Лазерное оружие: технологии, состояние, перспективы. Часть 1
Лазерное оружие всегда вызывает множество споров. Одни считают его оружием будущего, другие категорически отрицают вероятность появления эффективных образцов такого оружия в ближайшем будущем. Люди задумывались о лазерном оружии даже до его фактического появления, вспомним классическое произведение «Гиперболоид инженера Гарина» Алексея Толстого (безусловно, в произведении указан не совсем лазер, но близкое к нему по действию и последствиям применения оружие).
Создание реального лазера в 50-х – 60-х годах XX века вновь подняло тему лазерного оружия. На протяжении десятилетий оно стало непременным атрибутом фантастических фильмов. Реальные успехи были гораздо скромнее. Да, лазеры заняли важную нишу в системах разведки и целеуказания, широко применяются в промышленности, но для использования в качестве средства поражения их мощность по-прежнему была недостаточной, а массогабаритные характеристики неприемлемыми. Как эволюционировали лазерные технологии, насколько они готовы к применению в военных целях в настоящее время?
Первый действующий лазер был создан в 1960 году. Это был импульсный твердотельный лазер на искусственном рубине. На момент создания это были самые высокие технологии. В наше время такой лазер можно собрать в домашних условиях, при этом энергия его импульса может достигать 100 Дж.
Ещё более простым в реализации является азотный лазер, для его реализации не нужны сложные покупные изделия, он может работать даже на азоте, содержащемся в атмосфере. При наличии прямых рук он может быть легко собран в домашних условиях.
http://www.youtube.com/watch?v=5gJ_58hGf4A
Процесс самостоятельной сборки и демонстрация работы азотного лазера
С момента создания первого лазера найдено огромное количество способов получения лазерного излучения. Существуют твердотельные лазеры, газовые лазеры, лазеры на красителях, лазеры на свободных электронах, волоконные лазеры, полупроводниковые и другие лазеры.
Также лазеры различаются по способу возбуждения. Например, в газовых лазерах различных конструкций, возбуждение активной среды может осуществляться оптическим излучением, разрядом электрического тока, химической реакцией, ядерной накачкой, тепловой накачкой (газодинамические лазеры, ГДЛ). Появление полупроводниковых лазеров породило лазеры типа DPSS (Diode-pumped solid-state laser – твердотельный лазер с диодной накачкой).
Различные конструкции лазеров позволяют получить на выходе излучение разных длин волн, от мягкого рентгеновского излучения, до излучения инфракрасного спектра. В разработке находятся лазеры, излучающие жесткое рентгеновское излучение и гамма-лазеры. Это позволяет подбирать лазер исходя из решаемой задачи. Относительно военного применение, это означает, к примеру, возможность выбора лазера, с излучением такой длины волны, которая минимально поглощается атмосферой планеты.
С момента разработки первого прототипа, непрерывно росла мощность, улучшались массогабаритные характеристики и коэффициент полезного действия (КПД) лазеров. Очень наглядно это заметно на примере лазерных диодов. В 90-х годах прошлого века в широкой продаже появились лазерные указки мощностью 2-5 мВт, в 2005-2010 годах уже можно было приобрести лазерную указку 200-300 мВт, сейчас, в 2019 году, в продаже есть лазерные указки с оптической мощностью 7 Вт. В России в открытой продаже есть модули инфракрасных лазерных диодов с оптоволоконным выходом, оптической мощностью 350 Вт.
Темпы роста мощности лазерных диодов сравнимы со скоростью роста вычислительной мощностью процессоров, в соответствии с законом Мура. Безусловно лазерные диоды не пригодны для создания боевых лазеров, но они в свою очередь используются для накачки эффективных твердотельных и волоконных лазеров. Для лазерных диодов КПД преобразования электрической энергии в оптическую может составлять свыше 50%, теоретически можно получить КПД и свыше 80%. Высокий КПД не только снижает требования к источнику питания, но и упрощает охлаждение лазерного оборудования.
Важным элементом лазера является система фокусировки луча – чем меньше площадь пятна на цели, тем выше удельная мощность, позволяющая нанести повреждение. Прогресс в создании сложных оптических систем и появление новых высокотемпературных оптических материалов позволяет создавать высокоэффективные системы фокусировки. В систему фокусировки и наведения американского экспериментального боевого лазера HEL входит 127 зеркал, линз и светофильтров.
Ещё одним важным компонентом, обеспечивающим возможность создания лазерного оружия, является разработка систем наведения и удержания луча на цели. Чтобы поражать цели «мгновенным» выстрелом, за доли секунды, нужны гигаваттные мощности, но создание таких лазеров и источников питания для них на мобильном шасси дело отдалённого будущего. Соответственно, для уничтожения целей лазерами мощностью сотни киловатт – десятки мегаватт, необходимо удержание пятна лазерного излучения на цели некоторое время (от нескольких секунд до нескольких десятков секунд). Для этого необходимы высокоточные и высокоскоростные приводы, способные осуществлять слежение лучом лазера за целью, по данным системы наведения.
При стрельбе на большие дальности система наведения должна компенсировать искажения, вносимые атмосферой, для чего в системе наведения могут применяться несколько лазеров различного назначения, обеспечивающих точное наведение основного «боевого» лазера на цель.
Какие лазеры получили приоритетное развитие в сфере вооружений? В связи с отсутствием мощных источников оптической накачки таковыми стали в первую очередь газодинамические и химические лазеры.
В конце XX века общественное мнение всколыхнула американская программа Стратегической оборонной инициативы (СОИ). В рамках этой программы предполагалось развёртывание лазерного оружия на земле и в космосе для поражения советских межконтинентальных баллистических ракет (МБР). Для размещения на орбите предполагалось использовать лазеры с ядерной накачкой, излучающие в рентгеновском диапазоне или химические лазеры мощностью до 20 мегаватт.
Программа СОИ столкнулась с многочисленными техническими трудностями и была закрыта. В тоже время некоторые проводимые в рамках программы исследования позволили получить достаточно мощные лазеры. В 1985 году лазер на фториде дейтерия с выходной мощностью 2,2 мегаватта разрушил закреплённую в 1 километре от лазера жидкостную баллистическую ракету. В результате 12-секундного облучения стенки корпуса ракеты потеряли прочность и были разрушены внутренним давлением.
В СССР также велись разработки боевых лазеров. В 80-е годы XX века велись работы по созданию орбитальной платформы «Скиф» с газодинамическим лазером мощностью 100 кВт. Массогабаритный макет «Скиф-ДМ» (космический аппарат «Полюс») был выведен на орбиту Земли в 1987 году, но из-за ряда ошибок не вышел на расчётную орбиту и по баллистической траектории был затоплен в Тихом океане. Развал СССР поставил крест на этом и аналогичных проектах.
Масштабные исследования лазерного оружия проводились в СССР в рамках программы «Терра». Программа зональной системы противоракетной и противокосмической обороны с лучевым поражающим элементом на основе лазерного оружия высокой мощности «Терра» реализовывалась с 1965 г. по 1992 г. По открытым данным, в рамках данной программы прорабатывались газодинамические лазеры, твердотельные лазеры, взрывные иодные фотодиссоционные и другие типы лазеров.
Также в СССР с середины 70-х годов XX века разрабатывался лазерный комплекс воздушного базирования А-60 на базе самолёта Ил-76МД. Изначально комплекс предназначался для борьбы с автоматическими дрейфующими аэростатами. В качестве вооружения должен был быть установлен непрерывный газодинамический СО-лазер мегаваттного класса разработки КБ «Химавтоматики» (КБХА).
В рамках испытаний было создано семейство стендовых образцов ГДЛ с мощностью излучения от 10 до 600 кВт. Можно предположить, что на момент испытаний комплекса А-60 на нём был установлен лазер мощностью 100 кВт.
Было выполнено несколько десятков полетов с испытанием лазерной установки по стратосферному аэростату, находящемуся на высоте 30-40 км и по мишени Ла-17. В части источников указывается на то, что комплекс с самолетом А-60 создавался в качестве авиационного лазерного компонента ПРО по программе «Терра-3».
В феврале 2010 г. в СМИ прошло сообщение о возобновлении работ по лазерному оружию воздушного базирования на платформе Ил-76МД-90А с двигателями ПС-90А-76. Концерн ВКО «Алмаз-Антей», ТАНТК имени Г.М. Бериева и предприятие «Химпромавтоматика» в Воронеже получили задание на создание авиационного комплекса с «лазером, способным прожигать корпуса самолетов, спутников и баллистических ракет».
Самолет Ил-76МД-90А, переоборудованный для этой цели, в октябре 2014 года совершил первый полет и 24 ноября 2014 г. прибыл в Таганрог для установки лазерного комплекса. Доработка машины и ее наземная отработка продолжались два года, и 4 октября 2016 г. в СМИ прошло сообщение о начале летных испытаний преемника А-60. Как следует из слов заместителя министра обороны Российской Федерации Юрия Борисова, «продолжаются летные эксперименты, результаты которых подтверждают правильность принятых решений».
Какие типы лазеров наиболее перспективны для применения в военных целях в настоящее время? При всех достоинствах газодинамических и химических лазеров, у них есть существенные недостатки: необходимость в расходных компонентах, инерция запуска (по некоторым данным до одной минуты), значительное тепловыделение, большие габариты, выход отработанных компонентов активной среды. Такие лазеры могут быть размещены только на крупных носителях.
В настоящий момент наибольшие перспективы имеют твердотельные и волоконные лазеры, для работы которых необходимо лишь обеспечить их электроэнергией достаточной мощности. Военно-морские силы США активно прорабатывают технологию лазера на свободных электронах. К важным преимуществам волоконных лазеров можно отнести их масштабируемость, т.е. возможность объединять несколько модулей для получения большей мощности. Важна и обратная масштабируемость, если создан твердотельный лазер мощностью 300 кВт, то наверняка его основе может быть создан менее габаритный лазер мощностью, например, 30 кВт.
Какая ситуация с волоконными и твердотельными лазерами в России? Наука СССР в части разработки и создания лазеров была самой передовой в мире. К сожалению развал СССР изменил всё. Одна из крупнейших в мире компаний по разработке и производству волоконных лазеров IPG Photonics основана выходцем из России В. П. Гапонцевым на базе российской компании НТО «ИРЭ-Полюс».
В настоящий момент головная компания IPG Photonics зарегистрирована в США. Несмотря на то, что одна из крупнейших производственных площадок IPG Photonics расположена в России (Фрязино, Московская область), компания действует в рамках законодательства США и её лазеры не могут применяться в вооружённых силах РФ, в том числе компания должна выполнять наложенные на Россию санкции.
Вместе с тем возможности волоконных лазеров, производимых IPG Photonics, чрезвычайно высоки. Волоконные лазеры непрерывного излучения высокой мощности компании IPG обладают диапазоном мощности от 1 кВт до 500 кВт, а также широким спектром длин волн, КПД преобразования электрической энергии в оптическую доходит до 50 %. Параметры расходимости волоконных лазеров IPG намного превосходят другие лазеры большой мощности.
Есть ли в России другие разработчики и производители современных мощных волоконных и твердотельных лазеров? Если судить по коммерческим образцам, то нет.
Отечественный производитель в промышленном сегменте предлагает газовые лазеры мощностью максимум десятки кВт. Например, компания «Лазерные системы» в 2001 году представила кислородно-йодный лазер мощностью 10 кВт с химической эффективностью, превышающей 32%, являющийся наиболее перспективным компактным автономным источником мощного лазерного излучения этого типа. Теоретически кислородно-йодные лазеры могут достигать мощности до одного мегаватта.
Вместе с тем нельзя полностью исключать то, что отечественным учёным удалось совершить прорыв в каком-либо другом направлении создания мощных лазеров, основанный на глубоком понимании физики лазерных процессов.
В 2018 году президент России Владимир Путин анонсировал лазерный комплекс «Пересвет», предназначенный для решения задач противоракетной обороны и поражения орбитальных аппаратов противника. Данные о комплексе «Пересвет» засекречены, включая тип используемого лазера (лазеров?) и оптическую мощность.
Можно предположить, что наиболее вероятным кандидатом для установки в этот комплекс является газодинамический лазер, потомок лазера, разрабатывающегося для программы А-60. В этом случае оптическая мощность лазера комплекса «Пересвет» может составлять 200-400 киловатт, в оптимистичном сценарии до 1 мегаватта. В качестве другого кандидата можно рассмотреть ранее упомянутый кислородно-йодный лазер.
Если исходить из этого, то со стороны кабины основной машины комплекса «Пересвет» предположительно последовательно расположены – дизельный или бензиновый генератор электрического тока, компрессор, отсек хранения химических компонент, лазер с системой охлаждения, система наведения лазерного луча. Нигде не видно РЛС или ОЛС обнаружения целей, что предполагает внешнее целеуказание.
В любом случае эти предположения могут оказаться ложными, как в связи с возможностью создания отечественными разработчиками принципиально новых лазеров, так и в связи с отсутствием достоверной информации по оптической мощности комплекса «Пересвет». В частности, в печати проскакивала информация о наличии в составе комплекса «Пересвет» малогабаритного ядерного реактора, в качестве источника энергии. Если это действительно так, то конфигурация комплекса и возможные характеристики могут быть совершенно иными.
Какой мощности нужен лазер, чтобы его можно было эффективно применять в военных целях как средство поражения? Во многом это зависит от предполагаемой дальности применения и характера поражаемых целей, а также способа их поражения.
В составе комплекса бортовой самозащиты «Витебск» присутствует станция активных помех Л-370-3С. Она осуществляет противодействие подлетающим ракетам противника с тепловой головкой самонаведения путём ослепления инфракрасным лазерным излучением. С учётом габаритов станции активных помех Л-370-3С, мощность лазерного излучателя составляет максимум несколько десятков ватт. Этого вряд ли достаточно для уничтожения тепловой головки самонаведения ракеты, но вполне достаточно для временного ослепления.
В ходе испытаний комплекса А-60 с лазером мощностью 100 кВт поражались мишени Л-17, представляющие аналог реактивного самолёта. Дальность поражения неизвестна, можно предположить, что она составляла порядка 5-10 км.
Примеры испытаний зарубежных лазерных комплексов:
В ходе испытаний американского воздушного лазерного комплекса Boeing YAL-1 были уничтожены баллистические ракеты-мишени. Одна ракета-мишень с жидкостным ракетным двигателем, вторая твердотопливная, дальность стрельбы на испытаниях составила порядка 100 км.
На испытательном полигоне в Шробенхаузене компанией Rheinmetall были проведены испытания лазерной установки мощностью 20 кВт, уничтожающей беспилотный летательный аппарат (БПЛА) на расстоянии в 500 метров за 3,39 секунды.
Боевая бронированная машина Армии США «Страйкер», оснащенная мобильным высокоэнергетическим лазером (Mobile High-Energy Laser, MEHEL) мощностью 5 кВт, поразила небольшой БЛА на полигоне Графенвер в Германии (земля Бавария)
В ходе более 100 испытаний израильская лазерная система ПРО «Керен Барзель» в апреле 2014 г. система поразила 90% целей (мины, снаряды, БПЛА) показала работоспособность (Proof Of Concept), было проведено более 100 испытаний. Мощность применяемого лазера составляет несколько десятков киловатт.
Компания «Боинг» совместно с Армией США провели испытания перспективного боевого лазера HEL MD. Несмотря на плохую погоду – сильный ветер, дождь и туман – 10-киловаттная установка успешно поразила несколько воздушных целей на авиабазе Эглин во Флориде».
Предыдущее испытание комплекса проводились в 2013 г. на полигоне Уайт-Сэндз, штат Нью-Мексико. Тогда лазер поразил более 90 миномётных снарядов, и несколько БПЛА. В общей сложности за два испытания HEL MD поразил 150 воздушных целей, включая 60-миллиметровые миномётные снаряды и БЛА. В планах компании – увеличение мощности комплекса до 50-60 квт и усовершенствование системы энергообеспечения лазерной установки.
http://www.youtube.com/watch?v=Y-Ok6DICyzk
Испытания боевого лазера HEL MD
Исходя из изложенного, можно предположить:
— для поражения малых БПЛА на дальности 1-5 км необходим лазер мощностью 2-5 кВт;
— для поражения неуправляемых мин, снарядов, и высокоточных боеприпасов на дальности 5-10 км необходим лазер мощностью 20-100 кВт;
— для поражения целей типа самолёт или ракета на дальности 100-500 км необходим лазер мощностью 1-10 МВт.
Лазеры указанных мощностей или уже существуют, или будут созданы в обозримой перспективе. Какие образцы лазерного вооружения в недалёком будущем могут использоваться военно-воздушными силами, наземными войсками и флотом, рассмотрим в продолжении настоящей статьи.
/Андрей Митрофанов, topwar.ru/