中國(guó)儲(chǔ)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(tái)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(chǔ)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(shí)降低對(duì)主機(jī)平臺(tái)的功率影響。
由于電力方面的挑戰(zhàn)，雖然美國(guó)軍方制作了幾個(gè)DEW演示項(xiàng)目，但都沒有完全集成到平臺(tái)中使用。因此DEW在平臺(tái)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(duì)耗能的影響
20世紀(jì)80年代和90年代，美國(guó)國(guó)防部投資了化學(xué)和氣體激光器的研發(fā)。這項(xiàng)投資促成了大型化學(xué)激光測(cè)試臺(tái)——中紅外高級(jí)化學(xué)激光（MIRACL）/ Sea Lite光束導(dǎo)向器（SLBD）測(cè)試平臺(tái)的開發(fā)和擴(kuò)展。美國(guó)海軍通過該項(xiàng)目對(duì)目標(biāo)致死率以及如何控制大氣中的激光束等相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。隨后國(guó)防部又啟動(dòng)了諸如機(jī)載戰(zhàn)術(shù)激光（ATL）、機(jī)載激光（ABL）、空基激光（SBL）和戰(zhàn)術(shù)高能激光（THEL）等項(xiàng)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(dòng)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(guó)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(duì)論電子束通過周期磁場(chǎng)將電子束的動(dòng)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(zhǎng)的大范圍調(diào)諧和超短脈沖的時(shí)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(shí)具備這些特點(diǎn)。在DEW平臺(tái)上，主要對(duì)FEL施加電力就可以實(shí)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(yùn)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(duì)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(jī)制、反饋機(jī)制和輸出耦合器等。SSL通常具有固定波長(zhǎng)，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(tái)。
HEL武器系統(tǒng)的基本要素
ONR Graphic of SSL-TM Laser System
美國(guó)國(guó)防部也在探索電子氣體激光器的應(yīng)用。例如是美國(guó)空軍的機(jī)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(shí)現(xiàn)高功率的潛力。
電力問題與儲(chǔ)能技術(shù)開發(fā)
在兆瓦級(jí)激光器的應(yīng)用中，需要在極短的接合時(shí)間范圍內(nèi)由平臺(tái)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(shí)滿足其他平臺(tái)子系統(tǒng)的功率需求，需要探索高能量密度的電力存儲(chǔ)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(dāng)前的海上平臺(tái)具有使用不同類型的發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電力的能力?？罩泻偷孛嫫脚_(tái)依賴于電源艙和輔助發(fā)電機(jī)，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(chǎng)景DEW的電源設(shè)備，以及目前能實(shí)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(jìn)行了關(guān)于能量存儲(chǔ)技術(shù)的研究，以找出在艦船上進(jìn)行多次高能激光射擊后，船舶電氣系統(tǒng)仍能正常運(yùn)轉(zhuǎn)的最優(yōu)選能源方案。考慮的儲(chǔ)能選項(xiàng)包括電池、電容器和飛輪儲(chǔ)能。通過該項(xiàng)目比較了儲(chǔ)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(jī)、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(guó)足夠的能量密度而被放棄。另外，還有許多儲(chǔ)能解決方案正在針對(duì)平臺(tái)進(jìn)行研究，其中一些解決方案有望獲得更緊湊的能量存儲(chǔ)架構(gòu)。
Energy density versus power density for different energy storage media
當(dāng)前和未來的研究領(lǐng)域
美國(guó)海軍研究辦公室正在進(jìn)行基礎(chǔ)和高級(jí)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(jiǎn)要說明了正在進(jìn)行研究的領(lǐng)域。
各種類型平臺(tái)在發(fā)電、儲(chǔ)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(guó)軍事運(yùn)營(yíng)商的持續(xù)威脅，也是對(duì)美國(guó)國(guó)防規(guī)劃者和技術(shù)開發(fā)者的挑戰(zhàn)。為了解決這個(gè)問題，傳統(tǒng)上使用多種動(dòng)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(duì)提供了一個(gè)全新的改進(jìn)反艦防御導(dǎo)彈的機(jī)會(huì)。但DEW在平臺(tái)上應(yīng)用最大的代價(jià)就是能量需求的增加。美國(guó)海軍方面目前針對(duì)此類問題的解決方案之一是“Energy Magazine”技術(shù)，該技術(shù)利用儲(chǔ)能+控制技術(shù)，有望滿足定向能武器對(duì)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
