Development of AC-130J AHEL system

美国空军和美国特种作战司令部(Special Operations Command，SOCOM)下属的第4代武装运输机AC-130J是“大力士”运输机C-130经过多次武器升级后的对地攻击飞行器，执行近距离空中支援以及武装防御等任务。目前现役飞机上仅安装了低功率光电对抗和红外对抗装置，当发现敌方导弹时，通过释放红外诱饵弹，实现防御目的。但是随着导弹制导技术的进步，导引头能区分战斗机引擎和红外诱饵等不同波段的信号，因此一旦导弹锁定飞机，飞机的成活率就大大降低；另外红外诱饵弹的采购每年都要花费大量经费[1]。

为了提高战斗机的生存能力和作战能力，2015财年(financial year, FY), 空军首先启动机载“自防御高能激光演示器”(self-protect high energy laser demonstrator，SHIELD)计划，用于中等距离的导弹防御。之后SOCOM也倡议了运输机的“机载高能激光计划”(airborne high energy laser, AHEL) [2-5]，典型作战目标扩大为导弹、火箭弹、地面目标等。

国外机载激光武器的发展，已有较多文献[6-16]报道，而关于运输机机载激光武器详细的系统集成、技术挑战、研制进展等，这方面文献相对较少。本文中将介绍美国运输机机载激光武器计划，分析其面临的技术挑战，梳理近年来的研制进展。

“幽灵骑士”AC-130J(见图 1)是AC-130U空中炮艇的升级，2016年正式服役，其开发目的是支持地面部队在海外的应急行动。它最大航程为4071.6km，配备电-光和红外双传感器、30mm和50mm口径加农炮、全天候合成孔径雷达以及格里芬导弹、鹰狮导弹、地狱之火导弹等精确打击套件(precision strike package，PSP)。传感器允许武装运输机能够在任何天气中辨别地面的友军目标。

相对于战斗机，武装运输机体积和重量较大、飞行速度较慢，同时又离作战目标较近，无法防御地面强大的防空火力。因此空军特种作战司令部(Air Force Special Operations Command，AFSOC)认为必须采用新的办法提高飞得又慢又低的武装运输机的生存能力，其中的关键就是引入高能激光武器，击毁敌方的地对空、空-空导弹和机载目标。这样AC-130J不仅能保护自己，而且还能保护整个特种作战混编攻击机群，并能精确攻击地面目标，使机动车辆、船舶和地面飞机失能，使敌方的关键系统失效，如指挥车、发电系统、通信系统和雷达系统等(见图 2)

SOCOM是运输机载激光武器的主要倡议单位，其首长约瑟翰·佛特尔中将2016-03-01在签署呈报国会防御委员会的记录中，详细阐述了AC-130激光运输机的多种优势，指明了AHEL武器“极具军事价值”。另外空军也对此非常关注，将其作为战斗机载激光武器研制的技术储备。AFSOC前任司令官布莱德利·海瑟尔徳中将、现任司令官布拉德·韦伯中将，都非常关注AC-130J机载激光武器研制项目。

激光武器的关键优势在于能够熔化或者焚烧敌方目标的能力，并且不会导致爆炸，不会暴露其所在方位；其次激光武器拥强大的弹仓深度，只需要依靠1加仑燃料就可获得数以千计的发射次数，远比单一用途武器如炸弹或导弹更为便宜和有效；另外，激光武器在破坏敌军通信、人质救援任务、城市作战环境、静默打击中凸显优势。海瑟尔徳中将十分看重激光武器的无声攻击能力。

AFSOC制定了机载高能激光(AHEL)计划，将激光武器集成进AC-130J飞机中，使之具有进攻与防御的能力，并准备2020年在外场进行演示试验。2015年, AFSOC对国防工业界发布一项“挑战书”——在这一个10年结束之前在武装运输机AC-130上安装电力驱动的高能激光器^[17]。

运输机载激光武器的研制，得到了国防部办公室和SOCOM的经费支持，以及空军的技术支持。SOCOM计划在AC-130飞机上集成一台200kW的激光武器，拥有对数英里之外目标的高精度的静默摧毁能力。为了实现这一目标，2016年，美国空军要求国会提供1.2亿美元的资金，首先研制出一套60kW激光样机，其次定标放大150kW以上，最终达到200kW的目标^[18]。另外AFSOC表示，一架武装运输机AC-130W已被批准退役，来支持这项工作的开发和测试。原计划在2017财年启动，并在2020年开展飞行试验，其演示内容将是轻研发、重实战能力。采用快速样机方法，将多个成熟的激光子系统(例如光束发射、激光器、热管理和电力)进行快速集成，开发出一个武器样机组，用于作战评估，并引导出未来需求。其中高能激光组件将能够进行模块化升级，并与PSP系统进行无缝集成。

2016-03-18《内部防御》报道，SOCOM向国会申请2017财年追加2千万经费，启动AHEL计划。之后打算在2018和2019财年各申请4千万经费，投入AHEL计划的研发工作。由于国会并不充分了解AHEL计划的作战的效益与技术的成熟度，在一定程度推迟了立项和削减了申报经费。

美国国防部办公室为了支持激光运输机的研制计划，于2018财年专门在PE 0603699D8Z(新兴能力)计划中，临时设立了713/高能激光器专项，经费为1400万，启动AHEL计划的风险降低研究。

SOCOM从2018财年开始，在研发类预算的SF100航空系统高级开发计划中，专门设立了PSP高能激光器专项，用于在AC-130平台上高能激光武器演示。另外在采购类预算的1202PSP计划中，从2020财年开始，也有部分经费用于AC-130机载高能激光武器的研制。其经费如表 1所示。

虽然高能激光武器已经安装到海军舰艇、陆军重型卡车和波音747大型飞机上，但AFSOC承认，将其安装在像AC-130运输机这类空间较小的飞机上，仍处于研究阶段，不过这并没有阻止AFSOC自2015年以来就追求该武器技。

从技术层面来讲，要把一台激光武器安装在地面基地、一艘海军战舰或者甚至一台陆军车辆上，都会比安装在一架飞机上容易得多，因为飞机上每寸空间都很重要，并且在飞行中每个部件都会振动。目前世界上第1台正式服役的激光武器，是安装在排水量达到将近17000t的美国“庞塞号”军舰^[19]上。相比之下，AC-130J满负荷时重量为82t。

为使飞机能够承载激光武器，大量的研发工作还须开展，包括飞机的尺寸、重量、动力方面的工程设计。而对于现有激光技术而言，如何设计一个足够小型化、能够装载到快速移动的运输机上的可移动作战光源仍旧是一个很大的挑战。空军对安装在AC-130武装运输机上高能激光系统的重量和体积都有严格限制。重量大约在2268kg以下，为一辆牧羊人吉普车的重量；并且激光器在2017年服役的AC-130J上占据的空间不要超过一挺机关炮的位置。

随着高能固体激光器的小型化，机载激光武器的作战光源逐渐由化学激光器，转变为电力驱动的固体激光器。随着激光输出功率的提高，固体激光器将需要越来越多的电力，并产生更多的废热。因此高能固体激光器的运行，将加剧了飞机电力的消耗，会带来用电量和热载荷的大幅增加且波动剧烈，而飞机发电容量和热管理能力有限。为机上激光系统提供足够的电力以及如何实现系统冷却，逐渐成为一项越来越大的技术挑战，因此如何高效管理飞机电力成为一个亟待解决的问题。AC-130上的4台劳斯莱斯T56-A-15引擎，每台都能产生3.9MW的电力，其余量足够维持200kW激光武器的运行。

机载光束发射转塔在设计上突出在气流中。由于孔径上激发的非稳定冲击气流，将导致在尾场出现强烈的航空光学畸变。这些畸变降低了目标上的功率密度(即减弱了激光定向能系统的毁伤能力)，并限制了定向能对前场目标的打击能力。

为削弱和调制发射塔周围的大尺度湍流结构，需要采用优化尾场指向角的流体控制策略，同时采用自适应光学同步流场控制技术。在地面实验中，可利用风洞试验，验证稳定和周期性流体的控制技术性能，并通过自适应光学系统进行闭环校正；在飞行实验中，还需在发射塔上集成流体控制装置。

在AHEL样机中负责光束控制的MZA公司，曾参加机载航空光学实验室(Airborne Aero-Optics Laboratory，AAOL)、机载激光(airborne laser，ABL)武器等系统的研制，长期以来，一直被视为在大气传输和自适应光学系统领域中波动光学建模的专家。以前机载激光计划的经验教训，为AHEL样机的风险降低研究奠定了基础(见图 3a)。另外洛·马公司、国防先进研究计划局和空军研究实验室已在2015年演示验证了超音速机载发射塔的性能，完成了近60次飞行测试，验证了机载激光发射塔可在接近超音速的条件下实现向任何方向的射击(见图 3b)。公司研制的发射塔采用自适应光学并结合空气动力学和气流控制技术，解决了突出的发射塔在飞机尾部引起的极端湍流效应，从而能够360°控制高能激光束的发射，实现了全方位的光束发射，突破了超音速的限制。试验结果将被美国国防部先进研究计划局和空军研究实验室采纳，来制定未来高速飞行器上机载激光武器系统的技术要求。洛·马公司的试验结果，对AC-130运输机上安装激光武器的计划，将有一定参考价值。

机载平台的气动-机械抖动问题对光束控制的需求，也是AHEL计划的难点。气动流场将使发射塔产生抖动，机身的振动将导致光学链路上光束的漂移，都将使输出光斑产生弥漫现象，从而降低了光束质量，甚至破坏光束系统自身。核心是研制出激光武器系统的机载隔振平台，并发展平台之间光学链路中光束的稳定技术。借鉴AAOL、ABL和先进战术激光(advanced tactics laser，ATL)武器等机载激光计划的经验和技术，这方面的光束控制技术将不再是AHEL项目面临的最大挑战。

ABL、ATL计划虽然已经下马，在过去几年的激光打靶演示中，发展了激光在大气层中精确打击目标的武器系统能力，掌握了航空环境下光束的控制技术，验证了大气层中使用激光武器的可行性，为后续的机载激光武器的研制提供了宝贵的技术经验。美国军方由此而获得了机载激光器、航空光束控制等领域的技术积累和试验经验，为后续发展机载激光武器打下了坚实基础。

经过前期的研究，SOCOM于2019年6月披露了AHEL样机的系统架构，如图 4所示。

可以看到，AHEL样机包括了总控装置、火控装置、束控和发射装置、激光器及其电源、热管理等子系统，其中束控装置将含有变形镜、快反镜等自适应光束元件。

2016年, 海瑟尔徳中将向突防网(breaking defense net)透露，目前有好几家公司同时在研制激光武器，“我们一直关注着他们的进展”，“现在技术已经成熟，可以在AC-130上应用激光武器”。

在初期的AHEL样机中，激光器输出功率为60kW。根据AC-130的搭载能力，激光器重量不超过约2268kg，这基本上是武装运输机现有30mm口径机关炮的重量。表 2中为60kW样机的设计要求。

如图 5a所示，通用原子公司在HELLADS计划和RELI计划支持下，采用分布式增益液体激光技术，2015年研制出的第3代激光器模块，实现了75kW的高质量光束输出，重量功率比达到4kg/kW、体积为1.3m×0.4m×0.5m，光束质量β < 2、电光效率接近30%；采用紧凑的锂离子电池提供电力，能持续运行30s以上。通过2个模块的串联可实现150kW的激光输出，光束质量下降为β=4^[20]。作为最早的候选作战光源，通用原子公司响应海瑟尔徳中将的号召，正在研制更为紧凑的第4代高能激光模块。

如图 5b所示，洛·马公司在RELI计划和陆军车载激光计划下，2017年3月研制出60kW光谱合成的光纤激光器，其电光效率达到了43%^[21]，估计光束质量β≈1、体积功率比为10kg/kW，也成为AHEL计划作战光源的备用选项之一。

由于洛·马公司的光纤激光器效率高达40%，受到空军机载武器专家的关注。在40%的激光效率下，60kW激光器需要150kW电力，150kW激光器需要375kW电力，大大缓解了飞机的电力供应，有助于激光功率的进一步提升；另外采用高能量密度的电池和超级电容器，还将有助于降低激光武器的重量和成本。最终60kW样机选择了洛·马公司的光纤激光器。

激光发射塔可布置在战斗机的机身侧面，或者布置在机腹。不同的布置，将决定激光武器的作战方式，最终影响其作战能力。发射塔安装在机身侧面，激光武器的使用方式是向左转向时“开火”，即飞机向左侧倾斜、转弯并向目标持续照射。这种方式，比较适合于空对地战，或可用于空-空导弹的防御。如果战斗机的防御重点是地-空导弹，那么将可能会将发射塔安装在机腹，使用更为方便。另外不同的安装方式，导致的空气湍流不同，所需的流场控制技术可能会有差别。

空军科学咨询委员会(Air Force Scientific Advisory Board，AFSAB)开展了一项研究，对比考察了激光器在飞机腹部的安装位置与其在飞机侧面替换原30mm口径机关炮的安装位置。AFSAB的研究发现，由于飞机自身将遮拦激光器的有效发射半球，侧面安装方式将限制激光器能够打击的范围。激光发射半球上方的一半区域，对于地-空导弹的防御，基本上无用。而机腹安装的发射塔，在防御地-空导弹有完全的发射角度。因此激光武器发射塔安装在武装运输机的腹部，从长远来看，将提供更多的进攻和防御能力；但是腹部安装发射塔将需要更多经费、更多时间来研发。而飞机侧面安装的结构，对现有飞机的修改较少。

AFSOC权衡了武装运输机的激光武器打击能力与安装方式，为了更快速地将激光武器部署在飞机上，已经达成共识，移除机身侧面的30mm炮、并将在此处安装激光武器作为首选。将激光器安装在AC-130J运输机的侧面，能形成低成本的、能快速部署的攻击能力(见图 6)。“为了降低演示试验成本，AFSOC正在考虑的是将发射塔安装在现有的侧孔中，而这是目前机关炮所在的位置”，AFSAB主席维尔纳·达姆说。“这仍然会让我们学到很多关于如何在AFSOC任务中使用激光器的经验，虽然这种安装方式在演示试验中并不像机腹安装方式那么有用”(见图 7)。

作战中，高能激光对目标的破坏，主要是激光束产生的热使目标加热、烧蚀、熔化、诱导爆炸、燃烧或致盲。目标材料的破坏阈值常用功率密度作为判定指标。对于激光器输出功率为P、发射口径为D、射程为L，激光波长为λ、光束质量为β的平面聚焦束和高斯聚焦束，激光在目标上的远场功率密度W可统一为：

式中, r为光斑半径, 不同大气环境的大气透过率η取值不同。可以看到，激光器输出功率越大，沉淀在目标上的功率密度也大；另外激光波长越短、光束质量越好，则激光的打击能力越强。事实上激光对付大多数先进导弹特别有效，为了提高命中精度，大多数精确制导武器都采用了光学或光电传感器，它们使用的材料对激光特别敏感，破坏阈值仅为10W/cm²~100W/cm²，是易损部件。AHEL也能破坏导弹的雷达和光学头罩(头罩的破坏阈值10²W/cm²~10³W/cm²)，造成导弹空气动力学失衡而坠落或使制导系统无法获得目标的形状、大小和距离等信息而脱靶。

针对目前公布的AHEL样机参量，取发射口径D=30cm，激光器出口光束质量β=1。考虑到大气湍流影响，假设经激光束大气传输到达目标上时β=5。计算可得AHEL样机的毁伤能力：能够毁伤6.4km射程内导弹的光-电传感器，破坏2km范围内导弹的光学头罩。

AHEL计划将开展可行性研究、系统架构开发，启动风险降低研究，根据“最佳”子系统提议，进行子系统采购，开展60kW样机地面集成和飞机集成，最后进行演示试验和评估。目标是基于AC-130J的扩展性，展示精确的机载激光武器系统，能够针对复杂环境和地形进行攻击。图 8是AC-130高能激光器研制进度表。图中，PDR为初级设计评审，CDR为关键设计评审。

根据空军部长和空军参谋长的要求，空军科学顾问委员会研究小组开展了AC-130J机载激光武器的可行性研究，评估机载激光技术的当前状态，并确定系统尺寸、重量、电力需求、热管理、航空光学效应、对飞机性能影响等集成问题。研究小组的目的是检查武装运输机的运行和战术，以确定激光武装运输机可能发挥作用的潜在进攻和防御情景，并确定可能限制激光武器应用的运行、后勤和维护等方面的需求。此外，小组还要评估对激光武器的潜在缺陷和敌方可能采取的对抗措施。最终于2017-06-07专家小组认为：加装激光器的武装运输机具有潜在的可行性；建议空军将武装运输机未来的激光武器系统技术纳入其激光武器路线图，将技术投资集中在研发可部署的激光武装运输机上；在AHEL样机研制中可以设立多个里程碑。

国防部办公室于2018财年启动AHEL计划的风险降低研究。研究内容包括对现有激光控制设备的现代化、诊断组件的开发、飞机隔振结构的设计和制造、在模拟飞机环境中测量激光性能、飞机光学窗口安装和整流罩的开发，以及对现有AC-130作战管理系统的修改，以支持激光武器作战。为AHEL战术样机设计提供的信息有助于提前确定主要AHEL子系统所需的工程设计更改。2019财年继续利用2018财年的资金，开展工作，在成功进行地面风险降低测试后，后续工作由SOCOM接收，继续样机开发和机载试验。

2018财年启动AC-130J飞机的系统架构、可行性设计、接口控制文档和风险降低等开发。2019财年继续进行系统架构的开发，采购光束发射子系统和激光器子系统，编写接口控制文档，完成AC-130J飞机的风险降低工作。2020财年接收已订购的部件，开始将部件组装成武器系统；完成长周期主要器件开发所需的采购。2021财年在系统集成后，将对已组装的子系统进行地面测试和飞行测试。

AHEL计划将采用“政府主导、多家公司参与，共同完成AHEL系统的专业技术和组件”。为方便将来的系统修改/升级，海军海面作战中心达尔格伦分部作为政府领导的系统集成商，获得2017财年经费的30%，负责项目的成本、进程安排以及最终性能；而空军生存循环管理中心得到10%，其余60%的经费将流向各个合同商。

AHEL合同方的选择在2017财年的第一季度和第二季度开始。参与竞争的有洛·马公司、通用原子公司、诺·格公司、波音公司、雷神公司以及L-3通信公司。根据国防部军械技术联盟的建议进行AHEL样机“最佳”子系统的购买，另外还将充分利用国防部拥有的资源和设施、国防部定向能社团的测试硬件等，并要求AFSOC提供飞机、机组人员和维修服务。据报道，AFSOC已考虑列出4架~5架武装运输机作为平台目标清单。

在AC130机载激光武器研制中，海军水面作战中心达尔格伦分部负责样机集成、电力和飞机隔振结构、风险控制、子系统装配、热管理子系统开发、集成和地面测试等大部分工作。另外，在2019财年引入MZA联合公司开发高功率激光光束发射器，2020财年引入洛马公司阿库莱特分公司开发高功率激光器，2021财年引入通用技术服务公司开发电池型抽运电源，最终飞行测试/演示将由多方参与。

AC-130J机载60kW高能激光系统是下一代武器，能够在复杂环境中实施精确的隐秘打击，不仅使AC-130飞机能防护运输机免受地-空导弹的袭击，而且拥有摧毁数英里之外目标的无声攻击能力，在城市环境、人质解救和地面“软”目标破坏中凸显优势。

运输机载激光武器的研制，得到了国防部办公室和SOCOM的经费支持，以及空军的技术支持。该项目预计在2018财年启动，并在2022年开展飞行演示试验，其演示内容将是轻研发、重实战能力。在AHEL计划演示2年后，SHIELD计划也将开展演示试验。

激光器将安装在AC-130J运输机的侧面，替换原30mm机关炮，而激光发射塔安装在原30mm口径的炮眼中，以形成低成本的、能快速部署的攻击能力。从而能在试验中总结如何在AFSOC任务中使用激光器的作战经验、总结战术方法，并不断进行修改和完善。通过分析可以看到，AHEL样机在电力需求、系统冷却等技术上几乎不存在什么问题，主要挑战是如何克服航空光学效应和机械振动，确保激光的光束质量。不过ALL, ABL和ATL等计划的研究成果，为“激光武装运输机”的研制，奠定了技术基础，降低研制风险。

目前60kW级AHEL样机的毁伤能力，能够毁伤6.4km射程内导弹的光-电传感器，破坏2km范围内导弹的光学头罩。当60kW激光样机的研制成功后，将作战光源将升级到150kW以上，最终达到200kW的目标。为了进一步提升激光射程或打击能力，AC-130J运输机侧面的开孔可能将扩大到60mm~80mm口径，从而增大激光的发射口径。