Микроволновка в 100 гигаватт против спутников
Ну вот, вслед за российскими изобретателями в гонку вооружений пошли китайцы. По крайней мере, на страницах СМИ.
Да, компактный импульсный источник энергии может обеспечить мощные микроволновые удары, менее заметные и труднее отслеживаемые, чем обычные противоспутниковые системы, что способно вывести Китай вперед США и России в гонке космических вооружений. И вроде бы Китай разработал новую военную технологию, которая однажды может быть использована для вывода из строя спутниковых сетей, таких как Starlink, говорится в недавно опубликованных материалах в китайской прессе.
Исследователи из Северо-Западного института ядерных технологий (NINT) — научного центра в Сиане, работающего на НОАК, утверждают, что создали самый компактный в мире источник питания для микроволнового оружия высокой мощности (HPM), систему, которую потенциально можно использовать для нарушения работы спутниковых сетей, таких как Starlink.
Здесь надо понимать, что в современных условиях создать компактный генератор волн любой длины и эффективную антенну для передачи этих волн на какие угодно расстояния – это не проблема. Проблема в источнике энергии, потому что потребление у любого такого устройства напрямую зависит от того, какой мощности сигнал и на какое расстояние надо отправить.
Устройство под названием TPG1000Cs имеет длину около четырех метров и весит примерно пять тонн, что делает его значительно более компактным по сравнению с аналогичными системами.
Система продемонстрировала устойчивую работу при непрерывной нагрузке в течение одной минуты, сформировав порядка 200 000 импульсов с неизменными характеристиками,
— говорится в исследовании.До сих пор известные аналогичные системы могли работать непрерывно не более нескольких секунд и были куда более громоздкими, из-за чего их было сложно устанавливать на более компактные образцы вооружений. Правда, это еще не говорит о том, что установка будет реально эффективна для применения в военной сфере.
Система TPG-1000Cs, согласно исследованию, может генерировать электрические импульсы мощностью до 20 гигаватт. Это значительно превышает приблизительно 1 гигаватт выходной мощности, который, по оценкам экспертов, необходим наземному микроволновому оружию, чтобы потенциально нарушать работу спутниковых сетей на низкой околоземной орбите, таких как Starlink.
Как это работает?
США, Россия и Китай изучают возможность превращения микроволновых технологий высокой мощности в оружие, способное выводить из строя спутники. Но стоит отметить, что активные работы по созданию наземного волнового оружия в качестве противоспутникового прекращены за бесперспективностью и в США, и в России еще на уровне 90-х годов прошлого века.
Однако за истекшие четверть века технологии шагнули вперед, и есть смысл продолжать. Так, по крайней мере, считают в Китае. Вообще генералы НОАК очень часто смотрят вверх, туда, где в космосе по орбитам несутся тысячи спутников, понимая, что от того, насколько быстро и качественно можно вырубить эти спутники, зависит очень многое.
Уничтожение спутников обычными вооружениями приводит к образованию крупных облаков космического мусора на орбите, который может угрожать другим космическим аппаратам, включая принадлежащие атакующей стороне.
Микроволновое оружие, напротив, теоретически может выводить из строя электронику, не создавая значительного количества обломков, что потенциально дает стратегические преимущества и, что немаловажно, возможность правдоподобно отрицать причастность.
Такое оружие накапливает электрическую энергию, а затем высвобождает ее в виде внезапного мощного импульса. Этот импульс создает интенсивное микроволновое излучение, которое может нарушать работу электронной начинки.
Исследование было опубликовано 13 января в китайском журнале High Power Laser and Particle Beams.
В последние годы Китай опубликовал ряд работ, в которых обсуждается необходимость разработки способов вывода из строя крупных спутниковых группировок, включая сеть «Старлинк» Илона Маска.
По словам исследователей, прорыв стал возможен благодаря специальному жидкому изоляционному материалу Midel 7131.
Применение жидкого диэлектрика высокой плотности энергии Midel 7131 и линии формирования импульсов с двойной шириной позволило миниатюризировать интегрированный трансформатор Тесла и систему формирования импульсов,
— написали ученые в исследовании.Это было начало. Работы шли дальше, правда, как это принято в Китае, в режиме полного радиомолчания. Но вот плотину где-то прорвало, и китайские учёные с обязательной приставкой «военные» в редкой публикации описали мощную микроволновую систему, способную выдавать до 100 гигаватт, что в сто раз превышает порог, достаточный для выведения из строя низкоорбитальных спутников, таких как «Старлинк».
Команда Национального университета оборонных технологий (NUDT) опубликовала в этом месяце в журнале High Power Laser and Particle Beams подробности нескольких импульсных генераторов, разработанных китайской армией за последние годы.
Среди них особенно выделяется устройство, способное достигать мощности 100 гигаватт, за счет комбинирования нескольких синхронизированных импульсных генераторов, как объясняют сами исследователи во главе с Чжан Цзюнем. Для сравнения: обычная бытовая микроволновая печь для разогрева еды создает микроволны мощностью примерно 800 ватт, то есть 0,0000008 ГВт.
Чтобы представить масштаб этой величины: эксперты считают, что импульс всего в 1 гигаватт уже способен вызвать серьезные помехи или прямые повреждения электроники спутника на низкой орбите. Описанная NUDT система увеличивает эту мощность в сто раз, причем авторы работы отмечают, что конструкция допускает дальнейшее масштабирование.
Надо отметить: «Способен вызвать помехи» не означает эффективности даже в 80%. Всё намного сложнее, чем хотелось бы.
Ключевое техническое решение, как говорится в статье, заключается в синхронизации нескольких компактных модулей импульсной мощности вместо того, чтобы полагаться на один единственный генератор, который упирается в ограничения по электрической мощности. Такая модульная архитектура, по словам ученых, позволяет каждому блоку работать почти на предельном режиме, не ухудшая работу комплекса в целом.
Структура выходного излучения микроволн высокой мощности High Power Laser Power Beam
Почему это вызывает тревогу у операторов крупных спутниковых группировок? Да потому, что Китай уже не раз демонстрировал, что слова в Поднебесной крайне редко расходятся с делом. Когда-то в корабельные электромагнитные катапульты никто не верил, а их уже ставят на УДК. И коль первая птичка пропела в начале года, когда в середине вышла вторая статья на эту тему, к ней уже было совсем другое внимание.
Как уже говорилось выше, в отличие от кинетического оружия, которое уничтожает спутники прямым ударом и создает облака обломков, опасные для любых аппаратов на орбите, включая спутники самого атакующего, микроволновое оружие воздействует на электронику без физического контакта. Это дает, по крайней мере в теории, двойное преимущество: низкие эксплуатационные затраты по сравнению со стоимостью орбитальных группировок, которые оно способно нейтрализовать, и возможность сохранить неопределенность относительно авторства атаки, чего обычные виды вооружений не позволяют.
Учитывая, что теория смотрится весьма уверенно, многие в мире задумались. Одно дело, когда Китай ракетой сбивает спутник, и другое дело, если он начнет их вырубать на орбите пачками. То, что товарищ Си отдаст такой приказ в случае чего, а случаи такие в мире случаются всё чаще, хоть и сильно западнее Китая, сомнений нет ни у кого.
Сама команда NUDT признает в статье, что ее цель — получить десятки гигаватт выходной мощности при строгих ограничениях по объему и массе, что является ключевым условием, если систему предстоит интегрировать на мобильные или корабельные платформы. Или — чем там дракон не шутит — на космическую платформу. 6-8 тонн — это, конечно, приличная нагрузка, но не смертельно невыполнимая. Но к космической теме мы чуть ниже обратимся.
В работе подробно описываются и другие решения, в частности твердотельные системы, рассчитанные на применение в разных условиях боевой обстановки, а также гибрид на основе литий-ионных конденсаторов, способный мгновенно активироваться при температурах до −40 °C.
Последнее нововведение особенно важно для подразделений радиоэлектронной борьбы, действующих в зимних или полярных условиях, где экстремальный холод обычно снижает эффективность энергетических систем.
Вообще, многие признают, что Китай имеет преимущество перед другими державами именно в этой области, и объясняют его многолетними непрерывными инвестициями в исследования высокомощных импульсов.
Другие страны, желающие догнать Китай, сталкиваются, как подчеркивается в статье, с такими препятствиями, как утрата промышленного потенциала, сокращение расходов на НИОКР и сложности с доступом к критически важным материалам, включая редкоземельные элементы.
Следующие этапы исследований, согласно статье, будут сосредоточены на повышении точности управления энергетическим пучком и на сокращении габаритов и стоимости таких систем — двух ключевых условий, необходимых, чтобы технология вышла за пределы лабораторий и получила более широкое применение.
Почему так? Всё просто: физика! Давайте немного посмотрим на природу микроволнового излучения в свете наших задач, а именно поджарить спутник в космосе.
Вообще приставка «микро» в словосочетании «микроволновое излучение» не предназначена для определения длины волны в микрометровом диапазоне. Создатели определения хотели подчеркнуть, что микроволны «маленькие», то есть имеют более короткие длины по сравнению с радиоволнами. А в целом там всё довольно условно, и сказать, какую часть микроволн используют китайцы, не возьмется никто.
Но тут есть лазейки, через которые можно и подглядеть.
Что вообще мы знаем о микроволнах, кроме того, что они неплохо подогревают еду в микроволновых печках? Главное — микроволны распространяются в пределах прямой видимости. В отличие от низкочастотных радиоволн, они не дифрагируют вокруг естественных препятствий, не следуют за земной поверхностью, как поверхностные волны, и не отражаются от ионосферы. Наземные микроволновые каналы связи ограничены визуальным горизонтом примерно до 64 км.
А что с поглощением? Всё хорошо: в верхней части диапазона микроволны поглощаются газами в атмосфере, ограничивая практическое расстояние связи примерно до километра. В нижней всё намного лучше, потому микроволны широко используются в беспроводных сетях, микроволновых радиорелейных сетях, радарах, спутниковой и космической связи, медицинской диатермии и лечении рака, дистанционном зондировании Земли, радиоастрономии, ускорителях частиц, спектроскопии, промышленном отоплении, системах предотвращения столкновений, устройствах открывания гаражных ворот и системы входа без ключа, а также самое, пожалуй, массовое: приготовление в микроволновках.
Да, в низкочастотном конце диапазона они могут проходить сквозь стены зданий, сохраняя достаточную мощность сигнала для приёма, но обычно требуют свободное пространство для ближней зоны приёма.
Но микроволны поглощаются, вот в чём проблема. Микроволны поглощаются водяным паром и туманом в атмосфере, и затухание увеличивается с увеличением частоты, становясь значительным фактором на высокочастотном конце диапазона.
Взаимодействие с молекулами воды. Водяной пар и капли жидкости в атмосфере, элементарно в облаках, прекрасно поглощают микроволновое излучение. Это происходит из-за того, что молекулы воды являются полярными: под действием переменного электрического поля волны они начинают вращаться и колебаться, что приводит к выделению тепла (так называемый диэлектрический нагрев).
Поглощение атмосферными газами. Начиная примерно с 40 ГГц, к поглощению начинают активно подключаться основные компоненты воздуха — молекулярный кислород и азот. У каждого газа есть свои спектральные линии поглощения, то есть определённые частоты, на которых взаимодействие максимально. Например, заметное поглощение молекулярным кислородом наблюдается около 118 ГГц.
Поглощение аэрозолями и каплями. Частицы пыли, аэрозоли и капли воды (в том числе в виде дождя или тумана) также могут поглощать микроволновое излучение.
Поглощение не одинаково на всём диапазоне. Оно растёт с увеличением частоты, особенно заметно в области выше 10 ГГц, а на частотах свыше 40 ГГц становится очень сильным.
Окна прозрачности. Существуют диапазоны частот, в которых атмосфера более прозрачна для микроволн. Например, в бытовых микроволновках используется частота около 2,45 ГГц, которая хорошо поглощается водой, но не так сильно газами воздуха.
Эффективное поглощение микроволн атмосферой накладывает ограничения на технологии их использования. Например, для спутниковой связи и радиорелейных линий на частотах выше 10 ГГц требуется учитывать потери сигнала из-за поглощения газами и влагой, что ограничивает дальность передачи. В метеорологических микроволновых радиометрах это свойство используется для дистанционного зондирования влажности атмосферы.
Таким образом, поглощение микроволн атмосферой — это сложный процесс, который определяется как физическими свойствами молекул, так и частотой излучения.
Тропосферное рассеяние. В пучке микроволнового излучения, направленном под углом в небо (что, в общем, нас интересует более всего), определенное количество энергии будет хаотически рассеиваться, когда луч проходит через тропосферу. Не стоит забывать и о магнитном поле Земли, которое также воздействует на частицы. Не сильно, но тем не менее.
Очевидно, что китайские военные ученые потратили не один год и не один миллиард юаней на то, чтобы найти максимально эффективные частоты, которые минимально зависят от природных явлений. Если нет, то все статьи, которые рассказывали о том, что «чудо-микроволновки», которые могут убрать с орбиты «Старлинк», не более чем хорошо сработанная дезинформация.
Атмосфера действительно очень хорошо рассеивает любые направленные потоки энергии. А за ней — магнитный пояс, который тоже вносит свою лепту. Когда-то две сильнейшие державы мира сошлись в схватке за космос. Военный космос. СОИ и всё такое. И в итоге выяснили, что пучок лазера даже в безвоздушном пространстве — не такое уж и оружие. А помеха с Земли порой не в состоянии пробиться через плотный слой облаков. И единственным действительно эффективным средством уничтожения спутников может быть только кинетическое оружие.
Прошло тридцать лет. Появились новые источники энергии, более компактные. Новые, более мощные генераторы. Новые антенны. Возможна ли такая их совокупность, которая играючи пробьет плотные слои атмосферы, преодолеет магнитное и гравитационное поля планеты и начнет жечь электронику спутников на орбите?
Для спутников на низких (300–350 км) орбитах — возможно. Высокие орбиты (от 1000 до 1500 км) — сомнительно. И к тому же относительно того, «кто бросил валенок на пульт»: такой излучатель, который сможет послать пучок излучения на 500 км через атмосферу за линию Кармана, незамеченным не останется. Более того, этот акт будет виден очень издалека, гигаваттная мощность незаметной не окажется. И ответ на вопрос «А кто спалил спутники?» не останется без ответа.
Вопросов много больше, чем ответов. Частично из-за того, что наши китайские соседи просто не привыкли баловать лишней информацией весь мир, даже если они и взаправду изобрели что-то «не имеющее аналогов в мире». Ну не принято у них так хвастаться. Зато если действительно что-то сделано – значит, сделано.
Несмотря на то, что некоторые аспекты смотрятся очень спорно, есть вероятность того, что эти упертые ребята из китайских оборонных НИИ действительно далеко продвинулись вперед в теме направленных излучений. Можно будет поздравить и позавидовать, если это действительно так.
Информация