Химера лазерных миражей

8 октября 2013 года в Ливерморской лаборатории имени Лоуренса (ведущий ядерный исследовательский центр США) на лазерной установке NIF впервые в истории удалось зажечь термоядерную реакцию с «положительным выходом энергии». Установка представляет собой огромный заводской цех, в котором смонтировано 192 импульсных лазера, на ее сооружение было затрачено 12 лет и четыре миллиарда долларов.

Термоядерная мишень была сжата лазерным импульсом с энергией 1,8 МДж. Это самый высокий уровень энергии единичного лазерного импульса, который когда-либо удавалось получить. Достижение выдающееся. Предыдущие рекордсмены – советская 12-канальная установка «Искра-5» и американская NOVA – генерировали соответственно 30 КДж и 40 КДж в импульсе. Основная советская дивизионная пушка периода Великой Отечественной войны, знаменитая ЗиС-3, имела энергию единичного выстрела в 1,43 МДж. Пушка весила полторы тонны, отличалась простотой и безотказностью. Зенитная пушка того же калибра (51-К обр. 38 г.) имела энергию выстрела в 2,2 МДж, но и весила она существенно больше – 4,3 тонны.

Самым мощным из когда-либо созданных лазеров непрерывного действия был американский «Альфа», разработанный в конце 80-х годов прошлого столетия фирмой TRW. Этот химический водород-фторный лазер при проектной мощности в 2 МВт весил 45 тонн, имел длину 24 метра и ширину 4,5 метра. Близкую к этой мощность (от 1,5 до 1,7 МВт) имели одноствольные авиационные пушки, разработанные в середине 50-х годов: американская М-39, английская «Аден», французская «Дефа». Вес всех трех пушек (без учета веса боеприпасов) был примерно одинаковый: 80–82 килограмма.

Самой массовой авиапушкой ВВС США была (и остается по сей день) шестиствольная 20-мм М61 «Вулкан», ее ставили на все истребители, она же есть в кормовой оборонительной установке стратегического бомбардировщика В-52. Мощность пушки – 5,3 МВт, энергия единичного выстрела – 53 КДж, вес с системой подачи снарядов – 190 килограммов, вес всей системы с боекомплектом в 1200 снарядов составляет порядка 0,5 тонны. Другими словами, «Вулкан» в 90 раз легче «Альфы» и в 2,5 раза мощнее.

Насколько можно судить по открытым публикациям, самой успешной из практически реализованных советских лазерных программ была летающая лаборатория А-60. Это тяжелый грузовой самолет Ил-76, на котором были установлены агрегаты мощного газодинамического лазера. Вероятно, это было изделие воронежского КБ «Химавтоматика» (под таким невнятным названием скрывался один из лучших в СССР разработчиков жидкостных ракетных двигателей), имевшее внутрифирменное обозначение РД-0600. На официальном сайте КБ указаны такие его характеристики: мощность излучения – 100 КВт, вес – 760 килограммов, габариты – 2х2х0,6 метра.

Однако 760 килограммов – это только излучатель с сопловым аппаратом. Чтобы устройство заработало, надо подвести к нему «рабочее тело», то есть поток раскаленного углекислого газа под высоким давлением, в качестве газогенератора использовались два турбореактивных двигателя АИ-24 мощностью 2550 лошадиных сил и весом 600 килограммов каждый. Таким образом, только эти два агрегата (излучатель и газогенератор), не учитывая все остальное (баллоны с азотом, керосин для авиамоторов, газопроводы, прицельная оптика, приборы системы управления) весили порядка двух тонн. Аналогичную выходную мощность (98 КВт) имел легендарный советский авиационный 7,62-мм пулемет ШКАС – накануне войны им были вооружены истребители И-16 и И-153, он же использовался в качестве оборонительного вооружения на бомбардировщиках СБ и ДБ-3. Вес пулемета (без боекомплекта) составлял всего 11 килограммов.

«Ослепительный, тонкий, прямой, как игла, луч...»

Подобные цепочки примеров можно продолжать долго, но, как показывает практика, уже сказанного достаточно для того, чтобы привести «лазероманов» в глубоко инверсное состояние. «Как можно сравнивать пулемет и боевой лазер, – закричат они. – Пулеметы стреляют на сотни метров, а лазерный луч практически мгновенно поражает цели на удалении в сотни и тысячи километров!».

Коллаж Андрея Седых

Мысль интересная. Давайте посчитаем. «Тонким, как игла», луч гиперболоида инженера Гарина оставался на дистанции, определяемой размерами комнатки в гостинице «Черный дрозд» – и в этом смысле Алексей Толстой не погрешил против научной истины. На больших расстояниях начинает отчетливо проявлять себя фундаментальный физический закон дифракционной расходимости. Не бывает тонких лучей, всякое оптическое излучение, прошедшее через «окно» конечного размера, представляет собой расширяющийся конус. В самом лучшем, идеальном случае (активная среда лазера абсолютно однородна, энерговклад в среду также абсолютно равномерен) половинный угол расширения светового конуса равен частному от деления длины волны на диаметр выходного окна. А теперь возьмем фотографию лазерного излучателя, представленную на сайте КБ «Химавтоматика», возьмем калькулятор и немного посчитаем.

Длина волны углекислотного лазера известна точно – 10,6 мкм. Размер выходной апертуры излучателя можно «на глазок» определить в 15 см. Это, кстати, прекрасный результат – обычно размеры активной зоны газодинамических лазеров измерялись единицами сантиметров. Дальше простая арифметика показывает, что уже на дистанции в 10 км основание конуса излучения будет иметь (в лучшем случае при расходимости, равной дифракционной) диаметр в 1,5 м и площадь в 18 тысяч кв. см. На дистанции в 100 км – 15 м в диаметре и 1,8 миллиона кв. см площади. Вот на этом-то огромном «пятне» и будут размазаны 100 КВт выходной мощности лазера.

На дальности в 100 км получается плотность мощности в 0,06 Вт на кв. см. Такой «испепеляющий луч» можно получить от карманного фонарика. На дальности в 10 км получается 5,6 Вт на кв. см. Это уже вполне ощутимо – но нам ведь надо не греться, а ломать конструкцию самолета или крылатой ракеты противника. Существуют различные оценки тепловой энергии, потребной для разрушения цели, все они укладываются в диапазон от 1 до 20 КДж на кв. см.

Например, для полного испарения 1 кв. см дюралевого листа толщиной 3 мм нужно «вкачать» в него 8–10 КДж. Пуля на вылете из ствола АКМ несет порядка 4,4 КДж на кв. см. Но даже самая минимальная из названных цифр (1 КДж) означает, что лазерная «стрельба» на дальности в 10 км потребует удержания пятна излучения на цели в течение 160 секунд. За это время дозвуковая крылатая ракета пролетит 45 км – если только ее не собьют по дороге из старого доброго ШКАСа.

«В синей дымке тает...»

Полученная в нашем условном примере замечательная «эффективность» лазерного оружия может иметь какое-то отношение к реальности лишь в том случае, когда действие происходит в космическом вакууме, а цель представляет собой «черное тело» (все поглощает, ничего не отражает). В атмосфере все работает несравненно хуже, и специалистам это давно известно. Из открытых публикаций заслуживает внимания, например, отчет об исследовании, проведенном американской Naval Research Laboratory. Американцев интересовала судьба лазерного луча, распространяющегося в приземных слоях атмосферы на более чем скромном расстоянии в 5 километров.

То, что порядка 60–70 процентов энергии луча теряется «по дороге» к цели, неудивительно, такой результат можно было бы ожидать заранее. Гораздо интереснее другое. Полученные американцами графики зависимости доставленной к цели энергии от выходной мощности лазера твердо свидетельствуют о том, что существует некий «порог» излучаемой мощности, по достижении которого любое дальнейшее увеличение мощности лазера не приводит к какому-либо увеличению воздействия на цель: энергия луча будет бесцельно растрачиваться на разогрев мельчайших пылинок и водяных паров во все большем и большем объеме «воздушного канала» вдоль трассы луча. Причем если в условиях пустыни или над поверхностью моря этот «порог» находится в диапазоне 2–3 МВт, то в атмосфере современного города пороговая мощность ограничена отметкой 200–250 КВт (это типичные выходные параметры крупнокалиберного пулемета). Самого же интересного в опубликованных результатах исследования нет – как будет распространяться лазерный луч над полем боя, окутанным клубами дыма и пыли?

Конкретное представление о реальных возможностях лазеров может дать опыт практического использования мобильной технологической установки МЛТК-50, созданной на базе военных разработок 80-х годов. Это газовый лазер на СО2 с накачкой электрическим разрядом, работает в частотно-импульсном режиме, энергия единичного импульса – 0,5 КДж, максимальная выходная мощность – 50 КВт. По энергетике немного уступает немецкому пехотному пулемету MG-42. Установка занимает два автомобильных прицепа при общем весе оборудования 48 тонн. Однако в эти габариты и вес не входит самое главное – внешний источник электропитания мощностью 750 КВт. В июле 2011 года комплекс был использован при ликвидации пожара на газовой скважине, когда потребовалось дистанционно разрезать металлоконструкции, мешавшие проведению аварийных работ. Все успешно перерезали на дистанции 50–70 метров сфокусированным лучом по абсолютно неподвижной цели, потратив на это всего лишь 30 часов совокупной работы лазера (вся операция заняла шесть дней). Помнится, Гарин расправился с заводом «Анилиновой компании» быстрее...

Краткое резюме: в наземном и/или воздушном бою для «силового», «разрушающего» лазерного оружия места нет. Слабый луч не окажет заметного воздействия на конструкцию мишени, сильный «размажется» на атмосферной пыли и влаге. На средних и тем более дальних дистанциях эффективность «лазерной пушки» ничтожно мала, в ближней зоне задачи ПВО могут быть гораздо надежнее решены традиционными средствами (скорострельные зенитные пушки и управляемые ракеты), в сотни раз более легкими и дешевыми. Для обороны малозначимых объектов лазерная ПВО недопустимо дорога. Для защиты стратегически важных объектов принципиально непригодно оружие, эффективность которого зависит от пыли, дождя и тумана.

Голая правда «звездных войн»

На этом месте мечты «лазероманов» уносятся ввысь, в безбрежные просторы космоса, туда, где нет ни шума, ни пыли, ни поглощения, ни расфокусировки лазерного луча, – уж там-то «лазерные пушки» развернутся во всю свою мощь... Вот с мощи (мощности) мы и начнем.

Существуют два фундаментальных закона природы, отменить которые не смогут никакие «прорывные технологии». Это закон сохранения энергии и закон возрастания энтропии («второе начало термодинамики»). Лазер – это устройство, в котором естественный хаос превращается в высокоорганизованный, когерентный и монохроматичный свет, такое преобразование в принципе не может быть осуществлено с высоким КПД. Лучшим среди худших является химический лазер, то есть устройство, в котором энергия экзотермической химической реакции прямо превращается в когерентное излучение (минуя многочисленные промежуточные этапы: из тепла в механическое движение, из движения в электричество, из электричества в световой импульс накачки лазерной среды). Но даже для химического лазера реально достижимый КПД ограничен единицами процентов. А это в конечном итоге означает, что лазер, излучающий 5–10 МВт, будет нагревать себя и окружающее пространство с мощностью 100–150 МВт.

Указанная мощность (100–150 МВт) – это энергоснабжение небольшого города, это главная двигательная установка атомного авианосца. Для того чтобы «лазерная пушка» мгновенно не расплавилась, такие гигантские тепловые потоки надо из нее куда-то вывести. Для изделия, работающего на Земле, эта задача является сложной как в научном, так и в инженерно-техническом плане, но все же решаемой. А как избавиться от такого количества тепла в космосе?

Космическое пространство – это термос. Нормальный такой термос, только расстояние между его «стенками» можно считать бесконечным. Даже для существующих космических аппаратов, где внутренними источниками тепла являются тела космонавтов и работающая электроника (практически ноль в сравнении с тепловыделением мощного лазера), охлаждение едва ли не самая сложная задача конструкторов. Что же произойдет с этой станцией, если внутри нее заработает химический лазер мегаваттного класса?

Да, сложно не значит невозможно. Чувствительную к перегреву аппаратуру разместим в отдельном модуле, отнесенном от лазерного модуля на пару сотен метров, приделаем к лазерному отсеку теплоизлучающие панели размером в несколько футбольных полей, сделаем эти панели свертываемыми, чтобы не перегревались от солнечных лучей, стрелять из «лазерной пушки» будем только во время полета в теневой зоне... Проблема решена? Нет. Теперь нас ждет очередная встреча с законами геометрической оптики, но уже на новых, космических расстояниях.

Даже в том случае, когда боевая космическая станция выведена на низкую околоземную орбиту (а не висит на геостационарной на удалении 36 тысяч километров от Земли), дальность «лазерной стрельбы», потребная для поражения стартующих МБР противника, измеряется тысячами километров. Американцы в эпоху объявленной Рональдом Рейганом Стратегической оборонной инициативы грозились вывести в космос 18 боевых станций с дальностью стрельбы в 5 тысяч километров. Дальше начинаются простейшие упражнения в школьной арифметике.

Для того чтобы в течение долгих 10 секунд передать на корпус вражеской ракеты хотя бы 1 КДж на кв. см, надо обеспечить плотность мощности на мишени 100 Вт на кв. см. А это значит, что излучение космического лазера с чудовищной пятимегаваттной мощностью (напомним, что такого никто еще не сделал даже на наземном стенде) должно быть сжато в «пятно» диаметром не более 2,5 метра. При дальности в 5 тысяч километров и длине волны излучения 2,8 мкм (химический водород-фторный лазер) это потребует телескопа с диаметром зеркала не менее 7 метров. Если же сократить время воздействия на цель до 0,5 секунды (как и было предусмотрено в планах «звездных войн»), то зеркало нужно будет 32-метровое. Есть еще вопросы?

Щит и щит

Самым большим оптическим зеркалом, которое на сей момент удалось вывести в космос, было главное зеркало американского телескопа «Хаббл» диаметром 2,4 метра. Это чудо техники полировали два года, имея задачу достигнуть точности параболической формы с погрешностью не более 20 нанометров. Но ошиблись, и на краю зеркала погрешность составила 2 микрона. Эти микроны выросли в огромную проблему, для решения которой пришлось изготовить «очки», которые доставили в космос и там приделали к дефектному зеркалу.

Диаметр зеркала 2,4 метра – это, конечно же, не предел технологических возможностей. Еще в далеком 1975 году был введен в действие советский телескоп БТА-6 (на тот момент и вплоть до 1993-го – самый большой в мире) с диаметром главного зеркала 6 метров. Заготовка для изготовления зеркала остывала после варки стекла в течение двух лет и 19 дней. Затем при его полировке сточили в пыль 15 тысяч карат алмазного инструмента. Готовый «блин» весил 42 тонны, общая масса телескопа с деталями механического привода – 850 тонн.

Да, для космоса можно сделать и полегче, уложившись не в сотни, а всего лишь в десятки тонн (маленький «Хаббл», кстати, весил 11 тонн). Но тут возникают новые вопросы, один другого интереснее. Каким гвоздем и к чему прибить космическое зеркало, чтобы оно было стабилизировано в пространстве с угловой точностью в доли микрорадиана? Как повлияет на точность позиционирования зеркала выброс огромного количества рабочего тела от мегаваттного химического лазера? Что может представлять собой практически система механического привода, который с указанной выше точностью поворачивает в космосе многотонное зеркало вслед за движущейся с гиперзвуковой скоростью целью (стартующая МБР в верхних слоях атмосферы)? Что делать, если МБР противника взлетит не на той дистанции, в расчете на которую была сфокусирована оптика?

Самое главное – что останется от нанометрической точности формы зеркала после того, как по нему пройдется мегаваттный лазерный луч? Непреложный физический закон гласит: «У каждого лазерного луча есть два конца». И энергия на дальнем конце луча, на мишени, никак не может быть больше (фактически она всегда меньше) той, что сконцентрировалась в излучателе лазера. Если «тепловое пятно» в 2,5 метра на цели плавит и разрушает мишень, то что будет с зеркалом, площадь которого всего лишь в 8 раз больше? Да, зеркало отражает почти все подведенное к нему лазерное излучение, но кто же сказал, что мишень будет отражать существенно меньше?

Плохая новость для «лазероманов» заключается в том, что основным материалом обшивки ракет и самолетов является алюминий. Коэффициент отражения для инфракрасного излучения с длиной 10,6 мкм (газодинамический лазер на СО2) близок к 100 процентам. В диапазоне излучения химических лазеров (1–3 мкм) алюминий отражает порядка 90–95 процентов энергии луча. Что мешает отполировать обшивку ракеты до зеркального блеска? Обмотать ее алюминиевой фольгой? Покрыть тонким слоем серебра (в сравнении с феерической стоимостью мегаваттного лазера космического базирования – сущие копейки)... Можно пойти и другим путем: не полировать обшивку МБР до блеска, а наоборот, обмазать ее абляционным (уносящим тепло) покрытием. Технология эта отработана уже полвека назад, и за редкими трагическими исключениями спускаемые аппараты благополучно возвращаются на Землю, испытав при входе в атмосферу такие тепловые нагрузки, которые на два-три порядка превосходят все, что смогут создать перспективные «лазерные пушки».

«Рассудку вопреки, наперекор стихиям...»

Азбучные истины и элементарные расчеты, приведенные выше, должны быть известны любому добросовестному школьнику. Конкретные цифры потребной для поражения цели мощности излучения могли быть получены уже в первые годы «лазерной эры». Единственное, что не было известно с самого начала, – это физика распространения мощного лазерного излучения в атмосфере. Но и этот вопрос был снят после того, как в конце 70-х годов и в США, и в СССР были созданы и испытаны (на земле и в воздухе) газодинамические лазеры 100-киловаттного класса.

К началу 80-х годов абсолютная бесперспективность «силового», «разрушающего» лазерного оружия не вызывала сомнений у занятых в этой сфере специалистов. Однако именно тогда и началось лазерное безумие. 23 марта 1983 года президент США Рейган публично объявляет Стратегическую оборонную инициативу (СОИ), в рамках которой предполагалось создать систему лазерного оружия космического базирования, способную уничтожать стартующие МБР сотнями. Что это было? Наиболее распространенной сегодня является версия о том, что СОИ с самого начала была грандиозным блефом, с помощью которого американцы пытались втянуть СССР в новый, непосильный для него виток гонки вооружений. Правда ли это или попытка задним числом сделать хорошую мину при плохой игре – однозначный ответ не даст уже никто. Одно только известно точно: собственным гражданам разработчики СОИ морочили голову с восторгом вдохновенья.

6 сентября 1985 года в рамках очередной «демонстрации технологий» химический лазер на водород-фторе мощностью порядка 1 МВт разрушил корпус второй ступени МБР «Титан». Эффектную картинку прокрутили по всем телеканалам, директор Управления СОИ генерал-лейтенант Джеймс Абрахамсон раздавал интервью восторженным журналистам: «Лазер разнес эту штуку буквально на куски... Очень, очень эффектно». И то правда – куда же еще эффектнее? Обещали создать систему, способную на дальности в 5 тысяч километров прожечь корпус стартующей МБР за 0,5 секунды. Фактически мишень стояла на расстоянии 800 метров от излучателя, время «поджаривания» не знает никто. Корпус был надут избыточным давлением изнутри и нагружен сжатием по вертикали, оттого и разлетелся на куски. Про размеры и вес лазерной установки, про устройство дезактивации ядовитого фтористого «выхлопа» размером с ангар генерал деликатно промолчал...

Затем тот же самый мегаваттный лазер MIRACL перенесли на палубу боевого корабля и объявили о том, что лазерным лучом была сбита дозвуковая телеуправляемая мишень BQM-34, имитирующая крылатую ракету. Восторгу не было предела. Позднее, правда, выяснилось, что стрельба велась на дистанции меньше километра (где с подобной задачей успешно справилась бы зенитно-пушечная установка), при этом лазер ничего не сжег и не сломал, но лишь «вывел из строя электронные компоненты системы управления, в результате чего мишень потеряла устойчивость и разбилась». Что за «компоненты» были выведены из строя тепловым лучом и не идет ли речь о самоликвидации по команде чувствительного к ИК-излучению датчика – история пока умалчивает. Известно лишь то, что командование ВМС США сочло за благо убрать с борта корабля ядовитую лазерную установку и больше к вопросу ее использования не возвращалось.

Тем временем терпение добросовестных специалистов лопнуло, и в апреле 1987 года был опубликован (как ни крути, но 1-я поправка к Конституции США соблюдается строго) доклад на 424 страницах, подготовленный группой из 17 экспертов, членов Американского физического общества. Вежливо (программа СОИ была все ж таки объявлена президентом), но твердо было сказано, что «несоответствие между нынешним этапом развития оружия направленной энергии и требованиями к нему настолько велико, что для достижения намеченных целей необходимо ликвидировать крупные пробелы в технических знаниях». В частности, «химические лазеры нуждаются в увеличении выходной мощности по крайней мере на два порядка (то есть в сто раз!) по сравнению с достигнутой... лазеры на свободных электронах требуют проверки нескольких физических концепций и их мощность необходимо увеличить на шесть порядков... методы коррекции оптического качества лазерного луча необходимо усовершенствовать на много порядков...» Итоговый вывод: «Даже при самых благоприятных обстоятельствах потребуется десять или более лет интенсивных научных исследований, прежде чем можно будет принять обоснованное решение (принять решение, а не поставить систему на вооружение!) о возможности создания лазерного и пучкового оружия для решения задач ПРО».

«Ошибками отцов и поздним их умом...»

В 1993 году программа СОИ была официально закрыта. Finita la comedia? Ничуть не бывало. Запах бюджетного пирога продолжал будоражить аппетит, и «мирная передышка» продолжалась всего три года. В 1996-м началась новая афера. Теперь химический кислород-йодный лазер (вес излучателя – 9 т, выходная мощность – 1 МВт) с зеркалом диаметром 1,6 метра предстояло установить на борт транспортного гиганта «Боинг» В-747. Для начала ассигновали 1,1 миллиарда бюджетных долларов. Затем, естественно, добавили, всего за 16 лет в программу ABL вбухали 5 миллиардов долларов.

На этот раз на роль «волшебной палочки», способной опрокинуть законы мироздания, претендовала так называемая адаптивная оптика. Содеянное американскими инженерами действительно поражает воображение. Огромное зеркало было разделено на 340 элементов, каждый со своим механическим приводом. Система из двух «диагностических» лазеров киловаттной мощности непрерывно зондирует атмосферу, еще одна подсистема анализирует волновые параметры излучения мощного лазера, компьютер выдает управляющие команды, и кривизна главного зеркала корректируется с темпом тысячу раз в секунду.

Все эти усилия и миллиардные затраты увенчались отчетом, в котором в N-ный раз констатировалось: «Частички пыли, находящиеся в атмосфере, приводят к поглощению энергии и размыванию луча, снижая эффективную дальность поражения. Кроме того, сгорающие в луче пылинки создают ИК-помехи, затрудняющие точное прицеливание. Оружие невозможно использовать, если между лазером и целью появляется облако». Завершающую абзац фразу следовало бы отлить в граните: «Physics are physics and cannot be easily beaten», что в вольном переводе с английского означает: «Трудно бороться с законами природы».

Тем не менее в обмен на 5 миллиардов надо было что-то сбить. Техническое задание предполагало уничтожение в ходе одного вылета 20–40 стартующих МБР на дальности 300–400 километров с затратой на одну мишень «нескольких секунд» излучения. После ряда неудачных попыток удалось наконец сбить взлетающую баллистическую ракету с двигателем на жидком топливе. Это эпохальное событие произошло 11 февраля 2010 года. Разработчики честно признали, что прожечь насквозь обшивку мишени им не удалось, но ослабление конструкции в результате нагрева оказалось достаточным для разрушения ракеты в полете. Тепловыделение мегаваттного лазера было достаточным и для того, чтобы остужать «лазерную пушку» перед следующим «выстрелом» пришлось в течение часа. Вторая попытка сбить взлетающую ракету (на этот раз твердотопливную) стала безрезультатной из-за «рассогласования луча излучения» (beam misalignment). Возможно, и в этом случае проблемой стал недопустимый перегрев излучателя и зеркала.

На этом все и закончилось. Программу официально закрыли. Министр обороны США Роберт Гейтс напутствовал разработчиков таким словами: «Я не знаю никого в Министерстве обороны, кто думает, что эта программа должна или может быть оперативно развернута. Реальность такова, что вам потребуется лазер в 20–30 раз более мощный для того, чтобы поражать стартующие ракеты на должном расстоянии. Чтобы ввести эту систему в действие, нам надо иметь 10–20 самолетов-носителей по 1,5 миллиарда долларов за штуку со стоимостью обслуживания 100 миллионов долларов в год, и я не знаю ни одного человека в погонах, который бы верил в то, что такая концепция может быть работоспособной».

Источник: http://vpk-news.ru