Авиационные бортовые комплексы обороны на базе газодинамических лазеров для ВКС России
Активная оборона
Вопросы необходимости оснащения отечественных самолётов и вертолётов боевой и вспомогательной авиации комплексами бортовой самообороны от атакующих боеприпасов, ракет «воздух-воздух» (В-В) и зенитных управляемых ракет (ЗУР) противника неоднократно поднимались автором на страницах Военного обозрения.
В данном случае подразумеваются именно комплексы, обеспечивающие физическое уничтожение атакующих боеприпасов, а не их подавление, например, средствами радиоэлектронной борьбы (РЭБ) или их увод в сторону с помощью выбрасываемых или буксируемых ловушек.
Существуют различные способы реализации комплексов бортовой самообороны авиационной техники, например, с помощью малогабаритных перехватчиков «воздух-воздух», по сути представляющих собой ракеты В-В с уменьшенной дальностью и габаритами – об этом мы ранее говорили в материале Авиационные противоракеты воздух-воздух.
Изображение концепта противоракеты В-В MSDM в сравнении с ракетами В-В малой и средней дальности
В принципе, в качестве противоракет можно использовать и обычные ракеты «воздух-воздух», обладающие необходимой чувствительностью ГСН, которая должна быть способна захватывать атакующие ракеты противника. Однако эффективнее создавать противоракеты В-В как отдельный класс вооружений, из-за специфики поражаемых целей и необходимости перехвата их на относительно небольшой дальности – противоракеты можно сделать меньше и легче, чем ракеты «воздух-воздух».
Для тяжёлых самолётов бомбардировочной, транспортной и вспомогательной авиации могут быть реализованы комплексы ближней обороны на базе скорострельных автоматических пушек и снарядов с дистанционным подрывом на траектории – об этом мы также ранее говорили в материале Возвращение «небесных крепостей»: авиационный стрелково-пушечный комплекс бортовой обороны.
Проблема в том, что бортовые комплексы самообороны на базе скорострельных автоматических пушек можно размещать только на крупных дозвуковых самолётах.
Также ранее мы рассматривали такое направление, как комплексы активной защиты авиационной техники (КАЗ АТ), обеспечивающие поражение атакующих ракет противника с помощью шрапнельных боеприпасов или неуправляемых боеприпасов с дистанционным подрывом на траектории. Потенциально КАЗ АТ могут быть созданы на базе упомянутого выше бортового комплекса обороны Л-370 «Витебск» или на базе каких-либо КАЗ для наземной техники.
Комплексы активной защиты авиационной техники вряд ли смогут защитить от тяжёлых ЗУР большой дальности, типа ракет семейства 48Н6 комплекса С-400 с их могучей боевой частью массой 150-180 килограмм – на предполагаемой дальности работы КАЗ АТ подрыв таких ЗУР, скорее всего, всё равно повредит или уничтожит защищаемый летательный аппарат, но от ЗУР и ракет «воздух-воздух» с малоразмерной боевой частью или атакующих методом прямого попадания «hit-to-kill» КАЗ АТ могут быть вполне эффективны.
Концепт интегрируемого в конструкцию летательного аппарата авиационного КАЗ с управляемыми боеприпасами от Northrop Grumman Corporation – возможно, что он уже реализован на стратегическом бомбардировщике B-21 Raider
Кстати, КАЗ АТ особенно были бы полезны сейчас в зоне проведения российской специальной военной операции (СВО) на Украине как средство защиты боевых вертолётов от FPV-дронов, переносных зенитных ракетных комплексов (ПЗРК) и противотанковых управляемых ракет (ПТУР).
Ну и наконец, одним из наиболее перспективных направлений является создание авиационных бортовых лазерных комплексов обороны (АБЛКО) – их основным преимуществом является условно неограниченный боекомплект и скорость света, с которой лазерный луч добирается до цели.
Когда говорят о лазерном оружии, то обязательно вспомнят о плохой погоде – дожде, снеге, тумане и дымовых завесах. Конечно, нельзя отрицать, что различные атмосферные явления препятствуют распространению лазерного излучения, однако их значение сильно преувеличено, ведь если через что-то не видит глаз, то это не значит, что оно непрозрачно для других диапазонов длин волн; есть такое понятие – окна прозрачности атмосферы, где её влияние на определённый диапазон длин волн минимально.
Что касается авиации, то при полётах на больших высотах для лазерного оружия возникают практически идеальные условия для применения: с одной стороны, имеется высокая прозрачность атмосферы, а с другой – набегающего потока воздуха достаточно для отвода от лазера избыточного тепла. Тем более необходимо учитывать, что мы планируем использовать лазерное оружие для самообороны от ЗУР и ракет «воздух-воздух», а не сбивать стартующие баллистические ракеты за тысячу километров (а в США замахивались и на такое).
Сила света
Эксперименты по размещению лазерного оружия на самолётах проводились ещё в ХХ веке, впрочем, тогда это были тяжёлые транспортные самолёты, поскольку только на них могли разместиться массивные химические или газодинамические лазеры того времени, и уже тогда была подтверждена возможность уничтожения с помощью лазеров ракет «воздух-воздух». Впрочем, размещение мощных газодинамических боевых лазеров на тяжёлых авиационных носителях и сейчас вполне оправдано для работы по живой силе и технике противника.
Изображение Лазеры и лазерные системы. Фотоника том 14 № 8 2020
Газодинамические СО2‑лазеры на горении получили свое развитие еще в 70-80‑е годы прошлого столетия. Лабораторные ГДЛ мегаваттного класса, разработанные в СССР и США, а также 400 кВт американский лазер того же типа вместе с системой управления лучом, установленный на летающей лаборатории ALL, впервые позволили практически проверить и оценить масштабность и сложность технологических проблем создания лазерного оружия... Лазеры и лазерные системы. Фотоника том 14 № 8 2020.
Однако уже в начале XXI века прогресс в создании мощных и компактных лазеров позволил начать рассматривать возможность их установки на самолёты и вертолёты тактической авиации. Прогресс в области лазерного оружия в первую очередь был связан с увеличением КПД и мощности твердотельных и волоконных лазеров, для которых не требуются дорогие и пожаро-взрывоопасные расходные материалы, как для химических лазеров, а питание осуществляется электрической энергией.
Именно в этом направлении в настоящее время сконцентрировали свои усилия ведущие державы планеты. В лидерах здесь США, Китай, Израиль, Великобритания и Франция. Какие-то работы ведутся в Турции, но здесь большой вопрос, чьего у них производства сами лазерные модули.
Вопреки мнению скептиков, прогресс в этом направлении идёт достаточно быстро, в частности, твердотельные лазеры мощностью в десятки киловатт, размещённые на колёсном шасси БТР Striker, уже проходят апробацию в армии США, вооружённые силы (ВС) Израиля сообщили о принятии на вооружения лазерных комплексов противовоздушной обороны, чья выходная мощность, предположительно, должна превышать 100 кВт, а в Китае представили корабельную пушку Лаосянь-1, с выходной мощностью в 250 кВт.
Что касается российских программ мощных твердотельных и волоконных лазеров, то здесь всё скрыто завесой секретности. Исходя из данных о разработках в этой области, публикующихся в открытых источниках, можно предположить, что мощность твердотельных и волоконных российских лазеров, которые будут применяться в перспективных комплексах противовоздушной обороны в ближайшей перспективе, составит порядка 25-50 кВт.
Пока ещё габариты лазерных комплексов позволяют уверенно говорить только о возможности их размещения на самолётах стратегической и транспортной авиации, в частности, существует вероятность того, что бортовой лазерный комплекс самообороны может быть установлен на новейшем американском стратегическом бомбардировщике B-21 Raider. Даже если в текущей конфигурации B-21 и не оснащён лазерным оружием, то, скорее всего, под него в конструкции зарезервировано место, а на турбореактивные двигатели (ТРД), установлены устройства отбора мощности и электрогенераторы.
Однако это лишь вопрос времени, со временем боевые лазеры гарантированно доберутся и до самолётов тактической авиации, причём это могут быть как встроенные решения, так и полностью автономные модульные комплексы, размещаемые на внешней подвеске.
Отдельно необходимо упомянуть проблему обеспечения лазерного оружия электроэнергией.
Сила тока
Коэффициент полезного действия (КПД) современных твердотельных лазеров высокой мощности в среднем составляет порядка 25 %, то есть для питания лазера мощностью 50 кВт необходимо 200 кВт электрической мощности.
На самом деле с получением таких мощностей на авиационной технике уже давно нет особых проблем, например, генераторы, установленные на валах ТРД американского самолёта дальнего радиолокационного обнаружения и управления (ДРЛОиУ) Е-3 Sentry, выдают порядка мегаватта электрической мощности – а ведь этому самолёту уже несколько десятков лет. Можно не сомневаться, что и с ТРД тактических боевых самолётов можно было бы выжать пару-другую сотен киловатт, если бы такая задача изначально закладывалась при их разработке, пусть даже и с некоторым увеличением массы самолёта в целом.
В наше время первичные и вторичные источники, а также преобразователи электроэнергии сделали огромный шаг вперёд, разумеется, во многом благодаря стремительно развивающимся электромобилям. Например, необходимость обеспечения быстрой зарядки электромобилей привела к развитию силовой электроники, в частности, в Китае уже появились зарядные станции мощностью свыше одного мегаватта(!).
Ёмкость аккумуляторов некоторых электромобилей Tesla составляет 100 кВт/ч при массе в 900 килограмм, то есть такой аккумулятор обеспечит где-то полчаса непрерывной работы лазера мощностью 50 кВт, обладающего КПД 25 %. Постепенно увеличивается КПД и удельная мощность (на единицу массы) электродвигателей и электрогенераторов – последние активно развиваются не только в электромобилях и электрических летательных аппаратах, но и в рамках «зелёной энергетики», как бы её ни ругали сторонники традиционных способов генерации.
Цепочка преобразований
Есть два варианта размещения боевых лазеров на авиационных носителях, из которых первый – это размещение лазерного излучателя и аккумуляторов для его питания на внешней подвеске существующих авиационных носителей.
Второй вариант – это глубокая интеграция лазерного оружия, включая источники электроэнергии для него, в конструкцию перспективных, разрабатываемых и глубоко модернизируемых авиационных комплексов, причем аккумуляторы в составе такого интегрированного боевого лазерного комплекса всё равно, скорее всего, будут присутствовать в качестве буфера между генератором и лазерным излучателем.
Второй вариант всегда будет иметь преимущества по мощности и времени работы, в то время как первый вариант потенциально позволит охватить куда больший спектр авиационных комплексов.
Необходимо отметить, что во втором варианте у нас имеется цепочка преобразований с потерей КПД – энергия вала ТРД преобразуется генератором в электрическую энергию, после чего запасается в буферном аккумуляторе и лишь затем преобразуется в лазерное излучение, и если мы говорим о лазере с КПД 25 %, то при 80 % КПД электрогенератора и суммарном КПД 80 % заряда-разряда аккумуляторов (с учётом высоких токов и сложных температурных режимов), то итоговый КПД получится всего 16 %.
С другой стороны, КПД перспективных твердотельных лазеров может превышать 70 %, а КПД генераторов и аккумуляторов может превышать 90 %, в этом случае суммарный КПД составит уже свыше 60 %, что весьма и весьма немало.
Вместе с тем, учитывая возможные риски отставания нашей страны в вопросе создания боевых лазерных комплексов на основе твердотельных лазеров, а также сопутствующих изделий – компактных и мощных электрогенераторов и ёмких высокотоковых аккумуляторов, целесообразно рассмотреть иные варианты оснащения отечественных боевых самолётов лазерным оружием, в частности, перейти на прямое преобразование энергии ТРД в лазерное излучение.
Прямое преобразование
Одно из направлений создания лазерного оружия, в котором наша страна добилась неплохих результатов ещё в период СССР, являются упомянутые выше газодинамические лазеры, в которых энергия газов, разогнанных до сверхзвуковой скорости в ТРД, напрямую преобразуется в лазерное излучение.
Изображение Фотоника том 14 № 8 2020
Применение таких лазеров на наземных носителях не очень удобно из-за того, что для каждого такого лазера необходима дорогостоящая и сложная в обслуживании газовая турбина, однако на боевых самолётах ТРД установлены «по умолчанию». Таким образом, осуществив отбор части газов, выходящих из ТРД самолётов боевой и вспомогательной авиации, можно направить их для генерации лазерного излучения в интегрированных бортовых лазерных комплексах обороны.
Эта идея принадлежит вовсе не автору данного материала – предложение по реализации бортовых лазерных комплексов на базе газодинамических лазеров, путём отбора части мощности ТРД, было опубликовано в издании «Фотоника» том 14 № 8 за 2020 год.
...существуют варианты ГДЛ, где в качестве окислителя используется воздух, подаваемый из окружающей среды компрессором авиационного газотурбинного двигателя (ГТД), где основной по массе (более 95 %) компонент топлива берется из атмосферы. Это позволяет существенно сократить систему хранения компонентов, поскольку возимый запас включает в себя только горючее, доля которого в общем расходе не превышает 5 %. Такой лазер видится достаточно перспективным для размещения его на летательных аппаратах... Лазеры и лазерные системы. Фотоника том 14 № 8 2020.
Изображение Лазеры и лазерные системы. Фотоника том 14 № 8 2020
...представлены выходные энергетические характеристики ГДЛ на топливной композиции «керосин-воздух» на базе двух самолетных двигателей АЛ‑31Ф. Видно, что при использовании двух двигателей с высокой степенью повышения давления и большим расходом даже при отборе всего 5 % воздуха можно получить мощность лазера в неохлаждаемом варианте соплового блока (температура в форкамере лазера не более 1500 К) порядка 80 кВт. При использовании охлаждаемых сопловых лопаток и температуре в форкамере порядка 2000 К мощность можно увеличить до 135 кВт… Лазеры и лазерные системы. Фотоника том 14 № 8 2020.
Выводы
Конечно, с высокой вероятностью среди боевых лазеров ближайшего будущего будут доминировать лазеры, питание которых осуществляется электрическим током – такие изделия наиболее просты в эксплуатации, их относительно легко можно масштабировать и размещать на самых разнообразных носителях. В то же время газодинамические лазеры вполне могут быть востребованы в авиации, где рабочее тело, необходимое для их накачки, образуется «естественным» путём.
Тематика боевых лазеров в нашей стране является достаточно закрытой, так что достоверно судить о состоянии дел в этом направлении сложно, но в том случае, если у нас отсутствуют близкие к принятию на вооружение твердотельные мощные боевые лазеры (порядка сотни киловатт), следует вновь вернуться к тематике газодинамических лазеров применительно к их интеграции в существующие, глубоко модернизируемые и перспективные авиационные комплексы.
Основной проблемой является то, что интеграция должна происходить на самом раннем этапе, и в ней должны участвовать не только разработчики самолётов или вертолётов, оснащаемых газодинамическим лазерным оружием, но и разработчики ТРД, от которых эти лазеры будут получать накачку.
Возможно, что где-то здесь может быть размещён АБЛКО на базе газодинамического лазера, получающего накачку от двух ТРД истребителя
Разумеется, никому лишние хлопоты не нужны, поэтому появление бортовых лазерных комплексов обороны на базе глубоко интегрированных газодинамических лазеров возможно только при условии активной заинтересованности в этом Воздушно-космических сил Российской Федерации.
Информация