Лазеры против летающих объектов

В публикациях, посвященных разработке лазерного оружия (ЛО), отсутствует информация о параметрах лазерного излучения (ЛИ). Упоминается только мощность ЛИ, а вся остальная информация остается закрытой.

В энциклопедии МО РФ говорится: «При благоприятных атмосферных условиях ЛО может эффективно применяться для поражения воздушных целей на дальности до 6 км… Создание ЛО потребовало разработки быстродействующей автоматизированной системы управления (АСУ), которая бы обеспечивала обнаружение, опознавание, захват, сопровождение высокоскоростных целей и наведение на них лазерного луча с точностью до 1 мкрад…» 

Точность 1 мкрад при сопровождении цели на расстоянии 6 км означает, что центр лазерного луча может перемещаться внутри окружности радиуса 3 мм.

В Интернете имеется много информации о планах по разработке ЛО в США и в других странах. Приведу некоторые из них. В 2013 году планировалось поднять мощность модели лазера HEL MD до 50 или 60 кВт.

В 2014 году командование Армии США заключило контракт на разработку, производство и испытание лазера мощностью 60 кВт. В перспективе такое оружие будет использоваться для поражения неуправляемых ракет, артиллерийских снарядов, минометных мин и БЛА.

В 2018 году армией США запланированы испытания наземной лазерной установки HEL MD мощностью 50 кВт. К 2020 году мощность наземной установки HEL MD планируется увеличить до 100 кВт.

В интервью академика В.В. Аполлонова говорится о том, что компания «Нортроп» представила работоспособный твердотельный лазер мощностью 105 кВт и начала работы по разработке лазера мощностью 500 кВт.

В Израиле недостатки в работе системы ПРО «Железный купол» привели к разработке комплекса ЛО «Железный луч». В комплексе используется установка ЛО мощностью в десятки или в сотню киловатт. Упоминалось, что для поражения минометной мины комплексу требуется менее 0,5 с.

В КНР разработали систему ЛО, которая похожа на твердотельную лазерную систему, испытанную в США в 2014 году. Попадалась информация, что начата разработка системы мощностью 100 кВт.

В Германии компания «Рейнметалл» заявила об успешном испытании лазерного комплекса. Мощность установки оценивается до 100 кВт. В состав комплекса входит система обнаружения и отслеживания целей.

Во многих странах активно проводятся работы по разработке ЛО мощностью до 60 кВт и ~100 кВт. В США начаты работы по проектированию 500 кВт лазера. В России разработан комплекс ЛО «Пересвет». Достаточно большие средства вкладываются в разработку ЛО. Следовательно, ЛО должно быть выгодной системой вооружения в определенных областях боевого применения.

В интервью академик В.В. Аполлонов говорил: «Для лазерной установки ABL с длиной волны 1,315 мкм… расходимость составляет около 10-6рад. Лазерный луч «расплывется» на километровом расстоянии на 1 мм… Мифом является то, что от ЛО можно легко защититься, например, зеркальным покрытием… Мощности ЛИ хватает, чтобы разогреть и подплавить тонкий верхний слой обшивки, на который нанесено зеркальное покрытие…»

Для упрощенной оценки нагрева корпуса некого ЛА при воздействии ЛИ создана модель, которая представляет собой круг диаметром 120 мм. Толщина наружной металлической обшивки принята 3 мм. В качестве материалов будут рассмотрены алюминиевый сплав и сталь. На внутренней поверхности обшивки размещена теплоизоляция толщиной 10 мм. На рисунке представлена 1/4 часть модели.

Результаты расчета будут представлены для точек 1-5, которые расположены на радиусе 2, 4, 6, 8 и 10 мм соответственно. В центре модели в круге диаметром 16 мм происходит тепловыделение при воздействии ЛИ. Следует задаться хоть какими-то данными для проведения оценки, которые придется взять из Интернета. При проведении оценки использованы следующие исходные данные:

1. ЛИ имеет тепловую мощность перед обшивкой 60 кВт.

2. Луч ЛИ на выходе из установки имеет диаметр 10 мм, а на расстоянии 6 км диаметр луча равен 16 мм.

3. Длина волны ЛИ составляет около 1 мкм. Излучение в этой области относится к инфракрасному.

4. Наружная поверхность обшивки отполирована для снижения степени поглощения ЛИ. Полированная поверхность алюминиевого сплава имеет коэффициент поглощения инфракрасного излучения 0,05 (степень черноты). Поверхностью поглощается 5% от тепловой мощности ЛИ. Полированная стальная поверхность поглощает 20% ЛИ.

5. При достижении температуры плавления материала обшивки поглощение ЛИ увеличивается до значений, соответствующих расплавленному металлу: алюминиевый сплав будет поглощать 17% ЛИ, а сталь — 38%.

Читайте также  Лазерный квест

6. ЛА летит на высоте 2 км с числом Маха М=0,8 в условиях стандартной атмосферы (температура у поверхности земли равна 15 оС). В расчетах принимается, что начальная температура обшивки и температура воздуха, обдувающего ее, равны температуре восстановления 33 оC.

7. Расстояние от установки ЛО до обшивки ЛА составляет 6 км.

Для упрощения модели в ней не учитываются потери тепла на расплавление металла обшивки в зоне действия светового пятна ЛИ ввиду небольшой массы расплавляемого материала. Данное упрощение будет подтверждено результатами расчета.

В модели принято, что расплавленный металл обшивки уносится из области воздействия светового пятна воздушным потоком и гравитационными силами.

На первом этапе рассмотрим нагрев ЛА, поверхность которого расположена перпендикулярно к оси лазерного луча. В этом случае корпус ЛА нагревается за минимальное время. На рисунках представлены данные по нагреву внутренней поверхности обшивки. Желтым цветом выделены ячейки, в которых температура точек превышает температуру плавления металла.

Обшивка из алюминиевого сплава:

Из таблицы видно, что к моменту времени 0,56 с в обшивке появляется отверстие диаметром около 5 мм, которое через 0,37 с достигает диаметра 16 мм. Если учесть затраты тепла на расплавление сплава в зоне действия ЛИ, то происходит незначительное увеличение времени до появления сквозного отверстия c 0,93 до 0,97 c.

Обшивка из стали:

Для стальной обшивки время до проплавления отверстия меньше, чем для обшивки из алюминиевого сплава из-за более высокой поглощательной способности и более низкого коэффициента теплопроводности. Отверстие диаметром 9 мм появляется через 0,28 с после начала облучения. При учете затрат тепла на расплавление стали время до появления отверстия увеличивается c 0,57 до 0,6 c.

Рассмотрим влияние перемещения центра лазерного луча по оси Х стальной обшивке в диапазоне ±3 мм от центра. Перемещение луча приводит к весьма незначительному снижению нагрева (около 2%).

На втором этапе рассмотрим влияние углов кривизны обшивки и угла поворота поверхности ЛА к оси ЛИ на ее нагрев. В качестве примера рассмотрим воздействие ЛИ на обшивку, которая повернута относительно установки на угол β=45о. В этом случае толщина проплавляемой обшивки увеличится с 3 до 4,3 мм. Одновременно происходит увеличение части излучения, которое отражается поверхностью.

Допустим, что наружный диаметр обшивки равен 300 мм. В этом случае тепловой поток, поглощаемый обшивкой, дополнительно уменьшится за счет отражения части ЛИ из-за кривизны обшивки.

Максимальная температура обшивки в световом пятне реализуется в центре (точка А), а минимальная температура реализуется на границах пятна. Средняя температура обшивки в пятне будет характеризоваться температурой в точках Б. Нормаль к поверхности в точке Б будет отклонена на угол α от оси лазерного луча.

За счет отражения части ЛИ нагрев алюминиевой обшивки значительно снижается.

Время до начала проплавления обшивки из алюминиевого сплава составляет 2,7 с. По сравнению с вариантом расположения обшивки перпендикулярно ЛИ время возрастает в 4,8 раза.

Для обшивки из стали время до проплавления увеличивается с 0,28 до 0,58 с.

Стойкость обшивки из алюминиевых сплавов к воздействию ЛИ выше, чем у стальной. Однако полированные поверхности из алюминиевого сплава на воздухе быстро окисляются. В этом случае степень поглощения ЛИ возрастает. Защита полированной поверхности специальными покрытиями будет также приводить к увеличению поглощения ЛИ и к уменьшению времени до проплавления. В настоящее время отсутствует информация о наличии авиационного вооружения с полированной алюминиевой поверхностью.

Замена полированной алюминиевой поверхности, например, на химически окисленную поверхность приведет к увеличению температуры внутренней поверхности для рассматриваемого варианта менее чем на 1%. Это связано с тем, что поглощение ЛИ и последующее расплавление материала происходит в тонких приповерхностных слоях материала толщиной 10-6…10-5 см.

В конструкции специальных авиабомб (типа В61) ВВС США имеются корпуса стальных отсеков с полированной поверхностью. Такая поверхность нужна не для противодействия ЛИ, а для снижения нагрева наиболее ценного отсека (оборудование которого еще не сработало) при воздействия светового излучения ядерного взрыва.

Читайте также  Беспощадный луч высокой точности

В настоящее время неизвестна тактика применения установок ЛО при осуществлении ПВО объектов. Представляется разумным размещение лазерных установок перед защищаемым объектом или позади него с облучением средств поражения в пределах ракурса ±1/4 (±22,5о). Размещение лазерной установки у защищаемого объекта ближе к линии боевого соприкосновения позволяет облучать средства поражения под большим углом, что приведет к их более быстрому нагреву и выводу из строя. В этом случае дорогостоящая установка ЛО будет находиться в зоне поражения боеприпасами, с которыми она предназначена бороться, что может привести к ее уничтожению.

При проведении оценки рассмотрим только один вариант, когда 120-мм миномет (152-мм гаубица, система залпового огня «Град» или ЛА), защищаемый объект и установка ЛО находятся на одной линии.

Взрыватели, расположенные в носовой части боеприпасов, имеют отполированную поверхность. Также рассмотрим влияние ЛИ на поверхность их корпусов, покрашенных краской. Носовая часть корпуса 120-мм мины имеет заостренный корпус и достаточно большой угол кривизны. Минимальная толщина стального корпуса мины в этой зоне составляет около 13 мм. В таблице приведены данные по нагреву ВВ в зоне расположения взрывателя.

За счет уменьшения теплового потока из-за больших углов отражения ЛИ время до проплавления корпуса мины значительно возрастает. Однако корпус контактирует с взрывчатым веществом (ВВ). Температура взрыва (загорания) ВВ, например, тола составляет 290 оС. Указанное значение температуры достигается на поверхности ВВ уже через 0,6 с после начала воздействия ЛИ.

При облучении корпуса мины, окрашенного краской, время до взрыва ВВ сокращается в 4 раза. Это происходит из-за высокой степени поглощения ЛИ лакокрасочным покрытием, нанесенным на поверхность боеприпаса.

Получается, что ВВ из состава мины уязвимо к воздействию ЛИ. Конечно, имеются ВВ, которые не взрываются при воздействии высоких температур, а просто тлеют и при срабатывании взрывателя — взрываются. Однако такое ВВ никогда не будут использовать в минометных выстрелах из-за высокой стоимости.

В публикациях отмечается, что интенсивное испарение металла может затенять зону светового пятна и делает ЛИ на некоторый промежуток времени менее эффективным. Поэтому установки ЛО целесообразно использовать в импульсном режиме работы.

Например, тактический комплекс HEL предназначается для борьбы с ракетами типа СКАД, ПЗРК и РПГ. Лазер будет способен облучать до 20 целей в секунду, а время его перезарядки будет составлять 35 мс.

Из представленной информации следует, что при облучении 20 целей за секунду длительность одного цикла «импульс – перезарядка» комплекса составит 0,05 с. Тогда длительность импульса равна 15 мс.

При проведении оценки рассматривается непрерывное воздействие ЛИ на цель. Для упрощенной оценки влияния импульсного воздействия установки ЛО на время до поражения цели расчетные данные следует увеличить в 2,3 раза (35/15=2,3). В этом случае время до поражения ВВ взрывателя составит 1,4 с, а ВВ внутри корпуса – 0,4 с.

Максимальная скорострельность 120-мм миномета составляет 15 выстрелов в минуту. При ведении огня батареей из четырех минометов с максимальным темпом можно обеспечить появление мин на границе зоны облучения установкой ЛО со скоростью 1 мина в секунду. При облучении корпуса мины, окрашенной краской, установка ЛО выполняет задачу по обеспечению ПВО защищаемого объекта даже против четырех минометов.

Получается, что минометные мины, стоящие на вооружении, не являются достойным противником установкам ЛО мощностью 60 кВт. Для более мощных установок (100 и 500 кВт) парировать огонь минометной батареи является легкой задачей.

За счет доработки мин в полевых условиях можно постараться добиться того, чтобы цели достигали до 30% мин при противостоянии установки ЛО мощностью 100 кВт четырем минометам. По нашему мнению, непоражение лазерной установкой 30% боеприпасов является невыполнением ею задачи по обеспечению ПВО объекта.

Однако противостояние минометов и установок ЛО возможно только для боевых действий бандформирований и регулярных войск. В этом случае обеспечение теплостойкости мин от воздействия установок ЛО является проблемой террористов. Решать эту проблему в статье просто нецелесообразно. Иной вопрос, если регулярным войскам будут противостоять наши сторонники…

Окончание следует…

/Евгений, topwar.ru/

Источник