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台灣應及早發展應對無人機的激光武器
2023/06/14 16:30
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台灣應及早發展應對無人機的激光武器


一、激光原理及發展過程

    激光的英文是laser ( LightAmplification by Stimulated Emission of Radiation )意思為受到激發輻射而產生的光的放大。1916年愛因斯坦發現特定原子吸收能量,其外層電子受輻射躍遷到高能級,高能級不是穩定狀態,等電子回落到低能級的時候,釋放出的能量以光子形式對外發射。除了不發散之外,激光還具有亮度高、方向性好、單色性好等特點,這些特點使激光能作為武器。利用定向發射的激光束,集中能量指向目標,造成直接毀傷,光的能量越高,殺傷力越大。激光武器的射速是光速,真正做到“瞄準即擊中,同時激光還能抗電磁干擾。激光的原理發現於一戰期間,但直到二戰結束,人類也沒有造出任何激光發射器。1960年,美國人得到了人類歷史上第一束激光。1970年代,美國空軍開始激光武器的研發,但激光應用很快遇到瓶頸,當時的化學激光器產生的激光太弱,很難作為武器使用。所以此後40多年裡,美國人主要把激光技術用在民用領域,包括醫學、激光打印機、CD機、舞台效果等。1973年,蘇聯成立了專門研製激光武器的設計局,製造出陸基激光武器,專門用來攻擊美國的軍事衛星。激光器按照產生激光的物質狀態區分,主要有兩種:化學激光器和固體激光器。化學激光器裡發射激光的是特殊氣體或液體的分子,固體激光技術裡發射激光的則是固體,更具體地說,是分子排列非常規律的晶體。前者出現較早,技術成熟,但產生的激光以紅光黃光為主,單個光子的能量比較低,適合民用。後者出現較晚,能產生綠光甚至紫光,光子能量更高,最適合做激光武器。但美國一開始選用的是化學激光器,重量和體積都太大,只能搭載在波音747這樣的大飛機上並不實用。2020年,美國海軍成功進行艦載激光武器的演示,波特蘭號兩棲船塢運輸艦鎖定並擊毀了一架無人機。波特蘭號的成功讓美國很興奮,因為它搭載的是“固體激光器技術成熟化”系統,但此時中國的固體激光器已研發了近60年。

   中國的激光武器研究起步很早,上世紀60年代就已開始,不走西方和蘇聯的路子而是以高功率固體激光器為研發目標。上世紀80年代,陳創天院士開發出BBO晶體,比當時美國人的ADP晶體效果要好四、五倍。1990年,陳院士團隊又發現了氟代硼鈹酸鉀(KBBF)晶體,這種晶體發射的激光頻寬極窄,光子波長在紫外區域,單個光子能量更高。這是世界上唯一可以直接產生深紫外激光的固體晶體,非常適合做激光武器。中國人從此開始壟斷深紫外全固態激光技術,    而美國在2001年就已經做KBBF的研發,做了8年一無所獲。2016年2月,美國APC公司宣布,與克萊門森大學歷經15年合作,終於研製出KBBF晶體。但早在2013年9月,中國8台國際首創新型深紫外激光科研裝備通過驗收。這意味中國是全球唯一能夠製造實用化深紫外全固態激光器的國家,而且還掌握了激光技術的五大核心技術:激光材料技術、激光成像技術、一次性快速跟踪定位控制技術、激光輻射材料物理機理及成像圖譜技術、高密度能量可逆轉換載體材料技術。2015年中國福建物構所宣布發現新型無鈹深紫外非線性光學晶體材料RABF。這種晶體既保留了KBBF的優良特性,又降低了晶體毒性,還解決了KBBF晶體的層狀生長特性,成為下一代深紫外激光設備的優秀候選材料。一束激光背後,是一個國家科研水平和綜合國力的比拼。中國激光武器領先,有正確的決策,有國家支持,更有千千萬萬有名和無名英雄的堅定付出。

 

二、激光是成本低廉的戰略武器

 

    現代的戰爭是高科技的戰爭,無人機及飛彈是很厲害的武器,而激光武器卻是其剋星,激光武器的研製是極其重要的防空技術,可改變未來的戰爭型態,若我國能結合國內科技學界作一研發整合,不但能提升我國防實力,也可提升國際地位甚至可外銷賺錢。激光又稱鐳射是用弱光激發出強光的一種物理現象,激光和核能、半導體、計算機一起被稱為20世紀的四大發明,其產生的亮度為太陽光的100億倍。激光的特點為(1)定向發光即平行不發散(2)亮度極高(3)顏色極純(4)能量密度極大。激光武器可以分為三種:第一種是致盲型威力較小,主要目標是對敵方的電子設備進行干擾使其不能正常工作,從而使敵方作戰能力瞬間癱瘓。第二種是近距離攻擊型,可攔截導彈或無人機。第三種是遠距離攻擊型。主要目標是摧毀超遠距離的衛星洲際導彈。高能激光被視為21世紀最有前途的武器,以遠射程和强大殺傷力得到軍事強國的追捧。激光武器的優點在於(1)飛行速度極快(光速,30萬公里/秒) (2)無後座力可在短時間内連續發射(3)成本低,愛國者導彈成本60萬美元/枚而激光發射一次僅幾千美元(4)對多目標捕捉、射擊靈活效率高。

 

   未來戰爭將是非常激烈和殘酷的高科技戰爭,如果激光武器大量用於戰場,傳統攻防作戰理論將被改變。美國第七艦隊阿利伯克級導彈驅逐艦就裝有激光武器(ODIN)系統,可以干擾甚至摧毀對手光電和紅外探測系統的激光武器。杜威號是美國海軍首艘安裝激光武器的戰艦,改裝后就急赴遠東顯然是針對中國。美國《國家利益》網站稱,激光武器成為美國海軍應對未來威脅的主要手段之一。美國海軍正在平行推進3個激光武器項目:除了ODIN系統外,還有「高能激光和一體化光學炫目監視」(HELIOS)系統,這是一種60千瓦的激光武器,也將從2021年開始安裝到「阿利·伯克」級驅逐艦上,並與宙斯盾作戰系統集成在一起。HELIOS威力比ODIN更強,可以集中能量燒毀無人機、低空飛行的飛機,威力最強的則是「固體激光器技術成熟化」(SSL-TM)系統,目標是在兩棲艦、驅逐艦上安裝功率150千瓦的激光武器。此前美國「波特蘭」號兩棲船塢運輸艦曾在測試期間,用這種「高能激光武器系統」成功擊毀一架無人機。另外洛克希德馬丁公司已向美國空軍交付了新型機載高能激光器,用於在 AC-130J 飛機上測試。

三、反制無人機的方法

   無人機在現代戰爭中愈來愈重要,如何防範無人激攻擊已成為國防重要課題。美國國防部在2021年推出一份《反制小型無人機系統戰略》,指出小型無人機系統數量呈等比級數增加,已為國家安全帶來嚴重威脅,即使是合法的無人機使用者,也可能因不當操作,對軍隊造成危害。小型無人機並非高科技或先進的飛行器,只是因為體積小,結構材料使用塑膠,極低的飛行速度與高度,使得針對快速飛行器與飛彈,具有自動濾除低、慢速目標功能的傳統防空系統難以防禦。若要反制無人機,首先必需能偵測無人機,現有偵測無人機的技術包括以下三個方向:第一種方法就是,藉光電、紅外線或聲音感測器,透過視覺、熱源、聲訊來偵測無人機;或是以雷達進行偵測;也能夠利用被動偵測控制無人機的無線電訊號。一套無人機反制系統,要結合多重手段,以便有效偵測無人機。反制無人機的方法分為軟硬兩種方式,軟方式就是發出能干擾其控制訊號之電波,硬方式是直接將其擊落。

在反制無人機的技術上也頗朝向以低成本的激光武器或微波方式來對付無人機,以免過度消耗高價的防空飛彈。除了上述使用干擾槍、小口徑武器外,美國陸軍發展的「機動短程防空系統」,結合刺針飛彈、30公厘鏈砲、地獄火飛彈形成多層次火網,為旅級部隊的野戰防空系統,可結合不同武器來反制小型無人機的威脅;另外,也可運用自主攻擊無人機,由一架低成本、可消耗的無人機,以撞擊或自爆方式來摧毀另一架無人機;美國陸軍也在印太區域測試,以色列製的鐵穹防空系統,以短程防空飛彈對付無人機。不過使用飛彈的成本仍是很高,中國、美國及歐洲也都在發展導能武器,即以激光或是高能微波等武器反制無人機。在反制無人機集群式攻擊方面,若要阻止整個「蜂群」運作,必需能摧毀全部無人機,困難度亦高。美國空軍正測試一種「戰術高能任務回應機」(THOR),它不使用槍彈或是爆炸等方式摧毀無人機,而透過高功率微波來攻擊對手,包括削弱無人機相互通訊的能力,或是破壞蜂群中的所有電子系統,可對多個目標進行非動能打擊,用於清除大量無人機。外媒報道,專門從事反無人機技術和裝備研發的以色列“斯凱洛克”公司展出了一款外形類似導彈的反無人機攔截器,這款攔截器長0.9米,分為兩種型號。基礎型直徑40毫米,航程1.1千米﹔增程型直徑50毫米,航程3千米。攔截器既可由飛行器攜帶從空中進行發射,也可由地面機動單元發射。動力系統採用小型固體火箭發動機,安裝在攔截器尾部。這款攔截器的頭部安裝有密封的網狀薄橡膠條,主要對付旋翼無人機等小型目標。與傳統的直接或間接擊毀方式不同,該攔截器能夠“游弋”到小型旋翼無人機等目標附近,向目標持續釋放橡膠條。多個橡膠條“扑向”旋翼並將其纏繞,最終令目標墜毀。這種橡膠條可在較大區域內襲擊目標,既可以“對付”單架無人機,也可“進攻”無人機蜂群。與目前已有的40毫米榴彈槍發射橡膠條相比,這款攔截器作用距離更遠,覆蓋范圍更廣。據介紹,裝備這種攔截器的作戰小組能在城市環境中使用,對在空小型無人機進行攔截,附帶損傷較小。同時,與導彈等直接擊毀目標的武器相比,這款攔截器性價比較高,適合大量生產和列裝。以色列“斯凱洛克”公司負責人表示,未來,它將與反無人機干擾槍或地面反無人機裝備配合使用,形成多層攔截網。

四、激光武器對付無人機戰例

 

(一)中東沙特戰場

   外媒報導,最近,中國出口沙特阿拉伯的「寂靜狩獵者」激光炮武器接連擊落13架來襲無人機,這是全球首次用激光炮在實戰中擊落來襲目標的案例。沙特皇家防空部隊還為其成員頒發了嘉獎令,表彰其創造了前所未有的歷史。「寂靜狩獵者」激光炮採用的是光纖激光器,標準輸出功率為30-100千瓦,射程2000米。目標的探測/捕獲範圍為4千米,可以連續發射200秒,並在6秒鐘內實現重新加載,擊毀目標用時10秒鐘,能夠打擊2米尺寸、飛行速度不超過60米/秒的中低速空中目標,威力可在800米距離燒穿5層2毫米厚的鋼板,1000米距離燒穿5毫米厚鋼板。沙特引進的「寂靜狩獵者」激光炮威力有限,主要用途就是用來打擊低空低速飛行的無人機。沙特一直在與胡塞武裝交火,胡塞武裝本身雖實力有限但擁有各種造價低廉,又源源不斷的自殺式無人機。這些廉價的自殺式無人機主要是以低空低速飛行方式入侵沙特領空的,一度造成沙特石油產量減產50%!拿各種高大上的導彈防禦系統來對付這種低價值就像用大炮打蚊子,極不划算,況且各種導彈防禦系統的火控雷達本來就不是針對低空低速目標設計的,非常容易將低空低速飛行的無人機當成飛鳥而視而不見。如果不引進這種激光炮,沙特就算能夠百分百攔截這些煩人的小型低速無人機,一天攔截20架,幾千萬美元就沒了。

 

   「寂靜狩獵者」激光炮的優點體現在3方面,一是火控雷達專門針對低空低速目標。二是攔截成本極低,激光炮的「彈藥」就是一束光,不需要消耗任何物質,只要有電就夠了。因此其主要成本只有電費、日常檢修成本、武器系統折舊費。據說單次攔截成本僅需1美元。三是全套系統很小,方便轉移。激光武器系統的技術難點包括激光發射器和電源系統。其中激光發射器本身尺寸重量不大,儲能系統卻是絕對關鍵,這也是制約激光武器系統功率增大的主要難點。中國「寂靜狩獵者」激光武器的優點是體型小巧,僅需一輛10噸級貨車那麼大的體型就能滿足平均輸出功率達到30千瓦的激光炮電能需求。「寂靜狩獵者」激光武器系統採用的是光纖激光發射器。光纖激光器具有輸出激光光束質量好、能量密度高、電光效率高、使用方便、可加工材料範圍廣和綜合運行成本低等諸多優勢,被譽為「第三代激光器」,可廣泛應用於雕刻、打標、切割、鑽孔、熔覆、焊接、表面處理、快速成型等材料加工領域。光纖激光器  顯然,相比其他激光器,這種激光器非常適合作為戰術級激光炮發射器。

 

(二)烏克蘭戰場

   烏克蘭使用土耳其的TB-2無人機取得不錯的戰果,俄烏軍隊在頓巴斯地區進行大對決期間,消耗性無人機正變成戰場上的主角,而俄羅斯軍隊如果使用防空導彈去打擊烏軍小型無人機無異於大砲打蚊子。就在這個關鍵時刻,俄羅斯副總理波瑞索夫宣稱有一款新的激光武器「惡霸」(Zadira)可對付無人機,俄羅斯駐烏克蘭的部隊已使用了新型激光武器摧毀了烏軍無人機。澤連斯基接受媒體採訪時,將俄羅斯的激光反擊無人機系統炒作成納粹德國在第二次世界大戰末期推出的神奇武器。其實,類似的激光武器早已經被中國投入戰場,並在沙特取得了戰果,共擊落十幾架無人機。羅斯軍隊此次在烏克蘭投入的激光武器意味著什麼呢?第一,俄羅斯聲稱使用的激光武器“惡霸”安裝在裝甲卡車上。一名美國國防官員表示,美國沒有看到任何證據可以證實俄羅斯在烏克蘭使用激光武器,顯然這種武器裝備數量非常少。第二,可能反映了俄羅斯軍隊防空導彈的嚴重短缺。第三,證明俄軍正在準備進行一場長期的消耗戰。

 

五、中國的激光武器

   目前激光武器只有中美二國有較顯著的成就,激光武器的強大足以令人吃驚。中國的激光晶體技術被應用到武器是一個巨大的突破,這意味戰力會成倍增加,目前將坦克、航母戰艦加入了激光技術,大大提高了作戰實力。

(一)激光研發歷史

     中國對於激光武器的研究最早可以追溯到1964年3月,錢學森博士在中科院成立了上海光機所,進行高功率大能量激光武器研究;1975年,上海光機所建成兩台功率達到萬兆瓦級的高功率釹玻璃行波放大激光系統;1985年,王淦昌提出建造的激光12號實驗裝置建設成功,後被張愛萍將軍提名“神光”,標誌着中國大陸進入世界先進行列。此後,“神光2號”、“神光3號”等相繼問世,奠定了中國在激光武器領域的領先地位。 

(二)機載激光武器

    美國國家利益網站報導,中國開發了一種機載激光武器。如果激光裝備在飛機上,可抵禦來襲的導彈襲擊,並在近距離戰鬥中佔據主導地位,機載激光器不會是中國的第一種激光武器。在 2018 年的中國航展上,國有的中國航天科工集團公司推出了 LW-30 防空導彈防禦激光器,可用定向發射的高能激光攔截空中目標如無人機、制導炸彈和迫擊砲,俄羅斯稱其最終的第六代戰鬥機可能配備激光武器,對於美國軍方來說,機載激光不僅是一種潛在武器,也能是彈道導彈防禦的關鍵。

 

(三) 寂靜狩獵者低空激光防空武器

    這款激光武器的標準輸出功率為30KW,可以達到4千米的最大射程,主要用於攔截低空無人機等,2018年中國空軍推出名為LW30的激光武器獲得高度重視,因為其威力不亞於導彈爆炸產生的破壞性,LW30可以悄無聲息地把敵方的戰機給摧毀掉。LW30系統由雷達、指揮車、激光戰車組成,搭載了一台輸出功率為三十千瓦的高能激光器。

 

(四)中國的激光武器死光-A

    死光A重型戰略型激光武器可以每秒3萬公里的飛行速度,瞬間擊穿航母或核潛艇,主要用於戰時摧毀敵方的軍用衛星,如果裝載在驅逐艦上,死光A不僅可以摧毀敵方的地面固定發射器,還可以摧毀水下核潛艇,這款激光武器也可車載,可在750米內擊穿5層0.02毫米的鋼板,最大殺傷距離可以達到3萬公里,主要是用於攔截低空飛行目標,比如說無人機、直升機等等。它最大的特點是可以對闖入領空的隱形超高速偵察機一擊致命。

 

(五) 中國使用激光武器打敗美國 GPS 衛星的能力日益增強

   美國五角大廈太空作戰負責人約翰·W·雷蒙德將軍稱,美國軍方需要迅速採取行動,以應對中國和俄羅斯在太空中的激光武器和電子干擾。中俄兩國都在製造可以致盲、干擾或損壞衛星的定向能係統。激光武器具有快速、靈活、精確和抗電磁干擾等優異性能,能在光電對抗、防空和戰略防禦中發揮獨特作用,今日世界上最先進的激光武器殺傷範圍可達三萬公里,中國早在上世紀九十年代就研製出世界第一塊KBBF晶體,這種晶體能夠把激光轉化成為176納米波長的深紫外激光,從而製造出深紫外固體激光器,它是軍用激光武器核心中的核心。中國的激光武器輸出功率是美國的3倍,能夠在一分鐘內對付10個目標,性能遠超美國同類型激光武器。

 

六、台灣應發展激光武器

 

    美、中、俄等國皆在發展機光武器,由於中美皆是無人機製造大國,未來台海發生戰爭時使用無人機作戰的可能性很高。為了因應台海防禦無人機的需求,國防部也編列 9.3 億元左右的預算,開發機光砲武器系統。比起傳統防空飛彈,雷射砲具有低成本、發射快、發測次數較不受限等優點,是具有潛力的應對無人機防空武器,若能成功發展,將能提升國軍的防衛能力。美國雷神公司有研製成功將無人機擊落的先進型 HELWS-MRZR 高能激光武器系統,但美國不可能出售先進激光武器給台灣,但激光武器的研發,隨著技術成熟,以及戰場上的需求,使得此一類型武器已逐步邁向實用化,而中科院一直有對雷射武器的發展進行基礎研究,加上低空防衛上的需求,國防部評估要啟動雷射武器系統的研發計劃,第一階段從 2020 年以代號「雷護專案」編列 9 億 3660 萬餘元預算,由中科院以 4 年時間研發出高能雷射系統,作為低空防衛所需,希望政府能大力支持,並朝向艦載型或空載型的雷射武器系統進行研發。用防空飛彈去攔截彈道飛彈,不但價格昂貴,而且攔截率有限,面對飽和攻擊時很快就會將防空飛彈耗盡;雷射武器系統則不然,射擊次數視電力供應而定,成更遠低於飛彈。


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1樓. Rockwell
2023/06/16 13:28

無人機和無人機反制技術儼然成為矛與盾的競爭。而且現在無人機這種新的兵器已經發展出一套專門的戰術,通常都和砲兵戰術結合攻擊。這次的俄烏戰爭,俄羅斯就用國產的柳葉刀無人機摧毀多數777榴彈砲和最近反攻的裝甲車輛。烏克蘭被摧毀的重裝武器中有接近三分之一是被柳葉刀自殺無人機炸毀,還有對無人機開火被鎖定座標然後被砲兵或飛彈炸毀。

俄羅斯目前是使用大量的伊朗製攻擊無人機和中國民用無人機掩護柳葉刀進行摧毀任務,柳葉刀是依靠指揮無人機在行動的,也就是當部隊發現柳葉刀的時候,操作者可能在距離幾十里外,或許躲在砲兵陣地內。用便宜的誘餌無人機掩護真正的軍事無人機已經是無人機的基本戰術之一。未來不是只有應付無人機而已,還要考慮當無人機被擊落時被鎖定座標的高度風險,因為現在的軍事無人機都有內建定位系統,當無人機被擊毀的同時防禦位置已經暴露,非常容易被接下來的砲兵部隊砲擊獵殺或被高速的飛彈炸毀,烏克蘭多處防空飛彈陣地就是這樣被摧毀,所以反制武器的高效和機動能力是接下來相當重要的課題。此次海馬斯系統幾乎沒有受到損害就是因為它強大的機動性,不然老早不知要被炸毀幾台了。