Лазерна зброя: технології, історія, стан, перспективи. Частина 1

12

Лазерне зброя завжди викликає безліч суперечок. Одні вважають його зброєю майбутнього, інші категорично заперечують вірогідність появи ефективних зразків такої зброї в найближчому майбутньому. Люди замислювалися про лазерному зброю навіть до його фактичного появи, згадаймо класичне твір «Гіперболоїд інженера Гаріна» Олексія Толстого (безумовно, у творі зазначено не зовсім лазер, але близьке до нього за дією і наслідками застосування зброї).
Створення реального лазера в 50-х – 60-х роках XX століття знову підняло тему лазерного зброї. Протягом десятиліть воно стало неодмінним атрибутом фантастичних фільмів. Реальні успіхи були набагато скромніші. Так, лазери зайняли важливу нішу в системах розвідки і цілевказівки, широко застосовуються в промисловості, але для використання як засоби ураження їх потужність раніше була недостатньою, а масогабаритні характеристики неприйнятними. Як еволюціонували лазерні технології, наскільки вони готові до застосування у військових цілях в даний час?
Перший діючий лазер був створений в 1960 році. Це був імпульсний твердотільний лазер на штучному рубіні. На момент створення це були найвищі технології. У наш час такий лазер можна зібрати в домашніх умовах, при цьому енергія його імпульсу може досягати 100 Дж.

Схема першого лазера на штучному рубін
Лазерное оружие: технологии, история, состояние, перспективы. Часть 1 оружие
Саморобний лазер на штучному рубіні з енергією імпульсу 5 Дж і прострелена сім’ю імпульсами цього лазера монета, лазер побудований @Laserbuilder, ним планується створення аналогічного лазера з енергією імпульсу до 100 Дж
Ще більш простим в реалізації є азотний лазер, для його реалізації не потрібні складні покупні вироби, він може працювати навіть на азоті, що міститься в атмосфері. При наявності прямих рук він може бути легко зібраний в домашніх умовах.
Лазерное оружие: технологии, история, состояние, перспективы. Часть 1 оружие
Саморобний азотний лазер, виготовлений Джарродом Кінсі


Процес самостійного складання та демонстрація роботи азотного лазера
З моменту створення першого лазера знайдено величезну кількість способів отримання лазерного випромінювання. Існують твердотільні лазери, газові лазери, лазери на барвниках, лазери на вільних електронах, волоконні лазери, напівпровідникові та інші лазери. Також лазери розрізняються за способом збудження. Наприклад, в газових лазерах різних конструкцій, збудження активного середовища може здійснюватися оптичним випромінюванням, розрядом електричного струму, хімічною реакцією, ядерної накачуванням, теплової накачуванням (газодинамічні лазери, ГДЛ). Поява напівпровідникових лазерів породило лазери типу DPSS (Diode-pumped solid-state laser – твердотільний лазер з діодним накачуванням).
Різні конструкції лазерів дозволяють одержати на виході випромінювання різних довжин хвиль, від м’якого рентгенівського випромінювання, до випромінювання інфрачервоного спектру. У розробці знаходяться лазери, які випромінюють жорстке рентгенівське випромінювання і гамма-лазери. Це дозволяє підбирати лазер виходячи з розв’язуваної задачі. Щодо військового застосування, це означає, наприклад, можливість вибору лазера, з випромінюванням такої довжини хвилі, яка мінімально поглинається атмосферою планети.
З моменту розробки першого прототипу, безперервно зростала потужність, поліпшувалися масогабаритні характеристики і коефіцієнт корисної дії (ККД) лазерів. Дуже наочно це помітно на прикладі лазерних діодів. У 90-х роках минулого століття в широкому продажі з’явилися лазерні указки потужністю 2-5 мВт, у 2005-2010 роках вже можна було придбати лазерну указку 200-300 мВт, зараз, в 2019 році, у продажу є лазерні указки з оптичною потужністю 7 Вт. В Росії у відкритому продажі є модулі інфрачервоних лазерних діодів з оптоволоконним виходом, оптичною потужністю 350 Вт.
Лазерное оружие: технологии, история, состояние, перспективы. Часть 1 оружие
Лазерна указка з оптичною потужністю 7 Вт, довжина хвилі 445 нм
Темпи зростання потужності лазерних діодів порівнянні зі швидкістю зростання обчислювальної потужністю процесорів, відповідно до закону Мура. Безумовно лазерні діоди не придатні для створення бойових лазерів, але вони в свою чергу використовуються для перекачування ефективних твердотільних і волоконних лазерів. Для лазерних діодів ККД перетворення електричної енергії в оптичну може становити понад 50%, теоретично можна отримати ККД і понад 80%. Високий ККД не тільки знижує вимоги до джерела живлення, але і спрощує охолодження лазерного обладнання.
Важливим елементом лазера є система фокусування променя – чим менше площа плями на цілі, тим вище питома потужність, що дозволяє нанести пошкодження. Прогрес у створенні складних оптичних систем і поява нових високотемпературних оптичних матеріалів дозволяє створювати високоефективні системи фокусування. У систему фокусування і наведення американського експериментального бойового лазера HEL входить 127 дзеркал, лінз і світлофільтрів.
Ще одним важливим компонентом, що забезпечує можливість створення лазерного зброї, є розробка систем наведення й утримання променя на цілі. Щоб вражати цілі «миттєвим» пострілом, за частки секунди, потрібні, гигаваттные потужності, але створення таких лазерів і джерел живлення для них на мобільному шасі справа віддаленого майбутнього. Відповідно, для знищення цілей лазерами потужністю сотні кіловат – десятки мегават, необхідне утримання плями лазерного випромінювання на цілі деякий час (від кількох секунд до кількох десятків секунд). Для цього потрібні високоточні і високошвидкісні приводи, здатні здійснювати стеження променем лазера за метою, за даними системи наведення.
При стрільбі на великі дальності система наведення повинна компенсувати спотворення, що вносяться атмосферою, для чого в системі наведення можуть застосовуватися кілька лазерів різного призначення, що забезпечують точне наведення основного «бойового» лазера на ціль.
Які лазери отримали пріоритетний розвиток у сфері озброєнь? У зв’язку з відсутністю потужних джерел оптичного накачування такими стали в першу чергу газодинамічні та хімічні лазери.
В кінці XX століття громадську думку сколихнула американська програма Стратегічної оборонної ініціативи (СОІ). В рамках цієї програми передбачалося розгортання лазерного зброї на землі і в космосі для поразки радянських міжконтинентальних балістичних ракет (МБР). Для розміщення на орбіті передбачалося використовувати лазери з ядерної накачуванням, що випромінюють в рентгенівському діапазоні або хімічні лазери потужністю до 20 мегават.
Програма СОЇ зіткнулася з численними технічними труднощами і була закрита. Водночас деякі проводяться в рамках програми дослідження дозволили отримати достатньо потужні лазери. У 1985 році лазер на фториде дейтерію з вихідною потужністю 2,2 мвт зруйнував закріплену в 1 кілометрі від лазера рідинну балістичну ракету. В результаті 12-секундного опромінення стінки корпусу ракети втратили міцність і були зруйновані внутрішнім тиском.
У СРСР також велися розробки бойових лазерів. У вісімдесяті роки XX століття велися роботи зі створення орбітальної платформи «Скіф» з газодинамічним лазером потужністю 100 кВт. Масогабаритний макет «Скіф-ДМ» (Космічний апарат «Полюс») був виведений на орбіту Землі в 1987 році, але через низку помилок не вийшов на розрахункову орбіту і по балістичної траєкторії був затоплений в Тихому океані. Розпад СРСР поставив хрест на цьому і аналогічних проектах.
Лазерное оружие: технологии, история, состояние, перспективы. Часть 1 оружие
Космічний апарат «Полюс» («Скіф-ДМ») на надважкої ракети-носія «Енергія»
Масштабні дослідження лазерного зброї проводилися в СРСР у рамках програми «Терра». Програма зональної системи протиракетної і протикосмічної оборони з променевим вражаючим елементом на основі лазерного зброї високої потужності «Терра» реалізовувалася з 1965 р. по 1992 р. За відкритими даними, в рамках даної програми опрацьовувалися газодинамічні лазери, твердотільні лазери, вибухові иодные фотодиссоционные і інші типи лазерів.
Лазерное оружие: технологии, история, состояние, перспективы. Часть 1 оружие
Лазери АЖ-4Т і АЖ-5Т з складу комплексу «Терра-3»
Також в СРСР з середини 70-х років XX століття розроблявся лазерний комплекс повітряного базування А-60 на базі літака Іл-76МД. Спочатку комплекс призначався для боротьби з автоматичними дрейфуючими аеростатами. В якості озброєння повинен був бути встановлений безперервний газодинамічний З-лазер мегаватного класу розробки КБ «Хімавтоматика» (КБХА).
У рамках випробувань було створено сімейство стендових зразків ГДЛ з потужністю випромінювання від 10 до 600 кВт. Можна припустити, що на момент випробувань комплексу А-60 на ньому був встановлений лазер потужністю 100 кВт.
Було виконано кілька десятків польотів з випробуванням лазерної установки по стратосферному аеростат, що знаходиться на висоті 30-40 км і по мішені Ла-17. В частині джерел вказується на те, що комплекс з літаком А-60 створювався в якості авіаційного лазерного компонента ПРО за програмою «Терра-3».
Лазерное оружие: технологии, история, состояние, перспективы. Часть 1 оружие
Лазерний комплекс повітряного базування А-60
У лютому 2010 р. у ЗМІ пройшло повідомлення про поновлення робіт по лазерному зброї повітряного базування на платформі Іл-76МД-90А з двигунами ПС-90А-76. Концерн ВКО «Алмаз-Антей», ТАНТК імені Р. М. Берієва і підприємство «Химпромавтоматика» у Воронежі отримали завдання на створення авіаційного комплексу «лазером, здатним записувати корпусу літаків, супутників і балістичних ракет». Літак Іл-76МД-90А, переобладнаний для цієї мети, в жовтні 2014 року здійснив перший політ і 24 листопада 2014 р. прибув в Таганрог для установки лазерного комплексу. Доопрацювання машини і її наземна відпрацювання тривали два роки, і 4 жовтня 2016 р. в ЗМІ пройшло повідомлення про початок льотних випробувань наступника А-60. Як випливає зі слів заступника міністра оборони Російської Федерації Юрія Борисова, «тривають льотні експерименти, результати яких підтверджують правильність прийнятих рішень».
Які типи лазерів найбільш перспективні для застосування у військових цілях в даний час? При всіх перевагах газодинамічних і хімічних лазерів, у них є істотні недоліки: необхідність у видаткових компонентах, інерція запуску (за деякими даними до однієї хвилини), значне тепловиділення, великі габарити, вихід відпрацьованих компонентів активного середовища. Такі лазери можуть бути розміщені тільки на великих носіях.
Зараз найбільші перспективи мають твердотілі і волоконні лазери, для роботи яких необхідно лише забезпечити їх електроенергією достатньої потужності. Військово-морські сили США активно опрацьовують технологію лазера на вільних електронах. До важливих переваг волоконних лазерів можна віднести їх масштабованість, тобто можливість об’єднувати декілька модулів для отримання більшої потужності. Важлива і зворотний масштабованість, якщо створено твердотільний лазер потужністю 300 кВт, то напевно його основі може бути створений менш габаритний лазер потужністю, наприклад, 30 кВт.
Яка ситуація з волоконними і твердотільними лазерами в Росії? Наука СРСР у частині розробки та створення лазерів була найбільш передовою в світі. На жаль, розвал СРСР змінив все. Одна з найбільших в світі компаній по розробці і виробництву волоконних лазерів IPG Photonics заснована вихідцем з Росії В. П. Гапонцевым на базі російської компанії НТТ «ІРЕ-Полюс». Зараз головна компанія IPG Photonics зареєстрована в США. Незважаючи на те, що одна з найбільших виробничих майданчиків IPG Photonics розташована в Росії (Фрязіно, Московська область), компанія діє в рамках законодавства США і її лазери не можуть застосовуватися у збройних силах РФ, в тому числі компанія повинна виконувати накладені на Росію санкції.
Разом з тим можливості волоконних лазерів, вироблених IPG Photonics, надзвичайно високі. Волоконні лазери безперервної випромінювання високої потужності компанії IPG володіють діапазоном потужності від 1 кВт до 500 кВт, а також широким спектром довжин хвиль, ККД перетворення електричної енергії в оптичну доходить до 50 %. Параметри випромінювання волоконних лазерів IPG набагато перевершують інші лазерів великої потужності.
Лазерное оружие: технологии, история, состояние, перспективы. Часть 1 оружие
Волоконний лазер YLS потужністю 100 кВт виробництва IPG Photonics, за запитом доступні рівні потужності до 500 кВт
Є в Росії інші розробники і виробники сучасних потужних волоконних і твердотільних лазерів? Якщо судити по комерційним зразкам, то ні.
Вітчизняний виробник у промисловому сегменті пропонує газові лазери потужністю максимум десятки кВт. Наприклад, компанія «Лазерні системи» в 2001 році представила киснево-йодний лазер потужністю 10 кВт з хімічної ефективністю, перевищує 32%, що є найбільш перспективним компактним автономним джерелом потужного лазерного випромінювання цього типу. Теоретично киснево-йодні лазери можуть досягати потужності до одного мегавата.
Разом з тим не можна повністю виключати, що вітчизняним вченим вдалося зробити прорив у якомусь іншому напрямі створення потужних лазерів, заснований на глибокому розумінні фізики лазерних процесів.
У 2018 році президент Росії Володимир Путін анонсував лазерний комплекс «Пересвіт», призначений для вирішення завдань протиракетної оборони і поразки орбітальних апаратів супротивника. Дані про комплексі «Пересвіт» засекречені, включаючи тип використовуваного лазера (лазерів?) і оптичну потужність.
Можна припустити, що найбільш імовірним кандидатом для установки в цей комплекс є газодинамічний лазер, нащадок лазера, що розробляється для програми А-60. У цьому випадку оптична потужність лазера комплексу «Пересвіт» може становити 200-400 кіловат, в оптимістичному сценарії до 1 мвт. В якості іншого кандидата можна розглянути раніше згаданий киснево-йодний лазер.
Якщо виходити з цього, то з боку кабіни основної машини комплексу «Пересвіт» імовірно послідовно розташовані – дизельний або бензиновий генератор електричного струму, компресор, відсік зберігання хімічних компонент, лазер з системою охолодження, система наведення лазерного променя. Ніде не видно РЛС або ОЛС виявлення цілей, що передбачає зовнішнє цілевказування.
Лазерное оружие: технологии, история, состояние, перспективы. Часть 1 оружие
Лазерний комплекс «Пересвіт»
У будь-якому випадку ці припущення можуть виявитися помилковими, як у зв’язку з можливістю створення вітчизняними розробниками принципово нових лазерів, так і у зв’язку з відсутністю достовірної інформації щодо оптичної потужності комплексу «Пересвіт». Зокрема, у пресі проскакувала інформація про наявність у складі комплексу «Пересвіт» малогабаритного ядерного реактора, в якості джерела енергії. Якщо це дійсно так, то конфігурація комплексу та можливі характеристики можуть бути зовсім іншими.
Якої потужності потрібен лазер, щоб його можна було ефективно застосовувати у військових цілях як засіб поразки? Багато в чому це залежить від передбачуваної дальності застосування і характеру розбито цілей, а також способу їх ураження.
У складі комплексу бортовий самозахисту «Вітебськ» присутній станція активних перешкод Л-370-3С. Вона здійснює протидію подлетающим ракет супротивника з тепловою головкою самонаведення шляхом засліплення інфрачервоним лазерним випромінюванням. З урахуванням габаритів станції активних перешкод Л-370-3С, потужність лазерного випромінювача становить максимум кілька десятків ватів. Цього навряд чи достатньо для знищення теплової головки самонаведення ракети, але цілком достатньо для тимчасового засліплення.
Лазерное оружие: технологии, история, состояние, перспективы. Часть 1 оружие
Станція активних перешкод Л-370-3С
В ході випробувань комплексу А-60 з лазером потужністю 100 кВт дивувалися мішені Л-17, представляють аналог реактивного літака. Дальність ураження невідома, можна припустити, що вона становила близько 5-10 км.
Приклади випробувань зарубіжних лазерних комплексів:
В ході випробувань американського повітряного лазерного комплексу Boeing YAL-1 були знищені балістичні ракети-мішені. Одна ракета-мішень з рідинним ракетним двигуном, друга твердопаливна, дальність стрільби на випробуваннях склала близько 100 км.
На випробувальному полігоні в Шробенхаузене компанією Rheinmetall були проведені випробування лазерної установки потужністю 20 кВт, що знищує безпілотний літальний апарат (БПЛА) на відстані 500 метрів за 3,39 секунди.
Бойова броньована машина Армії США «Страйкер», оснащена мобільним високоенергетичним лазером (Mobile High-Energy Laser, MEHEL) потужністю 5 кВт, вразила невеликий БЛА на полігоні Графенвер в Німеччині (земля Баварія)
В ході понад 100 випробувань ізраїльська лазерна система ПРО «Керен Барзель» у квітні 2014 р. система вразила 90% цілей (міни, снаряди, БПЛА) показала працездатність (Proof Of Concept), було проведено понад 100 випробувань. Потужність застосовуваного лазера становить кілька десятків кіловат.
Компанія «Боїнг» спільно з Армією США провели випробування перспективного бойового лазера HEL MD. Незважаючи на погану погоду – сильний вітер, дощ і туман – 10-кіловатна установка успішно вразила кілька повітряних цілей на авіабазі Еглін у Флориді».
Попереднє випробування комплексу проводилися в 2013 р. на полігоні Уайт-Сендз, штат Нью-Мексико. Тоді лазер вразив понад 90 мінометних снарядів, і кілька БПЛА. В цілому за два випробування HEL MD вразив 150 повітряних цілей, включаючи 60-міліметрові мінометні снаряди і БЛА. У планах компанії – збільшення потужності комплексу до 50-60 квт і вдосконалення системи енергозабезпечення лазерної установки.
Лазерное оружие: технологии, история, состояние, перспективы. Часть 1 оружие
Бойовий лазер HEL MD
[

Випробування бойового лазера HEL MD
Виходячи з викладеного, можна припустити:
— для ураження малих БПЛА на дальності 1-5 кілометрів необхідний лазер потужністю 2-5 кВт;
— для ураження некерованих мін, снарядів, і високоточних боєприпасів на дальності 5-10 кілометрів необхідний лазер потужністю 20-100 кВт;
— для ураження цілей типу літака або ракети на дальності 100-500 км необхідний лазер потужністю 1-10 МВт.
Лазери зазначених потужностей або вже існують, або будуть створені в осяжній перспективі. Які зразки лазерного озброєння в недалекому майбутньому можуть використовуватися військово-повітряними силами, наземними військами і флотом, розглянемо в продовженні цієї статті.
Автор:Андрій МитрофановИспользованы фотографии:habr.com, buran.ru, airwar.ru, MilitaryRussia.Ru, ipgphotonics.com, bastion-karpenko.ru, russianarms.ru, arms-expo.ru