在高超声速武器中使用激光减阻

几十年来，国防部一直在研究一种激进的减阻技术，包括将车辆覆盖在定向能诱导的等离子体中。

在过去的十年里，国防研究和发展中最重要的两个主题是定向能源系统和高超声速武器。国防部及其主要承包商一直在突破这些技术的极限，这些努力可能很快就会永远改变战争的面貌。

事实证明，这两个国防研究的前沿领域正开始在实验室汇聚，目标是使空中武器的速度达到前所未有的水平。通过将先进的定向能技术与最新的高超声速飞行器设计相结合，私人和国防部(DoD)资助的实验室的研究人员已经为设计将整个飞行器包裹在激光和/或微波诱导等离子体中的系统奠定了基础，以大幅减少阻力。如果成功开发，这一概念有朝一日可能会带来速度的新前沿，以及彻底的空气动力学控制和飞机设计的新形式。

随着世界军事超级大国在新一轮军备竞赛中争夺地位，高超声速技术被推到了国防和航空航天研究的前沿。这些车辆和武器代表着真正的跨越式能力，使飞行速度甚至可以超过最先进和最强大的防空系统。拦截和摧毁落在弧形轨道上的弹道导弹是一回事，但在执行弹道突变的同时试图拦截速度超过音速五倍的炮弹则完全是另一回事。不足为奇的是，高超声速系统正在成为美国在印度-太平洋地区等关键战区未来军事战略不可或缺的一部分。

随着导弹防御系统的平行发展，对高超声速武器的需求也在不断发展。随着综合传感器网络和导弹防御不断变得更加复杂和熟练，开发能够以极快的速度避开或绕过防御的武器投放系统，对于确保全球战场优势和常规威慑已变得至关重要。为此，为了跟上国外的进步，美国空军和国防部的其他部门近年来一直在高超声速研究和开发上投入大量资金。

这一研发已经导致几个系统接近运行状态。美国空军和洛克希德·马丁公司正在研究AGM-183A空射快速反应武器(ARRW)，这是一种声称能够达到20马赫速度的助推滑翔高超声速系统。楔形ARRW已经在B-52层堡垒的俘虏飞行中进行了测试，预计将于2022年投入使用。与此同时，陆军和海军与导弹防御局(MDA)合作，测试了他们自己的高超声速发射系统，普通高超声速滑翔体飞行器，或C-HGB。还有一些其他的倡议也在进行中，包括呼吸空气的高超声速巡航导弹设计，如HAWC，以及大量的机密努力。

与所有高超声速系统一样，超高速飞行的阻力和由此产生的热应力是这些飞行器面临的两个最大障碍。即使采用先进的几何结构，高速飞行器外壳上的摩擦也会产生极高水平的热量，这可能会降低机身的结构完整性，损坏内部部件，甚至可能是灾难性的。

减轻热量积累的方法之一是在机身的外表面增加屏蔽。这可能会增加飞行器的重量，因此可能会降低其航程、机动性和最高速度。对于希望突破大气层间速度极限的航空航天设计者来说，热屏蔽要求也可能是非常严格的。

调整车辆的几何形状可以减轻阻力，这也可以帮助减少热量积累。然而，由于材料科学的限制，以及需要在高超声速飞行器内包括各种子系统和有效载荷，几何形状可以改变的程度受到限制。因此，迫切需要将其他减阻方法与机身几何结构结合使用。就像今天在尖端国防和航空航天研究的许多其他领域一样，定向能方面的突破可能会对此有所帮助。

随着正在进行的高超声速革命，国防部已经在定向能源系统上投入了大量资金。在过去的十年里，随着固态系统的迅速成熟，功率和小型化方面出现了许多巨大的飞跃，使它们能够用于新的应用。

激光武器已经被开发和测试用于海军舰艇甚至飞机上，而其他形式的定向能系统，如高功率微波，已经被设计用于能量发射概念、近身防御系统和反卫星技术。虽然大多数关于定向能的讨论都集中在彻底改变防空系统、导弹防御或反卫星系统的潜力上，但事实证明，定向能可以同样显著地革新高速航空航天推进和机身设计。

至少自20世纪80年代以来，许多领先的航空实验室已经探索了能量沉积的概念，以减少阻力。这一概念涉及以激光灯丝、电弧或微波辐射的形式沿着飞机前缘或就在飞机前面发射能量，以便使空气更有利于高速飞行。类似的概念在过去也曾被测试过，用于不同的目的，包括在洛克希德A-12上安装一个电子枪，旨在减少飞机的雷达特征。

在1983年由美国宇航局资助的一项由BDM公司进行的研究中，由激光光船推进概念的先驱莱克·迈拉博(Leik Myrabo)撰写的一项研究中，米拉博提出了使用激光在高速飞行器前面引爆空气的建议。Myrabo最初的概念集中在由地基激光推动的小型光艇上，重点放在它们的尾部。这些拟议的飞船还将使用内部镜像光学装置，然后将这些光束重新定向，以在飞船前面产生“激光支持的引爆”或“LSD波”。

这种LSD波将在“前缘前面的一段距离”产生一个分离的冲击波，从理论上讲，这将“起到将大气推开的作用，从而抑制强烈的弓形激波和相关波浪阻力的形成”。从理论上讲，LSD波产生的高温加压气体也将被飞行器的吸气式发动机使用，从而减少燃烧所需的能量。

Myrabo在整个20世纪90年代更新了这一概念，以应对当时高功率激光器的限制。在格雷戈里·波普(Gregory Pope)1995年发表的一篇“大众力学”(Popular Mechanical)文章中，米拉博声称，从头顶上的卫星发出的脉冲微波能量可以集中在飞行器前面，将空气“吹入等离子体”，然后通过绕着飞行器旋转的强大超导磁铁向下聚焦，以产生推进力。正如波普的文章所指出的，“NASA官员在一些组件技术中看到了希望，但设想不会在短期内获得回报。Myrabo的激进概念似乎从未离开过地面。”

然而，其他研究人员继续探索类似的概念。1999年，澳大利亚航空航天研究员H·大卫·弗宁(H.David Froning)进行了一项由AIAA发表的题为“电磁放电对高超声速飞行器升力、阻力和呼吸推力的影响”的研究，该研究调查了“通过电弧或激光或微波辐射产生的等离子体”。利用计算流体力学，Froning发现“从高超声速飞行器发出的电或电磁波在整个飞行器范围内通过发动机向下游传播--不仅影响机头阻力，还影响温度、压力和飞行器的总推力、阻力和升力。”这些只是计算研究，但它们为未来开发这些系统建立了一个理论框架。

在过去的二十年里，巴西的研究人员和纽约州罗切斯特的伦斯勒理工学院在这一理论研究的基础上，设计了实验来测试高超声速风洞中的能量沉积。这一概念后来被称为激光支持的定向能空气尖峰，或DEAS。莱克·迈拉博(Leik Myrabo)再次参与了这项研究，这一次是与一组巴西研究人员一起参与的。

2005年，Myrabo和巴西研究人员在高超声速风洞中测试了DEAS概念，得出的结论是，“激光支持的DEAS能够产生比测试的新模型更低的表面压力，从而显著降低了半球测试模型的空气动力阻力”。

米拉博的概念似乎吸引了几个顶级实验室的注意。2010年，“动力与动力杂志”发表了一篇名为“回顾：激光烧蚀推进”的文章，文章中有来自美国空军科学研究办公室(AFOSR)、洛斯阿拉莫斯国家实验室和世界各地学术机构的人员的意见。该评论指出，当时，巴西研究人员已经证明“高超声速阻力可以减少多达40%”，并引用了美国、巴西和澳大利亚研究人员在激光辅助推进问题上的合作。

到2011年，Myrabo的团队正在与巴西空军和美国空军研究实验室合作研究DEAS概念。奇怪的是，该团队当年的一份出版物提到了一项“巴西-美国BEP合作”(光束能量推进)计划，这一说法似乎得到了“连线”和“麻省理工学院技术评论”(MIT Technology Review)大约在同一时间发表的额外报道的支持。

战区一直无法确定这样的计划。然而，AFOSR 2010年的一份报告也提到了这样一个项目，该项目由伦斯勒理工学院(RPI)和位于巴西圣何塞·多斯坎波斯的EStudos Avançados研究所(IEAv-CTA)的Henry T.Nagamatsu空气热力学和高超声速实验室(HTN-LAH)监督。

根据AFOSR的报告，这项合作“是通过双方(RPI和IEAv-CTA)共同的研究目标以及为AFOSR研究提供的独特设施和设备形成的：即a)HTN-LAH的T3可操作高超声速激波隧道；以及b)RPI的两台Lumonics TEA 620激光器，经AFOSR批准运往巴西。”

约翰霍普金斯大学应用物理实验室(Van Wie 2004)、罗格斯大学(Knight 2008；Anderson&；Knight 2012)、法国光学应用实验室(Elias 2018)和俄罗斯科学院(Fomin 2004)等许多实验室的研究人员也探索了类似的能量沉积概念。

在AIAA航空航天研究中心数据库上搜索一下，就会发现关于能量沉积的各种航空应用的11000多个结果。许多主要的飞机制造商都获得了类似系统的专利，包括波音和洛克希德·马丁公司(Lockheed Martin)。

国防部已经对能量沉积进行了自己的研究，将其作为减少高速车辆阻力的概念。美国空军也是许多与等离子体空气动力学相关的专利的受让人。

空军研究实验室(AFRL)2004年委托的一份报告研究了“由电子束和高压纳秒脉冲产生的等离子体”，并利用“微波驱动的超音速等离子体风洞”探索了“利用等离子体能量添加的气动操纵”。正如在许多奇异的航空航天研究中一样，作者指出，“当然，在任何实际应用之前，必须解决基本问题。”

这并不意味着国防部停止了解决这些问题的努力。2009年，AFRL发表了另一项研究，题为“超音速/高超声速温度/减阻和飞行器控制的能量沉积线”。该报告由亚利桑那州图森市物理、材料和应用数学研究(PM&Amp；AM)研究副总裁凯文·克雷梅耶撰写。克雷梅耶拥有多项通过使用定向能减少阻力的系统专利。

在2009年AFRL的研究中，Kremeyer描述了使用激光脉冲在飞机周围的空气中创建电离路径，然后通过该路径传递电流，基本上形成了车辆前面的微型闪电。通过在相对于飞机运动的不同角度创建这些电离路径，据称可以实现完全取消外部操纵面的新形式的飞行器控制：

减少一定角度或离轴方向的阻力可以引导和控制车辆，因为它将沿着前方低密度管的中心行驶。这提出了诱人的能力，使用车辆的车身作为唯一需要的控制和升降面，因为它平衡力矩/力，使车辆限制在低密度路径内。

克雷梅耶声称，这可以在极限速度下实现更有效的机动，并指出“实施这项技术所需的每一项技术要素都已在实验室中单独演示，没有明显的物理限制，无法作为一个完整的系统执行。”

美国空军并不是唯一一个调查能源储存的美国军事部门。2015年，海军研究实验室进行了一项题为“使用光学产生的空气密度通道引导超音速炮弹”的研究，该研究称，“通过将强烈的飞秒激光脉冲成丝而沉积的能量，可以产生一个降低空气密度的通道”，该通道可以用来控制飞行炮弹的轨迹。虽然这份报告关注的是小型弹丸，而不是飞机，并描述了在弹丸外部使用激光，而不是携带在弹丸上，但这个概念与这里引用的其他研究相对相同：使用定向能量来降低车辆或弹丸路径前的气压。

美国国家航空航天局(NASA)甚至于2017年在兰利研究中心(Langley Research Center)进行了一项研究，目的是在模拟飞机高速飞行之前，对激光放电的“减阻和能量效率进行实验测定”，能源部(DOE)也对提高风力涡轮机性能的相同概念进行了研究。

摘要：在这项工作中，我们将通过首先形成激光等离子体，将聚焦的微波爆发的能量耦合到空气和表面上。激光等离子体的存在允许低得多的微波强度将它们的能量耦合到激光预电离表面或空气容积，从而允许更有效的能量传递和使用低功率微波系统来实现所需的效果。我们将使用各种激光脉冲，包括超短激光脉冲，即使每个脉冲的能量非常低，也可以达到表面和空气播种所需的强度。这是他们短脉冲宽度的直接结果，并将允许非常低的平均激光功率作为种子，依赖于更具成本效益的微波源来获得大部分能量沉积。在这项工作中，我们的团队将确定积极有利的高速条件，在这些条件下实现激光-微波放电。我们还将确定测试旋转激光-微波系统所需的测试参数，该系统在静止和流动的空气中产生雕刻的表面体积放电。最后，我们将确定第二阶段的计划，开发和演示激光-微波系统。

好处：这项技术的好处将提高高速空中平台的控制和性能，包括军用和民用飞机，以及无人驾驶系统(包括导弹和再入飞行器)，以及空间进入和再入飞行器。由此产生的控制效应器中可能没有运动部件。

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