Лазерное оружие

07.10.2015

Академик Олег Фиговский

Серьезное беспокойство состоянием лазерной техники в России высказывает гендиректор ООО «Энергомаштехника» профессор Виктор Аполлонов, один из авторов журнала «Scientific Israel – Technological Advantages». Профессор Аполлонов, анализируя опыт лазерной техники в США, отмечает, что «Сейчас в США на смену химическим лазерам идут твердотельные (т/т) лазерные системы с полупроводниковой (п/п) накачкой. Огромное преимущество химических лазеров заключалось в отсутствии необходимости создания громоздкой и тяжелой энергетической установки для питания лазера, химическая реакция являлась источником энергии. Основными недостатками этих систем по сей день являются экологическая опасность и громоздкость конструкции. Исходя из этого, сегодня ставка делается на т/т лазеры, поскольку они гораздо надежнее, компактнее, проще в обслуживании и безопаснее в эксплуатации, чем химические лазеры. Лазерные диоды, используемые для накачки активного тела лазера, легко совместимы с низковольтной ядерной и солнечной энергетикой и не требуют трансформации напряжения. Исходя из этого, авторы многих проектов считают возможным получить большую выходную мощность в случае т/т лазера, размещенного в том же объеме авиационного носителя. Ведь твердое тело имеет на много порядков величины большую плотность в сравнении со средой химического лазера. Вопрос энергетической накачки активной среды представляется особенно важным в условиях длительной эксплуатации мобильных комплексов. Сегодня уровень разработок т/т лазеров в США приближается к значению выходной мощности – 500кВт. Однако достижение существенно больших значений выходной мощности лазера в стандартной и уже отработанной многомодульной геометрии представляется труднореализуемой задачей. Основная проблема в достижении большего уровня мощности для т/т лазера с п/п накачкой заключается в необходимости полного переосмысления технологии изготовления активных элементов лазерных мобильных комплексов. Лазеры мощностью 100 кВт компаний Textron и Northrop Grumman состоят из большого числа лазерных модулей, что при увеличении выходной мощности комплекса до уровня в несколько МВт приведет к многим десяткам таких модулей, что для мобильных комплексов представляется нереализуемой задачей.

Компания «Нортроп» уже представила работоспособный тактический т/т лазер мощностью 105 кВт и намерена существенно увеличить его мощность. Впоследствии «гиперболоиды» предполагается устанавливать на наземные, морские и воздушные платформы. Тем не менее, речь в данном случае идет о тактическом лазерном оружие (ЛО), т.е. о системах, работающих на небольших дальностях. Мощность лазера – это есть выделяемая лазером энергия в единицу времени. При взаимодействии с объектом ее надо сравнивать с потерями на теплопроводность материала, на нагрев воздушного потока при движении и с долей лазерной мощности, идущей на отражение от объекта. Отсюда видно, что греть объект воздействия можно и лазерной указкой, но греть придется очень долго. В самом общем случае мощность лазера обеспечивается за счет эффективности накачки активной среды и ее размеров. Таким образом, становится ясно, что ввод максимально возможной энергии должен осуществляться в предельно короткие сроки. Но здесь есть очень важное ограничение – образование плазмы на поверхности объекта, затрудняющей прохождение излучения. Существующие мощные лазерные системы сегодня работают именно в этом доплазменном режиме. Но можно приручить и плазменный режим ввода энергии, но для этого нужно найти такой временной импульсно-периодический (И-П) режим, при котором импульсы излучения длятся очень короткое время и за время между импульсами плазма успевает вновь стать прозрачной и следующая порция излучения приходит на освободившуюся от плазмы поверхность. Но для поддержания высокого уровня полной энергии приходящей на объект, частота этих импульсов должна быть очень высокой, несколько десятков-сотен килогерц.

Сегодня в мире активно используются два режима лазерного воздействия на объект: силовое воздействие и функциональное. При силовом механизме воздействия в объекте прожигается отверстие или отрезается какая-либо часть конструкции. Это приводит, например, к взрыву топливного бака или к невозможности дальнейшего функционирования объекта как единой системы, например, самолет с отрезанным крылом. Для реализации силового поражения на больших дальностях нужны огромные мощности. Так, проекты «Стратегической оборонной инициативы» при дальности поражения более тысячи километров требовали уровня мощности лазера – 25 МВт и более. Уже тогда, в 1985 году, на конференции в Лас-Вегасе, где был дан старт полномасштабным исследованиям в области создания мощного ЛО, нам, членам делегации СССР, было понятно, что в ближайшие 30-40 лет стратегическое мобильное ЛО не будет создано.

Но есть и другой механизм – функциональное воздействие, или, как его называют в США, «умное воздействие». При этом механизме воздействия речь идет о тонких эффектах, мешающих противнику выполнить поставленную задачу. Речь идет об ослеплении оптико-электронных систем военного оборудования, об организации сбоев в работе электроники бортовых компьютеров и навигационных систем, о реализации оптических помех в работе операторов и пилотов мобильного оборудования и т.п. Это уже пришло и на стадионы, где лазерными указками пытаются слепить вратарей. При этом механизме резко увеличивается дальность эффективного воздействия за счет резкого снижения необходимых плотностей мощности лазерного излучения на цели, даже при существующем незначительном уровне выходных мощностей лазерных комплексов. Именно этот механизм срыва выполнения поставленных военных задач предлагал в своем письме в директивные органы акад. А. М. Прохоров аж в 1973 году. И именно этот механизм сегодня доминирует в сфере применения ЛО. Так что еще раз убеждаемся: «Есть пророки в своем отечестве!»

ЛО представляет собой оружие, которое использует высокоэнергетичное направленное излучение, генерируемое лазерными системами. Поражающие факторы на цели определяются термическим, механическим, оптическим и электромагнитным воздействием, которое с учетом плотности мощности лазерного излучения, может привести к временному ослеплению человека или оптико-электронной системы, к механическому разрушению (расплавлению или испарению) корпуса поражаемого объекта (ракеты, самолета и др.) к организации сбоев в работе электроники бортовых компьютеров и навигационных систем. При работе в импульсном режиме одновременно, при достаточно большой концентрации импульсной мощности на объекте, воздействие сопровождается и передачей механического импульса, что обусловлено взрывным возникновением плазмы. Сегодня наиболее приемлемыми для боевого применения считаются лазеры т/т и химические. Так, т/т лазер военные специалисты США рассматривают как один из наиболее перспективных источников излучения для систем ЛО авиационного базирования, предназначенного для борьбы с баллистическими и крылатыми ракетами морского и воздушного базирования. Важной задачей является и задача подавления оптико - электронных средств (ОЭС) ПВО и задача защиты своих самолетов – носителей ядерного оружия от управляемых ракет противника. В последнее десятилетие отмечается существенный прогресс в области создания ЛО, что обусловлено переходом от ламповой накачки его активных элементов к накачке с помощью лазерных диодов. Кроме того, возможность генерирования излучения на нескольких длинах волн позволяет использовать т/т лазеры не только для воздействия на цель, но и для передачи информации в различных системах оружия, например, для обнаружения, распознавания целей и точного наведения на них луча мощного лазера.

Другое и очень важное направление в применении тактических маломощных лазеров продвигает компания «Raytheon», сделавшая ставку на волоконные лазерные системы.

Совершенствование т/т лазерной техники привело к созданию нового типа устройств: оптических усилителей и лазеров на так называемых активных волокнах. Первые волоконные лазеры были созданы на кварцевых волокнах, насыщенных ионами неодима. В настоящее время генерация получена в кварцевых волокнах с редкими землями: неодимом, эрбием, иттербием, туллием, празеодимом. Наиболее распространены сегодня в мире волоконные лазеры с ионами неодима и эрбия. 100-киловаттный волоконный лазерный комплекс уже интегрирован с зенитным артиллерийским комплексом. Создана и его сухопутная версия. Недавние испытания в Персидском заливе подтвердили высокую эффективность волоконного лазера при сбивании беспилотников (дронов) на небольших расстояниях 1,5-2 км и уничтожении специальных целей, установленных на небольших судах.

Другой важной разработкой ЛО в США следует считать уже хорошо известный кислород-йодный лазер. В 2004 году на авиабазе Эдвардс в Калифорнии компания «Northrop Grumman» провела первое испытание боевого лазера воздушного базирования. Испытания тогда прошли только на земле - установленный на макете самолета лазер включился всего на долю секунды, однако работоспособность ЛО была доказана. В данном типе лазера мощный поток фотонов возникает в результате химической реакции.

Эти фотоны и формируют лазерный луч, длина волны которого (1,315 мкм) хорошо подходит для военных целей, такой луч хорошо преодолевает облачность. Предполагаемая длительность каждого выстрела 3-5 секунд. Целью лазерного воздействия является топливный бак ракеты противника – в доли секунды луч разогревает его и бак взрывается. Полномасштабные стрельбовые испытания данного комплекса по воздушным мишеням, имитировавшим баллистическую ракету на разгонном участке, были проведены в 2007 году – на режиме малой мощности, и в январе-феврале 2010 года – уже на режиме большой мощности.

Структурно комплекс YAL-1 включает самолет-носитель (переоборудованный Boeing 747-400F); непосредственно боевую лазерную систему на основе химического кислородно-йодного лазера мегаваттного класса, включающую шесть установленных в хвостовой части рабочих модулей массой по 3000 кг каждый и иные, обеспечивающие работоспособность комплекса, системы и оборудование. Практически в огромном самолете не остается свободного места.

Кроме этого под эгидой Агентства по перспективным оборонным исследованиям (DARPA), США разработали еще и много других систем, например, лазерную систему под обозначением HELLADS (Противоракетная система театра военных действий на базе высокоэнергетичного лазера). Данная система использует 150-киловаттный лазер и предназначена для обороны районов сосредоточения войск и важных объектов от поражения управляемыми и неуправляемыми ракетами и артиллерийскими снарядами среднего и большого калибра.

В июне 2010 года ВМС США также провели эксперимент, в котором был задействован еще один «автоматизированный лазерный стрельбовой комплекс», получивший обозначение LaWS. Данный комплекс включает в себя три лазера, два из которых для наведения на цель и один боевой. В ходе эксперимента с его помощью над морем были успешно сбиты четыре беспилотные мишени. Сделанные во время испытаний видеоролики с большим успехом демонстрировались на стенде «Рейтеон» во время аэрокосмического салона «Фарнборо-2010». Сегодня американский флот уже экспериментально изучает в Персидском заливе возможность поражения с помощью ЛО не только беспилотников, но и маломерных надводных целей.

Отвечая на вопрос, что должна делать Россия, чтобы не оказаться в обозе мирового «лазерного процесса», профессор Виктор Аполлонов подчеркивает: «Нужно идти к главной цели - цели надежного обеспечения воздушно-космической обороны страны, но своим путем, не копируя слепо все новшества ученых и оборонного комплекса США. Россия не один раз доказывала, что умеет «прыгать через красные флажки» и достигать уникальных результатов за счет таланта и фантастической работоспособности ученых РАН и инженерно-технического персонала предприятий ВПК. Лазеры – это далеко не игрушки! А именно обратное было заявлено у нас в стране после провального завершения работ по Стратегической оборонной инициативе. Но в США и других развитых странах быстро опомнились и продолжили работы с удвоенным темпом. А мы, работая неэффективно, продолжаем выжидать, когда мимо нас проплывет еще один «труп» неудачно разработанного в США сверхмощного лазерного комплекса. А вот если новые модификации ЛО на основе т/т лазера с п/п накачкой, над которыми в США сейчас усиленно работают, не проплывут, а если будет, наконец, достигнута поставленная цель построения стратегического ЛО, уничтожающего военную технику противника на дальности более тысячи километров. Что тогда?»

Поддерживая мнение профессора Аполлонова, хочу привести еще один пример создания в США новой лазерной технологии.

Исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре произвели первые испытания прототипа научно-фантастического лазерного оружия. В состав системы DE-STAR (Directed Energy System for Targeting of Asteroids and exploRation) входит матрица достаточно мощных лазеров, лучи которых могут отклонить траекторию потенциально опасных для Земли астероидов. Но у такой системы есть и вторая область применения – в фотонных двигателях будущего, при помощи которых можно будет осуществлять путешествия в межзвездном и межгалактическом пространстве. Прототип системы DE-STAR, созданный Филипом Лубиным (Philip Lubin), физиком из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, и Гари Б. Хьюзом (Gary B. Hughes), профессором из Калифорнийского политехнического университета (California Polytechnic State University), хоть и представляет собой лабораторную установку, но его возможностей вполне достаточно для получения доказательств работоспособности данной технологии. В качестве мишени был взят кусок базальта, материала, из которого состоит большинство астероидов. На поверхность этого камня был сфокусирован луч лазера, который нагрел материал до расплавленного состояния и заставил испариться некоторую часть уже расплавленного материала. Такой метод немного уменьшает массу объекта и производит подобие реактивного двигателя, который использует в качестве топлива материал самого астероида. «Почти все астероиды вращаются, разница только в скорости и точке, относительно которой они это делают, – рассказывает Филип Лубин, – Для того, чтобы взорвать его или отклонить его орбиту, требуется остановить вращение астероида или хотя бы замедлить его до приемлемой скорости». Силы тяги, которую вырабатывает такой псевдореактивный двигатель, оказалось достаточно для того, чтобы затормозить вращающийся с достаточно большой скоростью камень и заставить его начать вращаться в обратном направлении. Вполне вероятно, что подобный метод может сработать не только для отражения опасных астероидов. Его также можно будет использовать для остановки вращения и захвата астероида, который будет отбуксирован к Земле и оставлен на стабильной окололунной орбите для дальнейших исследований в рамках миссии НАСА Asteroid Redirect Mission. Система DE-STAR имеет еще одну область применения в качестве фотонного двигателя, не требующего для своей работы топлива и способного, в теории, разогнать космический корабль до релятивистских скоростей.

Именно в этом направлении сосредоточены исследования в рамках программы DEEP-IN (Directed EnErgy Propulsion for Interstellar exploratioN). Пока еще количества фотонов, излучаемых матрицей лазеров, недостаточно для обеспечения тяги, способной разогнать не то, что большой космический корабль, но и его игрушечную копию. Тем не менее, ученым удалось разработать технологию, позволяющую повторно использовать излученные лазерами фотоны света. А ключом этой технологии является устройство, получившее название повторитель фотонных циклов, который заманивает фотоны в специальную оптическую ловушку и направляет их назад на отражатель, установленный в области фотонного двигателя.

«Мы имеем нечто вроде второго зеркала на некотором удалении. Фотоны света, подобно шарикам от пинг-понга, постоянно отражаются от одного к другому зеркалу и назад, – рассказывает Филип Лубин, – За счет некоторых уловок мы получаем умножение сил, которые толкают космический корабль, заставляя его двигаться все быстрей и быстрей». «Дальнейшие усовершенствования системы позволят нам увеличить фотонную тягу еще во много раз, – пишут исследователи, – И хотя все это работает в полном соответствии с теорией, нашими расчетами и прогнозами, реальную систему фотонной тяги создать еще принципиально невозможно, это дело станет реальностью в достаточно отдаленном будущем».