【海军】看不见的军备竞赛：战术雷射

共軍自1990年代開始積極發展先進武器，到現在已經對美國的軍事霸權構成了威脅。但是從技術層次來說，除了反艦彈道飛彈之外，共軍近年的新裝備還只相當於美軍10到30年前就已部署的武器；也就是說，共軍總體來看，還處在追趕的態勢。其實飛機、坦克、導彈這些早已成熟的設計，美軍有幾十年的先發優勢，在精益求精的細節上，自然有難以復制的獨到心得。但是在還未實用化的科幻武器上，共軍就享有同時自起跑線出發的好處，因此競爭就更為激烈。不過雙方對這些新武器，保密都非常嚴密，而且美軍還進一步散發各式各様的煙幕消息，企圖困惑對手。其結果是外界對這些武器的印像被嚴重誤導，媒體上的報導也就比傳統武器更加離譜。我想在此澄清一些常見的誤解。

目前最常聽到的科幻武器有兩種：電磁炮和雷射。前者作為新式的戰艦主砲，被美國海軍大肆宣揚，在2009年的電影《變形金剛2》裡，甚至成了打敗霸天虎（Decepticons）的利器。這是一個典型的美式忽悠：暫且不論目前的電磁炮本身在技術和性能上的缺陷，超高速彈丸在海平面附近的濃密大氣層裡，速度損失極快，再加上精度受氣流影響很大，射程因而嚴重受限。這種物理上的先天缺陷，是無法用工程上的努力來彌補的；再花20年的大筆投資，或許20公里的有效射程（即可以精確而且即時命中的射程）有可能達成，100公里則是永遠都做不到的（必須使用高拋物線彈道以減低空氣阻力損耗，所以需時三分鐘以上，與衝壓飛彈相比沒有優勢；由於受氣流影響和目標機動，必須進行複雜的全程製導，在費用上接近飛彈，卻完全沒有後者飛行軌蹟的可編程能力；彈丸太小，即使有多發命中，動能加火藥仍然不足以重創2000噸以上的艦隻）。而現代海戰的交戰距離，已經達到了1000公里，正在向2000公里推進。所以美軍宣傳電磁炮的用意，只能是希望忽悠共軍浪費財力物力在這個完全沒有前途的項目上。

另一項科幻武器，雷射，則的確有實用的可能，而且還不只一方面。首先，戰略雷射是打撃低飛的軍事偵察衛星的理想手段：反應快、耗費低，而且很難被確認責任。中美雙方都已大量投資在這個方向，甚至有謠傳已有實戰部署。不過這類的戰略武器，太過敏感，消息很不可靠，我對它也沒有特別深入的見解，所以在此我們先看看雷射在戰術層次上的應用。最近常被報導的戰術雷射，主要是美國海軍和陸軍準備用來替換近防砲的幾個項目，亦即用雷射來撃毀敵方的飛機、導彈、無人機和快艇。由於雷射在民用領域的應用極為廣泛，高功率或高能量的雷射早已研發完成，一般人把紙面上的數據做了比較後，常以為民轉軍的過程會是很直接簡單的。其實軍用戰術雷射的附屬部件，如電源和瞄準用的光學器材，反而是沒有太大難度的部分；真正的難關恰是在雷射本身。

為什麼現有的民用大功率、高能量雷射不適用於戰術目的呢？民用和軍用最基本的差別有兩個：1）戰術雷射必須在戶外有各種天象的濃密大氣層裡，打撃幾公里外的目標；2）戰術雷射必須在交戰幾秒內，完成重啟的週期，重新投入作戰。前一個要求排除了高能量的工業用切割雷射，因為如果要保證能撃毀超音速反艦飛彈，必須在一秒鍾之內傳送十萬焦耳的熱能，也就是持續功率必須到達十萬瓦並且維持一秒左右。滿足這個要求的工業雷射是有的，但是它用的是連續波，在幾公里的射程裡會被水蒸汽吸收而使空氣受熱膨脹，產生透鏡效應，使光束失焦，結果終端強度不足以摧毀反艦飛彈的。中美兩國的戰術雷射都因此而改用脈衝雷射；當脈衝長度在一微秒以內時，空氣沒有足夠的時間來膨脹，透鏡效應不明顯。好玩的是，美國因為開始研究戰術雷射比中共早些，因而在1970年代的預研時期，大家都還在用連續波雷射的時候，美國放棄了波長較長（10.6微米的中紅外線）的二氧化碳雷射，而專注在波長較短（1.064微米的近紅外線）的銣玻璃雷射（Nd:YAG Laser，後來演化成光纖雷射）上。近紅外線穿透水蒸汽的能力強些，在當時似乎是最好的選擇，但是後來大家都改用高功率脈衝雷射之後，透鏡效應被解決，而吸收效應的直接損耗並不嚴重，結果是美國的新銳固態光纖雷射在對大氣層的穿透力上的優勢，不足以彌補共軍的老式氣相雷射在效率上的領先。

水的三相對紅外線的吸收率。綠線是水蒸汽，10.6微米約相當於0.1的吸收率，1.064微米則為0.001級別的，差別為兩個數量級；不過10.6微米和1.064微米都處在吸收率曲線的谷底，這並不是巧合，而是二氧化碳雷射和銣玻璃雷射被選為軍用雷射源的主因。至於氣體對紅外線的吸收則恰是近年來很常上新聞的溫室效應，水蒸汽是極強的溫室氣體，對紅外線熱輻射的吸收能力比二氧化碳還要強得多。

經過幾十年的努力，中美兩方都有了滿足功率需求的雷射發生器和電源供應，能持續鎖定高速目標一秒以上的光學部件也完成開發，目前最大的技術難關在於散熱。反艦飛彈的標準戰術應用模式是在短時間內投入多枚飛彈以圖超越近防系統的反應容量，也就是所謂的飽和打撃。因此近防系統極重要的一個性能指標是必須能快速重啟，對後續的入襲飛彈持續射撃摧毀。不幸的是雷射的能量轉換效率天生就很低，大部分的能量都變成熱量而必須被快速散發。光纖和美軍也在嘗試的薄片雷射，在散熱上都比前一代的固態雷射強，但是十萬焦耳的出力標準實在太高，10秒內完成散熱的時段實在太短，以致工程設計一延再延，原本十萬瓦原型機應該在2007年建成的時限早已過去，而2014年出現的幾個試範原型仍只有一萬瓦功率。共軍選用的氣相雷射反而在這方面有先天的優勢，不但效率高、產熱少，而且可以靠氣體流動來大幅增加散熱的有效面積，因此共軍雖然在1980年代和1990年代早期經過了軍費緊縮的停滯時期，仍然能快速追上美軍在戰術雷射上的新發展。我的猜測是在2020年之前，中美雙方都將完成十萬焦耳級的戰術雷射原型機，到2030年可能成為新軍艦的標準裝備。

由於雷射的專業程度高，中美雙方的媒體在相關的報導上，都常常會有甚為離譜的猜測。在美方，主要是輕信美軍的樂觀宣傳，以致在過去十年裡，每年都熱情地報導了“新”的一萬焦耳原型機，和“兩三年後即將完成”的十萬焦耳雷射。在中方，共軍的傳統是不置評論，結果是網民把一切官方公佈的有關雷射技術的突破都解釋為軍用，其實剛好相反，它們無一例外都是民用的技術。例如“神光”系列的高能量雷射，基本上是中共版的NIF（National Ignition Facility，這是以高能雷射來啟動核融合的科學實験，美國版已經證明為不折不扣的大災難，被譏笑為National Almost Ignition Facility，簡寫為NAIF，而英文的naif是天真無知的意思），能量雖高，卻完全沒有散熱上的考慮，而且是單脈衝，瞬間功率很驚人，持續功率卻不夠滿足軍事上的要求。上個月，中共的中科院上海光機所強場激光物理國家重點實驗室宣佈建成Petawatt雷射（1PW=一千萬億瓦），是10Petawatt雷射的先期工程，網絡上也立即爆出與戰術雷射的聯想。其實這個Petawatt雷射是將神光系統的單脈衝長度進一步壓縮到32fs（femto-second，一千萬億分之一秒）的成果，總能量輸出只有45焦耳，還不夠打穿我的外套。它的用途是把物質表面以極高速剝離，藉此來研究高能物理和核子物理，是一項基礎科研的項目。美國最早建成Petawatt雷射，目前英國也有活躍的研究。 10Petawatt的雷射是下一代的目標（再下一代是200PW），歐洲（即位於捷克的ELI計劃，Extreme Light Infrastructure）和中國都在開發，鹿死誰手還很難說。

上海光機所的神光二型雷射，和美國的NIF類似。現在NIF已經悲慘地死亡，神光的前途也有了大大的問號。

【後註一】本文的舊版有些技術細節是錯的，在此感謝雷射專家黃崇博博士不吝指正。

【後註二】中共負責PW雷射的李儒新博士（網頁在這裡：http://www. casad.cas.cn/document.action?docid=12917）在本月11日的演講中，宣稱上海光機所已經達到4PW的功率，暫時領先世界。不過他認為10PW雷射的主要應用仍是在核融合上，這可能是太過樂觀了。因為NIF的“中心點火”設計遭遇了“非線性”損失（Non-linear Loss，物理專門名詞，用淺顯的話說就是“我們沒有預期到的莫名其妙問題”），有人建議改用“快點火”設計。 “快點火”設計需要的是高瞬間功率而不是極高的總能量，那麼他的10PW雷射就剛好是最合適的。不過“快點火”目前還只是個概念，會不會有用還很難說。

【後註三】2015年三月5日，Lockheed Martin宣布成功試射30KW的Athena雷射。 Athena仍然是基於銣光纖的設計。

【後註四】2021年一月22日，Lockheed Martin宣布將Helios雷射的最新版交付美國海軍試用，功率總算達到60KW。 有謠言說已經從光纖改回Disk Laser設計。