Техника и вооружение 2003 09

Лазер на полпути к «Звездным воинам»

Как известно, практически каждое тучное открытие или изобретение военные, прежде всего, пытаются превратить в непревзойденное «чудо- оружие». Не стал исключением и известный широкому читателю как «гиперболоид инженера Гарина», разработанный на рубеже 1950-1960-х гг. источник остронаправленного когерентного излучения, или просто лазер (от английской аббревиатуры LASER — Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, т.с. усиление света при помощи индуцированного излучения).

Начало исследований относится еще к 1917 г., когда А.Энштейн предсказал «вынужденное», или индуцированное излучение атомов, послужившее основой для появления лазеров. В 1940 г. профессор МЭИ В.А. Фабрикант сформулировал условия получения индуцированного излучения, в 1951 г. он совместно с М.М.Вудыйским и Ф.А. Бутаевой получил авторское свидетельство на способ усиления электромагнитного излучения ("ЭМИ"). В 1953–1954 гг. Н.Г.Басов и Л.М.Прохоров в (ХСР и группа Ч.Х. Таунса в США независимо друг от друга создали устройства, генерирующие ЭМИ при использовании индуцированного излучения СВЧ-диапазона. В 1958 г. А.М. Прохоров в СССР, а в США Ч.Таунс и А.Шавлов показали возможность использования индуцированного излучения оптического диапазона для создания источников когерентного света — лазеров. В 1959 г. Басов и Прохоров за разработку нового принципа генерации и усиления ЭМИ и создание СВЧ-устройств на его основе получили Ленинскую премию, а в 1964 г. они вместе с Таунсом стали Нобелевскими лауреатами по физике.

Принцип действия лазера заключается в том. что при возбуждении молекул определенных веществ, называемых рабочими веществами лазера, возникает так называемая инверсная заселенность атомов, и при возвращении в стабильное состояние происходит генерация узкополосного и когерентного электромагнитного излучения. Когерентность лазерного излучения означает. что все волновые процессы протекают синхронно во времени, поэтому лазер генерирует остронаправленный (нерасходящийся) пучок с очень высокой концентрацией энергии.

Основное отличие возможного боевого использования лазера от атомного оружия, прежде всего, заключается в том, что атомную бомбу применили практически сразу же вслед за первым экспериментальным ядерным взрывом и лишь десятилетие спустя вплотную приступили к созданию «мирного атома». Наоборот, вот уже около четырех десятилетий различные типы лазеров широко используются в самых разнообразных «мирных» отраслях науки и промышленности, но пока еще никак не удалось поднять его энергетические характеристики до того уровня, за которым начинается предпочтительное использование в качестве высокоэффективных «лучей смерти». Тем не менее. перспективы участия лазерного «абсолютного» оружия в «звездных войнах» многие Годы будоражили и продолжают занимать лучшие умы ученых, военных и всего мирового сообщества.

Объявление президентом (США Р.Рейганом в 1983 г. СССР империей зла» и начало работ по программе "Стратегической оборонной инициативы" (СОИ, по английски SDI — Strategic Defense Initiative) инициировало и у нас, и в Америке целый ряд уникальных разработок в области создания и испытания высокомощных лазерных систем. В "эпоху перестройки и гласности" грядущие «звездные войны» постепенно потеряли актуальность, и при демократе Б. Клинтоне программа СОИ тихо сошла на нет. Однако появление в Белом доме республиканской администрации и громогласные заявления нового президента США Дж. Буша-младшего о начале создания национальной системы ПРО. безусловно, повлекут за собой реанимацию старых и разработку новых методов и систем лазерного оружия. В связи с этим интересно вспомнить, каким путем шли работы по созданию и испытаниям в реальных условиях боевого лазера.

Масштабно уменьшенная модель химического лазера фирмы Bell Aerospace Textron Рядом с лазером находится малогабаритная аэродинамическая труба для создания скоростного воздушного потока для имитации полета самолетов и ракет В дальнейшем здесь предполагалось разместить лазер MIRACL фирмы TRW

Чем же лазер так привлекает военных? Прежде всего, принципиальной возможностью сфокусировать на значительных удалениях от источника очень высокие плотности энергии, по порядку величины соизмеримые с порогом повреждения объектов военной техники. Помимо этого, скорость распространения высокоэнергетического лазерного излучения, практически равная скорости света, устраняет необходимость решения одной из наиболее серьезных технических проблем любого оружия — необходимости упреждения при наведении для перехвата высокоскоростных целей.

Работы по тактическому лазерному оружию (ЛО) велись МО США с начала 1970-х гг. в связи с растущими потребностями в самых современных видах оружия. Угроза при ведении боевых действий для мобильных сухопутных и морских сил, равно как и для стационарных стратегических гражданских объектов, таких как аэропорты, центры управления. РЛС. АЭС. мосты, морские порты, исходит, прежде всего, от пилотируемых или беспилотных летательных аппаратов (71Л) или ракет. Со временем ДА становятся все более скоростными и эффективными, снабженными системами самонаведения и представляющими все большую опасность. поэтому в недалеком будущем практически каждый нападающий объект должен быть уничтожен даже при наличии очень большого количества атакующих целей. В условиях современного боя совершенно недостаточно уничтожить лишь большую часть из них.

Серьезную угрозу представляют боевые самолеты и вертолеты с уменьшенной радиолокационной заметностью, атакующие на малых высотах при активном функционировании бортовых радиоэлектронных средств противодействия, а также ракеты, запускаемые вне зоны ПВО и атакующие с малых и сверхмалых высот, или в конечной фазе полета пикирующие с больших высот. Как правило, такие ракеты оборудованы датчиками системы самонаведения, помехозащищены и нечувствительны к ложным целям, имеют несколько боеголовок или поражающих элементов. Кроме того, существуют телеуправляемые разведывательные ЛА, служащие в качестве целеуказателей или противорадиолокационных беспилотных ЛА.

В лаборатории оружия ВВС США на авиабазе Киртленд проводились лабораторные испытания электроразрядного СО₂-лазера. На фото слева показано, как лазерный луч прожег небольшое отверстие в листе титана На фото справа видно, что при продолжительном тепловом воздействии лазерного луча отверстие быстро увеличивается

Современные средства защиты неэффективны против многих атакующих ЛА. Это справедливо как для систем управления огнем (обнаружение, опознавание п индикация цели), так и для самих систем оружия (обычных вооружений и управляемых ракет). Обычные снаряды с более высокой начальной скоростью могут быстро настигать цель па дальностях до 4 км, по отсутствие точных измерений траектории полета к цели существенно уменьшает эффективность поражения.

Эти недостатки попытались преодолеть путем увеличения темпов стрельбы (частоты пусков). Теоретически ракеты ПРО имеют вероятность поражения цели одним выстрелом порядка 0,9, а практически — только 0.6–0.7 с учетом мер противодействия, поэтому обычно осуществляют два залпа (пуска). Хотя системы самонаведения значительно увеличивают дальность действия ракет, но к недостаткам ракет ПРО можно отнести большое время ответной реакции, превышающее 5 с от момента обнаружения цели до запуска ракеты, которое в основном уходит на ориентацию систем самонаведения, меньшую скорость по сравнению с обычными снарядами и строго ограниченный боезапас. Из-за ограниченной скорости (-1000 м/с) проходит не менее 5-10 с с момента запуска до поражения цели, после чего может быть принято решение и выполнены другие необходимые операции. Сравнительно высокая скорость мишеней, снарядов или ракет означает, что необходим временной расчет траектории слежения или упреждения, или же необходимо использовать дорогостоящие головки самонаведения.

По мнению МО США, система ПВО должна отвечать следующим главным требованиям:

— время обнаружения цели — не более 1,5 с;

— способность обнаружения и сопровождения многих целей;

— автоматическая индикация цели — не более 0,1 с;

— время прицеливания — не более 0,5 с для первой цели и не более 0.1 с для соседних целей из одной группы;

— максимальная скорость доставки поражающего средства (минимальное время полета);

— минимальное время, обеспечивающее эффективное поражение целей;

— контроль поражения цели.

Проблемы сокращения времени обнаружения и индикации цели имеют в данном случае принципиальное значение могут быть решены за счет уменьшения массы или использования вертикально взлетающих ракет.

Физически максимально возможная скорость «полета» лучевых «снарядов» — скорость света -300000 км/с, при которой время задержки пренебрежимо мало — 3,3 мке/км. Единственный вид оружия, обладающий подобной скоростью, — лазерное или пучковое оружие. Но пучки заряженных частиц в атмосфере распространяться не могут, а вот лазерное оружие (ЛО) практически без задержки поражает цель. Время эффективного воздействия составляет от 0,1 с до нескольких секунд и необходимо для накопления поглощенной энергии излучения, чтобы поразить цель. Это время пренебрежимо мало по сравнению с временем полета отдельных снарядов. Как правило, в системе ЛО сам лазер жестко фиксируется, а для отслеживания целей, наведения и перенацеливания луча используют поворотное зеркало или систему зеркал с минимальной массой. Благодаря этому время наведения значительно сокращается.

На типичных для космических систем лазерного или пучкового оружия дальностях в тысячи километров время распространения поражающих факторов от источника до цели составляет сотые доли секунды, за которые цель сможет переместиться всего лишь па несколько десятков метров (На космических дальностях -1000 км и более угол упреждения составляет 0.5–1,0.10- 5 рад). Этим практически исключается возможность маневрирования цели для ухода от поражения и значительно упрощается задача прогнозирования траектории цели по сравнению с обычными средствами противоракетной (ПРО) и противокосмической обороны (ПКО).

К преимуществам систем ЛО следует отнести:

— ведение «огня» «прямой наводкой» в связи с отсутствием углов упреждения:

— быстрый (практически мгновенный) перенос поражающей энергии от источника к цели и такое же мгновенное получение данных об эффективности «стрельбы»;

— оперативный выбор точки прицеливания и наблюдения (оптимизация эффективности управления «огнем»):

— большая точность поражения малоразмерной скоростной цели:

— довольно большой (по сравнению с другими видами оружия) диапазон достижения цели без существенной задержки доставки энергии или уменьшения эффективности;

— эффективное ведение огня при круговом обзоре (360 град.), минимум затрат времени на изменение точки прицеливания как по горизонтали (360 град.), так и по вертикали, высокая скорострельность, точность попадания без существенного изменения при длительном прицеливании;

— низкая стоимость «выстрела» (порядка 500 долл.). минимальный разброс при прицеливании в одну точку.

Но, как известно, «бесплатный сыр бывает только в мышеловке», так и система лазерного оружия имеет свои недостатки и проблемы, к которым относятся:

— ограниченная эффективность действия по бронированным целям, хотя системы ЛО весьма эффективны против их электронно-оптических датчиков и могут быть успешно использованы как целеуказатели против ракет с инфракрасными головками самонаведения (ПК ГОН);

— максимальная точность сопровождения цели со свободной линией прицеливания возможна только во время боевой работы;

— противодействие со стороны противника;

— использование ЭВМ в боевых условиях;

— обеспечение топливом и энергией и их размещение, особенно для мобильных систем.

Еще задолго до того, как реальные мощности лазеров стали приближаться к требуемым для решения чисто боевых задач, лазеры нашли широкое применение в разнообразных оптических информационных системах, в том числе и военного назначения. В 1960 г. Т.Н. Мэйман на фирме Hughes Aircraft впервые продемонстрировал работу рубинового лазера, и сразу же начались интенсивные разработки различных лазеров для широкого военного и промышленного применения. Вскоре появились:

в 1961 г. — гелий-неоновый (HeNe) лазер. генерирующий в красной области спектра;

в 1962 г. — полупроводниковый инжекционный ОаАs-лазер:

в 1964 г. — СО — лазер и твердотельный лазер на стекле с неодимом (Nd: YAG).

Экспериментальная лазерная система тактического оружия MTU на гусеничном бронетранспортере LVTP-7 морской пехоты. На вставке изображен лазерный целеуказатель фирмы Hughes Установленный на танке или самолете, он направляет лазерный пучок на цель — тактическую ракету, оснащенную ГСН. которая наводится на цель по отраженному лазерному излучению

Мобильная экспериментальная лазерная система оружия MTU Армии США 1 — башня для размещения оптической системы прицеливания и слежения: 2 — РЛС обнаружения цели; 3 — жалюзи системы охлаждения лазера

Испытания лазерной установки MTU по вертолету

Уже к концу 1970 гг. вооруженные силы США располагали лазерными дальномерами, устройствами для подсвета целей, и оружием с лазерной системой высокоточного наведения бомб и снарядов по лучу и тд. В конце 60-х годов в дальнейших разработках типов мазеров были заложены основы создания высокоэнергстических лазеров, пригодных для использования в системах лазерного оружия. Были созданы:

в 1965 г. — фотодиссоциационный йодный лазер, разработанный фирмой UTRG (United Technology Research Center);

в 1968 г. — газодинамический СО.-лазер (фирма Avco Everett);

в 1969 г. — химический «водород- фтор» и «дейтерий-фтор» лазер (IIF/DF) разработки фирмы ITRC.

Газодинамический лазер (ГДЛ) стал первым высокомощным генератором лазерного излучения. Теоретические предпосылки для его создания в 1963 г. изложили Н.Г.Басов и A.П. Ораевский, высказавшие предположение о том, что инверсию населенностей в молекулярных системах можно создавать путем быстрого нагрева или охлаждения газа. Затем в 1965 г. И. Герл и А. Гертцберг предположили, что инверсию населенностей можно получить при быстром расширении первоначально нагретого газа в сверхзвуковом сопле Идею успешно использовала научно- исследовательская лаборатория Everett при создании мощного газодинамического лазера непрерывного действия, заработавшего в 1966 г. Это был первый газодинамический лазер на смеси CO₂-N_2-H₂O. Он работал по принципу открытого цикла, выбрасывая в атмосферу отработанные азот и углекислый газ. Низкий КПД газодинамического лазера (менее 1 %) являлся серьезным недостатком в тех случаях, когда общее время работы превышало 20–30 с. так как требовался большой запас топлива и рабочего тела. В начале 1968 г. в лабораториях фирм Everett п United Aircraft Corp. были продемонстрированы экспериментальные ГДЛ, создающие в непрерывном режиме излучение мощностью в десятки киловатт. В апреле 1970 г. специалисты лаборатории Avco Everett сообщили о получении на ГДП излучения мощностью 30 кВт в одномодовом режиме и 60 кВт — в многомодовом.

В начале 1970-х гг. в США провели широкие исследования возможностей использования высокоэнергетических лазеров в военных целях для определения областей наиболее эффективного использования лазерного оружия. Выяснилось. что прожечь титановую обшивку толщиной 10 мм с помощью лабораторного макета лазера с выходной мощностью несколько сот киловатт удается менее чем за 1 с. Эффект воздействия лазерного излучения (ЛИ) на "воздушную" цель (с учетом обдува) моделировался воздушной струей со скоростью потока М=1, направленной перпендикулярно распространению лазерного пучка. Было отчетливо видно, что жидкий металл, увлекаемый воздушным потоком, оставлял на поверхности цели кратер овальной формы, однако фактически форма прожигаемого отверстия была круглой. Наиболее трудно разрушаемой частью цели являлась ее металлическая обшивка, а самыми чувствительными к воздействию ЛИ оказались материалы, из которых изготовлены элементы электронно-оптических датчиков. Обычно поверхностного разрушения материала окна достаточно, чтобы вывести из строя датчик.

Порог поражения воздушно-космических целей, таких как самолеты, крылатые ракеты и стенки топливных баков существовавших МНР с ЖРД согласно материалам американской печати. оценивали в 0.5–1.0 Дж/см. Боевую устойчивость МБР с двигателями на твердом топливе посчитали более высокой из-за большей толщины и прочности стенок. Предполагалось, что порог поражения можно повысить до 10–20 кДж/см за счет применения отражающих п абляционных покрытий. Дальнейшее его повышение осложнялось из-за весовых ограничений на данные элементы конструкции. Устойчивость к поражению покрытия головных частей (I'M) МБР была существенно выше, поскольку их рассчитывали на большие тепловые нагрузки при входе в атмосферу. В качестве примера можно отмстить. что разрабатывавшийся для проекта «Галилей» зонд, входящий в атмосферу Юпитера, должен выдерживать нагрузки порядка 100 МДж/см в течение 2-х минут. Поэтому сделали вывод, что уничтожение МБР лазерным оружием наиболее эффективно на активном участке траектории. В расчетах

учитывали, что время прохождения этого участка составляет около 100 с.

В основном эти исследования показали. что в тех областях, где лучевое оружие могло быть практически применено уже в скором времени, по критерию "стоимость-эффективность" обычные виды оружия оказывались его серьезными конкурентами. В частности. это относилось к тактическим средствам ПВО кораблей и сухопутных войск. Там, где использование обычных видов оружия было затруднительным или новее невозможным, для высокоэнергетических лазеров также возникал ряд сложных технических проблем. Это относилось к таким областям, как защита бомбардировщиков, ПРО и ПКО. Министерство обороны (МО) США субсидировало следующие исследования по изучению возможностей применения лучевого оружия:

Перспективный лазерный тактический комплекс армии США (рисунок художника)

— возможность защиты стратегического бомбардировщика, главным образом применительно к В-I. по контракту 1972 г Управления авиационных систем ВВС исследовала фирма «Рокуэлл Интернэшнл». Другую НИР по этой же теме проводила в 1971–1972 гг. фирма «Лулсйан энд Асеотиэйтс» по контракту Ракетного командования США. Не исключено также, что фирма «Боинг» изучала возможность применения лучевого оружии на бомбардировщике В-52 по контракту Ракетного командования от 1973 г.;

— возможность установки на истребителе оборонительного и наступательного оружия для поражения наземных целей изучала фирма «Макдоннсл-Дуглас» по контракту- Ракетного командования. В 1974–1975 гг. Лаборатория авиационной электроники ВВС США выдала фирме новый контракт, как полагали, на продолжение этих исследований:

— возможность использования лазерного оружия для противоракетной обороны изучалась в те годы на фирме «Макдоннел-Дуглас» по контракту с Центром перспективной техники ПРО от БР Армии США. Фирма «Хьюз Эйркрафт» получила несколько значительных контрактов на аналогичные исследования от Командования ПРО от БР США. а «Дженерал Электрик» но контракту с этим же Командованием исследовала воздействие лазерного излучения на I'M БР, входящих в плотные слои атмосферы;

— возможность использования лазерного оружия в ПВО изучалась фирмами «Авко» и «Макдоннел-Дуглас» по контракту Ракетного командования. Фирма «Авко», поставлявшая электроразрядные лазеры для использования в передвижной испытательной установке (MTU — Mobile Test Unit) Армии, получила контракт от Ракетного командования на техническое проектирование перспективной демонстрационной системы ПВО;

— возможность применения лучевого оружия для защиты кораблей с воздуха с помощью лазеров, установленных на борту самолета, базирующегося на авианосце, была целью исследований, проводимых Центром вооружения ВМС США. Контракт, вскоре заключенный с фирмой «Нортроп» на анализ применения лазеров в воздухе, вероя тно, также был связан с вышеуказанной программой;

— возможность противовоздушной защиты кораблей изучала фирма TRW (Thompson-Ramo-Woolridge), ранее выбранная как изготовитель химического лазера для установки, названной ВМС «лазерная базовая демонстрационная модель». Фирма «Системе Консалтант» провела ряд исследований корабельного лучевого оружия, включая исследования по защите от противокорабельных ракет по контракту, заключенному в 1973 г. Одновременно ВМС заключили контракт с фирмой «Сайенс Аппликейшен» на техническое обеспечение при выработке требований для демонстрационной программы поражающего воздействия.

Лидером по числу заключенных контрактов считалась фирма «Макдоннел-Дуглас». Она произвела значительные капиталовложения как в разработку лазеров, гак и в исследования эффектов распространения и поражающего воздействия. Фирма также исследовала средства противодействия лучевому оружию.

Продолжение следует

Семен Федосеев