Лазерный мир

Виктор Аполлонов — заведующий отделом Мощные лазеры, Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН, доктор физико-математических наук, профессор, академик АВН, АИН и РАЕН, член Президиума РАЕН

Твердотельная технология в мире вышла на уровень зрелости, позволяющий создание разумного по мощности тактического ЛО с приемлемыми весами и габаритами. Так, весовой фактор волоконных и дисковых тактических комплексов ЛО достиг величины в 5кг/кВт. Лазерные системы, от которых «лазерный оружейный авангард» уже отказался (COIL, GDL, HF/DF, пары щелочных металлов), ушли в прошлое, т.к. стало понятно, что легкое и компактное ЛО на их основе получено быть не может. Весовой фактор этих систем находится в пределах 200-400 кг / кВт, что означает, что комплекс ЛО с выходной мощностью в 100 кВт будет весить в пределах 20 тонн и с трудом может быть размещен в тяжелом авиационном носителе. А для достижения господства в воздухе США необходимо создание и оснащение серийной боевой авиации легкими и компактными тактическими комплексами ЛО с весом в пределах нескольких сотен килограмм.

До настоящего времени стратегического ЛО в мире нет и нет даже конструктивных идей его создания. Ясно, что оно в ближайшее время будет создано на основе твердотельной технологии. Весь мир находится в поиске этой конструкционной основы. У нас эта идея создания есть, она детально проанализирована, численно промоделирована, проверена на макетах и ждет своей реализации. На этой основе может быть получена вся линейка легкого и компактного ЛО от сотен ватт и до многих десятков МВт.

ЧТО ТАМ ЗА ОКЕАНОМ

США к 2022-му году оснастят авиацию тактическим ЛО. На значительных высотах, где ПЗРК не достают авианоситель, нет большого рассеяния и поглощения и дистанции поражения для ЛО мощностью в 100-150 кВт увеличиваются до нескольких десятков км в силовом режиме (нарушение целостности конструкции). В функциональном режиме (в США этот режим имеет название “умное взаимодействие”) дистанции поражения увеличиваются значительно, но появляется неуверенность в действительности эффекта поражения.

На основе волоконных лазеров со спектральным сложением излучения единичных источников в США последовательно созданы комплексы ЛО со средней мощностью 30 кВт, 60 кВт, 100 кВт. Весовой фактор комплекса ЛО на основе волоконного лазера доведен до уровня в 5 кг/ кВт. Показано, что при дальнейшем масштабировании весовой фактор может быть снижен до 2 кг/ кВт, идет отработка уже созданного опытного образца лазерной системы в 300 кВт с общим весом всего в 600 кг. Убедительно показана иллюзорность дальнейшего масштабирования мощности такого ЛО в выбранном конструктиве. Очевидно, что нужна иная конструктивная схема твердотельного комплекса ЛО, которая позволила бы дальнейшее масштабирование его средней мощности при сохранении достигнутого весового фактора.

Особое значение весовой фактор приобретает при рассмотрении вопроса оснащения лазерами космических аппаратов, т.к. эта задача уже стоит в повестке дня США. Согласно задачам стратегической обороны (борьба с гиперзвуковыми ракетами) и накопленному опыту эксплуатации уже созданных лазерных комплексов на устаревшей физико-технической основе подтверждается необходимость создания комплексов ЛО с выходной мощностью в несколько десятков МВт. Частичный возврат к СОИ уже заявлен Объединенным комитетом начальников штабов США.

Отработанная в США технология тактических комплексов ЛО опирается на волоконный тип лазера, исследования по которому были начаты в России, в дальнейшем развиты и запатентованы в США эмигрантом из России ( Gapontsev V.P, “JPG Photonics”). Сейчас производство волоконных лазеров и их продажа продолжаются в США и в России («ИРЭ-ПОЛЮС» г. Фрязино) под контролем Государственного Департамента США. Для России действует жесткое ограничение, нам разрешена продажа волоконных лазеров мощностью всего лишь до 2 кВт, что, очевидно, неприемлемо для МО РФ.

ВВЛ

Волоконные высокоэнергетические лазеры(ВВЛ) в силу физических ограничений не могут быть высокочастотными И-П при большой средней мощности на выходе в силу разрушения волокна. Спектральное сложение излучения этих компактных и легких комплексов ЛО даже в непрерывном режиме генерации лимитировано тактическим уровнем средней мощности. В этом заключается большая ограниченность волоконной технологии, не только стратегический уровень мощности, но и многие новые режимы воздействия и эффективные применения высокочастотного И-П излучения высокоэнергетических лазеров для них невозможны.

К сожалению, Россия вслед за США копирует волоконную технологию создания тактического ЛО и технологию спектрального сложения излучения волоконных лазеров, при этом используется импортная элементная база, выборочно разрешаемая Государственным Департаментом США только для маломощных систем. В этих условиях спектральное сложение большого количества независимых волоконных лазеров приводит к значительной потере надежности конечного продукта и полноценное оснащение ВС РФ высокоэнергетическими тактическими комплексами ЛО невозможно.

Существующая в мире твердотельная технология лазера на основе дисковой геометрии (Автор акад. Н.Г. Басов “ФИАН”) так же, как и волоконная, не позволяет дальнейшее масштабирование средней мощности комплексов ЛО до стратегического уровня. Единственно перспективным и эффективным на данный момент конструктивным подходом к созданию всей линейки твердотельных комплексов ЛО от тактического уровня и до стратегического является мономодульная технология, предложенная в России (“ИОФ РАН“).

В программе «SHiELD», разрабатываемой США, речь идет о создании истребителя 5го- 6го поколений с тактическим комплексом ЛО на основе волоконного лазера на борту для его защиты от ракет воздух-воздух и земля-воздух. «Аir Force» ( США) планируют получить этот лазерный авиационный комплекс только в 2022 м году. Временной сдвиг в реализации программы происходит из-за больших проблем в США с коронавирусной инфекцией и, что гораздо более значимо для продвижения программы, из-за объективных физико-технических трудностей при создании комплекса ЛО на основе волоконной технологии, что и прогнозировалось при повышении средней мощности комплексов ЛО.

-Очевидно, что создаваемый новый авиационный комплекс ЛО («SHiELD») будет способен не только решать задачи собственной защиты от ракетного нападения, но и представит большую угрозу для объектов военной техники (ОВТ) и авиации противника. Лазерное излучение значительно поглощается и рассеивается в условиях “Персидского залива”, где было проведено много демонстрационных испытаний тактических комплексов ЛО для борьбы с “дронами”. Известно, что в этих условиях мощность луча падает втрое на каждой миле дистанции. И это, действительно, усложняет применение ЛО в условиях большой влажности. Но из этого не следует вывод, заявляемый некоторыми экспертами, что ЛО не эффективно в принципе. Нужно наращивать мощности комплексов ЛО и уходить на, действительно, много больший уровень средних мощностей, на другие временные режимы генерируемого излучения.

Есть совершенно другие военные задачи помимо уничтожения «дронов». Это использование ЛО в верхних слоях атмосферы и в космосе. На высотах 7-9 км. воздушная среда гораздо более прозрачная и прицельные дальности для уничтожения ОВТ даже для уровня мощности в 100-150 кВт могут составить многие десятки км. А если речь идет о мегаваттном уровне мощностей, то уже историческими работами специалистов из США и СССР экспериментально доказана реальность диапазона активного оперирования “лазерными монстрами” в 100 км. Другое дело, что все это, опять же, тактический диапазон дальностей и надо продолжать наращивать среднюю мощность ЛО для достижения стратегического уровня дальности в 1000 км и более при значительном снижении их весов и габаритов. Уже понятно, что ЛО на химической, газовой и паровой основе с их огромными весами и габаритами ушли с этой стратегической дороги в прошлое. Ныне в головах ученых и конструкторов доминирует твердотельная основа активного элемента комплекса ЛО, волоконные и дисковые геометрии определяют будущее ЛО практически для всех родов войск. Вопрос дальности поражения ОВТ в космосе будет упираться только в оптическое качество генерируемого излучения. Но помимо качества луча есть и другая проблема, т.к. надо этот многомегаваттный комплекс ЛО умудриться вывезти в космос. Именно для этого акцент в работах США делается на твердотельной технологии, позволяющей обеспечить весовой фактор 5 кг/ кВт и ниже. И здесь у хорошо известных систем ЛО, исповедующих, согласно мнению наших и зарубежных экспертов, в основе лежат не твердотельные технологии, есть большие трудности.

Отброшенные американцами технологии химических, газовых и лазеров на парах щелочных металлов не обеспечивают реализацию весового фактора на уровне 5 кг/ кВт. В случае же устаревших технологий, уже показавших свою неэффективность в построении комплексов ЛО, весовой фактор уходит в область значений 200-400 кг/ кВт. Это означает, что стратегическая лазерная система, построенная на этих устаревших физических принципах, окажется настолько тяжелой и громоздкой, что будет годиться только для наземного использования. Компания «Lockheed Martin» заявила недавно о реальной возможности снижения весового фактора для твердотельной технологии до величины в 2кг/кВт и меньше, что при дальнейшем масштабировании средней мощности лазерных систем вполне реально.

Нам нужно помнить о поставленной Объединенным комитетом начальников штабов США задаче первого этапа, в которой говорится об установке на боевых аппаратах авиации тактических комплексов ЛО мощностью в 100-150 кВт в 2022 году. Такой комплекс на основе твердотельной технологии при весовом факторе уже до 2кг/кВт будет иметь вес в пределах 200-300 кг. В то же время ЛО мощностью 100 кВт на старых и уже отброшенных ими физических принципах весил бы около 20 т. И это, если оценивать задачу очень оптимистично. Ясно, что с таким ЛО выиграть воздух, а на втором этапе и космос просто невозможно.

Достаточно вспомнить судьбу электроразрядных, газодинамических и химических комплексов ЛО у нас и в США. Они все закрыты как абсолютно не эффективные! Именно о них наши лазерные отцы — основатели писали так: “Мы хорошо продвинули в стране лазерную физику, но нам так и не удалось создать стратегическое ЛО ”. Теперь эта задача стоит перед нами, и она может и должна быть решена в России!

ПОРАЗИТЬ ЦЕЛЬ

О функциональном поражении цели мы говорим тогда, когда не можем обеспечить требуемую плотность энергии для силового поражения. Также очевидно, что если создано силовое ЛО, то функциональное ЛО этим фактом уже вполне обеспечено, тем более с увеличенной на порядок величины дистанцией поражения (т.к. уровни энергии в этом случае требуются значительно меньшие). Именно поэтому нужно стремиться к созданию ЛО для силового поражения ОВТ при минимальных весах и габаритах. ЛО для функционального поражения цели получается в этом случае автоматически.

Военные и раньше не любили механизм функционального поражения цели, и сейчас мало что изменилось в их позиции. Только силовое поражение наверняка гарантирует выполнение боевой задачи уничтожения ОВТ. Это очень хорошо становится понятно на следующем примере. Высокоэнергетическое ЛО в силовом режиме, например, отрезает крыло самолета или крылатой ракеты и оба этих ОВТ гарантированно перестают выполнять боевую задачу. При значительно меньшей энергетике лазера возможно только функциональное поражение ОВТ. Например, у той же ракеты лазер засветил оптоэлектронную систему наведения на цель. Ракета продолжает лететь и в этом случае у оператора нет абсолютной уверенности в потере ею навигационной способности, чтобы достичь защищаемый им ОВТ. А эта уверенность у военных безусловно должна быть. Таким образом, функциональное поражение цели хорошо только тогда, когда силовое объективно невозможно по причине недостатка средней мощности излучения лазера на цели на данной дистанции. И это значит, что разработчикам ЛО необходимо думать о легком и компактном стратегическом ЛО, способном уничтожать ОВТ в силовом режиме, т.е. всегда иметь запас энергии в луче.

ЗАЩИТА ОТ ИЗЛУЧЕНИЯ

Несколько слов о проблеме защиты от лазерного излучения. Эта тема постоянно муссируется сонмом «очень продвинутых экспертов» в области ЛО. Да, на футбольном поле вратарь легко может закрыться перчаткой от назойливого болельщика с лазерной указкой! Но с лазером мощностью в 30 кВт этот фокус уже не пройдет.

Дроны в «Персидском заливе» горели на расстоянии в 1,5-2 км. Но то были просто игрушки в сравнении с современными многотонными беспилотниками, сделанными из титана и алюминиевых сплавов. Здесь уже и 100 кВт непрерывного излучения на тактических расстояниях в силовом режиме поражения может быть мало. А вот в функциональном высокочастотном И-П режиме будет более чем достаточно.

Высокочастотный И-П режим – это режим лазерной генерации, при котором энергия лазера выделяется в виде последовательности коротких импульсов с большой частотой повторения. При этом пиковая мощность отдельных импульсов в сотни и тысячи раз превышает значение средней мощности того же самого лазерного источника в обычном непрерывном режиме генерации. Лидирующими специалистами в области создания мощных высокочастотных И-П лазеров и авторами патента являются сотрудники «ИОФ РАН», работавшие под руководством акад. А.М. Прохорова. Этим же коллективом на базе данного режима был предложен и экспериментально осуществлен лазерный двигатель на основе механизма высокочастотного оптического пульсирующего разряда и получены рекордные характеристики тяги двигателя.

C помощью высокочастотного И-П лазера получен интенсивный и варьируемый по частоте звук в дальней зоне, содержащий до 20% энергии лазера, экспериментально осуществлен проводящий канал с минимальным удельным сопротивлением, показана возможность его масштабирования до значительных расстояний и реальность такого высокопроводящего канала, в том числе, и в вакууме. Эти новые-старые технологии – И-П режим с высокой частотой повторения импульсов (>10кГц) и мономодульный диск — прекрасно сочетаются в едином лазерном комплексе. В частности, нами за прошедшие годы, помимо экспериментальной демонстрации режима на уровне 10кВт и применения этого режима для резки металлов, стекол и композитов, теоретически показана высокая эффективность применения высокочастотного И-П режима для решения задачи эффективного уничтожения космического мусора, для резки толстых льдов Северного ледовитого океана и для резки много чего еще. Таким образом, повышение уровня выходной энергетики лазера и использование новых временных режимов генерации излучения позволяют уверенно смотреть на проблему преодоления защиты от лазерного излучения.

ЕЩЕ РАЗ ЗАМЕТИМ

Еще раз заметим, что не все твердотельные лазерные технологии одинаково эффективны применительно к большим средним мощностям комплексов ЛО. Стержневая геометрия и геометрия «слэба» ограничены уровнем мощности в 30-50 кВт. Примерно также обстоят дела и с волоконной технологией. Дальнейшее увеличение средней мощности комплекса ЛО в таком случае возможно за счет спектрального сложения излучений отдельных модулей. Простое суммирование излучений на цели (чисто геометрическое от различных источников) не эффективно по целому ряду причин. Попытки спектрального сложения “волоконников” в США привели к созданию опытного образца ЛО со средней мощностью в 300 кВт. Убедительно показана ограниченность и этого подхода в плане дальнейшего масштабирования средней мощности, особенно в случае мобильных комплексов ЛО.

-Наиболее, если не сказать единственно, перспективным подходом для твердотельной технологии является получение единого лазерного пучка излучения в едином резонаторе с единым дисковым элементом большого диаметра. Здесь речь идет не о последовательности маленьких дисков, как это делается в мире сегодня, а об едином диске большого диаметра. (мономодульная дисковая геометрия) Именно при этом, разработанном нами, подходе возможно решение проблемы масштабирования средней мощности комплекса ЛО до многих десятков МВт. А именно это и есть та цель, к которой стремились и стремятся создатели ЛО во всем мире. Только в этом случае могут быть решены наиболее сложные проблемы ВКО России, которые сегодня выдвигаются на передний план из-за стратегических планов США, продолжающих рваться к мировому господству.

В России, к сожалению, создана монополия на разработку высокоэнергетического тактического ЛО, серьезных продвижений в освоении твердотельной технологии пока нет. Создание монополии в любой области знания и производства чрезвычайно опасно с точки зрения развития коррупции, и ограниченности видения проблемы в ее сути. В США уже к сегодняшнему дню создано более десятка предприятий, занятых разработкой и изготовлением тактического ЛО и его элементной базы для всех родов войск, включая космические.

Представляется ошибочной политика концентрации материальных ресурсов в одном, находящемся в удалении от квалифицированных столичных кадров, лазерном центре. В подобной ситуации ученые Москвы и Санкт-Петербурга оказываются лишенными возможности эффективно участвовать в создании новых образцов высокоэнергетического ЛО. А создание новой плеяды инженерно-технических умельцев есть процесс длительный, а времени на их обучение уже нет! Размещение Лазерных центров и их филиалов по данной тематике целесообразно именно в указанных городах или в их пригородах.

Несмотря на установленные мировым сообществом запреты, ЛО усилиями США будет выведено в космос вслед за оснащением авиации тактическим ЛО. В соответствии с доктриной американцев «Национальная космическая политика США» провозглашается право американцев распространить национальный суверенитет на космическое пространство. Важное место среди возможных видов эффективных средств борьбы в космосе и в воздухе американскими стратегами отводится ЛО космического базирования, которое будет использоваться для контроля воздушно-космического пространства, включая идентификацию, инспекцию и уничтожение противника в будущих космических операциях. Особое внимание уделяется при этом уничтожению гиперзвуковых ракет.

Стратегический уровень мощности обеспечит только мономодульная дисковая геометрия активного элемента комплекса ЛО. Именно этот путь развития, начатый совместно с академиками Н. Басовым и А. Прохоровым, уже много лет продвигается нами! Для его обеспечения необходимо срочное создание целевой организации и срочное, даже опережающее, создание элементной базы таких твердотельных мономодульных дисковых комплексов ЛО на ряде предприятий оборонного комплекса России.

Одновременно с созданием элементной базы новых твердотельных технологий и реализацией компактных и легких стратегических и тактических комплексов ЛО, данная программа работ послужит локомотивом дальнейшего развития предприятий оборонного комплекса страны и их перехода на 6ой технологический уклад, о котором настойчиво говорит Президент РФ.

Источник: https://argumenti.ru/army/2021/04/719718