✅作者简介热爱科研的Matlab仿真开发者擅长毕业设计辅导、数学建模、数据处理、程序设计科研仿真。完整代码获取 定制创新论文复现点击Matlab科研工作室 关注我领取海量matlab电子书和数学建模资料个人信条做科研博学之、审问之、慎思之、明辨之、笃行之是为博学慎思明辨笃行。 内容介绍摘要激光武器凭借其高拦截效率、高费效比的特点逐步在各国军队中列装应用于反无人机作战对其作战效能评估技术的研究越发重要。本文在梳理作战效能评估相关概念和分析激光武器毁伤无人机的物理机理、软硬杀伤作战方式以及典型作战流程的基础上剖析了影响其作战效能的关键技术环节重点综述了当前作战效能评估的研究现状从物理机理建模、作战仿真评估、综合决策评价三个层面批判性地梳理了现有方法的优势与局限指出了当前研究在高保真模型构建、指标权重动态适应性与任务场景针对性、评估数据来源与验证等方面存在的不足展望了未来研究方向以期为下步研究提供借鉴。0 引言随着无人机技术的成熟无人机在全球热点地区和军事领域得到广泛应用给传统防空系统带来了严峻挑战。2022年爆发的俄乌冲突中无人机成为大国较量的明星装备各类型大规模无人机的应用集群/蜂群作战、多平台火力协同全域态势感知订单式火力打击等新的作战样式与作战体系越来越深入地融合发展[1]带来了作战形态的巨大变革。面对具有低成本、大规模、弱特征等特性的无人机集群防空导弹、火炮、机枪等传统常规防空武器拦截概率低费效比差高能激光武器凭借其攻击迅速、操作灵活、命中率高、成本低等特点得到广泛关注和大力发展。现有研究主要集中在激光器技术、激光大气传输技术、激光武器目标分配和毁伤效能评估等技术上对激光武器作战效能评估的研究还处于探索阶段。本文整理了作战效能评估相关概念和车载激光武器装备的发展现状梳理和总结作战效能评估相关技术方法的研究现状重点分析了激光武器装备的关键技术特性如何影响其作战效能评估的框架构建与方法选择分析激光武器反无人机作战效能评估面临的挑战对未来研究方向进行探讨以期为作战效能评估领域学者的研究和激光武器的实战化运用提供理论参考。1 激光武器反无人机作战分析及装备发展动态1.1激光武器毁伤无人机机理分析激光武器作为定向能武器其毁伤机理源于高能激光束与目标材料相互作用引发的物理化学效应[2]。激光束所具备的高能量密度、快速的能量传递速度以及精确的指向性使其在短时间内被目标表面吸收导致材料发生快速升温、熔融、汽化乃至热分解。当能量密度足够高时材料可发生热爆炸或等离子体击穿形成冲击波与结构二次破坏最终致使目标功能失效。与动能武器相比激光武器具有响应速度快、能量集中、作战成本较低等优势在应对机动性强、结构相对脆弱的无人机目标时具备显著战术价值。激光对无人机的毁伤表现为热力耦合与结构失效的综合过程。能量沉积首先引起材料热膨胀与相变表层熔融与汽化带走物质并形成烧蚀坑持续辐照则使热影响区向深层扩展导致材料力学性能下降强度、韧性降低产生裂纹、孔洞甚至局部结构的完全剥离或贯穿最终导致无人机整体结构的完整性被破坏引发飞行姿态失稳、关键部件失效等功能丧失。此外激光束透射无人机外壳或通过热传导损伤内部电子器件也会引发电路短路、传感器失灵等系统失效。激光武器的实际毁伤效果受激光参数、环境条件与目标特性三类因素共同制约。激光功率密度[3]是决定毁伤模式和效率的核心参数功率密度越高越易引发剧烈的汽化、击穿和爆炸大气湍流、气溶胶散射及热晕效应会削弱光束质量与能量传输效率降低作用于目标的能量密度作战距离直接影响光束的衍射和能量衰减远距离作战对激光器的能量需求和光束质量提出更高要求无人机材料的吸收率、热导率、熔沸点及结构布局则直接决定无人机抗激光损毁能力[4]。因此针对不同无人机目标需结合其材料和结构特点选择合适的激光参数和作战策略以实现高效毁伤。上述毁伤机理分析表明激光武器的作战效能评估不能简单地基于发射功率而必须构建与大气环境参量、目标材料特性、激光武器参数和作用时间耦合的物理模型。这决定了评估指标体系中必须包含毁伤阈值、毁伤时间、毁伤概率等核心物理量。1.2激光武器反无人机作战方式分析从单架无人机在战场上执行攻击任务到克里姆林宫遭受多架无人机袭击[5]引起重大影响再到“蛛网行动”中无人机集群[6]取得巨大战果俄乌冲突中无人机的广泛应用揭示了低成本、集群化无人机对战争形态的深刻影响。面对无人机集群构成的广泛、多层、持续威胁激光武器凭借其打击速度、精度及成本优势衍生出以“软杀伤”与“硬毁伤”为核心、适应不同作战场景的两种基本作战方式[7]。软杀伤是指运用激光照射无人机搭载的光电探测设备使其过载、饱和或产生永久性损伤造成干扰或致盲效果导致其无法完成侦察、瞄准等任务。在战术运用上软杀伤一般用于应对以侦察监视为主、对结构完整性要求不高的无人机作战目标并非物理摧毁无人机而是剥夺或削弱其任务能力使其无法准确获取信息实现某种程度上的区域拒止在应对无人机集群时软杀伤可以扰乱集群间协同效率降低无人机集群的作战效能。软杀伤的优点在于对激光能量的要求相对较低可以在激光能量积累超过光电探测设备探测阈值但低于材料毁伤阈值时实现其毁伤效果取决于激光对探测器的持续照射一旦激光停止照射或无人机采取抗干扰设计、机动规避等无人机的光电系统可能恢复工作。硬毁伤是指利用高能激光束对无人机机体结构或内部电子设备进行物理破坏导致其机体结构完整性或功能丧失最终坠毁。在战术运用上硬毁伤适用于对抗威胁程度高、对机体结构完整性要求高的无人机其优点在于毁伤效果是不可逆的能够确保目标被有效摧毁但毁伤效率取决于激光能量在无人机材料上的积累与材料毁伤阈值之间的关系这需要激光武器具备较高的输出功率和稳定的光束质量。同时大气环境和作用距离等因素都会显著影响激光能量传输和激光到靶功率密度从而影响硬毁伤的实现。在实际作战中激光武器反无人机作战方式的选择取决于对无人机目标特性、作战意图、战场态势以及激光武器自身性能的综合考量。软杀伤与硬毁伤的关键区别在于激光能量积累与目标探测/材料毁伤阈值之间的关系需要对激光功率密度、激光传输效率、无人机目标特性进行深入分析。对侦察监视为主要功能的无人机和战场规则受限的环境下软杀伤能够以较小代价达到精确剥夺其信息优势隐蔽性强响应速度快对携带弹药的攻击型无人机或需要彻底消除的威胁硬毁伤能够确保将其迅速彻底地摧毁。软硬杀伤方式的区分对作战效能评估提出了多维度要求。硬毁伤评估侧重于目标的摧毁率而软杀伤评估则需关注目标的任务中止率或功能抑制时间。因此在需要综合使用软硬杀伤策略应对大规模异构无人机集群攻击时一个全面的效能评估框架需包含对这两种毁伤模式的差异化建模与评估。1.3激光武器反无人机作战流程激光武器反无人机作战流程一般包括激光武器在预先部署情况下接到无人机来袭情报后由雷达、光电等多种探测设备对无人机集群目标进行搜索识别将目标相关位置、速度等信息传给指挥控制系统指挥控制系统综合分析作战态势拟定作战方案包括武器目标的分配、引导跟踪打击、装备紧急机动等根据激光武器与无人机距离在合适的时间向激光武器发出攻击指令激光武器攻击后对攻击效果和战场态势进行新一轮评判按流程展开下一轮打击。主要可以分为6个阶段如图1所示。1战前部署阶段防御方根据可能遭遇的敌无人机空袭根据作战态势对激光武器作出针对性部署。2探测识别阶段综合运用雷达、光电、声波、无线电等探测手段上级情况通报以及其他情报来源对来袭的无人机集群进行搜索探测迅速对集群内无人机型号、数量、集群样式进行识别通过指挥控制系统对多源情报信息进行融合判断敌方作战态势。3方案拟定阶段指挥控制系统对来袭无人机集群情报进行判读评估敌方威胁和己方武器状态形成武器目标分配、装备部署调整方案。4武器准备阶段在指挥员确定作战方案后迅速按确定方案进行武器准备和装备部署调整。5武器交战阶段当无人机进入激光武器攻击范围后根据既定方案控制激光武器对敌展开打击主要包括打击方式的选择如软杀伤和硬毁伤作战过程的控制如激光武器对目标的跟踪瞄准。6毁伤评估阶段激光武器第一轮打击结束后综合地面雷达、光电传感器等多源实时数据判断是否完成打击目标可结合天基侦察手段进行辅助战果确认生成新的作战态势指挥控制系统根据评估结果和作战态势进行下一轮打击。1.4影响激光武器反无人机作战效能的关键技术分析激光武器反无人机是一个集成了探测、指控、发射、跟瞄等多项技术的复杂系统工程。其整体作战效能并非由单一技术决定而是由作战流程上各个技术环节共同决定[8]。通过对激光武器反无人机作战流程中“探测识别、跟踪瞄准、激光毁伤”环节关键技术的剖析重点对影响作战效能的性能参数进行分析为后续效能评估模型的构建奠定基础。1多源融合探测与高精度跟踪技术。由于无人机具有“低、慢、小”特征单一探测手段存在盲区和识别困难[9]。因此探测技术的关键在于将雷达、光电、无线电侦测等多源传感器信息进行融合处理形成稳定、精确的目标航迹[10]多源信息融合的效率直接决定了从发现目标到稳定跟踪的时间这是拦截无人机的关键。激光武器跟踪误差直接导致激光光斑偏离目标瞄准部位大幅度降低激光能量密度延长毁伤时间[11]高精度跟踪技术要求伺服系统能够高动态、高精度地跟随目标机动确保激光光束的稳定照射。因此可以在效能评估模型中引入目标捕获概率和跟踪稳定精度作为关键输入参数以建立目标探测与跟踪瞄准与作战效能之间的联系避免简单假设必定发现并跟踪导致模型脱离实际。2高功率激光器与光束合成技术。激光器的输出功率是激光毁伤能力的基础。当前主流的光纤激光器和固体激光器单体输出功率有限为达到战术应用的十千瓦级输出功率必须采用光束合成技术将多路低功率激光合并为一路高功率、高质量的光束[12]。同时激光器的电光转换效率直接决定在有限能源基础上激光武器的出光时间影响系统的功率/质量比、功率/体积比。通过高功率激光器与光束合成技术可以有效提高激光到靶功率密度直接决定激光毁伤目标所需时间影响作战效率和作战距离。构建贴近实战的激光武器作战效能评估模型需要明确区分激光武器输出功率与到靶功率将光束合成效率、光电转换效率等作为影响输出功率的重要参数进行考虑。3光束控制与大气传输补偿技术。激光在大气传输中受到的大气湍流、吸收和散射的影响导致激光在远距离传输时会严重发散引起到靶光斑变形、抖动和非线性的能量衰减[13]。自适应光学技术通过波前传感器探测畸变、变形镜实时校正波前是克服大气效应、提升光束质量确保能量有效聚焦的核心技术其性能直接影响激光能量的集中程度和激光武器的有效射程。在效能评估模型中必须摒弃简化的线性衰减模型采用包含湍流强度、吸收/散射系数等大气光学参数在内都的非线性大气传输模型准确反映大气环境对激光到靶功率密度的影响[14]。4高效热管理技术。激光武器产生激光过程中电光转换效率较低大量能量以废热形式产生激光器和光学元件受热产生结构变形和损伤影响光轴稳定进一步导致激光发射功率和光束质量下降[15]为了维持激光器和光学元件正常工作温度必须通过热管理系统将废热带走。当激光发射产生的废热累积超过激光器和光学元件正常工作耐热阈值武器将被迫降低功率或者进入停机冷却状态。热管理系统的散热能力上限决定了激光武器的最大持续发射时间和激光发射占空比其效率直接影响持续作战能力特别是对抗饱和攻击时的抗饱和作战能力。在效能评估模型中应当从理想化的“无限弹药”假设转向更贴合实际的有限火力模型以更好地模拟连续对抗场景下的激光武器效能变化。1.5激光武器发展动态激光武器作为新概念武器以其低成本、高效能的特点受到美国、意大利、以色列等军事强国和军工企业的重视持续加大投入开展机动伴随能力强可快速部署的激光武器装备研究。欧美主要车载激光武器研发以洛克希德·马丁公司、波音公司、雷神公司意大利莱昂纳多公司以色列拉斐尔先进防务公司等军工企业为主典型装备包括“女武神”间接火力防护-高能激光武器系统IFPC-HEL、“ 守 护 者 ” 定 向 能-机 动 近 程 防 空 系 统 DE M-SHORAD、“利爪”紧凑型激光武器系统CLaWS、反无人机定向能斯特瑞克武器系统C-UAS Directed Energy Stryker、“铁束”激光防空系统Iron Beam以及后续开发型号“铁束- M”激光防空系统Iron Beam-M等如图2所示。“守护者”和“女武神”是洛克希德·马丁公司与雷神公司分别根据美国陆军6层防空反导作战体系第2层的“多任务高能激光器”Multi-Mission High Energy LaserMMHEL和第5层的“间接火力防护高能激光”Indirect Fire Protection Capability High Energy LaserIFPC-HEL设想设计研发的50 kW和300kW激光武器车载激光武器系统已于2022-2023年交付美军。波音公司针对美国海军陆战队作战任务需求设计研发了功率范围为2-10kW的紧凑型激光武器系统CLaWS该系统集成在联合轻型战术车辆上主要针对25kg以下的小型无人机以及反导弹、致盲侦察设备等。意大利莱昂纳多公司在其M-SHORAD近程机动防空系统基础上改进研发了最新的以斯特瑞克武器装甲车为平台搭载了由30mm机炮、导弹和一台26 kW功率的激光武器构成的自行防空系统能够同时满足对空中目标和地面目标的打击具备伴随部队行军或掩护静止物体的能力。以色列拉斐尔先进防务公司在“铁束”激光防空系统Iron Beam基础上开发出更高机动性的“铁束- M”激光防空系统Iron Beam-M新的系统部署50 kW激光系统利用军用卡车底盘以实现更高的机动性实现为机动部队和战略要地提供快速的防空部署。典型装备情况如表1所示。1.6激光武器特性对作战效能评估的影响分析激光武器的作战效能评估与装备具体的技术性能密切相关其技术指标和系统结构不仅决定了武器的作战能力更直接影响了效能评估的指标体系构建、模型选择和评估侧重点。1激光功率等级与毁伤模式直接决定了评估的核心指标与物理模型。 激光武器的功率从千瓦级到数百千瓦级不等直接对应着不同的毁伤模式和作战任务。低功率激光武器的主要作战目标往往是无人机的光电探测器以实现“软杀伤”干扰或致盲。因此对此类系统的效能评估指标体系会侧重于干扰概率、致盲距离、作用时间等评估模型的核心是传感器饱和与损伤模型。郭士慧等[16]针对CCD探测器建立了基于成像面功率密度的致盲损伤阈值模型陆凤波等[17]利用提出的激光武器致盲光电传感器数学模型仿真分析了激光武器致盲作战能力。基于高功率激光武器更侧重于利用强激光能量对无人机机体结构造成硬毁伤。对于此类激光武器的效能评估重点转变为毁伤概率、毁伤时间、毁伤距离等。评估所依赖的物理模型也变为更为复杂的无人机机体材料热力耦合毁伤模型需要精确计算激光能量在目标表面的吸收、热传导、温升以及由此引发的材料熔融、气化、热应力等效应。2热管理系统效率与激光发射频率是评估抗饱和攻击效能的关键。 激光武器在连续发射过程中会产生大量废热热管理系统的性能是限制其持续作战能力的主要瓶颈[18]。在构建反无人机集群激光武器效能评估模型时必须考虑热管理系统效率的影响引入激光武器发射频率、最大持续发射时间等相关参数使评估模型能够描述武器在待机-发射-冷却等不同状态间的转换。基于Markov链或者动态Bayes网络[19]等方法能够准确描述激光作战状态转移过程能够动态模拟激光武器在应对连续多波次攻击时的性能变化和效能衰减从而得出更贴近实际的评估结论。3光束控制与大气传输特性是决定激光传输效率的核心要素。 由于光束质量、发射口径、光束控制系统的瞄准跟踪精度以及复杂的大气环境等多重因素影响激光武器在传输过程中往往存在较大衰减效能评估不能简单地使用激光器的发射功率而必须关注最终传递到目标上的到靶功率密度。张昊春等[20]通过仿真计算激光武器作用下材料表面多物理场效应模型分析了激光到靶功率和辐照时间对材料的毁伤特性。针对激光武器存在的发射跟踪光轴校准误差和大气传输误差其光束控制能力直接影响激光到靶功率具体可以分为激光光束质量和跟踪瞄准精度,其中激光发散角等光束质量因子影响激光武器传输后到靶光斑大小跟踪瞄准精度影响激光光束有效照射面积[21]。周德元等[22]人通过建立激光武器热-力毁伤无人机模型采用有限元法仿真计算激光武器毁伤效果证明激光武器散射角对激光毁伤效果的影响大于作战距离的影响。2 作战效能评估及发展现状2.1作战效能评估相关概念在军事领域效能Effectiveness是武器装备的重要评价指标是衡量系统在规定条件下达到规定使用目标能力的大小[23]反映了武器系统的总体特性和水平说明了该武器系统对军事活动的有用程度。美国国防部US DoD定义效能是指用于评估系统行为、能力或操作环境变化的标准与衡量最终状态的实现、目标的达成或效果的产生等有关[24]。根据GJB451A-2005《可靠性维修性保障性术语》系统效能定义为系统在规定的条件下和规定的时间内满足一组特定任务要求的程度。一般认为系统效能与系统可用性、系统完成任务成功性和系统固有能力有关。本文采用国军标中有关效能的表述,“规定的条件”是指规定的时间、人员、环境、使用方法等因素“规定的使用目标”是指要完成的特定任务或达到的特定目的“能力”是指达到目标的定量或定性程度[25]。按照效能评估对象不同可以将效能分为武器装备效能和作战任务效能两部分。武器装备的效能一般是指武器装备侦察能力、通信能力、机动能力、保障能力等战术技术指标如装备的侦察效能、通信效能、保障效能和干扰效能等根据研究层次和内容可以分为单项效能、系统效能和作战效能[26]。作战任务效能是指各种类型部队运用武器装备实现预期作战任务的能力根据作战任务的复杂程度可以分为基本作战任务效能和复杂作战任务效能如图3所示。更多免费数学建模和仿真教程关注领取