科幻武器系统深度研究一：激光武器篇(转)

论坛上一直有很多有关科幻武器系统的文章，本人看过之后也想写点这方面的东西，但是一直没机会，所以这个拖拉了很久。虽然名字叫深度研究，其实水平也不怎么高，叫基础原理讲解可能更合适，这也算是我本人意义上的深度研究了，提出自己的一点见解而已，很多东西都是我现学现卖的，还需要更深一步的推敲。可能一些比较早的讨论我还没看到，所以可能有重复、不正确的地方，希望各位见谅给我提出来，咱们有话好好说。文笔不好请将就看啦。要写的东西很多，这只是一小部分。我会分几次贴出来。


一、定向能武器
定向能武器是科幻作品中的主角，首先给它下个严格的定义，所谓定向能武器，是指利用沿一定方向发射与传播的高能射束攻击目标的一类兵器，又称射束武器或能束武器。主要包括激光武器，电磁脉冲武器和粒子束武器三种，我们分别来看。


1、激光武器
激光武器是利用激光束的能量直接攻击和杀伤目标的一种定向能武器。激光武器的最早概念可以追溯到古希腊，当时的科学家阿基米德曾建议士兵站在塞尔卡斯港周围的山上，利用磨光的盾牌作为反射镜聚焦阳光企图烧毁敌人的船队。这是最早利用光作为武器的设想。这个想法虽好，但因太阳光是非相干的光源，单色性差，发散角大，即使使用较大的反射镜聚焦也难以奏效，所以就算士兵们真的去做也不会得到很好的效果，当然限于阿基米德那个时代的知识水平，这个想法已经很了不起了。这个例子不能不令我们想起著名的“太阳系统”，我个人相当怀疑这个被描写得如同噩梦一般的“太阳系统”的作战效能能否真的有这么的大，作者在这点上考虑实在欠妥。
激光是相干性好，能量密度高的射束，其对目标的破坏机理有三种：热破坏、力学（或机械）破坏和辐射（射线）破坏。
<1>、热破坏
目标被一定能量(成功率)密度的激光辐射后，其受照部位表层材料吸收光能而变热，出现软化、熔融、汽化现象，甚至电离，由此形成的蒸气将以很高速度向外膨胀喷溅，同时把熔融材料液滴和固态颗粒冲走，在目标上造成凹坑甚至穿孔。这种主要出现在表层的热破坏效应叫作”热烧蚀”，是连续波激光武器的主要破坏效应。有时目标表面下层的温度比表而更高，致使下层材料以更快的速度汽化，或者下层材料汽化温度较低而先行汽化。这两种情况都会在材料内部产生强大的冲击压力，以致发生爆炸。这种热破坏效应叫作“热爆炸”。它使目标外壳出现裂纹或穿孔。由于结构应力向裂纹、穿孔部位强列地集中，使破坏作用急剧强化。对于运动目标，则这种“强化”会破倍增，从而加剧了目标的受损。目标速度越高。则被损毁程度越甚。“热爆炸”现象多出现于采用脉冲式激光武器的情况。由于其形成比“热烧蚀”要难，故不常出现，但对目标的破坏力要大大高于“热烧蚀”，所以是今后的研究方向之一。这也解释了一些作品中被激光武器击中了非诱爆部位却产生爆炸的原因，而不是有些人所认为的一枪激光只是一个洞而已，即便只是一个洞，对于像MS这样应力载荷如此之大的结构，都是致命的，千里之堤尚能溃于蚁穴，对于MS这样精密的机器，一个小洞就可以葬送整个机体。更何况杀伤手段还有力学破坏。
<2>、力学破坏
在目标受到短脉冲的强激光辐射照时，所生汽化物及等离子体的高速外喷会在极短时间内对目标本体产生强大的反冲作用力，在固态材料内部生成应力波，从而产生变形、断裂等力学破坏效应。这就是力学破坏。因为它是脉冲式激光武器产生的主要破坏效应，故受到特别地关注。同时激光还存在光压效应。所谓光压效应，是由于光子具有动量而产生的机械压力。当今的试验表明，当光能密度达到1KW/平方厘米时，所产生的光压约为0.034个大气压。曾有人设想过所谓“太阳帆”的装置，就是利用光压力作为动力进行远距离星际航行的一种动力装置，并且还证明了在理论上的可行性，它虽然可以把飞船加速到极高的速度，但是仅靠附近恒星的光压，需要很长的时间才能达到理论速度。现今的激光能产生数百万个大气压的强大压力，甚至能以强大的光压引发核聚变。当输出功率大大提升之后，所产生的光压力是很惊人的，故很早就有用于航天器动力的设想，在Destiny外传中废物商发现的创世纪的原始版其实就是一台太空船的加速装置，可以大大缩短远距离航行的时间。可以想象高功率高光能密度的激光武器造成的力学破坏，不是一般的动能武器所能比拟的。



<3>、辐射破坏
目标受强激光辐照后形成的高温等离子体有可能引发紫外线、X射线等，这些次级辐射可能损伤或破坏目际的本体结构及其内部的电子线路、光学元件、光电转换器件等等，这就是辐射破坏效应。
激光武器的优点很明显：速度快．精度高．攻击时无需提前量可以做到“指哪儿，打哪儿”，即发即中，射击频率高；无惯性，无污染；作战效能好；反应灵活；本身抗电磁干扰；造价合理。激光武器的主要缺点是：受大气的制约和影响太大，大气对激光有衰减作用；随射程增大，打在靶上的光斑直径变大，因而功率密度变小，欲使光斑直径变小，则反射镜到目标的距离应当近似于反射镜的焦距，否则散焦将使光斑加大。


激光武器的主要分类有：
(1)、化学激光武器
所有的激光器都是换能器，化学激光器的原理是60年代提出的，实际上它是利用化学反应产生受激辐射的激光器，目前有三种备受关注的化学激光器．即氟化氢（HF）激光器．氟化氘（DF）激光器和氧碘激光器，它们都是利用化学置换反应生成受激振动态的双原子分子，这些分子或者本身就是辐射激光的激活中心，或者把它们的激发能转移给其它分子。从而引起其它分子的受激发射。
除碘激光是通过其它化学反应途径产生受激氧分子，并与碘原子碰撞转移能量而产生波长1.3微米的激光以外，其它的都是与常用的氟化物激光器工作原理相同：氢气易得，而纯氟气有毒，不能直接使用，常用氟的化合物二氟化硫等在燃烧室内和氧气进行预反应来获得氟，同时产生二氧化硫和六氟化硫，因燃烧室内压力大。这三种产物直接通过超音速喷嘴变成高速气流而进入混合及反应区，同时以高速气流注入氢气(或氘气），则在那里发生置换反应，产生受激的氟化氢或氟化氘分子，并发生粒子数反转，然后它们和其它反应物形成气流进入下游的光学震荡腔，受激分子从高能级跃迁回基态。便产生激光，并在谐控腔内振荡放大，从部分反射镜输出。氟化氢激光波长为2.6到3.3微米，氟化氘激光波长是3.5到4.2微米。然后气流作为废气排出，即激光能量来自化学能。在SEED Destiny里密涅瓦号给脉冲高达充电用的氘核光束供电系统，实际上就是通过氟化氘激光器传递能量的供电系统。由于其结构简单，化学激光武器是样机最早投入测试的激光武器，但是这样的激光武器需要大量化学燃料，所以异常笨重，通常只能安装在大型的舰只上。将数量庞大的有毒化学物质安放在战舰上的想法也令军士们望而却步，化学激光武器的使用成本高，单色性欠佳，且废气还有剧毒，正在被逐步被淘汰。


(2)、自由电子激光武器
自由电子激光武器也是—种定向能武器，它的重要部件是自由电子激光器，自由电子激光器的工作原理与众不同，它包括：由磁体(铁）组成的摆动器或波荡器、由光学反射镜组成的谐振腔、高能电子束加速器。摆动器是由两排极性交错排列的电磁铁组成，产生磁感应线方向交错变化的磁场。把由加速器产生的高能电子束沿轴线注入到摆动器中，电子受磁场产生的洛伦兹力作用，在前进过里中时而向左时而向右地摆动，电子的加速度发生变比，根据电磁理论，便产生电磁辐射，发射出光子，这就是自由电子激光。
在一般激光器中，激工作物质的原子或分子受激后，从高能级（态）跃迁回基态时产生固定波长的激光。而在这里，激光是自由电子辐射出的，其波长与电子能量的平方成反比，电子能量越高，激光波长越短；随注入的电子能量不同，激光的波长范围较宽，原则上可以毫米波经红外和紫外再到X射线乃至伽马射线波长。
从上述可知，产生自由电子激光的必备条件是获得高能电子束，因此需要一种特殊的换能器，以便把电磁能转变为电子的动能。这种换能器就是电子束加速器。目前可用作自由电子激光的电子束加速器有两类：一类是直线型的，例如静电加速器、射频直线加速器、微波加速器和直线感应加速器；另一类是环形加速器，例如环形感应加速器和储存环，必须指明，这些粒子加速器都需用电源，是借助电场能量或磁场能量加速粒子的。对于现在的军用自由电子激光器。常用直线感应加速器。这种加速器由许多级排列成一直线而组成。每级都是圆环形状，其内轴线上放置加速管，电子束在其内通过，为避免电子与空气分子碰撞，加速管被真空泵抽成真空，每级加速器由一个环状感应线圈和导磁的磁芯组成，产生磁场的线圈放在它们之间。由马克思发生器产生高电压并经过布卢姆莱茵线整形，产生高电压脉冲，加到磁场线圈上产生脉冲磁场，是感应线圈产生感应电动势，进而使加速加速间隙产生加速电压，形成加速电场。电子束的电子每经过一个这样的加速间隙时就被加速一次，能量逐渐累积增大，即得到了高能电子束。
自由电子激光武器的独特优点，被概括为“三高一短”，即输出功率高、激光束质量高和转换效率高，以及波长短。此外，改变电子的注入能量就可以任意改变激光的波长；此举可调节出适于作战用的波长，以降低衰减提高能效。自由电子激光武器的最大缺点就是体积巨大，高功率的大型反射镜制作困难，目前很难投入实战。
著名的“卫星激光炮”就是典型的自由电子激光武器，它是将殖民卫星从一端打通作为炮身，利用太阳能发电产生能量的巨大激光炮。在Z高达中四大NT战斗的卫星激光炮内部可以很明显的看到作为直线电子加速器加速管的大管子。卫星激光炮的威力大家都见识过了，总之是一种恐怖的武器。


按原理分，除了这两种激光以外还有气体激光，固体激光等等，但是在科幻武器中运用较少就不再赘述了。但是我要特别提出来另两种激光武器。
(3)、X射线和伽玛射线激光武器
所谓X射线或伽玛射线激光武器是一种靠X射线或伽玛射线激光发射出的巨大脉冲能量直接攻击和杀伤目标的一种定向能武器。这种命名与前两种的分类方法不同，是按射线种类来分的，前边提到过的自由电子激光武器也可以归入其内。
X射线激光武器是利用有秩序的X射线密集射束将能量送达目标的，当他撞到目标的时，可依靠冲击波将其内部构件破坏，甚至使其失控，断裂、粉身碎骨。
当然。上面说到的必须是功率强大的X射线射束，这种激光射束是用核爆激励的方法产生的。具体地说，是爆炸小型的原子弹，用它释放的能量激励重金属作激光介质的方式产生的，核装药只需1000到10000吨梯恩梯当量，即可激励产生高能X射线脉冲。
激光射束的波长越短(即频率越高），射束的能量和威力就越大。在更高的频率下，射束能将更多的和更集中的能量输送到目标上去。因为X射线具有极短的波长，发射的X射线就能够用比热能更具有破坏力的冲击波，迅速有效地摧毁目标。
由于X射线激光性质及其激光器的特殊性，以它们构成的X射线激光器也与众不同，故这里有必要专门介绍其概念。
早在1982年9月，美国“氢弹之父”、总统科学顾问爱德华·泰勒向里根总统建议他的构思：在小型核弹周围放置一根或多根激光介质棒，用核爆炸释放的能量泵浦之，使它们辐射出X射线激光，以摧毁来犯的弹道导弹于千里之外。这一神奇的设想便是世界上首次提出的X射线激光武器概念，泰勒的建议和其它一些因素，促成了美国政府1983年抛出的闻名于世的“战略防御倡议”计划。这个被俗称为“星球大战”计划的诞生，在很大程度上与X射线激光武器概念出现有关。美国为此多次利用地下核试验对X射线激光武器进行研究，不仅验证了其原理的可行性。而且在某些技术方面也取得可喜的进展。
X射线激光射束与化字激光射束相比较，X射线激光束具有波长短，频率高的特点，因此亮度和威力都比化学激光束大得多。
X射线激光武器体积较小．质量也较小．结构很紧凑。它的燃料是小型核弹装药，引爆后产生的激光，即可通过伸出外壳的50到100根金属发射杆直接射向目标。
X射线激光发射出的脉冲能量极其巨大，现今的表面工艺处理都无法抵御X射线激光的打击。
一股的观点认为，既然伽玛激光是X激光的扩展和延伸，所以应当等到X激光研究更加成熟之后再开展伽玛激光的研究，关于伽玛激光武器，也理应如此。实际上，由于军事应用的刺激，美国已先考虑伽马射线激光武器的可行性。早先，作为SDI研究计划的一部分，规定伽玛射线激光武器技术的研究由海军研究试验室来实施和分管。
通过对伽玛激光概念的分析，在伽玛激光武器中，能量应储存在长寿命的同质异能核态中，这种核态所储存的能量密度相当高，其储能水平远远高于其它任何拟用的激光介质，当伽玛激光器作为天基武器应用时，所用的储能介质可以用核反应堆泵浦，释放出高能伽玛射线激光。
从目前来讲，研制伽玛射线激光武器是要冒风险的，并且路途遥远，但是它之所以具有吸引力而不被放弃，是因为核的同质异能态具有极高的储能密度潜力。存在的问题是：不论采用直接激光过程还是拉曼过程，目前还缺乏把储存的能量抽取出来的方法，饱和能量密度阻碍了有效地抽取能量，以及现在不能使用常规光学器件对伽玛射线光束进行准直和聚焦。
如果解决了诸如此类的问题，那么这种高频高能激光武器即是科幻作品的不二选择，但是高达世界观似乎很例外，我看到过这样两台条解释：
<1>、米加粒子武器的能量转换率达到85%，效能是普通激光装置的四倍以上。（我还看到过“威力大约是同样能量激光的4倍”的说法，似乎后者是前者的演绎，但是效率不是威力。同样能量作用于目标，威力如何能差四倍？）
<2>、在UC世纪中，有被称为“临界半透体”的技术，此技术可以使经过加工的物质反射特定能量层级以下的光波，而且所反射的波长与能量层级可以随意控制。因此，由多层临界半透体和迦马射线广域镜面构成的防御层----光装甲，可轻易地抵抗激光武器。
看似有点道理，然而我的观点是：
<1>、按照这种说法，宇宙世纪的普通激光装置的效率仅仅21%不到，而上世纪七十年代制造的激光器，换能效率都能达到25%，现在的一些功率较低的激光器功率转换效率甚至达到了65%到80%，就连发展最晚目前技术还很不成熟的大型自由电子激光器效率都超过了10%，虽然效率是所有激光器中最低的但是还有很大的潜力，而目前的粒子束武器的效率还在个位数上徘徊，虽然这里不存在什么摩尔定律，但是发展到了宇宙世纪激光武器的效率决不会输于粒子束武器，且米氏物理学同样为激光武器提供了便利，其效率的瓶颈之所在与粒子束武器相同，都是加速器效率低下所致，因此传统电子加速器可即刻升级为利用米氏粒子形成的磁力束带用以将高能粒子流强行定向并加速的米氏电子加速器，效率可以更上一个台阶。我承认粒子束武器更加先进，但是仅凭效率这一点就判激光武器的死刑不成立。
<2>、光装甲固然可喜，但是忽略了一点，激光武器对目标的破坏机能有三种：热破坏、力学（或机械）破坏和辐射（射线）破坏。就算光装甲能在很大程度上解决热破坏和辐射破坏，但是不能解决力学破坏问题，而冲击波是X射线和伽玛射线激光武器重要的一种杀伤手段。在强大的冲击下，目标装甲表层必然会出现龟裂、表层剥落等表面损伤，这些表面损伤会极大的破坏附着于此的光装甲，同时失去保护的部分会再受到热坡坏和辐射破坏，损伤进一步加深，这一切都在一瞬间形成，因此只要能量密度足够高，激光武器完全可以无视这种光装甲。在高功率激光武器面前，这样的保护显然收效甚微。
尽管在种种不利的设定下，X射线和伽玛射线激光武器还是有登场，高达世界中的超级武器是几乎都被这种激光武器占领的，从前面提到的卫星激光炮到SEED里的创世纪，都是不折不扣的激光武器，创世纪更是严格遵守了由核反应堆泵浦激励重金属作激光介质的原理，重点是他们解决了如何将盘状重金属介质发射出的伽玛射线激光聚焦的问题，创世纪的威力也就不必说了。由于其强大的输出功率和独特的激励方式，还同时具有电磁脉冲武器的杀伤效果，所以我打算把它放在电磁脉冲武器中再讲。


(4)、反传感器的低能激光武器
在高达的世界观中，由于米氏粒子的影响，传统的远程作战受到了极大的限制。在此情况下，以目视为第一条件的接近战便成了主要战斗方式。而为了适应此作战方式而开发出来的作战单位就是著名的机动战士。这就是著名的有关机动战士开发缘由的解释。
此处我真的很不明白为什么很多资料里写叫目视，就目视距离的定义而言，我理解为是指体视半径，定义无穷远物点对应的观差角为零度。当某物点由无穷远处逐渐向观察者靠近时，其与无穷远点的视差角之差由零渐浙增大到不为零，在此过程中，只要其小于人眼所能分辨的最小视差角，则此差值一直不能被人眼觉察。一旦其达到人眼所能分辨的最小视差角，人眼便开始有距离判断能力。此时，人恰好能感到物点不在无穷远（即觉察物点与无穷远物点距离不同）。显然，这个处于临界位置的物点距离即是人眼恰好能分辨远近的最大距离，被称为体视半径，一般工程上取为1200m，体视半径是个界限，在体视半径之外的物点，人眼无法分辨其远近，或者说都被认为是在无穷远处。这个距离对MS战而言显然太近了。个人认为这是翻译的误差，说起来实在别扭，所以先擅自以空战中的视距、超视距替代之。在空战中8千米是目前一个一般公认但并无明文规定的数值，两架飞机在这一距离内的空战称为视距格斗空战。从动画或游戏等作品的影像上按照比例来推算，MS战的距离就大致如此，一些对战类游戏作品中的敌机锁定测距数值也比较相符，都在8千米以内。地地作战条件下则更是近，现今的陆战条件下的两机体能直接看见的通视距离平均取为3.7km，这个距离也是比较公认的地地作战所能达到的最大探测距离，平均距离大于3.7km则为地地超视距作战，事实上数据显示扎古II的最大探测距离只有3.2km，还不到通视视距，就连以远距离狙击著称的吉姆狙击型在静止地空射击时，射程都不超过5km，0079年的技术条件下探测距离最大的就是RX-78-2的5.7km。所以我觉得此概念用在MS上也挺合适。