Выжигание цели: развитие высокоэнергетических лазеров


Поскольку технология до сих пор развивается, мы пока не знаем насколько мощными будут лазеры, смогут ли они делать всё то, что обещают

Угрозы как ракет, артиллерии, минометов и БЛА, так и управляемого вооружения двигают разработки оборонительных систем лазерного оружия и направленной энергии вперед. Остается надеяться, что они станут высокоэффективными и недорогими средствами противодействия, самыми многообещающими достижениями военных технологий. Последние технологические прорывы сделали эти системы более доступным для военных разных стран.


Высокоэнергетические лазеры (ВЭЛ) долгое время были неотъемлемой частью научной фантастики до того, как был изобретен первый рабочий лазер в 1960 году, а теперь они находят многочисленные реальное применение в различных отраслях, науке, машиностроении, медицине и других. В конце 80-х годов прошлого века в период правления администрации Рейгана расходы Соединенных Штатов на исследования в области лазерного вооружения, а точнее на так называемую Стратегическую Оборонную Инициативу (СОИ), достигли 2,4 миллиарда долларов, но в последующее десятилетие резко сократились. Впрочем, в этом столетии ВЭЛ демонстрируют существенный прогресс, они становятся легкой и эффективной технологией для военных разных стран, которые видят в них хорошие перспективы в сфере защиты войск, особенно защиты передовых оперативных баз, авиабаз и других военных объектов от ракет, артиллерии, минометов и дронов. Современные коммерческие и военные мини-БЛА представляют собой угрозу, с которой очень трудно бороться обычным оборонительным системами вооружения. С другой стороны, необходима также защита своих БЛА, взять хотя бы заявление Ирана в 2011 году о том, что он сбил беспилотник RQ-170 SENTINEL.

Скорость, точность, время

В отличие от традиционных ракет, летающих на дозвуковых или сверхзвуковых скоростях, ВЭЛ доставляют энергию со скоростью света – 299338 км/с. Сравните со скоростью полета самых скоростных гиперзвуковых ракет – примерно 6115 км/ч. Для того чтобы «выпарить» цель, лазерная система должна быть достаточно мощной, она должна быть способна определенное время фокусировать свою энергию на небольшом пятне на объекте с целью его нагрева и дальнейшего разрушения или выведения из строя, при этом она должна вести сопровождение сразу нескольких целей. Весь этот процесс желательно выполнять с помощью компактной, переносной системы, предназначенной для работы на поле боя. Масса, размеры и энергопотребление подобной системы должны быть такими, чтобы ее можно было устанавливать не только на транспортное средство, но и как в случае с РПГ, вести огонь из нее с плеча.

Мощный боевой лазер должен быть достаточно прочен и надежен для работы в неблагоприятных окружающих условиях и при этом оставаться достаточно эффективным. Оптика лазера должна выдерживать удары и интенсивность излучения (поток излучения, полученный поверхностью на единицу площади), а система должна быть безопаснее даже самых безопасных химических ВЭЛ.

Американские достижения

Американская армия является основным конечным пользователем ВЭЛ и многое в этой области было создано в оборонных лабораториях США. Среди множества многообещающих разработок ВЭЛ есть лазеры на свободных электронах, коммерческие волоконные лазеры, твёрдотельные лазеры с диодной накачкой, а также жидкостные лазеры. Они представляют собой передний край высокотехнологичных исследований и разработок в оборонной сфере.

Компания Boeing разработала для американской армии твердотельный лазер. Мобильный демонстрационный образец высокоэнергетического лазера HEL MD (High Energy Laser Mobile Demonstrator) повышенной защищенности, устанавливаемый на тактические машины, предназначен для отслеживания и уничтожения ракет, мин, снаряд и дронов наземного пуска. Впервые он был испытан в ноябре 2013 года; тогда HEL MD успешно уничтожил или вывел из строя более 70 атакующих минометных мин и несколько БЛА.

В этой системе используется коммерческий твердотельный инфракрасный лазер мощностью 10 кВт, работающий на длине волны 1 микрон (большая часть лазеров высокой мощности работают в невидимой ИК-области спектра). Лазерная установка и система управления лучом устанавливаются на шасси грузового автомобиля, который был адаптирован для перевозки оборудования и системы охлаждения. В адаптивной (самонастраивающейся) оптической системе использованы зеркала, оптические сенсоры и мощные процессоры, которые позволяют быстро сформировать, направить и сфокусировать луч точно на цели.

И всё это в реальном времени; на весь процесс у лазерной установки в распоряжении есть всего несколько секунд, поскольку, некоторые цели, например мины, имеют относительно короткое время полета.

Выжигание цели: развитие высокоэнергетических лазеров

В 2011 году компания BAE Systems получила контракт стоимостью 2,8 миллиона долларов от ВМС США на демонстрацию тактической лазерной системы Tactical Laser System (TLS), которая может быть интегрирована в существующие корабельные установки

Высокие характеристики при любых условиях

При направлении на движущиеся цели ВЭЛ должны будут справляться с турбулентностью воздушных потоков, пылью и влажностью. Движение платформы и искажения лазерного луча, вызванные погодными и другими внешними условиями, с самого начала разработок являлись самыми серьезными проблемами. БЛА небольшого размера трудно обнаружить и, следовательно, трудно перехватить, особенно в сложных и меняющихся внешних условиях.

Компания Boeing успешно испытала свою установку HEL MD на полигоне Уайт-Сэндс в 2013 году в условиях жаркой и сухой местности с завихрениями тончайшей пыли, а в сентябре 2014 года провела еще одни испытания на авиабазе Эглин, но уже в условиях противоположных пустынным, в окружении болот и при высокой влажности. Во время ливня с ураганом и разрядами молнии система HEL MD, установленная на военный грузовик Oshkosh, смогла отследить и поразить несколько 60-мм мин и БЛА на дистанции 5 километров. Директор направления по системам направленной энергии в компании Boeing сообщил, что «учитывая ветреную, дождливую и туманную погоду во Флориде, эти стрельбы по целям стали для установки HEL MD с лазером мощностью 10 кВт самым сложным испытанием на сегодняшний день». Впрочем, для успешной работы в условиях повышенной облачности и тумана необходимо и дальше повышать мощность ВЭЛ.

В дальнейшем компания Boeing должна установить лазер мощностью 50 или 60 кВт в систему HEL MD. Лазеры мощностью 50 кВт и 100 кВт собственной разработки, установленные на последние варианты системы HEL MD, позволят увеличить эффективную дальность действия лазера, а также сократить время поражения цели. Лазеры также хорошо подходят для нейтрализации БЛА с оптическими сенсорами, используемых в качестве разведывательно-наблюдательных платформ. Лазерный луч с минимально необходимой мощностью, направленный на объективы камер и сенсоры, может ослепить их на больших дистанциях.

Корабельные установки

Прототип лазерного оружия для ВМС США рассматривается в качестве крайне необходимого средства борьбы с растущими угрозами на море – беспилотными и легкими летательными аппаратами, а также малоразмерными боевыми катерами. После многих лет разработки в 2009 году был совершен главный технологический прорыв, когда в море лазерной установкой LaWS (Laser Weapon System) американского флота впервые был захвачен на сопровождение и уничтожен БЛА. Научно-исследовательское управление ВМС (НИУ ВМС) разработало эту систему направленной энергии совместно с Командованием военно-морских систем ВМС, исследовательской лабораторией ВМС, Центром разработки надводного вооружения ВМС в Дальгрене и компанией Kratos Defense & Security Solutions. Две основные демонстрации были проведены в 2011 году, когда с эсминца лазер уничтожил несколько небольших лодок, а во время испытаний 2012 года установка LaWS сбила несколько беспилотных аппаратов.

Для испытаний в Персидском заливе, прошедших в середине 2014 года, улучшенный вариант LaWS, модернизированный в рамках программы НИУ ВМС, был установлен на десантный корабль PONCE ВМС США. Эти успешные испытания позволили флоту продолжить работы над лазерным вооружением. Система состоит из шести коммерческих волоконных лазеров и единого пульта контроля и управления, за которым сидит офицер надводных боевых действий. Для того чтобы вывести из строя или уничтожить цель, офицер наводит и включает лазер при помощи контроллера похожего на контроллер для видеоигр.

НИУ ВМС также возглавляет программу по твердотельному лазеру SSL-TM (Solid-State Laser-Technology Maturation). Совместно с компаниями Northrop Grumman, BAE Systems и Raytheon ведется разработка прототипов готовых к боевым действиям и недорогих систем LaWS для ракетных эсминцев и боевых кораблей прибрежной зоны, которые должны быть изготовлены в 2016 году. В феврале 2015 года компания также выиграла контракт американского флота стоимостью 29,5 миллионов долларов на изготовление прототипа подсистемы управления лучом высокой мощности HP BCSS (High Power Beam Control Subsystem), совместимой с ВЭЛ.

В июне 2015 года ВМС США выразили намерение оборудовать свои новые авианосцы класса GERALD R. FORD менее дорогим, чем существующие корабельные ракеты противовоздушной обороны (например, ESSM [Evolved SEA SPARROW Missile] и RAM [Rolling Airframe Missile]), лазерным вооружением общим напряжением 13800 вольт, что на 300% больше выработки электроэнергии кораблей класса NIMITZ. Нынешние лазерные технологии требуют для себя большого количества электроэнергии на борту, они громоздки, но прогресс не стоит на месте, появляются меньшие по размерам системы с меньшим энергопотреблением.


Для сопровождения целей и настройки лазерного луча в высокоэнергетическом лазере компании MBDA применяется четырехканальная зеркальная оптика с высокой чувствительностью

Менее 10 долларов за выстрел

Основное преимущество ВЭЛ по сравнению с традиционным кинетическим оружием заключается в его стоимости. В то время как разработка ВЭЛ стоит миллионы, после поступления на вооружение эти системы имеют низкие эксплуатационные расходы по сравнению с традиционными баллистическими и управляемыми боеприпасами. Чтобы сбить БЛА, установке ВЭЛ необходимо дизельного топлива на 1-5 долларов, тогда как ракета стоит 100000 долларов и более. По словам руководителя по системам направленной энергии в компании Boeing «недорогая ракета стоит сто тысяч и это один пуск. Однократное прицельное включение лазерной пушки стоит менее 10 долларов».
Также лазеры могут значительно повысить оборонительные возможности надводных судов за счет почти неограниченного магазина, поскольку количество традиционных боевых средств на этих кораблях ограничено.

Волокно вперед

Волоконные лазеры, которые для западных стран в основном разрабатывает компания IPG Photonics, в настоящее время потребляют киловатты, что значительно меньше мегаваттных устройств, когда-то предназначавшихся для СОИ. Лазеры этого типа меньше по размерам, им также необходимо меньше энергии для поддержания характеристик луча. Хотя лазерные установки, работающие на топливе, способны выполнять свои задачи и наносить необходимый ущерб, они потребляют огромное количество энергии и они слишком громоздки для установки на воздушное судно или транспортное средство. Химические же лазеры эффективны и не нуждаются в электрической энергии, но почти также громоздки, как и лазерные установки, работающие на топливе. По этой причине разработка лазера воздушного базирования Airborne Laser (ABL) американских ВВС не получила своего продолжения, хотя в 2010 году он, благодаря своей хорошей оптической системе, смог уничтожить баллистическую ракету в полете.

Оптические волокна собирают оптическую энергию с продвинутых вариантов лазерных диодов (их дешевые аналоги используются в DVD-плейерах) и затем усиливают поток света до высокой мощности, конвертируя электрическую энергию в оптическую с коэффициентом полезного действия свыше 30% , что близко к КПД химических лазеров и вдвое больше КПД твердотельных лазеров – небольших и компактных, но не генерирующих достаточной мощности или не имеющих достаточной дальности действия. Кроме того, волоконные лазеры могут быстро рассеивать выделяющееся тепло, соответственно имеют больший срок службы и низкие эксплуатационные расходы. Электрофизики компании Boeing говорят, что «волоконный лазер способен нейтрализовать множество целей всего за две чашки топлива».

Европа впереди

Немецкая компания MBDA также разработала комбинированную систему с волоконным лазером мощностью 40 кВт. Первые ее испытания успешно прошли в октябре 2012 года, тогда лазером были уничтожены артиллерийские снаряды, буксируемые по воздуху на дистанции около 2 км. По сравнению со стрельбой обычными боеприпасами высокоточное наведение системы также снижает риск косвенного ущерба.

В июне компания MBDA сообщила о том, что на испытательном полигоне в Баварии свободнолетящий мини-БЛА через несколько секунд после старта был успешно захвачен, сопровожден и уничтожен лазерной установкой. Дрон, маневрировавший в целевом районе на дальности примерно 500 метров, после многоэтапной процедуры захвата на сопровождение был сбит лазерной установкой, в которой лучи от нескольких источников были объединены в один мощный луч.

На следующем этапе будет разработана мобильная демонстрационная установка-лазерная пушка с выходной мощностью 120 кВт, в которой будет использована отражательная оптика, например зеркальный телескоп Ньютона, где каждый лазерный модуль управляется свои собственным фокусирующим зеркалом, направляющим луч на одно большое основное зеркало. По данным MBDA, преимущество здесь заключается в том, что зеркала поглощают меньше энергии по сравнению с линзами, и поэтому без фундаментальных изменений выходная мощность оптической системы может быть значительно повышена.

Компания Rheinmetall инвестировала значительные средства в проектирование и разработку ВЭЛ и на выставке IDEX 2015 показала свою лазерную пушку установленную на бронетранспортер BOXER 8x8. В компании пояснили, что во время испытаний, проведенных в Швейцарии, установки ВЭЛ были интегрированы в три наземные платформы BOXER, БТР M113 APC и грузовой автомобиль Tatra 8x8. Во время демонстрации установка ВЭЛ на BOXER (сконфигурированная под идентичные по размерам и массе лазеры 5 кВт и 10 кВт) нейтрализовала крупнокалиберный пулемет, установленный на пикапе. Датчики, установленные на манекене, подтвердили, что во время всего процесса уровни лазерного излучения были удовлетворительными. Система противовоздушной обороны, состоящая из радара SKYGUARD и лазерной пушки, также продемонстрировала свою эффективность против совершенного нового набора целей – небольших винтокрылых БЛА, также известных как квадрокоптеры. Радар SKYGUARD выполнил обнаружение и идентификацию зависшего квадрокоптера, а установка ВЭЛ на машине BOXER захватила его на сопровождение и уничтожила. Компания Rheinmetall продемонстрировала, что ее 20-киловаттная лазерная установка (Mobile HEL Effector) на грузовике Tatra может нейтрализовывать или уничтожать радиоантенны, радары, системы энергоснабжения и даже системы вооружения с минимальным косвенным ущербом. С расстояния 2000 метров за несколько секунд были выведены из строя такие оптические устройства, как телескопические прицелы вооружения и дистанционно управляемые камеры. На примере своей установки ПВО Air Defence HEL компания Rheinmetall продемонстрировала возможности ВЭЛ в сценариях противовоздушной обороны. За четыре секунды демонстрационная лазерная установка мощностью 30 кВт уничтожила 82-мм минометную мину с дистанции 1000 метров. Также во время этой масштабной демонстрации в Швейцарии успешно были сбиты несколько реактивных БЛА.

ВЭЛ готовятся к боевой работе

Реальные конфликты, как например ракетные обстрелы израильской территории с Сектора Газа, становятся мощным стимулом дальнейших разработок в области ВЭЛ. Вот и компания Lockheed Martin создала свою систему ПВО ADAM (Area Defense Anti-Munitions), в которой, также как в прототипе HEL MD компании Boeing, используется лазер мощностью 10 кВт. В компании утверждают, что система может также уничтожать лодки, БЛА и ракеты небольшого калибра на дальностях до 1,5 км.

Компания Lockheed Martin также изготовила продвинутую высокоэнергетическую систему ATHENA (Advanced Test High Energy Asset), которая в марте 2015 года продемонстрировала свои возможности и вывела из строя работающий двигатель небольшого грузовика. При использовании такой же адаптивной (самонастраивающейся) оптики, как и в установке ABL, ATHENA может комбинироваться с еще одним волоконным лазером этой же компании, имеющим обозначение ALADIN (Accelerated Laser Demonstration Initiative).

В этом нет ничего особо нового, так как еще в октябре 2006 года компании Rafael и General Dyanmics Ordnance and Tactical Systems подписали лицензионное соглашение на поставку американским военным модуля THOR (вариант 7,62-мм/12,7-мм дистанционно управляемого боевого модуля Mini-SAMSON), который при помощи установленного на нем лазера с воздушным охлаждением может с безопасного расстояния уничтожать СВУ и другие взрывоопасные предметы.

Проект Endurance

В ноябре 2014 года компания Northrop Grumman Aerospace Systems получила контракт стоимостью 20,2 миллиона долларов от Управления перспективных исследований и разработок министерства обороны США (DARPA) на второй этап проекта Endurance. В его рамках к марту 2016 года будет разработан ВЭЛ, который сможет защищать воздушные суда от ракет «земля-воздух» с лазерным и инфракрасным наведением. На первый этап этого проекта подразделение Lockheed Martin по специальным системам получило контракт в 2013 году.

Ранее нынешняя программа Endurance была частью программы DARPA по оружию ВЭЛ, получившей имя EXCALIBUR. В рамках EXCALIBUR должны были быть разработаны когерентные оптические фазированные решетки для ВЭЛ-оружия, которое были бы в 10 раз легче и компактнее систем на химическом лазере. Теперь же по программе Endurance разрабатывается миниатюрный лазер для воздушных приложений с низкими эксплуатационными расходами. При разработке используются множество прорывных технологий для миниатюризации компонентов, высокоточного сопровождения целей, идентификации целей, контроля луча и управляющей электроники. Конечная цель заключается в создании ВЭЛ в подвесном контейнере для пилотируемых и беспилотных аппаратов, а также легкой оптической системы формирования и управления лучом для грубого и точного сопровождения движущихся целей.


Компания Rheinmetall успешно испытала свой новый демонстрационный образец лазерной установки мощностью 50 кВт, уничтожив два беспилотника на дистанции 2 километра


Системы управления лучом для лазеров средней мощности появились в конце 60-х конце 70-х годов. В первых лабораторных системах лучи генерировали при помощи охлаждаемой тяжелой водой медной оптики и последовательности открытых пучков с коммерческими вентиляторами для подачи свежего воздуха. В последующие годы они развились в высокоточные стабилизированные системы с неохлаждаемой самонастраивающейся оптикой с большим коэффициентом отражения, которая позволяет компенсировать неидеальность лазерных лучей и атмосферные искажения

Будущее уже здесь?

Во время тестирования компанией Boeing установки HEL MD в полностью автономном режиме в мае 2014 года выявился один недостаток. Бесшумность лазера означала, что если цель при уничтожении не взорвется, оператор лазерной установки не узнает, была ли она выведена из строя. Поэтому компания встроила в процесс нейтрализации звуковые сигналы, наталкивающие на мысль о научно-фантастических фильмах. Хотя реальные лазеры пока не так футуристичны, как в этих фильмах. В компании MBDA говорят о том, что после 2015 года понадобится еще пять лет для создания полностью рабочих и готовых к поступлению на вооружение систем, хотя бы в классе 10 кВт. А вот мнение руководителя работ по фотонике из Ливерморской национальной лаборатории «Это еще не фазеры из телесериала Стартрек (Звездный путь)… Пройдет некоторое время и только можно будет говорить об уничтожении целей в любых условиях. А пока, имея базовый уровень, не видя цели, в сильный дождь или туман, вы не попадете в нее».

Но будущее уже здесь. Руководитель Центра новой американской безопасности признает, что оружие на базе высокоэнергетических лазеров «не может быть таким величественным и стратегическим как концепция Звездных войн». Впрочем, говоря об его первостепенном значении для современного поля боя, он добавил: «Оно может спасать жизни, защищать американские базы, корабли и военнослужащих… После почти полувекового поиска американские военные сегодня находятся на пороге финального развертывания готового к применению оружия направленной энергии».

Звездные войны. Эпизод 0. Очень близкое будущее

По мнению военных разных стран будущая война будет войной лазеров. Лазеры на новых боевых истребителях представляют собой заманчивую перспективу, но есть и более низко висящий фрукт в мире научно-фантастического оружия, который ВВС США надеются сорвать первыми. Почему бы не устанавливать лазеры на более тяжелые и относительно более вместительные вооруженные транспортные самолеты (ганшипы)?

По данным исследовательской лаборатории направленной энергии, кроме установки лазерной пушки на ганшип ВВС США хотят иметь лазерную пушку в подкрыльевом контейнере, что может быть реализовано уже на истребителях следующего поколения.

Британское министерство обороны ищет подрядчика на изготовление демонстрационного образца системы оружия направленной энергии. Если новый британский лазер будет разработан и воплощен в жизнь, он будет не просто ослеплять, он будет жечь. Американская лазерная пушка, установленная на корабль ВМС США PONCE, во время демонстрации Персидском заливе в 2014 году уничтожила дроны и макетное вооружение. Немецкий лазер также уже сбивал дроны, а в компании Lockheed Martin вполне серьезно рассматривают перспективы самолетов с лазерными пушками, которые смогут сбивать ракеты «земля-воздух». ВМС США создают систему грузовиков, которая будет бороться с БЛА с помощью лазеров, и в эту систему вкладываются огромные средства. В рамках программы по наземному мобильному оружию направленной энергии противовоздушной обороны GBAD (Ground-Based Air Defense Directed Energy On-the-Move) лазер устанавливается на легкую машину, а сенсорное оборудование еще на пару других машин. Оружие направленной энергии, установленное на корабле, уже прожигало дырки в дронах. А ведь современные боевые корабли имеют бортовые источники энергии огромной мощности; ожидается, например, что у футуристического эсминца ZUMWALT американского флота для подобных систем будет зарезервировано 58 мегаватт.

ВМС США планируют «полное уничтожение стационарных целей» к концу этого года, что вероятно означает стоящий грузовик, поражающий цель своей лазерной пушкой. В 2016 году научно-исследовательское управление ВМС (НИУ ВМС) планирует «продемонстрировать одиночное поражение цели с места, но со слежением и передачей данных о цели во время движения». На 2017 год целью является демонстрация способности системы сбивать БЛА, менять позицию и затем продолжать сбивать БЛА. Если система будет работать так, как планируют разработчики, то морские пехотинцы смогут выводить из строя вражеские разведывательные БЛА очень быстро, ослепляя и выводя из строя все их электронные системы.

Американские ВМС и ВВС сообща хотят разработать лазерную систему борьбы с наземными минами и самодельными взрывными устройствами (СВУ). Предполагается, что на крышу армейских машин категории MRAP (с усиленной противоминной защитой) будет устанавливаться лазерная система RADBO (Recovery of Airbase Denied by Ordinance – очистка авиабаз от взрывоопасных предметов). Источником энергии для лазера системы RADBO служат два генератора переменного тока, сообща вырабатывающие ток силой 1100 ампер. Лазерная установка будет способна детонировать взрывоопасные предметы с дистанции почти 300 метров, при этом все сидящие в машине MRAP будут защищены от возможных последующих взрывов. На случай, если бомба заложена под камнями или в щели, в системе RADBO имеется механическая рука, которая может поднять до 23 кг. Лазерная система с некоторой натяжкой может бороться с подвижными целями, но неподвижные мины и СВУ являются для нее идеальными объектами. Испытания системы RADBO были завершены в сентябре этого года.



Лазерная система RADBO для обезвреживания неразорвавшихся боеприпасов и деактивации полей минных заграждений

Использованы материалы:
www.boeing.com
www.navy.mil
www.mbda-systems.com
www.rheinmetall.com
www.lockheedmartin.com
www.northropgrumman.com
www.baesystems.com
www.wikipedia.org
Перевод:
Alex Alexeev
Ctrl Enter

Заметив ошибку в тексте, выделите текст с ошибкой и нажмите Ctrl+Enter

38 комментариев
Информация

Уважаемый читатель, чтобы оставлять комментарии к публикации, необходимо зарегистрироваться.
Уже зарегистрированы? Войти