Создание высокотехнологичного оружия возможно только на основе твердотельных технологий
Лазерное оружие уверенно утверждается в реальной жизни и первое его применение в войне Аргентины и Англии за Фолклендские острова, когда простейшее ЛО применялось для ослепления противника, было только началом. Разработка и создание малоэффективных и очень дорогих лазерных монстров на газодинамической и химической основах в США и на электроразрядной, газодинамической и химической основах в СССР стали следующим этапом развития лазерной оружейной эпопеи.
Далее состоялись эффектные, но не эффективные демонстрации ЛО на Международном авиасалоне в Фарнборо и для борьбы с дронами в Персидском заливе. Понятно – чтобы лазеры стали серьезным оружием, необходимо значительно сократить габариты комплексов, повысить их эффективность и увеличить выходную энергетику.
Лазерные «игрушки» мощностью до 60 киловатт в условиях плотной и влажной воздушной среды для использования в силовом режиме малоэффективны. Но и гига/тераваттного уровня импульсы при нанo/микро-джоульной энергетике одиночного ультракороткого по времени воздействия импульса не будут панацеей. Важны и энергетика, и ее пиковая мощность. Механизмы функционального воздействия ЛО хорошо исследованы, есть ниша его применения, и уже состоявшийся переход к созданию высокочастотного импульсно-периодического (И-П) режима не случаен. И все же это только осторожные попытки понять, с чем предстоит работать. Исследования в области боевых лазеров находятся уже на том уровне, когда в достаточно близкой перспективе возможно создание значимого средства поражения противника.
Путь дорог и долог
Стратегическое и тактическое ЛО – новая парадигма развития вооружений, тактики и стратегии его применения. Оно действует мгновенно и по прямой линии, не требует расчета баллистики. Это означает, что в верхних слоях атмосферы и тем более в космосе, где практически нет поглощения и рассеяния излучения, лазеры определят очень многое, если не все, в стратегии и тактике вооруженной борьбы.
Мир об этом начнет узнавать в конце 2022 года, когда в США частично оснастят военную авиацию (и не только) компактным и легким тактическим ЛО, способным работать в силовом и функциональном режимах на десятки и сотни километров. На следующем этапе, когда стратегические лазеры выведут в космос, а это усилиями Пентагона неминуемо случится, станет хорошо понятна истинная цена нового оружия.
В этой связи представляет интерес американская программа «Самозащиты на основе высокоэнергетического лазера» – SHiELD (Self – protect High Energy Laser Demonstrator) о создании истребителя пятого-шестого поколений с лазером на борту для обороны от ракет «воздух-воздух» и «земля-воздух». За компанией Northrop Grumman – конструирование системы управления лучом лазера, а разработка собственно лазера досталась компании Lockheed Martin. Интегрировать всю оружейную систему в единый комплекс SHiELD поручено компании Boeing.
“ В стране необходимо еще один центр, занимающийся созданием боевых лазерных комплексов ”
Программа развивалась поэтапно: на основе волоконных лазеров со спектральным сложением излучений единичных источников создали твердотельные системы со средней мощностью 30 киловатт, потом 60 и даже 150.
Выбор волоконного прибора как единичного элемента сложения мощностей определяется его высоким качеством излучения, компактностью и малыми весовыми характеристиками. Сегодня весовой фактор доведен до 5 кг/кВт, включая вес лазера, источника питания, системы отвода излишнего тепла и платформы, несущей комплекс как целое.
В планах компании Lockheed Martin довести этот фактор до 2 кг/кВт, что означает – комплекс ЛО мощностью 10 мегаватт будет весить всего 20 тонн. Это перспективно для развития стратегического лазерного оружия. Уже отработана технология созданного опытного образца системы в 300 киловатт с общим весом всего 600 килограммов. Для сравнения отмечу, что в лазерах на газовой, химической и паровой основах, от которых в США уже отказались (COIL, GDL, HF/DF, пары щелочных металлов), весовой фактор в пределах 200–400 кг/кВт, а это означает – мегаваттный комплекс ЛО с трудом разместится в тяжелом авианосителе. А для достижения господства в воздухе необходимо оснащение серийной боевой авиации легкими и компактными тактическими комплексами ЛО весом в пределах нескольких сотен килограммов.
Особое значение весовой фактор приобретает при оснащении лазерами космических аппаратов, и этот вопрос уже стоит в повестке дня Пентагона. Необходимо создать комплексы лазеров с выходной мощностью в несколько десятков мегаватт. Поэтому ЛО на основе развитой твердотельной технологии позволяет смотреть в будущее уверенно и можно говорить о создании всего комплекса лазерного оружия, удовлетворяющего ВС России. Тем не менее технология сложения излучений волоконных лазеров по ряду причин пригодна только для тактического ЛО мощностью до 500 киловатт.
Трудности сложения
Есть и другой твердотельный лазер – дисковый. Идее академика Николая Басова уже 54 года, но думается, именно это правило построения мощных лазерных комплексов будет доминирующим и надолго. При том же весьма выгодном весовом факторе меньше 5 кг/кВт этот конструктивный принцип позволяет реализацию высокоэнергетического высокочастотного И-П режима, так как апертура уже существующего дискового лазера имеет диаметр порядка 1,5 сантиметра, что значительно больше диаметра активного тела волоконного лазера. Для увеличения средней мощности системы несколько дисков складываются в оптическую последовательность ZIG-ZAG, значение средней мощности такого модуля уже составляет 50 киловатт. Модули, как и в случае волоконных систем, могут выстраиваться параллельно и мощность складывается на цели. Исходя из приведенных цифр видно, что 100-киловаттный лазер будет весить менее 500 килограммов! Параллельное сложение модулей ведет к увеличению общей апертуры и, следовательно, к возможности увеличения энергии импульсов в высокочастотной периодической последовательности, что качественно меняет механизм взаимодействия, позволяя получить новые эффекты на мишени. Следует отметить, что комплексы ЛО значительно большей средней мощности нужны для выполнения задач ВС РФ. Но от дисковой геометрии модулей мощностью даже 75 киловатт (это увеличение планируется за счет качества отражающих покрытий) до уровня мощности всей системы порядка 10 мегаватт – гигантская дистанция. Сложить в мобильном комплексе мощность более ста модулей в единый луч не представляется возможным.
Как увеличить масштаб
Фото: warfiles.ru
Фото: warfiles.ruОчевидно, нужна иная конструктивная схема твердотельного комплекса, позволяющая масштабирование его средней мощности при сохранении весового фактора. Сегодня уже многое ясно. Прежде всего то, что создать легкие лазерные системы на химической, газовой и паровой основах нельзя. Уже отработанная в США технология тактических комплексов опирается на волоконный тип лазера, исследования которых начинали в России, в дальнейшем они были развиты и запатентованы в США эмигрантом из РФ. Сейчас волоконные устройства производят в США, ФРГ и России. У нас копируют технологию создания тактического ЛО и технологию спектрального сложения излучения волоконных лазеров, при этом используется импортная элементная база для малого уровня средней мощности, выборочно разрешенная Госдепом США для экспорта. На этой основе полноценное оснащение ВС РФ высокоэнергетическими тактическими комплексами невозможно.
Волоконные высокоэнергетические лазеры в силу физических ограничений не могут быть высокочастотными И-П с большой средней мощностью и спектральное сложение излучения компактных и легких оружейных комплексов лимитировано тактическим уровнем мощности. В этом заключается ограниченность данной технологии: не только стратегический уровень мощности, но и многие новые эффективные применения на ее основе физически недостижимы.
Стержневая геометрия активного элемента лазера, как и «слэбовая» (в виде пластины) геометрия, также не позволяет преодолеть тактический уровень конечного лазерного комплекса на основе твердотельной технологии. При этом данные геометрии активного элемента лазера ведут к значительным весу и габаритам устройства при невысоком уровне надежности.
Основа боевого лазера – модуль
Единственно перспективным подходом к созданию линейки твердотельных комплексов от тактического до стратегического уровня сегодня является мономодульная технология, предложенная в России. Очевидно, что новый авиационный лазерный продукт по программе SHiELD будет способен не только защитить от ракетного нападения, но и стать угрозой для военной техники и авиации противника. Лазерное излучение значительно поглощается и рассеивается в условиях пустыни, где проведено много испытаний тактических комплексов для борьбы с дронами. Известно, что мощность луча падает втрое на каждой следующей миле дистанции. И это усложняет применение лазеров при большой влажности. Но отсюда не следует, что ЛО неэффективно в принципе. Нужно наращивать мощность источника и уходить на больший уровень средних мощностей, на другие временные режимы генерируемого излучения.
Помимо уничтожения дронов, есть и иные военные задачи – скажем, использование лазеров в верхних слоях атмосферы. На высотах семь – девять километров среда более прозрачная и прицельные дальности для уничтожения ЛА даже для уровня мощности 100–150 киловатт могут достичь десятков километров. А если речь о мегаваттных тесситурах, то ученые из США и СССР экспериментально доказали реальность диапазона активного оперирования ЛО до ста километров. Другое дело, что все это тактический диапазон и надо наращивать среднюю мощность ЛО для достижения стратегического уровня в тысячу километров и более при строжайшем контроле веса и размеров прибора. Отсюда вывод: именно волоконные и дисковые геометрии активного элемента лазера определяют будущее ЛО практически для всех родов войск.
Космос как поле битвы
Поразмышляем о космических задачах боевых лазеров. На орбите воздуха и паров воды практически нет и, значит, нет поглощения и рассеяния излучения и флуктуаций плотности среды. В таком случае привычная адаптивная оптика не нужна. Потребуется только оптическое качество генерируемого излучения, а значит, и качество статической силовой оптики, изготовленной из карбида кремния, впервые реализованного для этих целей до метрового размера зеркала в России.
Однако добавляются и трудности, такие как сброс излишнего тепла (КПД лазера далек от 100 процентов) и точность наведения на цель при стратегических дальностях. Далее масштабный лазерный комплекс мегаваттной мощности надо умудриться вывести в космос. Американцы делают акцент на твердотельной технологии, позволяющей обеспечить весовой фактор ЛО на уровне или меньше 5 кг/кВт. И здесь у боевого комплекса «Пересвет», созданного не по твердотельной технологии рабочего тела лазера, будут трудности в соблюдении оптимального веса и габаритов конечной системы при дальнейшем развитии проекта.
Напомним, отброшенные американцами технологии химических, газовых и на парах щелочных металлов лазеров не обеспечивают реализацию весового фактора на уровне менее 5 кг/кВт, поскольку он уходит в область значений 200–400 кг/кВт. Это означает, что стратегическая лазерная система, построенная на устаревших физических принципах, столь тяжела и громоздка, что реально сгодится только для использования на земле.
Нужно помнить и о поставленной КНШ США задаче первого этапа, где говорится об установке к концу 2022 года на ЛА тактических комплексов мощностью 100–150 киловатт. Такое ЛО на основе твердотельной технологии при весовом факторе 5 кг/кВт будет весить существенно меньше тонны. В то же время лазеры мощностью 100 киловатт на старых физических принципах весили бы около 20 тонн. И это, если оценивать очень оптимистично. Ясно, что с такими комплексами выиграть борьбу за воздух, а на втором этапе и за космос невозможно.
Ранен – не убит
О функциональном поражении цели говорят тогда, когда в силу ограниченности запаса энергии невозможно обеспечить требуемую плотность мощности для силового поражения. Нужно стремиться к созданию ЛО, обеспечивающего гарантированное уничтожение техники противника. Например, импульс срезает крыло самолета или КР, и они перестают функционировать. При значительно меньшей энергетике возможно только функциональное поражение. Например, у ракеты лазер повредил систему наведения. Но она продолжает лететь и в этом случае нет уверенности, что КР не сможет уничтожить объект атаки. Таким образом, функциональное поражение цели хорошо тогда, когда силовое объективно невозможно при недостатке средней мощности излучения лазера на данной дистанции. И это значит, что разработчикам ЛО необходимо думать о легком и компактном стратегическом оружии, способном уничтожать объекты в силовом режиме, то есть всегда иметь запас энергии в луче.
Следует заметить, что не все твердотельные технологии одинаково эффективны. Стержневая геометрия активного элемента применительно к большим средним мощностям комплексов окончательно забыта. Геометрия «слэба» значительно ограничена уровнем выходной мощности единичного модуля. Примерно также обстоит и с волоконной технологией. Дальнейшее увеличение средней мощности ЛО тогда возможно за счет спектрального сложения излучений отдельных модулей.
Простое суммирование излучений (чисто геометрическое) неэффективно по ряду причин. Попытки спектрального сложения «волоконников» в США привели к созданию опытного образца ЛО со средней мощностью 300 киловатт. Убедительно показана ограниченность и этого подхода в плане дальнейшего масштабирования средней мощности.
Единственно правильным направлением для твердотельной технологии является получение единого лазерного пучка излучения в едином резонаторе с дисковым активным элементом большого диаметра. В разработанном нами в 2013 году подходе к решению проблемы масштабирования возможно увеличение средней мощности комплекса ЛО до десятков мегаватт средней мощности. В высокочастотном И-П режиме пиковая мощность последовательности импульсов может быть увеличена на порядки. А именно это и есть цель, к которой стремились и стремятся создатели ЛО во всем мире. И только так могут быть решены проблемы ВС МО России как в силовом, так и в функциональном режимах.
Одновременно с повышением энергетического вклада в мишень при высокочастотном И-П режиме, воздействие на цель достигается дополнительно рядом факторов: широким спектром светового поля, электромагнитным излучением, гигантскими токами и сильнейшем звуковым полем (до 20 процентов лазерной энергии может уходить в звук). Таким образом, значительно расширяются возможности комплексного воздействия на мишени. При этом все перечисленные факторы возникают на поверхности мишени, а излучение доставляется на объект при незначительных в сравнении с существующими в традиционном РЭБ размерами телескопа (антенны).
Монополия вредит конкуренции
В РФ – монополия на создание тактического и стратегического ЛО, и как известно, монополисты не терпят конкуренции. Для сравнения: в США над созданием высокоэнергетического оружия работают Lockheed Martin, Textron, Noгthrop Grummаn, Boeing, Rаytheon, General Atomics и другие компании. Необходимо и у нас создание по крайней мере еще одного центра, занимающегося лазерами на волоконной основе, а также на основе мономодульной дисковой геометрии и высокочастотного И-П режима генерации. Неоправданно мало внимания уделяется и развитию элементной базы перспективных типов твердотельного ЛО, что при создании стратегических, а значит, и всей линейки тактических лазеров на основе мономодульной дисковой геометрии не позволит быстро оснастить армию России современным и перспективным высокотехнологичным оружием.
Виктор Аполлонов, заведующий отделом «Мощные лазеры» Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН
Газета "Военно-промышленный курьер", опубликовано в выпуске № 11 (874) за 30 марта 2021 года
