Лазерное оружие в космосе. Особенности эксплуатации и технические проблемы
Распространённым является мнение, что наилучшей средой для использования лазерного оружия (ЛО) является космическое пространство. С одной стороны, это логично: в космосе лазерное излучение может распространяться практически без помех, вызываемых атмосферой, погодными условиями, естественными и искусственными препятствиями. С другой стороны, есть факторы, которые существенно усложняют использование лазерного оружия в космосе.
Особенности эксплуатации лазеров в космосе
Первое препятствие на пути применения мощных лазеров в космическом пространстве — это их КПД, который составляет до 50% у лучших изделий, оставшиеся 50% идут на нагрев лазера и окружающего его оборудования.
Даже в условиях атмосферы планеты – на земле, на воде, под водой и в воздухе, возникают проблемы с охлаждением мощных лазеров. Тем не менее, возможности по охлаждению оборудования на планете гораздо выше, чем в космосе, поскольку в вакууме передача излишков тепла без потери массы возможна только с помощью электромагнитного излучения.
На воде и под водой охлаждение ЛО организовать проще всего – его можно осуществлять забортной водой. На земле можно использовать массивные радиаторы с отводом тепла в атмосферу. Авиация для охлаждения ЛО может использовать набегающий поток воздуха.
В космосе для отвода тепла используют холодильники-излучатели в виде соединенных в цилиндрические или конические панели оребренных трубок с циркулирующим в них теплоносителем. С увеличением мощности лазерного оружия возрастают размеры и масса холодильников-излучателей, которые необходимы для его охлаждения, причём, масса и особенно габариты холодильников-излучателей могут значительно превышать массу и размеры самого лазерного оружия.
В советском орбитальном боевом лазере «Скиф», который планировали выводить на орбиту сверхтяжёлой ракетой-носителем «Энергия», должен был использоваться газодинамический лазер, охлаждение которого скорее всего осуществлялось бы выбросом рабочего тела. Кроме того, ограниченный запас рабочего тела на борту вряд ли мог обеспечить возможность длительной работы лазера.
Изделие 17Ф19ДМ «Полюс» (Скиф-ДМ) — динамический макет боевой лазерной орбитальной платформы «Скиф»
Источники энергии
Второе препятствие — это необходимость обеспечения лазерного оружия мощным источником энергии. Газовую турбину или дизельный двигатель в космосе не развернёшь им нужно много топлива и ещё больше окислителя, химические лазеры с их ограниченными запасами рабочего тела не самый оптимальный выбор для размещения в космосе. Остаётся два варианта – обеспечить электропитанием твердотельный/волоконный/жидкостный лазер, для чего могут использоваться солнечные батареи с буферными аккумуляторами или ядерные энергетические установки (ЯЭУ), или использовать лазеры с прямой накачкой осколками деления ядерной реакции (лазеры с ядерной накачкой).
Схема реактора-лазера
В рамках работ, проводимых в США по программе Boing YAL-1, для поражения межконтинентальных баллистических ракет (МБР) на расстоянии 600 километров предполагалось использовать лазер мощностью 14 мегаватт. Фактически была достигнута мощность порядка 1 мегаватта, при этом были поражены учебные цели на расстоянии порядка 250 километров. Таким образом на мощность порядка 1 мегаватт можно ориентироваться как на базовую для космического лазерного оружия, способного, к примеру, работать с низкой опорной орбиты по целям на поверхности Земли или по относительно удалённым целям в космическом пространстве (мы не рассматриваем ЛО, предназначенное для «засветки» датчиков).
При КПД лазера 50% для получения 1 МВт лазерного излучения необходимо подвести к лазеру 2 МВт электрической энергии (на самом деле больше, поскольку надо ещё обеспечивать работу вспомогательного оборудования и системы охлаждения). Можно ли получить такую энергию с помощью солнечных батарей? К примеру, солнечные панели, установленный на Международной космической станции (МКС), вырабатывают от 84 до 120 кВт электроэнергии. Размеры солнечных панелей, требуемых для получения указанной мощности, легко оценить по фотоизображениям МКС. Конструкция, способная обеспечить питанием лазер мощностью 1 МВт, будет иметь огромные размеры и минимальную мобильность.
Международная космическая станция
Можно рассмотреть в качестве источника питания мощного лазера на мобильных носителях аккумуляторную сборку (она в любом случае потребуется как буфер для солнечных батарей). Энергетическая плотность литиевых аккумуляторов может достигать 300 Вт*ч/кг, то есть для обеспечения лазера мощностью 1 МВт, имеющего КПД 50%, электроэнергией на 1 час непрерывной работы необходимы аккумуляторные батареи массой порядка 7 тонн. Казалось бы, не так уж и много? Но с учётом необходимости закладки несущих конструкций, сопутствующей электроники, устройств поддержания температурного режима аккумуляторов, масса буферного аккумулятора составит примерно 14-15 тонн. Кроме того, возникнут проблемы с эксплуатацией аккумуляторов в условиях перепадов температур и космического вакуума – значительная часть энергии будет «съедаться» на обеспечение жизнедеятельности самих аккумуляторов. Хуже всего то, что выход из строя одной аккумуляторной ячейки может привести к выходу из строя, а то и взрыву, всей батареи аккумуляторов, заодно вместе с лазером и космическим аппаратом-носителем.
Использование более надёжных накопителей энергии, удобных с точки зрения их эксплуатации в космосе, скорее всего приведёт к ещё большему росту массы и габаритов конструкции из-за их меньшей энергетической плотности из расчёта Вт*ч/кг.
Тем не менее, если мы не предъявляем к лазерному оружию требования по многочасовой работе, а применяем ЛО для решения специальных задач, возникающих один раз в несколько суток, и требующих продолжительности работы лазера не более пяти минут, то это повлечёт за собой соответствующее упрощение аккумуляторной батареи. Подзарядка аккумуляторов может осуществляться от солнечных панелей, размеры которых будут одним из факторов, ограничивающих частоту применения лазерного оружия.
Более радикальное решение – использования ядерной энергетической установки. В настоящее время на космических аппаратах используют радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РИТЭГ). Их преимуществом является относительная простота конструкции, недостатком низкая электрическая мощность, составляющая в лучшем случае нескольких сотен ватт.
РИТЭГ GPHS-RTG использовался на солнечном зонде «Улисс», зондах «Галилео», «Кассини-Гюйгенс», «Новые горизонты», содержит 7,8 кг плутония-238, выдаёт 4400 Вт тепловой мощности и 300 Вт электрической
В США проходит испытания прототип перспективного РИТЭГа Kilopower, в котором в качестве топлива используется Уран-235, для отвода тепла применяются натриевые тепловые трубки, а конвертация тепла в электроэнергию осуществляется с помощью двигателя Стирлинга. В прототипе реактора Kilopower мощностью 1 киловатт достигнут достаточно высокий КПД порядка 30% Финальный образец ядерного реактора Kilopower должен беспрерывно производить 10 киловатт электроэнергии в течении 10 лет.
Схема конструкции реактора Kilopower
Прототип ядерного реактора Kilopower мощностью 1 кВт
Схема питания ЛО с одним-двумя реакторами Kilopower и буферным накопителем энергии уже может быть работоспособной, обеспечивая периодическую работу лазера мощностью 1 МВт в боевом режиме продолжительностью около пяти минут, с периодичностью один раз в несколько суток, через буферный аккумулятор.
В России создаётся ЯЭУ электрической мощностью порядка 1 МВт для транспортно-энергетического модуля (ТЭМ) а также термоэмиссионные ЯЭУ на базе проекта «Геркулес» электрической мощностью 5-10 МВт. Ядерные энергетические установки такого типа могут обеспечивать питания лазерного оружия уже без посредников в виде буферных аккумуляторов, однако их создание, сталкивается с большими проблемами, что в принципе неудивительно, учитывая новизну технических решений, специфику среды эксплуатации и невозможность проведения интенсивных испытаний. Космические ЯЭУ — это тема отдельного материала, к которой мы ещё обязательно вернёмся.
Концепт транспортно-энергетического модуля с ядерной энергетической установкой. Необходимость охлаждения ЯЭУ и защиты экипажа/оборудования от радиоактивного излучения диктует свои требования к размерам конструкции
Как и в случае обеспечения охлаждения мощного лазерного оружия, применение ЯЭУ того или иного типа также выдвигает повышенные требования к охлаждению. Холодильники-излучатели являются одними из самых значительных по массе и габаритам элементами энергетической установки, доля их массы в зависимости от типа и мощности ЯЭУ может составлять от 30% до 70%.
Требования по охлаждению могут быть снижены уменьшением частоты и продолжительности работы лазерного оружия, и применением относительно маломощных ЯЭУ типа РИТЭГ, подзаряжающих буферный накопитель энергии.
Особняком стоит размещение на орбите лазеров с ядерной накачкой, которым не требуются внешние источники электроэнергии, поскольку накачка лазера осуществляется напрямую продуктами ядерной реакции. С одной стороны, лазерам с ядерной накачкой также потребуются массивные системы охлаждения, с другой стороны схема прямого преобразования ядерной энергии в лазерное излучение может быть проще, чем с промежуточным преобразованием выделяемого ядерным реактором тепла в электрическую энергию, что повлечёт за собой соответствующее снижение габаритов и массы изделия.
Таким образом, отсутствие атмосферы, препятствующей распространению лазерного излучения на Земле, существенно усложняет конструкцию космического лазерного оружия, в первую очередь в части систем охлаждения. Ненамного меньшей проблемой является обеспечение космического лазерного оружия электроэнергией.
Можно предположить, что на первом этапе, ориентировочно в тридцатых годах XXI века, в космосе появится лазерное оружие, способное функционировать ограниченное время – порядка нескольких минут, с необходимостью последующей подзарядки накопителей энергии в течение достаточно продолжительного периода, продолжительностью в нескольких дней.
Таким образом, в ближайшей перспективе ни о каком массовом применении лазерного оружия «против сотен баллистических ракет» говорить не приходится. Лазерное оружие с расширенными возможностями появится не ранее, чем будут созданы и отработаны ЯЭУ мегаваттного класса. И стоимость космических аппаратов такого класса сложно предсказать. Кроме того, если говорить о боевых действиях в космосе, то существуют технические и тактические решения, способные во многом снизить эффективность работы лазерного оружия в космосе.
Тем не менее, лазерное оружие, даже ограниченное по времени непрерывной работы и частоте использования, может стать важнейшим инструментом для ведения боевых действий в космосе и из космоса.
Информация