艦載高能戰術激光武器作戰效能與供能需求的模擬分析
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2019年6月，美國海軍海上系統司令部電力艦艇辦公室在發布的新版《海軍電力與能源路線圖》中強調，未來幾年內將為激光武器等高耗能裝備發展以通用儲能模塊為核心的能量庫系統，並明確提出計劃2019年研發出具有涓流充電能力的激光武器供能系統，2020年研發出能在使用時持續充電的供能系統。根據美軍計劃，首型具備實戰能力的100千瓦級艦載高能戰術激光武器有望在2025年前服役，列裝大型水面艦艇。但如果通過艦上電網向激光武器直接供電，將導致母線過載，或艦上雷達等其他高功率設備無法正常運轉，進而影響整艦作戰效能。
受美國海軍委託，美國海軍研究生院綜合考慮了平台、目標類型、海洋/大氣環境等大量因素，利用建模模擬方法對艦載高能戰術激光武器能耗和儲能問題進行了深入研究。
一、模擬設計
研究人員期望通過模擬研究，獲得艦載高能戰術激光武器能耗水平，推算激光武器儲能系統的體積、重量、冷卻等需求，進而指導其後續優化，將激光武器及其儲能、冷卻等系統對艦艇平台的影響降至最低。
1.總體設計
研究人員按下圖所示框架構建了模擬模擬系統，主要輸出參數包括：一是總照射時間，即摧毀每個目標所消耗的時間。對於每個目標，限制激光武器每次攻擊的最大持續照射時間為10秒，若未能摧毀目標則可在短暫間歇後繼續攻擊。總照射時間主要用於確定交戰過程中的總能耗。二是摧毀和未被摧毀的目標數量。三是總能耗。四是射擊次數。
圖1 模擬模擬頂層流程圖
2.主要工具
一是「激光環境效應的定義與參考數據」（LEEDR）。由空軍技術學院開發的MATLAB程序，包括了世界各地的大氣剖面數據（採用ExPERT資料庫格式）以及多種大氣模型；支持用戶輸入地理位置、大氣數據、雲層和降水、激光參數、特殊地貌等信息，並且可用「海軍先進氣象分析與預測」（ACAF）系統提供的數據進行預定義。信息輸入結束後，LEEDR將輸出MATLAB格式數據。
二是「海軍研究生院高能激光大氣光學傳輸代碼」（ANCHOR）。由海軍研究生院定向能物理團隊開發的MATLAB程序，包含數萬個腳本代碼，可計算不同初始條件間的相互影響。ANCHOR利用LEEDR輸入的大氣數據，計算出在一定距離和高度上的激光照射、筒中功率比（PIB）、照射時間（dwell time）等結果。(註：PIB指在給定區域（即「桶」）內激光束照射的總能量，主要用於計算照射時間。)
三是ExtendSim和Excel。ExtendSim是一款建模軟體，可構建離散或連續模型，研究人員以此構建動態模擬環境，模擬美國海軍常用的「探測-開火」（DTE）的交戰序列。Excel用於根據高度、距離、速度、目標材料等信息計算照射時間。
圖2 各模擬軟體關係圖
二、參數設置
1.平台及武器系統
平台：以LPD 17兩棲船塢運輸艦為艦載高能戰術激光武器的搭載平台，平台將在與目標的交戰過程中作複雜機動（非直線運動），或靜止不動。
戰術激光武器系統：系統置於平台水線以上10米處；通過合束技術形成功率150千瓦、光束質量因子M2=3的均勻光束，波長1064納米；光束定向器直徑30厘米，迴轉速率100°/秒，交戰過程中始終直指目標；武器系統反應時間0.25秒。此外，武器系統還將產生最大5微弧的隨機振動。
2.目標特性
結合高能激光武器作戰使用需求，選取三種典型目標進行研究。
一是快速攻擊小艇。以伊朗Peykaap III型為目標，航速設定取13-27千米/小時；水線以上高度1米；艇體等效為3毫米厚鋁合金材料，激光毀傷閾值66.5千焦。
二是無人機。以以色列「哈比」反輻射無人機為目標，飛行速度取35-70米/秒，初始飛行高度取1500-3000米；無人機以直線飛向LPD，撞擊點高度設為0米；機體材料等效為2毫米厚鋁合金材料，激光毀傷閾值44.4千焦。
三是反艦巡航導彈。以中國C-802反艦導彈為目標，飛行速度馬赫數0.9，沿20米巡航高度徑直飛向LPD；導彈前端整流罩材料等效為5毫米厚316不鏽鋼材料，激光毀傷閾值321千焦。
圖3 不同目標的模擬進攻路線
為研究飽和攻擊模式下，激光武器所能發揮的最大效能以及消耗的能量，研究人員設定最多將有30艘快速攻擊小艇、20架無人機、5枚反艦巡航導彈同時發起攻擊，且各個目標出現的間隔時間隨機。
此外，研究人員將所有目標的起始交戰距離都設定為5000米，即激光武器系統將在目標距LPD 5000米的距離上發動攻擊。
3.環境特性
地理位置：由於未來一段時間內，艦載高能戰術激光武器應對的主要威脅是快速攻擊小艇和無人機等非對稱威脅，研究人員將地理環境選定為非對稱威脅嚴重的霍爾木茲海峽。
海洋和大氣環境：利用ACAF資料庫中的海洋溫度作為模擬模擬的初值條件；大氣溫度最高不超過海洋溫度的1.6℉，最低不低于海洋溫度的0.8℉；使用「全球大氣顆粒物資料庫」（GADS）提供的海洋環境下的大氣顆粒物數據進行模擬；使用海軍研究生院自主開發的「海軍近水面光學擾動」（NSOLT）模型模擬激光在海洋大氣環境中傳輸受到的擾動；選取三種能見度進行研究，分別為高能見度（38千米）、中等能見度（28千米）、低能見度（10千米）。
三、主要結論
研究人員擬對四種襲擊情景進行了模擬，一是只有快速攻擊小艇襲擊，二是只有無人機襲擊，三是只有反艦巡航導彈襲擊，四是三種手段聯合襲擊。每種情景各進行500次模擬模擬，覆蓋各種自然氣象環境的組合。
前期研究中發現，輸出功率150千瓦的高能戰術激光武器無法對來襲反艦導彈實施有效殺傷，因此後續研究和分析中排除了反艦巡航導彈這一威脅，即僅包括三種襲擊情景：只有快速攻擊小艇、只有無人機、無人機 小艇聯合。其他參數如目標數量、能見度、溫度等保持不變。
1.環境影響
能見度的下降將顯著增加激光武器系統在摧毀目標過程中的能量需求。隨著能見度的增加，海水與大氣間的溫差對總能耗的影響愈發顯著。
圖 4 能見度及溫差對激光武器總耗能的影響
2.總能耗
利用高能戰術激光武器應對30艘快速攻擊小艇或同等數量的快速攻擊小艇 無人機時，需要消耗近200兆焦的能量才能清除全部威脅；如果來襲威脅僅有20架無人機，則只需要80兆焦的能量；150千瓦級的艦載戰術高能激光武器無法應對反艦巡航導彈。
圖 5 不同能見度下應對不同威脅所需照射時間和總能耗（括弧中數字為摧毀目標數）
四、儲能系統的選擇
研究人員選擇三種當前常見的儲能裝置——鉛酸電池、鋰離子電池、飛輪儲能裝置進行研究，分析了這些裝置的體積、重量、功率密度、技術成熟度、供應鏈等情況。
1.鉛酸電池
200兆焦的總儲能量需要2組由24塊鉛酸電池組成的電池組，總重量4060千克，體積1.9立方米，壽命可達14年/每年300個充放電循環。
鉛酸電池的缺點在於，放電量超過50%將顯著影響電池壽命和供能效率；電池組充電時間長，需要數小時。而鉛酸電池的優點在於，安全性高，擁有大量艦上應用經驗（尤其是潛艇應用）；供應鏈穩定，隨時可滿足大規模艦上應用和日常更換需求。
2.鋰離子電池
200兆焦的總儲能量共需要48塊鋰離子電池，總重量660千克，體積0.6立方米。
鋰離子電池在體積、重量、充電時間（約1小時）、放電極限（20%）等方面較鉛酸電池優勢巨大，但尚無海軍應用實例，也未經過美國海軍嚴苛的標準檢驗，當前的產品供應鏈也難以滿足大規模艦上應用和更換需求。
3.飛輪儲能系統
據估算，提供200兆焦能量的飛輪儲能系統總重9161千克，體積1.18立方米。但由於飛輪儲能系統的充電時間極短，通常僅為幾秒，因此德克薩斯大學研發的8.5兆瓦、28兆焦的飛輪儲能系統即可滿足要求，該系統的總重1238千克，體積約0.16立方米。此外，飛輪儲能系統的壽命更長，通常情況下無需更換。
綜上，研究人員認為，飛輪儲能系統功率密度、能量密度、壽命等方面較鉛酸電池和鋰離子電池優勢巨大，且技術不斷成熟，是未來艦載高能戰術激光武器儲能系統的首選方案。
這項研究通過建模模擬技術深入研究了150千瓦艦載高能戰術激光武器在應對反艦導彈、無人機、快速攻擊小艇時的作戰效能，並對可能實用的在儲能設備類型、儲能總量、體積重量等因素進行了討論，得出的結論將對下一步美海軍開展通用儲能模塊工程研發具有重要參考價值。
（藍海星：白旭堯 馬曉晨）
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