中國儲能網(wǎng)訊：諸如激光器之類的定向能武器（DEW）在將電、化學(xué)或光學(xué)能量轉(zhuǎn)換為光能以用于光放大刺激應(yīng)用是方面非常低效的。因此集成定向能武器的平臺需要增加輸入的電力功率，另外還必須解決電力的供應(yīng)和存儲水平。其中最需要解決的問題是如何最大限度提高DEW的有效性，同時降低對主機平臺的功率影響。
由于電力方面的挑戰(zhàn)，雖然美國軍方制作了幾個DEW演示項目，但都沒有完全集成到平臺中使用。因此DEW在平臺上應(yīng)用需要增加新型電力、能源和熱管理系統(tǒng)等技術(shù)的研發(fā)。
激光器將能量轉(zhuǎn)換為光能(Source: ONR).
不同激光器研發(fā)及其對耗能的影響
20世紀80年代和90年代，美國國防部投資了化學(xué)和氣體激光器的研發(fā)。這項投資促成了大型化學(xué)激光測試臺——中紅外高級化學(xué)激光（MIRACL）/ Sea Lite光束導(dǎo)向器（SLBD）測試平臺的開發(fā)和擴展。美國海軍通過該項目對目標致死率以及如何控制大氣中的激光束等相關(guān)技術(shù)進行了驗證。隨后國防部又啟動了諸如機載戰(zhàn)術(shù)激光（ATL）、機載激光（ABL）、空基激光（SBL）和戰(zhàn)術(shù)高能激光（THEL）等項目。然而，這些激光器的局限性在于它們都使用有毒化學(xué)品作為動力源，這限制了其武器系統(tǒng)的開發(fā)并產(chǎn)生了諸如重裝彈匣以及巨大的安全性問題。因此國防部開始探索電子激光器作為化學(xué)激光器的替代品。
Mid-Infrared Advanced Chemical Laser (MIRACL)
自由電子激光器（FEL）就是典型的的電子激光器，其原理是利用相對論電子束通過周期磁場將電子束的動能轉(zhuǎn)換為具備激光品質(zhì)的高功率輻射能。FEL具有高功率、高效率、波長的大范圍調(diào)諧和超短脈沖的時間結(jié)構(gòu)等一系列優(yōu)良特性，除自由電子激光器之外, 還沒有一種激光器能同時具備這些特點。在DEW平臺上，主要對FEL施加電力就可以實現(xiàn)無化學(xué)品無彈匣應(yīng)用。但是，F(xiàn)EL必然需要大量的源功率才能在HEL水平下運行。
適用于DEW應(yīng)用的另一種類型電激光器是固態(tài)激光器（SSL）。目前，光纖激光器和平板激光器是針對HEL系統(tǒng)探索的SSL主要選擇。這兩種類型都需要增益介質(zhì)、泵浦機制、反饋機制和輸出耦合器等。SSL通常具有固定波長，并且由于其尺寸和重量適合于低功率接合而適用于船舶，空氣和地面平臺。
HEL武器系統(tǒng)的基本要素
ONR Graphic of SSL-TM Laser System
美國國防部也在探索電子氣體激光器的應(yīng)用。例如是美國空軍的機載二氧化碳激光器。其他類型的氣體激光器包括二極管泵堿激光器，其具有實現(xiàn)高功率的潛力。
電力問題與儲能技術(shù)開發(fā)
在兆瓦級激光器的應(yīng)用中，需要在極短的接合時間范圍內(nèi)由平臺提供數(shù)十兆瓦的輸入功率。因此為了在DEW正常應(yīng)用的同時滿足其他平臺子系統(tǒng)的功率需求，需要探索高能量密度的電力存儲解決方案。另外，增加的功率還將導(dǎo)致激光二極管，光學(xué)器件和耦合器以及控制器和開關(guān)等部件的熱管理問題。
當前的海上平臺具有使用不同類型的發(fā)電機產(chǎn)生電力的能力。空中和地面平臺依賴于電源艙和輔助發(fā)電機，而岸基系統(tǒng)依賴于電網(wǎng)或基礎(chǔ)電力系統(tǒng)。下表顯示了不同應(yīng)用場景DEW的電源設(shè)備，以及目前能實現(xiàn)功率和未來需求功率。
DEW Power Based on Application (Source: ONR)
海軍已經(jīng)通過海軍研究生院進行了關(guān)于能量存儲技術(shù)的研究，以找出在艦船上進行多次高能激光射擊后，船舶電氣系統(tǒng)仍能正常運轉(zhuǎn)的最優(yōu)選能源方案?？紤]的儲能選項包括電池、電容器和飛輪儲能。通過該項目比較了儲能的使用速度，以及給定尺寸和重量（能量密度）下的放電和充電率等參數(shù)。研究結(jié)果表明一種發(fā)電機、飛輪和電池的混合系統(tǒng)是首選。電容器雖然具有極快的放電和充電速率，但由于其美國足夠的能量密度而被放棄。另外，還有許多儲能解決方案正在針對平臺進行研究，其中一些解決方案有望獲得更緊湊的能量存儲架構(gòu)。
Energy density versus power density for different energy storage media
當前和未來的研究領(lǐng)域
美國海軍研究辦公室正在進行基礎(chǔ)和高級研究，以解決DEW面臨的許多與電力相關(guān)的挑戰(zhàn)。以下列表簡要說明了正在進行研究的領(lǐng)域。
各種類型平臺在發(fā)電、儲能、配電和控制方面的研究領(lǐng)域
多年以來，反艦導(dǎo)彈一直是美國軍事運營商的持續(xù)威脅，也是對美國國防規(guī)劃者和技術(shù)開發(fā)者的挑戰(zhàn)。為了解決這個問題，傳統(tǒng)上使用多種動能導(dǎo)彈來擊敗反艦導(dǎo)彈。而高能激光器（HELs）等定向能武器為軍隊提供了一個全新的改進反艦防御導(dǎo)彈的機會。但DEW在平臺上應(yīng)用最大的代價就是能量需求的增加。美國海軍方面目前針對此類問題的解決方案之一是“Energy Magazine”技術(shù)，該技術(shù)利用儲能+控制技術(shù)，有望滿足定向能武器對脈沖功率和增加功率的需求。
主要資料來源：
[1]. Power Generation and Storage for Directed Energy Systems，DSIAC 2018
[2]. Laser Weapon System Integration Study, ONR
[3]. POWER SYSTEMS AND ENERGY STORAGE MODELING FOR DIRECTED ENERGY WEAPONS, NAVAL POSTGRADUATE SCHOOL
[4]. Surface Navy Electrical Leap Forward Sea-Air-Space Exposition
[5]. High Energy Laser Systems for Short Range Defense, United States Army Space and Missile Defense Command, U.S. Army Forces Strategic Command
