战场生存能力有很大的考验。
5.1.2 它照本投
它照本投指的是它机对目标进行照射,本机负责投放激光制导武器,通过双机战术合作,从而对目标进行精准打击,优点是打击方式更加灵活,缺点是双机协同配合难度大,技术要求高。
5.1.3 地照本投
地照本投指的是利用单兵激光照射器在地面对目标进行照射,飞机在空中投放激光制导武器,从而精准打击目标。优点是地面照射激反射能量强,且距离目标较近,易于导引头接收信号。缺点是单兵须携带激光照射器进入目标3 km范围内照射目标,对其生存能力有较大考验。
5.2 发展趋势
激光制导武器的作战使用显示出了它在现代战争中的重要性和优势。其高精度打击能力、快速反应能力、低碰撞风险以及高度可靠性等特点使其成为一种强大的战斗工具。随着科技的不断发展和创新,激光制导武器在未来还可以进一步发展:
1) 激光制导武器将日益小型化以便更多地应用到战场中。随着技术的进步,激光制导系统可能会逐渐小型化并广泛应用于更多的武器平台和装备。这将使得激光制导武器成为多领域、多军种的常规作战工具。
2) 激光制导武器将结合人工智能技术往智能化方向发展。通过将激光制导系统与先进的传感器、算法和数据处理技术相结合,可以实现更高级的目标识别和打击决策能力。这将使得激光制导武器更加智能化和自主化,能够在复杂的作战环境中更好地适应和应对各种威胁。
3) 激光制导武器将更加规范使用。在未来,我们可以预见激光制导武器的应用将进一步扩大,其作战能力将得到进一步的提升。然而,同时也需要关注激光武器的合规性和伦理问题,确保其使用在国际法和人道主义准则的框架内,以避免对无辜平民和非军事目标造成不必要的伤害。
随着技术的不断进步和发展,激光制导武器将继续发挥着重要的作用,并为战场上的作战行动提供更精确、更高效的火力支援,因此总结归纳激光制导武器在作战使用过程中所面临的问题使其作战效能更好的发挥作战效能是十分有必要的。
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