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国防武器是技术前沿的中流砥柱,不断扩展设计和性能能力,以维护全球安全,免受敌对对手的攻击。定向能武器 (DEW) 因其与传统国防系统相比具有众多操作优势而引起了各军种和研究机构的极大兴趣。基于激光的定向能武器是一种强大的远程武器,可产生集中的能量束来消灭目标。这些高度聚焦的激光束以光速传播,支持近乎无限的射程,降低附带损害风险,并在从足够的电源获取能量的情况下提供无限的弹药供应。无论是从空中、陆地还是海上结构发射,其平台灵活性都可以扩大潜在的任务位置,无论在哪个领域。
1962 年,美国在太平洋上空 250 英里处引爆了一枚百万吨级核武器。爆炸导致高层大气中电子严重失衡,并与地球磁场相互作用,在太平洋大片地区产生振荡电场。这些场的强度足以损坏一千英里外夏威夷的电子设备,并清楚地展示了电磁脉冲 (EMP) 的影响。军方不久就开始考虑如何在不使用核武器的情况下制造这种脉冲。20 世纪 60 年代末,达尔格伦海军武器实验室的特殊应用部门开始研究如何产生高功率振荡电场,这种电场可用作破坏敌方电子设备的武器。这些设备基本上是无线电早期使用的老式火花隙发射器的高功率版本。为了构造一种能够产生类似核电磁脉冲场的装置,需要将储存的电能转换为射频 (RF) 能量,然后通过天线穿过大气层辐射到目标。这些装置通常将能量储存在高压电容器中,并使用火花隙开关快速释放能量。然后,这会在天线上驱动振荡电流,使其辐射。为了达到核电磁脉冲的典型场强数千伏/米,需要工作电压为数十万伏或更高的装置。20 世纪 70 年代初,人们研究了许多辐射装置。大多数都属于一类称为赫兹振荡器的装置。电容器被充电至高电压,开关闭合,电流在电路中流动,导致储存的能量在电容器的电场和电感器的磁场之间振荡。要将电容器充电到极高的电压,必须使用某种类型的升压变压器。最常用的倍压器之一是马尔克斯发生器。内部电阻和外部辐射的损耗通常会在几个周期后衰减振荡波形。因此,辐射脉冲的时间很短,频率成分很宽。1 图 1 显示了电感电容振荡器(LC 振荡器)的简单示意图。
三十年前,军方首次认真考虑使用高能激光 (HEL) 和高功率微波 (HPM) 的定向能武器。在十年内,这些武器摧毁或致残目标的能力已得到证实,此后已多次演示对越来越难对付的目标的致命效果。在这场战役开始时,缺乏将这些武器以适合集成到作战平台上的紧凑封装形式实施所需的技术,但现在已经成熟。在激光设备类型、设备效率、主要功率发生器、热管理、光束控制、传感器和控制电子设备、光学和天线以及材料方面取得了许多进展,其中一些是显著的甚至是革命性的。这些进步共同打开了定向能武器的大门,这些武器不仅符合最初的设想,而且在某些情况下远远超出了最初的设想。下表显示了未来三十年可以进行演示的空军定向能武器技术应用。
最近,无人机在商业用途上的可用性和使用量显著增加。这种趋势是由这些设备的灵活性和高速能力推动的,它们的速度可以达到 150 公里/小时。这种现象的迅速增加对世界范围内的安全和防御提出了根本性的挑战,正如正在进行的俄乌冲突所证明的那样。无人机中使用塑料、环氧树脂和玻璃纤维等建筑材料会导致雷达横截面积较小。这就需要实施光电技术以实现可靠的检测和识别。尤其是当涉及到速度可达 200 公里/小时的商用竞速无人机,或者速度可达 600 公里/小时的新型喷气式 Shahed-238 时,迫切需要快速反应对策。这是因为这些无人机飞行高度较低,有效雷达截面(RCS)相对较小,检测通常需要透射频谱特征分析、速度和运动分析或光学识别。此外,熟练的操作员使用第一人称视角(FPV)护目镜可以熟练地控制快速无人机,这对物理拦截策略构成了重大挑战,而俄乌战争的经验表明,物理拦截策略无效、容易因数量过多而不知所措且成本高昂。
2023 年 7 月 2 日,亚当·阿伯尔先生被任命为陆军执行服务部门的陆军定向能高级顾问。作为定向能高级顾问,阿伯尔先生提供专业和行政监督,以确保定向能武器系统和陆军定向能企业的开发和原型设计同步并充分参与。他负责确保陆军在定向能领域的科学与技术 (S&T) 和原型设计工作之间实现协调和沟通。此前,阿伯尔先生曾担任美国陆军空间与导弹防御司令部 (SMDC) 技术中心定向能理事会主任。在这个职位上,他负责协调与陆军未来司令部、陆军助理部长 (采购、后勤和技术)、陆军研究实验室以及快速能力和关键技术办公室的定向能 S&T 研究工作。曾任的职务包括 SMDC 技术中心高能激光部门主管、SMDC 技术中心高能激光移动测试卡车和强大电动激光计划的技术总监。
它使用定向能 (DE) 武器系统,在提供空中防御方面大有作为。定向能武器是一种主要使用定向能作为直接手段来禁用、损坏或摧毁敌方设备、设施和人员的系统。人们对激光系统的有效性知之甚少,但预计它将部署在陆地、空中和海上。它是一种有效、准确、易于操作的工具,比任何其他现有保护手段都便宜得多。
对于军事部门预计最终将过渡到新的或现有的采购计划的原型,它需要确定能够支持新技术进一步开发的过渡合作伙伴。为了支持过渡,陆军制定了详细的计划,描述了围绕定向能武器的使用和早期能力文件建立支持活动的时间表和利益相关者角色。然而,虽然海军部署了几个定向能武器原型并确定了潜在的过渡合作伙伴,但它并没有 GAO 审查的定向能项目的书面过渡协议。空军并没有始终优先考虑建立过渡合作伙伴,这使得未来过渡的规划更加具有挑战性。如果没有这些过渡规划步骤,海军和空军就有可能开发出与作战需求不一致的定向能武器。
摘要:提出一种基于制造约束和基体设计的激光定向能量沉积增材制造(DED AM)产品残余应力控制新方法。残余应力的模拟结果与实验测量数据进行了验证。结果表明,减弱基体上的约束可以大大降低激光DED AM产品中的残余应力。此外,通过在基体上设计局部减薄区域,如长条形孔或支撑腿,可以进一步降低DED AM产品的残余应力。在本研究中,当基体上设计长条形孔时,拉残余应力降低了28%。当设计结构改为支撑腿时,残余应力更小。拉残余应力降低了30%以上。支撑腿越少,残余应力越小。DED AM产品的残余应力可以通过设计得到很好的控制,同时可以通过减少约束来削弱刚度。
DED NASA HR-1 开发面临的挑战:化学和微观结构不均匀性 1. 沉积态合金表现出不同程度的化学偏析和微观结构梯度。 2. 锻造合金可以通过热/冷轧(或锻造)和热处理进行优化,以消除化学偏析和微观结构不均匀性 3. 但 AM 材料的微观结构只能通过热处理进行优化 4. 因此,开发适当的热处理对于 AM 合金开发的成功至关重要。 5