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高能激光武器的破坏效应主要有热烧

蚀破坏效应

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热烧蚀破坏效应

激光照射到目标上后，目标材料物质的电子由于吸收光能产生碰撞而转化

为热能，使材料的温度由表及里迅速升高，当达到一定温度时材料被熔融甚至

气化，由此形成的蒸气以极高的速度向外膨胀喷溅，同时冲刷带走熔融材料液

滴或固态颗粒，从而在材料上造成凹坑甚至穿孔，这种效应称为热烧蚀破坏效

应。热烧蚀破坏效应是激光武器最重要的毁伤手段。

1?热烧蚀破坏效应的特性

实验表明，热烧蚀破坏效应与激光光源参数、外界环境参数和材料物质参

数密切相关。

激光光源参数包括激光波长、功率密度、激光作用时间、激光束的时空结

构(脉冲或连续波)等;外界环境可以是真空环境、各种大气环境和人工设计的具

有易反射或易吸收功能的各种环境;材料物质的参数既包括材料的比热系数、热

传导系数、热扩散系数、熔点等热物理性能参数，也包括材料的弹性模量、屈

服强度、拉伸断裂强度等力学性能参数。这些参数的不同，将导致激光对材料

的热烧蚀破坏效应的不同。1998年12月，南京理工大学通过精密的计算和严

格试验完成了《激光武器的毁伤机理与防护技术》报告。根据这个技术报告，

可以对激光的热烧蚀效应总结出以下若干重要结论:

(1)在激光对材料的热烧蚀破坏过程中，材料表面温度与激光作用时间的平

方根成正比，即激光对材料作用的时间越长，材料表面的温度越高。对于给定

能量的脉冲激光，当增加功率密度时，缩短脉冲持续时间，则加热时间必然缩

短，而材料表面的温度将会升高。也就是说，使用峰值功率高、持续时间短的

脉冲激光可以更有效地对材料表面加热。但是，高功率脉冲激光与材料作用时，

材料表面产生的等离子体的屏蔽作用对激光的烧蚀效果又有负面影响。

(2)激光对材料的热烧蚀破坏阈值既可用能量密度阈值描述，也可用功率密

度阈值描述。在矩形短脉冲情况下，激光对给定材料破坏的能量密度阈值是一

个常数，而功率密度阈值与脉宽成反比;在矩形长脉冲情况下，激光对给定材料

的破坏能量密度阈值与脉宽的平方根成正比，而功率密度阈值与脉宽的平方根

成反比。也就是说，短脉冲激光主要靠达到功率密度阈值对材料产生烧蚀破坏，

长脉冲激光主要靠达到能量密度阈值对材料产生烧蚀破坏。

(3)不同的物质材料对激光的吸收能力和反射能力各不相同，反映这种能力

的物理概念是材料对激光的吸收系数与反射系数。根据能量守恒定律，激光不

能穿透的材料的反射系数与吸收系数之和为100%。激光对材料的热烧蚀破坏能

力，与材料对激光的反射系数成反比，与材料对激光的吸收系数成正比。

(4)对于熔点相同的两种材料，当照射激光功率较小时，热传导系数较大的

材料被烧熔所需时间较长，热传导系数较小的材料被烧熔所需时间较短;随着入

射激光功率的逐步增大，材料在激光的作用下进行热传导的时间逐步缩短，两

种材料被烧熔所需时间逐步接近;当辐射激光功率足够大时，材料在激光作用下

来不及进行热量传导，两种材料被烧熔所需时间达到一致。

(5)如果材料参数与激光脉冲的参数合适，在材料表面气化时，还有可能使

材料深部温度高于表面温度，这时材料内部因热过载而形成高温进而产生高压，

当达到阈值时便会发生热爆炸，从而提高激光穿孔的破坏效率。

2?热烧蚀效应对飞行器的毁伤方式

高能激光武器的热烧蚀效应对导弹、飞机、卫星等飞行器的破坏主要表现

为直接烧蚀破坏、结构力学破坏和对光电器件的破坏。

导弹、飞机、卫星的壳体一般都是熔点在1500°C左右的合金材料，功率

2~3MW的脉冲高能激光只要在其壳体表面某固定部位辐照3~5s，就容易被烧蚀

熔融甚至气化，使目标内部的燃料燃烧爆炸或元器件损伤遭毁。这种破坏称为

直接烧蚀破坏。

当辐照的激光功率较低时，目标所吸收的激光能量虽使材料表面局部温度

升高，但低于熔点，这时虽然不能烧熔材料，但是能改变材料的物理和力学性

能，如使屈服强度、拉伸强度下降。这种现象称为软化效应。实际上，即使功

率较大的激光照射目标时，目标也是在熔融之前产生软化效应而遭毁的。因此，

激光武器不一定非要把导弹、飞机、卫星等的壳体表面烧出洞来才能毁伤目标，

而可以通过软化效应造成其壳体材料抗拉抗压强度下降，使其在自身应力的作

用下遭毁。特别是导弹设计的准则是尽量减小结构重量，以保证必要的有效载

荷，因此在进行结构设计时不可能留有很大的余量，从而使导弹壳体材料产生

软化效应时，在其飞行气动应力的作