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激光“低空卫士”:专治“黑飞”无人机

来源:科技日报 2017-06-23 14:35:12
内容摘要: 为了解决“低慢小”威胁安全的问题,中物院组织单位成功研发了“低空卫士”系列激光拦截系统。

  近年来,以轻型/超轻型无人机、多旋翼、三角翼和航模、动力伞等为代表的低空、小型飞行器(下称“低慢小”)越来越多。资料显示,5月份西南、西北、中南地区机场共有19次无人机影响航班正常运行事件,给安全运行和旅客出行带来极大不便。

  除了威胁航班起降,“低慢小”还可能对国家安全造成危害。2014年法国境内有十座核电站遇到不明身份的无人机“偷窃”;韩国青瓦台上空多次出现无人机飞行并近距离拍照;2015年1月16日,一架“phantom”无人机突破“全球最严密的防卫网”,在美国白宫草坪上坠毁;4月22日,日本首相官邸上空发现无人机……

  “‘低慢小’飞行器具有制作简单、成本低廉、易于获取、远程操控力强、难以被发现和处置的特点。”中国工程物理研究院(下称中物院)副总工程师范国滨说。

  虽然今年6月1日起,国家民航局开展了无人机实名登记工作,但专家指出,正规厂家和合规用户的“无意干扰”可以控制,但恶意者的“黑飞”则是防不胜防。

  为了解决“低慢小”威胁安全的问题,中物院组织单位成功研发了“低空卫士”系列激光拦截系统。

  传统手段存在不足

  据范国滨介绍,“低慢小”一般具有以下特点:低空——飞行高度大部分在500米以下;慢速——飞行速度一般在50米/秒以下;目标尺寸小——通常在1平方米左右,大量采用电池为动力,并且它们的飞行距离多数能达到5公里以上,载重也达到数公斤,大都是按预定程序自主控制飞行。

  “低慢小”几何尺寸小和红外特征弱,再加上城市低空环境背景复杂,造成预警和跟瞄难度大。即使雷达和光电系统发现了它,由于距离近,预警时间短,机动性强,定位精度差,使用以导弹和高炮相结合的现代防空手段处置效率不高,有点像用大炮打蚊子,并且还有可能对地面和人群造成附带损伤,不适合在城市环境和重大活动中应用。

  因此,“低慢小”目标的处置一直是安全保卫的难点。可以说,低空安防是一个世界性的难题。

  目前,“低慢小”的发展极为迅速,这使得不法分子利用其进行非法肇事的可能性越来越大。当“低慢小”对重要区域或重大活动场所的安保构成威胁时,现在一般的应对方法主要依靠狙击手、速射炮进行拦截,或者靠空中撒网或直升机在空中捕获,目前也有了射频干扰装置,但这些手段成功率较低。

  激光有了用武之地

  世界上第一台红宝石激光器是1960年由美国科学家梅曼发明,自此,激光技术获得了突飞猛进的发展,在工业、医疗、信息科学、生物技术和军事上得到了广泛应用。

  激光具有方向性好的特点。它可以很好地把光集中在物体很小的面积上。比如我们平时使用的手电筒,其光线就是发散的,而演讲、上课时用的激光笔就是一条光线,聚集度极高。此外,激光还有照度高的特点,太阳直射到地面的光照强度一般是每平方米也就数百瓦,而激光的照度能达到每平方厘米几千瓦。

  科学家正是利用这一特性,将高功率激光远距离传输、投射到目标上,通过热烧蚀,破坏目标结构,从而使目标被摧毁或丧失能力。

  “低空卫士”火眼金睛

  在广泛调研的基础上,为解决“低慢小”飞行器的隐患问题,以中物院副总工程师范国滨为首的科研团队,利用长期研究激光的优势,着力开发一款服务于低空安保的“低空卫士”高科技系统。

  据介绍,该系统自主提出并实现了分体组合式激光系统的新构型,突破了高效高品质激光合成技术、快速拆装式光学组装技术、耦合光路一键校准和跟踪转台分体设计等系列关键技术,实现了光机电热接口的快速链接,有效解决了城市密集区、高层建筑屋顶等各类复杂区域部署的难题;提升了对具有随机扰动的目标的轨迹预测能力,实现了对低慢小目标的稳定跟踪;建立了真假目标的时空相关性判据,有效降低目标自动提取的虚警率。

  “低空卫士”系统通过发射激光对“低慢小”实施打击,其毁伤主要是通过烧蚀“低慢小”的表面材料、功能部件,以破坏其动力学特性、能源系统、飞行控制系统等,使目标失去飞行能力。当激光幅照加热和复合材料自身燃烧释热共同作用时,会引起飞翼或机体材料较大面积烧蚀、炭化,致使其结构材料强度下降,进而使“低慢小”不能承受飞行中的力学载荷;而当激光辐照直接或间接烧蚀能源系统、飞行控系统,也均会使飞行器出现空难性后果。

  据系统开发单位介绍,在实际使用中,雷达持续大范围搜索空域,一旦发现可疑目标如无人机,将目标的位置信息发送给“低空卫士”,引导“低空卫士”对目标自动捕获和持续跟踪,并在指挥屏幕上实时显示目标图像,指控系统根据测距信息判断目标是否进入打击范围,当目标进入打击范围后,指控人员选择瞄准位置,发射主激光,燃烧目标的关键部位,直至目标坠毁。之后,系统可根据任务,转入执勤状态或立即进入对新威胁目标的打击状态。

  强机动力随叫随打

  “低空卫士”系统的单套发射功率近万瓦、低空有效护卫面积12平方公里。其部署后,能在5秒内精准拦截半径2.5公里左右、360度空域的固定翼等多种航空器,具有快速、准确、无声无息、无附带损伤的特点。据介绍,“低空卫士”已成功完成多次试验和演示,先后击落固定翼、多旋翼、直升机等典型小型航空器30余架次,成功率100%。

  为了更灵活有效地对付“低慢小”,中物院研制成功了世界首套分体组合式“低空卫士”系统,可拆成几个部分便于人工搬运,比如运到楼顶,然后再快速组装。同时,系统采用出光自动保护设计,避免误击误伤目标。该系统配有红外成像跟踪,具备全天候作战能力。为提高系统自主运行能力,中物院为“低空卫士”同步研发了与其配套使用的雷达系统,可以实现对“低慢小”目标的有效监测和目标引导,克服了传统雷达体积大、转动慢、灵敏度有限,且无法在高层建筑上布设等不足。

  分体组合式低空卫士系统研制成功,有效解决了城市密集区、高层建筑屋顶等各类阵地部署的难题,为城市及重要核心区域的低空安防提供了一种重要手段,并已在重大任务中发挥了重要作用,是世界上首套有了实际应用的系统。

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