ЛЕК Устр и действ / Устройство и действие Л-14

«Устройство и действие лазерных систем»

Лекция 14: Мобильные лазерные системы высокой мощности

История мобильных лазерных систем

70 – 80-е:

СО2 электроразрядные (ЭРЛ) и газодинамические лазеры (ГДЛ) мегаваттного класса, разработанные в СССР и США и 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.

Самолет А-60 с СО2– лазером СО2 –лазер на мобильном носителе ALL-GDL на самолете КС-135

Однако, большая длина волны (10.6 мкм) и, следовательно, высокая расходимость лазерного луча и низкая энергетическая эффективность лазерных источников, оказались слишком серьезными техническими препятствиями для мобильных систем на основе СО2– лазеров, чтобы конкурировать с традиционными видами вооружений.

Тем не менее, эти работы оказались сильнейшим стимулом для ускорения развития систем управления и информационных технологий, заложивших условия для их беспрецедентного прогресса в последующие десятилетия.

История мобильных лазерных систем

80 – 90е – 2000-е: :

Непрерывные химические HF(DF) лазеры (НХЛ) открыли пути для продвижения, практически по всем направлениям. Самое существенное, что они обеспечили – значительный рост эффективности и уменьшение длины волны. Спектр излучения HF-НХЛ (2.7…3.1 мкм) сильно поглощается атмосферой, тогда как спектр DF-НХЛ (3.6…4.1 мкм) практически полностью попадает в окно прозрачности. Поэтому HF-лазеры могут рассматриваться только для внеатмосферных применений, тогда как DF-НХЛ привлекательны в наземных условиях.

Экспериментальные образцы таких лазеров мощностью в несколько мегаватт вместе с крупногабаритной оптикой (около полутора метров в диаметре), разработанные в США, уже позволили провести эффектные испытания, продемонстрировавшие зрелость лазерных, оптических, электронных и информационных технологий, достаточных для решения многих практических задач в полном объеме.

История мобильных лазерных систем

90 – настоящее время:

Начиная с девяностых годов, стал активно развиваться еще один НХЛ – химический кислородно-йодный лазер (COIL). Длина волны излучения COIL (λ = 1.315 мкм) приходится на окно спектральной прозрачности атмосферы, а также соответствует рабочему диапазону волоконной оптики. Это означает отсутствие принципиальных ограничений на использование лазеров этого типа в различных атмосферных и внеатмосферных условиях. Короткая длина волны обеспечивает уменьшение дифракционного предела, а малая плотностью активной среды в резонаторной полости – высокое оптическое качество лазерного луча. Поэтому апертура зеркал COIL’а, обеспечивающая одинаковую с HF(DF)-лазерами плотность излучения на цели может быть в несколько раз меньше.

Наземный стенд COIL

ABL COIL на Boeing -747

Проект Airborne Laser (ABL) состоит в размещение лазерного ОНЭ на базе COIL’а, предназначенного для поражения баллистических ракет на активном участке траектории, на борту широкофезюляжного самолета (Воeing 747-400F). Другой возможной задачей боевого применения этого комплекса является поражение спутников на околоземной орбите.

История мобильных лазерных систем

90 – настоящее время:

В последние годы обсуждаются перспективные концепции Advanced Tactical Laser (ATL) на базе COIL мощностью (50-75 kW). Предполагается, что такие системы смогут обнаруживать и поражать множество различных объектов, таких, как крылатые ракеты, неуправляемые ракеты и беспилотные самолеты, а также наземные объекты: автомашины, пусковые установки ракет, системы наблюдения на дистанциях 8 - 25 км. ATL будут основаны на тех же технологиях, которые применяются в системе лазера воздушного базирования ABL, но выходная мощность намного меньше, чем у систем первого поколения.

Налицо новая тенденция смещения интересов в сторону тактических лазерных систем. Накопленный практический опыт испытаний экспериментальных лазеров, приводит к лучшему пониманию их возможностей, расширению перечня потенциальных целей, увеличению диапазона дистанций и еще большей избирательности и точности воздействия. Это стимулирует переход от гигантизма первого поколения лазерных систем, определявшегося скорее орг-, чем техническими причинами, к более

эффективным и компактным мобильным системам, рассчитанным, соответственно, на более широкое применение.

История мобильных лазерных систем

2000 – настоящее время:

Работы по мощным твердотельным лазерам (ТТЛ) начались еще во второй половине прошлого века, и первой такой системой может считаться российский «Стилет», на лазерных модулей с энергией импульса до 5 тысяч джоулей, созданный в конце 70-ых. Несмотря на это выдающееся для того времени достижения, перспективы в качестве оружия направленной энергии получают реальную основу только уже в новом столетии.

Только сейчас стало возможным практическая реализация мощных твердотельных лазеров с диодной накачкой и средней выходной мощностью излучения до 100 квт. Такой лазер, размещаемый на наземном носителе для борьбы с беспилотными летательными аппаратами создается в США компанией Northrop Grumman в рамках программы JHPSSL (Joint High-Power Solid State Laser). Этот лазер занимает объем, не превышающий одного кубометра, и легко может размещаться практически на любой мобильной платформе (обычном автомобиле или бронетранспортере) или стационарно. Проблемой является необходимость обеспечить энергетические потребности ТТЛ, которые при реальной эффективности не выше 0.15 могут составлять 700…800 квт в течение времени активной работы (т.е. генерирования излучения).

История мобильных лазерных систем

2000 – настоящее время:

Энергетика может быть обеспечена для стационарных (наземных) лазерных систем или систем на больших носителях (корабли) подключением к существующим сетям сети. Для небольших подвижных платформ (наземный транспорт, авиация) возможно использование электрических батарей или аккумуляторов.

Примером такой системы является MATRIX, разработанная совместно Boeing и специалистами ВМС США, представляет собой мобильную платформу, оборудованную лазером и радаром. Laser-Avenger - совмещенное оружие, объединяющее в себе боевой лазер и зенитно-ракетный комплекс Avenger.

Можно с уверенностью утверждать что тактические системы вооружений на основе ТТЛ уже выходят из стадии лабораторных исследований и фактически мы наблюдаем сейчас испытания реальных прототипов боевых систем на испытательных полигонах вооруженных сил. Это означает, что практически решены все технические вопросы, связанные с функционированием таких систем и на повестке дня стоят задачи «встраивания» лазерного оружия с сценарии современных военных действий.

История мобильных лазерных систем

2000 – настоящее время:

Стремительное развитие в последние годы волоконных лазеров (ВЛ) сделало их также одним из наиболее интересных кандидатов для создания систем вооружений. Следующим шагом в этом направлении должно стать создание мощной боевой лазерной системы на базе сфазированных волоконных лазерных модулей.

Эту цель преследует программа RIFL (Revolution in Faber Laser), запущенная DARPA чтобы создать эффективные волоконные модули, на базе существующих коммерческих разработок. Участвующие в этой программе фирмы Fibertek, Northrop Grumman и OFS Technologies должны на первой стадии перейти о 150 ваттных к модулям в 1 квт, а затем повысить их мощность до 3 квт. Конечно целью является демонстрация 150 киловаттной фазированной решетки из 50 волоконных модулей.

Конечной целью этих работ является практическая реализация принципиально нового подхода к созданию мощных лазеров с электронным управления лазерным лучом без тяжелых крупногабаритных телескопов и турелей, сильно ограничивающих боевые возможности лазер ных систем.

Сфазированная решетка ВЛ модулей

Технические особенности мощных лазеров

CO2 электроразрядный лазер (CO2-ЭРЛ) и газодинамический CO2 лазер на продуктах сгорания (CO2-ГДЛ):

Рабочая смесь газов - СО2, Н2О и N2, образуется при сгорании топлив (керосин, бензин, толуол, твердое топливо и т.д.) в камере сгорания с участием окислителя (воздух, закись азота и др.). При сгорании происходит диссоциация топлива на указанные компоненты, а также равновесное термическое заселение колебательновращательных уровней

молекул СО2 и N2 в

соответствии с законом Больцмана. Далее смесь охлаждается при прохождении блока сверхзвуковых сопел, в результате чего нижний рабочий уровень

молекулы СО2 опустошается в соответствии со статической температурой, а верхний рабочий уровень, являющийся метастабильным, сохраняет

исходную населенность, соответствующую температуре в камере сгорания. Дополнительно он заселяется путем резонансной передачи запасенной колебательной энергии от молекул азота излучающим молекулам СО2. Т.о. в лазерной камере происходит накачка АС, т.е.

создание в ней инверсной населенности, с последующей генерацией электромагнитного излучения на длине волны 10.6 мкм. Вода обеспечивает релаксацию нижних рабочих уровней молекулы СО2.

Основными конструктивными элементами ГДЛ являются оптический резонатор и элементы системы накачки: система хранения и подачи компонентов, камера сгорания, сопловой блок. АС образуется внутри лазерной камеры, которая, в свою очередь, находится в резонаторе. Резонатор в ГДЛ размещается поперек потока