Военные сверхмощные лазеры
Человечество поразительно быстро обживает некоторые новые технологии. Вот, к примеру, тот же лазер. Не прошло и сотни лет с момента первой публикации знаменитой статьи Zur Quantentheorie der Strahlung (О квантовой теории излучения), где Альберт Эйнштейн предсказал возможность существования такого типа излучения; ещё не прошло и полвека с момента первой демонстрации работающего лазера в мае 1960 в лаборатории Hughes Research, но для нас различные реализации лазеров стали столь же обыденными вещами как утюг или кофейная чашка.
Не многие с ходу вспомнят, что само слово "лазер" является аббревиатурой - L.A.S.E.R., за которой скрывается
фраза
light amplification by stimulated emission of radiation. То есть, "усиление света посредством индуцированного излучения". "Мазер", напомню, почти то же самое, только вместо света речь идёт о СВЧ излучении.
Нет нужды, и, думаю, причин тратить время на пересказ истории изобретения и описание принципа работы лазера, всё это прописные школьные истины. Другое дело, что лазер лазеру рознь. В последнее время появилось великое количество различных способов излучения когерентного монохроматического света, а уж способов применения свойств лазера на практике просто не перечесть.
Сегодня мы лишь поверхностно коснёмся вопросов использования сверхмощных лазеров в наиболее очевидной области применения, военной, лишь обозначим её и оставим для более глубоких исследований в следующих публикациях, а также отметим прикладные сферы применения мощного лазерного излучения в научных и промышленных целях.
Пожалуй, ни об одном другом виде оружия не понаписано и не навыдумывано фантастики, страшилок и попросту бредятины больше, чем о лазерном оружии. Лазер с биологической подкачкой, описанный в "Роковых яйцах" М. Булгакова; гиперболоид инженера Гарина, с 1927 года, разрушающий города; Джеймс Бонд и его волшебные часы, лучом лазера распиливающие цепи; очаровательные супермутантки из далёких галактик с гламурными лазерными пыщь-пыщь пистолетами из ридикюлей… По сути, в боевом контексте лазер рассматривается как один из видов так называемого "оружия непосредственного волнового воздействия" (DEW, directed-energy weapon). То есть, оружия, излучающего энергию в определённом направлении и без использования для поражения каких-либо летящих предметов – пуль, стрел, etc.
Кроме лазеров, мазеров и других электромагнитных излучателей подобный тип оружия представлен, например, излучателями пучков каких-либо частиц, имеющих массу, а также звуковым оружием. Помните акустический удар в исторической битве с Годзиллой ("Сказка о Тройке" братьев Стругацких), которым Соловей Одихмантьевич окончательно пристукнул захмелевшего Беовульфа?
Среди исторических и не очень исторических персонажей, орудовавших "волновым оружием", кроме Соловья-Разбойника можно упомянуть таких товарищей как Зевс - древнегреческий любитель метать молнии, Юпитер - его древнеримский эквивалент, древнескандинавский Тор с его молотом-молнией Мьёлниром и Индра, древнеиндийский метатель электромагнитных дротиков. Сказка - оно, как известно, ложь, да в ней намёк на то, что если даже товарищи Зевс, Юпитер, Тор и Индра не являлись командирами боевых расчётов лазерных пушек реальных пришельцев, а были выдуманы от страха перед земными стихиями, идея электромагнитного или даже лазерного оружия и его эффективность была оценена людьми ещё в незапамятные времена.
Как же обстоят дела с использованием боевых лазеров в наше время? Если отбросить традиционные вспомогательные способы использования маломощных лазеров, например, для указания цели, при всех преимуществах боевых лазеров (таких как стрельба со скоростью света, отсутствие отдачи и поправки на гравитацию/ветер, сложность обнаружения противником), практическое внедрение лазерного оружия по-прежнему сопряжено с рядом трудностей.
Прежде всего, речь о дороговизне и слабой надёжности зеркальных систем некоторых типов современных лазеров. А ведь малейший дефект таких зеркал или даже пыль на их поверхности может привести к поглощению энергии самой установкой со всеми вытекающими. Также следует учитывать эффект расфокусировки луча и дисперсии энергии лазера в атмосфере, усиливающийся при наличии тумана, дыма или пыли (в этом плане была любопытна космическая программа СОИ при Рейгане, но там речь шла о совсем других, одноразовых рентгеновских лазерах).
И, наконец, самая главная проблема – "прожорливость" лазерного оружия, необходимость иметь "под рукой" мощный источник энергии для его питания.
Большинство практических разработок лазерного оружия как правило подразумевает генерацию коротких импульсных выбросов энергии. Говоря предметнее, энергия лазерного импульса в 1 миллион джоулей примерно эквивалентна взрыву приблизительно 200 граммов современной взрывчатки. Принцип воздействия такого импульса на мишень, кстати, примерно аналогичен взрывному: основной механизм разрушения имеет характер механической деформации сдвига.
Миллион джоулей – дело серьёзное, такая энергетика пока что не для реализации в качестве карманных лазерных пистолетов и прочего личного стрелкового оружия, описанием которого так изобилует фантастика. Одно дело, оперировать 1 киловаттом в час в качестве "аналога" 3,6 килоджоулей, и совсем другое дело выдать этот киловатт или даже его четверть за доли секунды.
Какой же должна быть мощность лазерной установки, чтобы говорить о её потенциальном применении в качестве лазерного оружия? Энциклопедии подсказывают, что CO
2 лазеры мощностью порядка 30–100 Вт достаточно успешно используются в современной хирургии. Иными словами, таким лазером противника можно разве что "оцарапать". Типичные индустриальные CO
2 лазеры, применяемые, как правило, для сверления и прецизионной резки различных материалов, обладают мощностью порядка 100–3000 Вт. Для полевой лазерной артиллерии, пожалуй, сгодится.
И действительно, армейские установки подобной мощности уже прошли испытания в армии США. В качестве одного из наглядных примеров можно привести испытания образца лучевого оружия на базе твердотельного лазера производства Boeing, проведённые ещё в 2007 году на одном из военных полигонов Алабамы. В качестве платформы специалисты Boeing использовали переделанную зенитку на базе Humvee, специальной модификации джипа Hummer, а лазерное оружие имело мощность порядка 1 кВт. Невидимый луч с расхождением диаметром несколько сантиметров в зоне поражения уже позволяет прожечь гильзу артиллерийского или миномётного снаряда, вызвав тем самым детонацию арсенала противника.
Разумеется, распилить таким лазером летящий самолёт, скорее всего, вряд ли удастся, не говоря о перехвате ракеты. Необходимо излучение мощностью порядка десятков киловатт. Армейские специалисты Пентагона подсчитали, что для поражения крылатых ракет необходима лазерная установка мощностью 100 кВт. Несмотря на то, что многие практические задачи для боевого лазерного оружия всё же достижимы при мощности 25 – 50 кВт, 100 кВт барьер традиционно считался принципиальным рубежом для достижения "оружейного" уровня мощности высокоэнергетических лазеров.
В своё время – ещё в 2002 году, для достижения 100 кВт предела мощности при Пентагоне основали программу разработки боевых твердотельных лазеров под названием Joint High Power Solid State Laser (JHPSSL). Для наглядности – чтобы было с чем сравнивать, приведу ещё несколько цифр: лазер в указке-брелоке имеет мощность не более 1 мВт; пишущий DVD привод оснащён лазером мощностью около четверти ватта; для голографических дисков предполагается использование лазеров мощностью порядка 1 Вт.
Однако вернёмся к программе JHPSSL. Переход ко второй фазе разработок в 2005 году ставил цель достижения мощности боевого 2-блочного лазера Northrop Grumman порядка 25 кВт. Финальная 3 фаза программы, начатая в 2007 году, стартовала с демонстрации прототипа мощностью 3,9 кВт, генерировавшего луч на протяжении 500 секунд с КПД порядка 20,6%. Далее твердотельные лазеры Northrop Grumman совершенствовались достаточно быстро: о достижении 15,3 кВт мощности сообщалось в марте 2008, а уровня 30 кВт – уже в сентябре 2008 года.
Достижение заветного уровня сотни киловатт произошло совсем недавно, в марте 2009 года, когда компания Northrop Grumman объявила об успешных испытаниях твердотельного электрического иттрий-неодимового (YAG) лазера мощностью более 105 кВт.
Основная "хитрость" и в то же время преимущество разработки Northrop Grumman скрывается в блочной конструкции боевого лазера, что гарантирует масштабируемость системы до суммарной мощности 100 кВт и более. Дело в том, что сотня киловатт "набирается "цепочками" отдельных блочных лазерных усилителей, каждый из которых имеет мощность порядка 15 кВт.
В результате объединения семи лазерных цепочек получается установка с лучом суммарной мощности 105,5 кВт, а в стенах компании, как гласит пресс-релиз, уже испытана система с 8 лазерными цепями суммарной мощностью 120 кВт.
Рекордная мощность лазерной установки Northrop Grumman, зарегистрированная во время мартовских испытаний, сопровождается следующими параметрами: достижение полной мощности за 0,6 секунды, стабильная работа системы на протяжении более пяти минут, электрооптическая эффективность на уровне 19,3%, фокусировка луча с коэффициентом более 3.0, максимальная продолжительность работы при мощности более 100 кВт в течение более 85 минут.
Лазерный 100-киловаттный луч - это уже серьёзно, такая пушечка способна на многое, даже несмотря на ряд очевидных эксплуатационных сложностей вроде отвода тепла и рассеивания луча в атмосфере. В Northrop Grumman заявляют, что их твердотельные лазеры будут применяться для создания боевых систем защиты и противоракетных систем воздушного, морского и наземного базирования. Судя по габаритам установки на официальном снимке, такая система вполне может базироваться на борту транспортного самолёта.
С великим сожалением заканчивая в рамках сегодняшней статьи "военную" тему (нельзя объять необъятное!), хотелось бы отметить, что далеко не все разработки лазерного оружия оказались перспективными настолько, чтобы продолжать их финансирование. Так, знаменитое летающее лазерное оружие Boeing YAL-1 Airborne Laser (ABL) на базе многомегаваттного химического кислородно-йодного лазера (chemical oxygen iodine laser, COIL), смонтированного на борту модифицированного Boeing 747-400F и разрабатывавшегося более десятка лет, похоже, так и не станет на вооружение армии США в ближайшие годы. Точно известно, по крайней мере, одно: на пресс-конференции в апреле 2009 года министр обороны США Роберт Гейтс объявил об отмене строительство второго ABL-самолёта и возвращении программы на доработку в связи с "ценовыми и технологическими проблемами, а также в связи с тем, что целесообразность программы в настоящее время "под большим вопросом".
Незавидная судьба также была уготована совместному американско-израильскому наземному проекту THEL (Tactical High-Energy Laser) с использованием фторидно-дейтериевого лазера, также известного под названиями "лазерная система Nautilus", или Demonstrator. Несмотря на положительные результаты испытаний системы в 2002 году и даже успешные испытания мобильной версии системы – MTHEL (Mobile Tactical High-Energy Laser), когда сбивались как одиночные миномётные цели, так и залповые, проект был полностью свёрнут. Вопрос возобновления работ над проектом поднимался Израилем во время израильско-ливанской войны 2006 года, но судя по всему, так и не получил дальнейшего развития.
Что касается советских и российских наработок в области лазерного (и плазменного) оружия, здесь больше загадок и секретов, чем точной информации. Так, например, ещё в апреле 1995 года журнал "Огонёк" писал о "плазменном щите", который способен обеспечить противоракетную оборону страны. Там же упоминались детали встречи 1993 года в Ванкувере между президентами РФ и США, во время которых Борис Ельцин предлагал американцам в рамках эксперимента "Доверие" провести вблизи атолла Кваджалейн совместные испытания глобальной противоракетной системы на базе российского плазменного оружия.
Тогда речь шла о лазерном излучении с наземным базированием, лучи которого якобы достигали верхних слоёв атмосферы – до 50 км, и могли поражать любые гиперзвуковые объекты. По словам академика Рамиля Авраменко, разработчика "плазмоида", такая установка, будучи введённой в эксплуатацию, обошлась бы сравнительно недорого и при этом могла бы стать примером двойной технологии, ведь помимо военного использования такую установку можно было бы использовать, например, для "штопки" озоновых дыр и даже уничтожения космического мусора.
Идея, как мы знаем сейчас, реального воплощения не имела, как и многие другие перестроечные затеи. Исследование участи российского "плазмоида" и в целом судьбы российских разработок лазерного оружия явно заслуживает отдельной статьи. Возможно, мы ещё вернёмся к этому вопросу в наших дальнейших публикациях, а желающим узнать подробности о советско-российской программе сейчас для начала могу рекомендовать ссылку
Википедия: Терра - программа разработки лазерного оружия, или погуглить по названию программы - "Терра-3".
Будущее "мирных" сверхмощных лазеров
Поводом к появлению второй, "мирной" части этой статьи послужило сообщение о запуске самого мощного лазера на Земле, Официальная церемония запуска состоялась 29 мая 2009 года в Национальном термоядерном комплексе США (National Ignition Facility, NIF) при Ливерморской лаборатории им. Лоуренса (Lawrence Livermore Laboratory), Калифорния. Полагаю, в самые ближайшие дни, недели, месяцы, можно ожидать самые неожиданные сообщения из этой лаборатории.
Трудно описать перспективы, открывающиеся после запуска этой гигантской лазерной системы. Сведённая воедино энергия 192 лазеров, генерирующих миллионы джоулей в инфракрасном диапазоне с последующей конвертацией в излучение ультрафиолетового спектра, приблизительно в 40 раз превышает мощность излучения наиболее мощного предшественника проекта NIF, лазера Nova. Для сравнения: один мегаджоуль – это энергия, потребляемая 10 тысячами 100-ваттных лампочек за одну секунду.
700 ТВт (тераватт!) – такова мощность 192-лазерной установки NIF, суммарно генерирующей 1,8 МДж энергии. Трёхэтажная конструкция, занимающая площадь с футбольное поле, оснащена 120-тонной камерой мишени диаметром 10 метров. Каждый из 192 отдельных лазеров установки NIF способен фокусировать свой луч (примерно 40 квадратных сантиметров) на пятне центра мишени диаметром всего полмиллиметра импульсами протяжённостью в десятки наносекунд, что, тем не менее, примерно равно 500 триллионам ватт пиковой мощности, или эквивалентно тысячекратному объёму энергии, генерируемой на территории США за те же десятимиллиардные доли секунды.
Таким образом, с помощью установки NIF появляется уникальная возможность концентрировать гигантские объёмы энергии с величайшей точностью в миллиардные доли секунды. Для работы прецизионной системы фокусировки лучей применяется 6206 высококачественных оптико-механических модуля, а также 400 компьютеров, обрабатывающих миллионы строк кода системы управления.
Характеристики, что и говорить, впечатляющие. Огромное здание, сверхмощные лазерные лучи, облучающие крохотную мишень глубиной менее дюйма… Законный вопрос – зачем всё это нужно?
Ответ – в магическом сочетании слов
управляемая термоядерная реакция. С помощью лазерной системы NIF учёные намерены запустить термоядерную реакцию в лабораторных условиях. С помощью этой установке впервые будут проверены на практике многие научные теории и расчеты, пока что проводившиеся исключительно в рамках компьютерного моделирования процессов в связи с отсутствием подходящих инструментов для исследований.
В процессе проведения экспериментов лазерные лучи установки будут давить на расположенную в центре мишени полую оболочку с изотопами водорода, дейтерием и тритием, сжимая их до плотности, в 100 раз превышающей плотность свинца. Термоядерное горение при температурах более 100 миллионов градусов и давлении более 100 миллиардов атмосфер, что сравнимо с условиями в центре звёзд и ядрах крупных планет (или при термоядерном взрыве), должно обеспечить поддержание постоянного сгорания термоядерного топлива и таким образом обеспечить больший выход энергии, нежели затрачивается на питание лазера.
Разумеется, новая лазерная установка при этом позволит получить бесценную информацию о свойствах различных материалов, о строении и структуре Вселенной, хотя, никто, разумеется, не скрывает, что первоочередная цель проекта – получение недорогой и "чистой" энергии термоядерного синтеза, для достижения энергетической безопасности США в будущем.
По словам учёных, занятых в проекте, эксперименты с запуском термоядерной реакции на установке NIF начнутся ближе ко второй половине 2010 года,
Сайт проекта
The National Ignition Facility (NIF) at Lawrence Livermore National Laboratory - настоящий кладезь идей и просто захватывающих дух проектов, проверка которых на практике полностью завязана на работоспособность новой сверхмощной лазерной системы. Если вам не безразличны исследования в области термоядерной энергетики, астрофизики, гидродинамики, нелинейной оптической физики, материаловедения, атомной физики и физики плазмы - не поленитесь найти время на исследования этого проекта, обязательно найдёте для себя много интересного.
Так, например, ряд экспериментов с применением установки NIF на протяжении 2009-2010 призван внести ряд уточнений в понимание процессов формирования чёрных дыр и суперновых, эволюции звёзд и крупных планет, высокоэнергетических состояний атомов, природы плазмы.
Особое место в списке предстоящих экспериментов занимают исследования процесса так называемого
быстрого инициирования (fast ignition, FI) термоядерной реакции, проводимые учёными из University of California at San Diego. При таком сценарии запуска термоядерной реакции используется принцип подрыва сжатой давлением сферической капсулы. Для этого дейтериево-тритиевая мишень первоначально сжимается лазерами, а затем коротким импульсом подаётся энергия инициализации термоядерной реакции в сжатом ядре.
Преимущество быстрого инициирования заключается в том, что в таком случае требуется давление, значительно меньшее нежели при традиционном счпособе; к тому же, благодаря меньшей массе области инициализации значительно – в 10-20 раз, снижается потребление энергии. Так, по крайней мере, всё это выглядит в теории.
На этом, пожалуй, сегодняшний обзор современных сверхмощный лазерных систем можно закончить. Безусловно, каждая сфера применения таких систем – военная, научная, прикладная, заслуживает более подробного и детального описания. Если вас интересует эта тема - пишите, о чём хотелось бы узнать в следующих публикациях, с удовольствием продолжим этот рассказ.
Ссылки по теме:
Материалы для дополнительного чтения:
