Для создания мощных лучевых систем требуется изменение идеологии научного поиска
Два великих физика современности – академики Николай Басов и Александр Прохоров в последних интервью говорили о том, что им удалось значительно продвинуть лазерную физику, ими же открытую и развитую. Но тем не менее создать стратегическое лазерное оружие (ЛО) пока не стало возможным. Эту эстафету они передали ученикам.
Сегодня, оценивая сделанное тогда в условиях острой конкуренции с США, хочется подтвердить справедливость сказанного академиком Андреем Кокошиным: «Лазерная технология, как космическая и атомная технологии, явилась мощнейшим катализатором научно-технического прогресса страны». И здесь более чем уместно вспомнить вместе с нобелевскими лауреатами еще одного выдающегося творца этого прогресса – Дмитрия Федоровича Устинова, в 1969 году настоявшего принять важное решение о создании НПО «Астрофизика» – ведущего научного центра страны, ориентированного на развитие элементной базы мощных и высокоэнергетических лазерных комплексов (ЛК) и сопутствующих им лазерных технологий.
Оттолкнувшись от твердотельных
Мировая лазерная наука начала восхождение к стратегическому ЛО с твердотельных лазеров на стекле и, уже очевидно, закончит именно твердым телом при поиске конструкций с минимальным весовым фактором (кг/кВт), важным для мобильных применений высокоэнергетических лазерных комплексов для гражданских и военных целей. Активным телом в первом лазерном устройстве американского физика Теодора Меймана, созданном в 1960 году, служил рубиновый стержень, а возбуждение осуществлялось с помощью оптической накачки от лампы фотовспышки. Все, казалось бы, буднично и просто, как и многое другое великое в этом мире. Прошло время, и вот в недавнем докладе DARPA уже говорится, и это совершенно справедливо, о глобальном изменении правил игры после широкого распространения «оружия направленной энергии», которое превратит традиционные символы военной мощи в устаревший хлам вроде пушечных ядер и кавалерии.
Для оценки сроков становления грозного ЛО от идеи и первого опытного изделия до конечного продукта следует вспомнить, например, то, что стратегическая авиация вышла на весьма приличный уровень за 110 лет. Так что у стратегического ЛО есть еще время на развитие. Но в действительности его создание в наши дни идет гораздо быстрее, это уже понятно из динамики событий. Твердотельные технологии в мире вышли на уровень зрелости, позволяющий создание требуемого по мощности тактического ЛО с приемлемыми весами и габаритами. При оценке лазерных технологий сегодня ключевым критерием стал весовой фактор, позволяющий трезво судить о применимости комплекса как оружия мобильного.
Вес как приоритет
“ Многомегаваттный лазерный комплекс надо еще вывести в космос. Именно для этого в США делается акцент на создание твердотельной технологии, позволяющей обеспечить весовой фактор 2 кг/кВт и даже ниже ”
Сравнение весового фактора для газодинамического (GDL), электроразрядного, химического лазеров: кислород-йодного (COIL) и фтор-водородного и фтор-дейтериевого (HF/DF), лазера на парах щелочных металлов (DPAL) с аналогичным отношением для нового поколения твердотельных лазеров на оптическом волокне и на керамике в дисковой геометрии говорит о безусловном приоритете последних. Достижение ими значения весового фактора в 5 кг на кВт позволяет уверенно говорить об оснащении практически всей авиации, всего подвижного состава сил поля боя и средств морского базирования тактическим, а в перспективе и стратегическим ЛО. Для всех перечисленных выше лазерных систем, уходящих с дистанции, ведущей к эффективному тактическому и стратегическому ЛО, фактор веса оказывается значительно больше. Подобная судьба на этой дистанции, к сожалению, уготована и твердотельным лазерным системам на стержнях и на слэбах. Опытные модели комплексов ЛО на основе хорошо известных лазерных систем, от которых США уже отказались или отказываются, ушли в прошлое, стало понятно, что легкое и компактное ЛО на их основе получить невозможно. Весовой фактор этих систем находится в пределах 200–400 кг/кВт, что означает – комплекс с выходной мощностью 100 киловатт будет весить как минимум 20 тонн и его с трудом можно разместить даже в тяжелом транспортнике ВТА. Для достижения господства в воздухе необходимо создание и оснащение серийной боевой авиации легкими и компактными тактическими комплексами, весящими несколько сотен килограммов. Что уж говорить о более энергоемких ЛК стратегического назначения с дальностью поражения более тысячи километров.
При всем старании и огромных суммах вложенных средств вплоть до настоящего времени стратегическое ЛО нигде в мире не создано. Поиск решения данной проблемы сочетает в себе несколько важных требований. Так, к максимальной компактности и минимальному весу комплекса добавляется вариативность временной структуры излучения и масштабируемость средней мощности до нескольких десятков мегаватт. Весь мир находится в поиске этой физико-технической идеи на основе твердотельной технологии и ее конструкционной основы.
Сложение модулей к прогрессу не ведет
Здесь необходимо более детально остановиться на уже созданной технологии твердотельного дискового лазера. Этой идее академика Басова уже 55 лет, но именно его принцип построения мощных ЛК оказывается сегодня и в будущем доминирующим. При том же весьма выгодном факторе менее 5 кг/кВт, что и для волоконной технологии, этот конструкционный принцип позволяет реализацию высокоэнергетического высокочастотного импульсно-периодического (И-П) режима, так как апертура существующего сегодня дискового лазера диаметром 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 сегодня 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 стокиловаттный лазер будет весить менее 500 килограммов! Спектральное сложение излучения модулей ведет к увеличению энергии импульсов в высокочастотной периодической последовательности, что качественно меняет механизм взаимодействия. Однако следует отметить, что для выполнения задач ВС РФ нужны комплексы ЛО значительно большей средней мощности.
Волоконная технология лазерных комплексов ограничена тактическим уровнем средней мощности, и созданный в США с помощью спектрального сложения комплекс мощностью 300 киловатт убедительно это доказал. В то же время существующая в наши дни дисковая технология даже с модулем 75 киловатт (это увеличение компания Lockheed Martin планирует за счет качества отражающих покрытий) достичь уровня мощности всей системы порядка 10 мегаватт вряд ли сможет. Сложить мощность более ста модулей в единый луч мобильного комплекса невозможно. Уместно вспомнить широко известные в истории твердотельного лазерного творчества опытные модели комплексов, созданных в СССР, «Омега» (96 модулей) и «Тандем» (60 модулей) с позиции реализуемости их тактико-технических параметров и надежности. Очевидно, что необходимо иное конструктивное построение твердотельного комплекса ЛО, которое позволило бы дальнейшее эффективное масштабирование его средней мощности при сохранении характерного для современного твердотельного ЛО минимального весового фактора.
Спор стрелы и щита
В статье «Лазерные копья для обороны России» начато обсуждение предложенного нового подхода к созданию твердотельного мономодульного дискового лазера с большим диаметром рабочего тела. Статья вызвала большой интерес у специалистов-лазерщиков страны, уже прошла серия совещаний с подробным обсуждением новых возможностей, предоставляемых разработанной технологией перспективных лазерных систем. Зарождающиеся технологии ставят новые вопросы перед разработчиками систем поражения, а это в свою очередь вызывает к жизни совершенствование уже созданных технологий. Что вновь ставит сложные задачи перед создателями оружия. Именно таким шагом в решении задач поражения представляется создание масштабируемого лазерного источника с мономодульной геометрией диска, в котором решены две оставшиеся в наследство от академика Басова проблемы: эффективное охлаждение тела диска большого диаметра и подавление усиления спонтанного излучения вдоль его диаметра.
Итак, ясно, что мобильные ЛК можно получить только на основе новых технических и технологических решений. Но стратегического ЛО пока нет, и в ближайшее время выход из идеологического тупика можно найти только на основе твердотельной технологии. Весь научный мир находится в поиске этой конструкционной основы. У нас идея создания есть, она детально проанализирована, численно промоделирована, проверена на макетах и ждет своей реализации. На этой основе может быть получена вся линейка легкого и компактного ЛО от сотен ватт и до многих десятков мегаватт.
Напомню, в США к исходу 2022 года оснастят авиацию тактическим ЛО. На значительных высотах, где ПЗРК не достают авианоситель, нет большого рассеяния и поглощения, и дистанции поражения для ЛО мощностью 100–150 киловатт увеличиваются до нескольких десятков километров в силовом режиме (нарушение целостности конструкции). В функциональном режиме (в США этот режим имеет название «умное взаимодействие») дистанции поражения увеличиваются значительно, но нет полной уверенности в действительности эффекта поражения.
Далее. На основе волоконных лазеров со спектральным сложением излучения единичных источников в США последовательно созданы комплексы ЛО со средней мощностью 30, 60, 100 киловатт. Вес комплекса на основе волоконного лазера доведен до уровня 5 кг/кВт. Показано, что при дальнейшем масштабировании ТТХ можно снизить до 2 кг/кВт, в США идет отработка уже созданного опытного образца лазерной системы 300 киловатт и общим весом всего 600 килограммов. Убедительно показана иллюзорность дальнейшего увеличения мощности такого ЛО в выбранном конструктиве. Очевидно, что нужна иная схема твердотельного комплекса ЛО, которая позволила бы дальнейшее масштабирование его средней мощности при сохранении достигнутого весового фактора. Особое значение это приобретает при оснащении лазерами космических аппаратов, подобная задача уже стоит в повестке дня в США. Согласно планам стратегической обороны (борьба с гиперзвуковыми ракетами) и накопленному опыту эксплуатации уже созданных ЛК на устаревшей физико-технической основе подтверждается необходимость создания комплексов ЛО с выходной мощностью несколько десятков мегаватт. Частичный возврат к программе СОИ уже заявлен Объединенным комитетом начальников штабов США.
Волоконные высокоэнергетические лазеры в силу физических ограничений не могут быть высокочастотными И-П при большой средней мощности на выходе в силу разрушения волокна. Спектральное сложение излучения этих компактных и легких комплексов ЛО даже в непрерывном режиме генерации лимитировано тактическим уровнем средней мощности. В этом заключается вся ограниченность волоконной технологии, не только стратегический уровень мощности, но и многие новые режимы воздействия и эффективные применения высокочастотного И-П излучения высокоэнергетических лазеров для них невозможны.
Существующая в мире твердотельная технология лазера на основе дисковой геометрии за авторством академика Басова, разработанная в ФИАНе, так же, как и волоконная, не позволяет решить проблему дальнейшего масштабирования средней мощности комплексов ЛО до стратегических характеристик. Единственно перспективным и эффективным на данный момент конструктивным подходом к созданию всей линейки твердотельных комплексов ЛО от тактического до стратегического уровней является мономодульная технология, предложенная в России (ИОФ РАН).
Очевидно, что создаваемый американцами новый авиационный комплекс ЛО SHiELD не только будет способен защищаться от ракетного нападения, но и станет серьезной угрозой для объектов военной техники (ОВТ) и авиации противника. Лазерное излучение значительно поглощается и рассеивается в условиях пустыни на Ближнем Востоке, где провели испытания тактических комплексов ЛО для борьбы с дронами. Известно, что в этих условиях мощность луча падает втрое на каждой миле дистанции. И это действительно усложняет применение ЛО в условиях большой запыленности и влажности. Но из этого не следует вывод некоторых экспертов, что ЛО неэффективно в принципе. Нужно наращивать мощности комплексов и создавать более высокий уровень средних мощностей, выходить на другие временные режимы генерируемого излучения.
Есть и иные военные задачи помимо уничтожения дронов. Это использование ЛО в верхних слоях атмосферы и в космосе. На высотах семь – девять километров среда более прозрачная и прицельные дальности для уничтожения ОВТ даже для уровня мощности 100–150 киловатт могут составить многие десятки километров. А если речь идет о мегаваттном уровне, то уже историческими работами специалистов из США и СССР экспериментально доказана реальность диапазона активного оперирования «лазерными монстрами» в 100 километров. Другое дело, что все это – опять же тактический диапазон и надо продолжать наращивать среднюю мощность ЛО для достижения стратегического уровня дальности 1000 и более километров при значительном снижении их веса и габаритов.
Уже понятно, что ЛО на химической, газовой и паровой основе с их огромными размерами ушли с этой стратегической дороги. Ныне среди ученых и конструкторов доминирует понимание того, что только твердотельная основа активного элемента комплекса ЛО, волоконные и дисковые геометрии определяют будущее ЛО практически для всех родов войск. Вопрос дальности поражения ОВТ в космосе будет упираться только в оптическое качество генерируемого излучения. Но помимо качества луча, есть и другая проблема – многомегаваттный комплекс ЛО надо вывести в космос. Именно для этого в США делается акцент на создание твердотельной технологии, позволяющей обеспечить весовой фактор 2 кг/кВт и даже ниже. И здесь пока есть большие трудности.
Решение есть, но…
Несколько слов о проблеме защиты от лазерного излучения. Да, на футбольном поле вратарь легко может закрыться перчаткой от назойливого болельщика с лазерной указкой. Но с лазером мощностью 30 киловатт этот фокус уже не пройдет. Дроны в ближневосточном небе горели на расстоянии 1,5–2 километра. Но то были игрушки в сравнении с современными многотонными БЛА из титана и алюминиевых сплавов. Здесь уже и 100 киловатт непрерывного излучения на тактических расстояниях в силовом режиме поражения может быть мало. А вот в функциональном высокочастотном И-П режиме окажется более чем достаточно. Это режим, при котором энергия лазера выделяется в виде последовательности коротких импульсов с большой частотой повторения. При этом пиковая мощность отдельных импульсов в сотни и тысячи раз превышает среднюю мощность того же самого ЛО в обычном непрерывном режиме генерации. Лидирующими специалистами в области создания мощных высокочастотных И-П лазеров и авторами патента являются сотрудники ИОФ РАН, работавшие под руководством академика Прохорова. Этим же коллективом предложен и экспериментально опробован лазерный двигатель на основе механизма высокочастотного оптического пульсирующего разряда и получены рекордные характеристики тяги двигателя. C помощью высокочастотного И-П лазера получен интенсивный и варьируемый по частоте звук в дальней зоне, содержащий до 20 процентов энергии лазера, экспериментально осуществлен проводящий канал с минимальным удельным сопротивлением, показана возможность его масштабирования до значительных расстояний и реальность такого высокопроводящего канала, в том числе и в вакууме. Эти новые-старые технологии – И-П режим с высокой частотой повторения импульсов (более 10кГц) и мономодульный диск – прекрасно сочетаются в едином лазерном комплексе. В частности, нами, помимо экспериментальной демонстрации режима на уровне 10 киловатт и резки металлов, стекол и композитов, теоретически показана высокая эффективность применения для уничтожения космического мусора, резки льдов Северного Ледовитого океана и много чего еще. Таким образом, повышение уровня выходной энергетики лазера и использование новых временных режимов генерации излучения позволяют уверенно смотреть на проблему преодоления защиты от лазерного излучения.
Еще раз заметим, что простое суммирование излучений на цели (чисто геометрическое от различных источников) неэффективно по ряду причин. Наиболее, если не сказать единственно перспективным подходом для твердотельной технологии является получение единого лазерного пучка излучения в едином резонаторе с единым дисковым элементом большого диаметра. Именно при этом разработанном нами подходе возможно решение проблемы масштабирования средней мощности комплекса ЛО до многих десятков мегаватт. А это и есть цель, к которой стремились и стремятся создатели ЛО во всем мире. Только в этом случае могут быть решены наиболее сложные проблемы ВКС России, которые сегодня выдвигаются на передний план из-за стратегических планов США, продолжающих рваться к мировому господству.
Повторю еще раз то, о чем уже говорил в статье «Лазерное копье для России»: к сожалению, в стране создана монополия на разработку высокоэнергетического тактического ЛО, серьезных продвижений в освоении твердотельной технологии пока нет. В США уже создано более десятка предприятий, занятых решением проблемы тактического и стратегического ЛО и его элементной базы для всех родов войск, включая космические. Поэтому представляется ошибочной политика концентрации материальных ресурсов в одном находящемся в удалении от квалифицированных столичных кадров лазерном центре. В подобной ситуации ученые Москвы и Санкт-Петербурга оказываются лишенными возможности эффективно участвовать в создании новых образцов высокоэнергетического ЛО. А создание новой плеяды инженерно-технических умельцев есть процесс длительный, да времени на их обучение уже нет. Размещение лазерных центров и их филиалов по данной тематике целесообразно именно в указанных городах или в их пригородах.
Несмотря на установленные мировым сообществом запреты, ЛО усилиями США будет выведено в космос вслед за оснащением авиации тактическим ЛО. В соответствии с доктриной Национальной космической политики США провозглашается право американцев распространить их суверенитет на космическое пространство. Важное место среди возможных видов эффективных средств борьбы в космосе и в воздухе американскими стратегами отводится ЛО космического базирования, особое внимание при этом уделяется уничтожению гиперзвуковых ракет.
Стратегический уровень мощности обеспечит только мономодульная дисковая геометрия активного элемента комплекса ЛО. Именно этот путь развития, начатый совместно с академиками Басовым и Прохоровым, уже много лет продвигается нами. Для его обеспечения необходимо срочное создание целевой организации и срочное, даже опережающее создание элементной базы таких твердотельных мономодульных дисковых комплексов ЛО на ряде предприятий оборонного комплекса России.
Виктор Аполлонов, действительный член Академии военных наук, профессор
Газета "Военно-промышленный курьер", опубликовано в выпуске № 16 (879) за 4 мая 2021 года
