能量系統(tǒng)是裝備上涉及能量供給、能量轉(zhuǎn)化、熱量排散的系統(tǒng)，一方面保證裝備平臺及其任務(wù)系統(tǒng)的工作及作戰(zhàn)效能，另一方面也影響定向能武器等先進(jìn)技術(shù)在裝備平臺上的集成、應(yīng)用情況。

美軍一直十分重視能量系統(tǒng)技術(shù)研究，其空軍研究實驗室（AFRL）、海軍海上系統(tǒng)司令部（NAVSEA）等部門已實施多個相關(guān)計劃。2019年1月2日，海上系統(tǒng)司令部發(fā)布了“多用途艦載能量庫”（Multi－ApplicationShipboard Energy Magazine）研究計劃的信息征求（RFI），旨在開發(fā)一種“通用的、模塊化、可擴(kuò)展的中間電力系統(tǒng)，可用于多個任務(wù)系統(tǒng)和艦艇型號”，以滿足未來定向能武器等先進(jìn)裝備的需求。

美海軍“能量庫”研究計劃信息征求頁（美聯(lián)邦政府“聯(lián)邦商機(jī)”網(wǎng)站圖片）

一、研究背景

1． 定向能武器技術(shù)快速發(fā)展

定向能武器是利用能量束產(chǎn)生殺傷的武器。依據(jù)能量載體不同，可分為激光武器、粒子束武器、微波武器等。其中，激光武器利用激光束攜帶的巨大能量摧毀或殺傷敵方飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星和人員等目標(biāo)，具有速度快、精度高、攔截距離遠(yuǎn)、火力轉(zhuǎn)移迅速、不受外界電磁波干擾等優(yōu)點，得到了美俄等國的高度重視。1975年，美國2顆偵察衛(wèi)星在西伯利亞上空被蘇聯(lián)反衛(wèi)星陸基激光武器擊中；1982年馬島戰(zhàn)爭，英國航空母艦和護(hù)衛(wèi)艦上曾部署激光武器，使阿根廷多架飛機(jī)失控、墜毀。

上世紀(jì)80年代起，美國防部推進(jìn)了化學(xué)、氣體激光器研發(fā)，開發(fā)了大型化學(xué)激光測試臺：中紅外高級化學(xué)激光（MIRACL）／ “海石”（Sea Lite）光束導(dǎo)向器（SLBD）測試平臺。隨后啟動了機(jī)載戰(zhàn)術(shù)激光（ATL）、機(jī)載激光（ABL）、空基激光（SBL）以及戰(zhàn)術(shù)高能激光（THEL）等項目。然而由于化學(xué)能量源具有毒性、系統(tǒng)體積過大等問題，研究方向逐步轉(zhuǎn)向固態(tài)激光器（SSL）與自由電子激光器（FEL）。

中紅外高級化學(xué)激光器與“海石”光束導(dǎo)向器

固態(tài)激光器（SSL）以光學(xué)透明晶體或玻璃作為基質(zhì)材料，尺寸和重量較小，便于小型化、模塊化設(shè)計，因而適用于艦載、機(jī)載和地面平臺；其缺點在于能量轉(zhuǎn)換效率較低。自由電子激光器（FEL）具有高功率、高效率和短脈沖等一系列優(yōu)良特性；但其體積較大，且需要大功率電源供電。此外，研究者開發(fā)了光纖激光器、液體激光器等激光器技術(shù)。

美國諾格公司研制的固體激光器達(dá)到了105千瓦輸出功率，而100千瓦功率一向被視為武器級高能激光的門檻。

諾格公司研制的高能固體激光器（美國諾格公司圖片）

2．美國大力發(fā)展定向能武器

美國防部將發(fā)展定向能能力納入國家安全范疇，定向能武器將作為維持美軍優(yōu)勢、增強(qiáng)導(dǎo)彈防御以及應(yīng)對地區(qū)沖突的關(guān)鍵手段。美國防部研究與工程副部長格里芬表示，定向能技術(shù)是2018年國防戰(zhàn)略中提到的高科技能力之一，其中最受關(guān)注的是高功率激光器。為應(yīng)對高超聲速武器、無人機(jī)機(jī)群或小型艦艇群、高機(jī)動性巡航導(dǎo)彈和洲際彈道導(dǎo)彈等威脅，美軍必須快速戰(zhàn)場測試和部署定向能武器。

近年來，美國國會已加大對定向能武器的資金投入，2018年定向能武器峰會中，國會兩黨聯(lián)合小組聯(lián)合700多名成員代表美軍及國防工業(yè)部門，探討和概述將定向能武器擴(kuò)展到實際應(yīng)用的途徑。國會不僅在資金方面有更多支持，同時還確保國防部創(chuàng)建恰當(dāng)?shù)慕M織機(jī)構(gòu)進(jìn)行資金管理和創(chuàng)新。

美陸軍太空和導(dǎo)彈防御司令部針對反無人機(jī)開展的定向能武器試驗

3．能量系統(tǒng)是定向能武器及平臺的必要保障

除了本身的技術(shù)困難之外，定向能武器還面臨著平臺集成困難，這一困難主要來源于其對能量系統(tǒng)的特殊要求。

一方面，定向能武器需要平臺在短時間內(nèi)提供超大輸入功率。正如美國國防系統(tǒng)信息分析中心（dsiac）指出的，“美軍如果希望使用能量作為武器，首先需要有足夠的能量�！倍ㄏ蚰芪淦魍ㄟ^平臺能量系統(tǒng)提供的輸入功率，將電能等能源轉(zhuǎn)換為激光等粒子束，這一過程的效率尚處于較低水平（固態(tài)激光器的效率約15％～20％）。為了提供足夠的能量，平臺的能量系統(tǒng)需要具有大功率輸入及轉(zhuǎn)換的能力。

另一方面，在瞬時高功率脈沖下，需要維持能量系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以保證平臺及其他系統(tǒng)的正常工作。這對高密度能量儲存、分配及穩(wěn)定性等技術(shù)提出了新的要求。

同時，考慮到定向能武器系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的低效率，以高熱流密度散熱等技術(shù)為主要難點的熱管理系統(tǒng)也是保證系統(tǒng)安全運(yùn)行的必要條件。

空基平臺方面，美空軍已針對定向能武器等需求實施了多個預(yù)研和演示驗證計劃，包括“飛行器能量綜合”計劃（INVENT）、“綜合動力與熱管理”計劃等。

艦艇平臺方面，美海軍海上系統(tǒng)司令部先后提出了下一代綜合動力系統(tǒng)（Next Generation Integrated Power System，NGIPS）、海軍動力系統(tǒng)（Naval Power System，NPS）和海軍動力與能量系統(tǒng)（Naval Power and Energy Systems，NPES）3項技術(shù)發(fā)展路線圖，以指導(dǎo)海軍及國防部對艦艇能量系統(tǒng)技術(shù)及產(chǎn)品的投資。在路線圖的框架下，2019年1月2日，海上系統(tǒng)司令部發(fā)布了多用途艦載能量庫研究計劃的信息征求。