空载激光的黎明

美国空军正在准备首个机载激光武器,该武器可用于拦截“飞毛腿”导弹。马克·法默将带您了解该项目。
上级火箭级猛烈撞击,将220万磅的月球土壤——也许还有冰——送入太空。(拥有10英寸望远镜的业余天文学家将能够看到巨大的尘埃羽流。)由此产生的月球凹痕可能深达16英尺,宽100英尺。而且,由于上级火箭级在爬升入太空的过程中已经烧尽了所有燃料,因此不会有任何东西污染对云层内容的观测。鲍勃·索尔斯

在一个极其洁净的净化室内,一位穿着淋浴帽和实验室围裙、身材敦实的洛克希德·马丁公司工程师,在黑色的塑料帘幕之间穿梭,近乎疯狂地谈论着,眼中闪烁着明亮的光芒,脸上带着一丝嘲讽的微笑。“想看点真正酷的东西吗?”保罗·沙特克一边拉开帘幕一边问道,露出了一堆色彩迷幻的光学器件和黑色阳极氧化金属硬件。“这就是他们所说的‘火墙’。”

“火墙”——一个由玻璃和高科技硬件组成的、约12英尺长、12英尺宽、3英尺厚的、黑暗、令人生畏且大部分保密的集合体——与这个巨大的、四层楼高的房间耀眼的白色亮光形成了鲜明的对比。这个装置就像一个黑洞,吞噬着光线,却丝毫不释放出来。

地板上画着一架747飞机的轮廓;“火墙”就摆放在这架假想飞机的货舱中。该装置装满了精密研磨的镜片和带抗反射涂层的镜片,这些镜片提供了诡异的光谱,呈现出随着眼睛移动而闪烁的虹彩。火墙的许多部分都被隐藏起来。“灰尘,”周围的工程师们反复说道。这很奇怪,因为这里是净化室。“好吧,”他们承认,“是因为你们,所以才遮起来。”

但我看得足够多,已经明白其意图:“火墙”是动真格的。如果一切按计划进行,这个精密调校的设备,不久将安装在
一架747飞机机头的一个快速移动的炮塔后面,它将有助于产生一束强大的激光,能够摧毁在发射后以数倍音速上升的导弹。

沙特克领导着洛克希德·马丁公司在加利福尼亚州桑尼维尔的空间系统部门的项目,该部门将为项目领导者波音公司提供YAL-1A空中激光(ABL)原型机的激光和火控光学器件。激光长期以来一直用于切割瓷砖、矫正视力、进行超精密焊接,以及,是的,指向黑板上的物体;然而,除了在《星球大战》或《星际迷航》中,从未有过激光武器真正投入实战。但是,当ABL的所有组件今年晚些时候安装到一架747飞机上时,它可能成为世界上第一款功能性的激光武器——而此时,对这种武器的需求再迫切不过了。

鉴于有许多流氓国家和恐怖组织正在研发弹道导弹,这些导弹可能装备有常规炸药,例如伊拉克的“飞毛腿”,或者核弹头,现代战争已经变得极其难以预测。与洲际弹道导弹不同,像“飞毛腿”这样的中程弹道导弹的射程较短、最大高度较低,如果需要将其摧毁,则需要立即作出反应。大多数以前的反弹道导弹系统,通常涉及用导弹攻击导弹,效果有限。它们未能足够接近“飞毛腿”将其击碎摧毁,更不用说直接命中。然而,激光以光速传播,并且可以完美地调谐以精确打击数百英里外的移动目标。“当谈到将力量投送到目标上时,没有什么比激光更快、更精确了,”负责16亿美元ABL项目的美国空军上校艾伦·帕夫利科夫斯基说。

由导弹防御局为美国空军运营的激光武器项目,已经达到了重要的里程碑。一架改装的波音747飞机于去年7月18日进行了首次飞行,虽然没有装载激光器,但已经安装了新的机头炮塔以测试其空气动力学影响。高能激光器——由诺斯罗普·格鲁曼空间技术公司(前身为TRW)制造,能够实际攻击导弹的化学氧碘激光器——在六个月前的一次成功测试中,在其洛杉矶附近的工厂达到了118%的运行功率。下一步:激光器将于今年夏天安装到747飞机上,经过更多测试后,将于2004年底或2005年初实现击落类似“飞毛腿”的弹道导弹这一决定成败的目标。届时,在建造一支由七架或更多装备激光器的飞机组成的机队的同时,原型机可能可能成为一种可操作的紧急使用武器。沙特克充满信心。“这些都是成熟的技术,真正的挑战只是将它们全部集成到一个可工作的空中平台中,”他说。“现在我们正处于这个过程的最后阶段,将所有部件整合到一个端到端系统中,并进行测试。”

在位于堪萨斯州威奇托波音公司开发与改装中心的一个巨大的坡道上,停放着一架747-400F货机,它正在被改装成有史以来设计过的最大的单体武器之一。美国空军于1999年新购了这架飞机,将其涂成空军惯用的灰色,并为其安装了一个带有球状黑色机头的炮塔。

一群技术人员正在安装控制台、电子设备以及测试和支持设备,为飞机起飞前往爱德华兹空军基地(该行动已于去年12月19日完成)做准备。波音ABL飞机集成产品团队的联合负责人马克·丹纳(Mark Dannar)沿着接入楼梯跑进宽敞的主货舱,这里将容纳系统操作员,并在一个巨大的气密舱壁后面,是高能激光器——系统的“杀手锏”。丹纳走到一排闪烁着灯光和旋钮的电子设备架前,笑着说:“看看这个开关——它标着‘行政激光控制器’。”就像参与该项目的许多其他人一样,他对它不可抗拒的科幻色彩着迷。他走回飞机尾部,审视着最近完成的工作。“飞机上没有一个我们没动过的系统,”他说,“我们不得不解决许多严峻的工程挑战。”

首先,货机的内部得到了加强,以便容纳六个货车大小的模块,这些模块将从飞机后部产生激光束。在外面,丹纳指出了飞机蒙皮被穿透以安装ABL探测设备的众多位置。这就是将识别和瞄准来袭导弹的装备。

它的工作原理如下:安装在机身上的六个红外传感器将不断扫描所有方向,寻找高温的导弹排气羽流,它们可以自主工作,也可以根据发射探测卫星的指令工作。一旦发现一个或多个目标,ABL的多个独立激光器将在几秒钟内投入运作——所有这些都在几秒钟内完成。位于飞机驾驶舱顶部的一个激光测距吊舱,在我们站在地面时,它距离我们近四层楼高,它会旋转以对准第一个导弹——电脑已确定这是最危险的导弹
——并用二氧化碳激光器测量其距离。跟踪照明激光器通过“火墙”的12英寸开口射入机头炮塔,以补偿飞机振动,然后瞄准导弹上的一个特定区域。信标照明激光器也通过机头炮塔射出,在那里,一台卡塞格林反射式望远镜将激光束的直径扩大到1.5米,然后使用激光和火控单元的自适应光学器件来确定导弹的尺寸。(这些光学器件是ABL所有炮塔发射激光器的标准设备,它们通过镜面弯曲技术延长激光射程,以补偿大气湍流。)最后,计算机将发射高能激光,该激光将在到达目标时从1.5米直径聚焦到一个小得多的光点。当激光在导弹侧翼停留2到3秒时,氧化剂或燃料罐将破裂,导弹将爆炸。我问丹纳,机组人员将如何知道任务是否完成。“如果它爆炸了,你就完成了,”他笑着说。

ABL将携带足够的反应物,可进行约20次对目标射击。这些反应物将在飞机后部的六个模块中通过结合过氧化氢和氯气来产生,形成一种称为单线态氧(SDO)的激发态氧。碘颗粒在机载烤箱中加热,形成碘蒸气,然后注入与SDO的腔室,这会激发碘并“泵送”激光。当激发的碘放松到其基本能量状态时,会产生波长为1.3微米的单个光子。这些光子在长圆柱形谐振器内来回反射,然后被收集并沿着一条长管传送到机身前部和炮塔。这个堆叠过程——每隔千分之几毫秒发生一次——产生激光束。

诺斯罗普·格鲁曼公司的试射证明,激光器能够产生摧毁静止目标导弹所需的热量。下一个障碍是证明这可以在一架在空中以每小时600英里的速度、离地40,000英尺的高度倾斜飞行的飞机上实现。这需要进行一些严重的减重。

“关键挑战之一是‘减轻’系统重量,因为我们将这个硬件放在飞机上,需要考虑飞机的体积和载重能力,”诺斯罗普·格鲁曼公司ABL项目副经理加里·库普(Gary Koop)在爱德华兹空军基地的系统集成实验室说,该实验室正在将激光组件安装在一架退役的印度航空747飞机上,以确保它们在最终安装到YAL-1A之前能够匹配。重量减轻是通过使用钛等轻质材料、一系列新塑料和新的复合材料实现的。但是,ABL也需要在高度动态的环境中生存。“当我们在地面设施中建造激光器时,我们会浇筑数千磅混凝土来制造坚固的基座,”库普说。“波音公司设计的飞机是为了灵活吸收所有空气动力学载荷。所以我们有一个系统,飞机,想要移动;还有一个系统,激光,想要保持刚性。”解决这个问题的办法是通过开发多轴减震器,在飞机移动时保持激光路径上某些组件的稳定。

经过数十年的类似工程进步,ABL才得以实现。自冷战初期以来,军方就一直在研究激光武器。美国和前苏联都曾对核动力海军和卫星激光器进行过实验,其目的都是摧毁洲际弹道导弹和轰炸机。最终,这个想法成为里根政府时期提出的、现已放弃的“星球大战”计划的核心组成部分。该失败计划产生的技术突破被整合到ABL项目中。

尽管美国空军人员对ABL表现出十足的信心,但外界批评者对该项目能否成功表示怀疑。“我对实现摧毁导弹所需的激光功率输出深表怀疑,”哈佛大学研究员、美国科学家联合会高级研究员苏布拉塔·格什罗伊(Subrata Ghoshroy)说,他曾参与过过去的军用激光项目。格什罗伊认为,诺斯罗普·格鲁曼公司的地面测试成功仅部分具有决定性;一旦激光器进入空中,许多因素都会干扰激光束质量,包括水分和空气湍流,而自适应光学器件可能无法完全规避这些因素。“在制造高功率激光器并用它拦截导弹的整个过程中,经验非常少,”格什罗伊指出。

其他人则认为激光本身可以工作,但可能无法完成其主要任务;换句话说,ABL可能更适合攻击远程洲际弹道导弹和卫星,而不是在相对紧凑的地理区域内运行的短程武器。“战区弹道导弹的飞行时间较短,在大气层较稠密的情况下运行,”麻省理工学院科学、技术与国家安全政策学教授泰德·波斯特尔(Ted Postol)说。“对抗洲际弹道导弹会更容易,因为导弹的飞行时间更长,而且拦截会发生在较少的大气层中。”

ABL在能够让质疑者沉默之前,仍需实现一系列里程碑。在未来几年内它将升空后,它将尝试精确命中悬挂在气球上的目标板,然后是高空飞机拖曳的物体。从新墨西哥州白沙导弹靶场发射的探空火箭将成为下一轮目标,ABL的最终测试将是击落类似俄罗斯“飞毛腿”的弹道导弹。

如果一切顺利,ABL被纳入服役,该激光器可能会适用于许多其他任务。也许ABL最新颖的应用是它可能被用于击落敌机。这在一份最近的美国空军报告中得到了证实,该报告称,可以通过使用安装在飞艇上的镜子来延长激光束的射程,并将激光束直接向下偏转到目标上,而不是斜射通过密集的大气层。“在我们的研究中,目标上的停留时间是合理的,”领导美国空军小组的退休激光科学家泰德·黄(Ted Wong)说。“在目标上停留几秒钟似乎足以造成损坏。我们所关注的许多目标并不那么坚固。飞机、传感器和雷达很容易受到热效应的影响。”

与此同时,国会对ABL项目的成果非常满意,已经拨款购买第二架飞机进行改装成ABL——一款747-400的客机版本,其上层甲板将加长,以容纳整个机组人员,从而取消了目前将机组人员与激光器隔开的、极其复杂的气密中舱隔板。这架飞机可能是第一架真正具备作战能力的飞机。如果该项目真的走到这一步,几十年来秘密的激光研究将终于从简报和兵棋推演的世界中脱颖而出,成为真正的硬件。在美国长期渴望拥有神祇般力量之后,美国可能很快就能降下“晴天霹雳”。

马克·法默(Mark Farmer)是阿拉斯加州安克雷奇的一名作家和摄影师,他经营着一个内容丰富的网站:www.topcover.com

Bob Sauls
Bob Sauls
mining equipment on the moon
插图由鲍勃·索尔斯(Bob Sauls)绘制
 

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