Технические науки

Лазерные пучки, как указывалось выше, воздействуют на поверхностный слой материала. Они эффективно разрушают в результате теплового или ударного воздействия (последнее характерно для импульсных лазеров) тонкостенные оболочки: стенки топливных баков, обшивку самолетов и вертолетов, стенки нефте- и газохранилищ и т.п. Из перечисления целей, которые могут быть поражены лазерным лучом, вытекает, что такое оружие можно использовать как против ракет на активном участке траектории, так и при ударе из космоса по наземным целям.

Атмосфера прозрачна для лазерного излучения в диапазоне длин волн примерно от 0,3 мкм до 1 мкм, т.е. в диапазоне, несколько перекрывающем видимый (оптический). Для более длинных волн – в инфракрасной области – также существуют «окна прозрачности», где нет молекулярных полос поглощения различного рода атмосферных примесей. Для излучения с длинами волн ниже 0,3 мкм атмосфера абсолютно непрозрачна; это относится и к рентгеновским лучам. Однако даже лазерный луч, теоретически свободно проходящий через атмосферу, интенсивно рассеивается в облаках, тумане, на аэрозолях и пылинках.

Оценить поражение тонкостенных оболочек можно довольно просто. Плотность энергии в пучке, требуемой для того, чтобы прожечь лист алюминия эффективной толщиной 1 г/см ², составляет около 1000 Дж/см ².

Процесс взаимодействия лазерного излучения с поверхностью довольно сложен, поэтому ограничимся схематическим описанием этого процесса. Поглощение лазерного излучения происходит в тонком приповерхностном слое вещества. Для процесса поглощения важны длительность лазерного импульса и температуропроводность материала. Если температуропроводность материала велика, то даже за небольшое время длительности действия лазерного импульса успевает прогреться значительная толщина приповерхностного слоя. В случае низкой температуропроводности материала вся энергия лазерного излучения выделяется в виде тепла только в том слое, где произошло поглощение излучения – этот слой может успеть расплавиться, испариться и даже ионизироваться, а весь остальной материал останется даже холодным. Характер поведения материала стенки определяется его коэффициентом температуропроводности х, имеющим размерность см ²/с.

(1.1)

Можно решить и обратную задачу – на какую глубину проникает тепло при импульсном нагреве поверхности с длительностью импульса т.

Значения коэффициента температуропроводности для применяемых в ракетной технике материалов приведены в табл. 1.3. Величина х определяется плотностью p, теплоемкостью и теплопроводностью материала:

Характерное время Т, необходимое для прогрева всей толщины оболочки d, равно

(1.4)

T=d²/x

Если длительность импульса лазерного выстрелаудовлетворяет соотношению , то происходит обычный нагрев, оценки которого были приведены ранее.

Рассмотрим одномерную задачу, соответствующую случаю падения светового пучка на плоскую поверхность. Пусть излучение нагревает слой материала с эффективной толщиной, а плотность энергии падающего пучка Q (Дж/см ²) настолько велика, что удельный энерговклад q (Дж/г) существенно выше теплоты испарения, так что можно считать, что слой 5 испаряется и нагревается до температуры, которой соответствует средняя скорость молекул

(1.5)

Создавшийся газовый слой распространяется в окружающее пространство, передавая поверхности удельный импульс, порядок которого определяется соотношением

(1.6)

В результате материал оболочки мог бы приобрести скорость порядка

где с/ – эффективная толщина оболочки (г/см ²).

Допустимая скорость (не превышающая порога разрушения) должна составлять малую часть скорости звука в веществе оболочки:

(1.8)

где

Рассмотрим в качестве примера импульсный лазер с длительностью импульса, Толщина зоны поглощения лазерного излучения оценивается из соотношения, что для алюминия дает

Поскольку скорость звука в алюминии составляет 6 км/с, для эффективной толщины оболочки 1 г/см ² получим предел ударной прочности около 10 кДж/см ².

Если положить длительность импульса равной 10 ^-6, то порог поражения снизится до 1кДж/см², но при этом удельный энерговклад уже близок к теплоте возгонки, так что в этом случае уже достигается предел применимости принятого подхода к решению задачи.

Сделанные оценки показывают, что порог ударного поражения поверхности мощным лазерным импульсом не ниже порога теплового поражения.

Порог теплового поражения можно существенно повысить, если покрыть поверхность оболочки слоем вещества с достаточно низкой температуропроводностью (абляционное покрытие), чтобы падающая на поверхность энергия поглощалась в тонком слое покрытия, разогревала и испаряла его, оставляя основную часть оболочки неповрежденной. Как видно из табл. 1.3, у абляционных покрытий на основе углепластиков коэффициент температуропроводности почти на три порядка ниже, чем у алюминия, т.е. слой абляционного покрытия эффективной толщиной 0,5 г/см² (около 3 мм) может сохранять свои теплозащитные свойства в течение почти 1 минуты. Толщина 0,5 г/см ² выбрана из тех соображений, чтобы вес топливных баков существенно не увеличивался (ранее мы предполагали, что начальная толщина стенок имеет порядок 1 г/см ²). Поскольку теплота возгонки углерода составляет около 60 кДж/г (см. табл. 1.2), такой теплоизолирующий слой может выдержать нагрузку порядка 30 кДж/см ². По-видимому, это практический предел возможностей теплозащиты. Во всех американских исследованиях в качестве порога теплового поражения лазерного излучения принимается величина 20 кДж/см ². Аналогичное значение упоминается и при оценках порога поражения импульсным лазерным ударом.

Итак, мы определили (во всяком случае, по порядку величины) порог поражения стенок топливных баков ракет лазерным оружием:

(1.9)

Как уже упоминалось, существуют физические ограничения на параллельность лазерного луча.

(1.10)

где – длина волны лазерного излучения, а D – диаметр соответствующего фокусирующего зеркала (во всех приводимых формулах численные множители порядка единицы опущены).

Аналогичное рассмотрение случая, когда пучок фокусируется в точку, показывает, что вместо точки в фокальной плоскости образуется пятно поперечным размером

(1.11)

где R – фокусное расстояние зеркальной системы.

С точки зрения эффективности лазерного оружия важно, чтобы размеры пятна на мишени были минимальными, т.е. расстояние до цели должно равняться фокусному расстоянию. При расфокусировке размеры пятна возрастают:

(1.12)

где – степень расфокусировки.

Если размер сфокусированного пятна на мишени достаточно мал, то мала и «глубина резкости» . Поскольку маловероятно, чтобы можно было менять фокусное расстояние от выстрела к выстрелу, реальный размер пучка на мишени будет больше минимального расчетного.

Важно также, чтобы размер пятна был меньше эффективного диаметра зеркала. В противном случае тепловые нагрузки (импульсные удары) на зеркало столь велики, что возможность его многократного использования становится сомнительной 11.10].

или

(1.14)

что определяет предельный радиус поражения лазера данного типа при соответствующем размере зеркала, не зависящий от мощности самого источника лазерного излучения.

В промежуточном случае радиус поражения зависит и от мощности источника. Плотность энергии на мишени вычисляется по формуле

(1.15)

где W – мощность источника,

– длительность лазерного выстрела,

R – расстояние до мишени,

– угол расходимости лазерного излучения. Предположим!

, где

– энергетический порог поражения мишени. Тогда

(1.16)

Параметр

называется яркостью и определяет количество

энергии, выделяемое источником в единицу телесного угла. Это основная энергетическая характеристика лазерного источника. Используя параметр

В, можно переписать выражение (1.16) в виде, удобном для последующих оценок:

(1.17)

Принимая, как отмечалось ранее,

, легко получить численное соотношение между радиусом поражения и яркостью (см.табл. 1.4).

Как отмечалось в докладе комиссии Флетчера , современные химические лазеры непрерывного действия могут иметь яркость порядка 10 ² Вт/стер, что в миллионы раз меньше, чем требуется для создания эффективного лазерного оружия.

Подчеркнем еще раз, что лазерное оружие наиболее эффективно для поражения топливных баков ракет. Боеголовки имеют более прочную оболочку и лучше теплоизолированы, поскольку они рассчитаны на торможение при высокоскоростном движении в плотных слоях атмосферы. Для оценки степени требуемой теплоизоляции боеголовок обратимся к примеру зонда по проекту «Галилей», предназначенного для спуска в атмосферу Юпитера, более плотную, нежели земная. Этот зонд рассчитан на тепловые нагрузки порядка 100 МДж/см ² в течение 100 секунд. Теплоизоляция боеголовок, по-видимому, должна быть рассчитана на тепловые нагрузки, находящиеся в диапазоне 10 к Дж/см ² – 100 МДж/см ².

Для оценки энергетики лазерной установки примем, что размер пятна должен быть порядка точности нацеливания. С другой стороны, эта точность должна быть порядка размеров мишени – более высокая точность требует резкого усложнения системы наведения. Таким образом, оптимальный размер пятна должен быть порядка размеров мишени. С учетом реальных размеров современных боевых ракет и принимая во внимание, что речь идет об оценках величин, допустим, что размер пятна – величина порядка метра.

Сделанный вывод вносит некоторую определенность в требуемые характеристики лазерного источника. Количество энергии в выстреле должно составлять 200 МДж, что эквивалентно взрыву пятидесятикилограммового заряда тринитротолуола (ТНТ). Коэффициент полезного действия лазеров, работающих на атомных или молекулярных переходах, не очень высок – в лучшем случае он имеет порядок нескольких процентов. Энергия, выделяющаяся в самом источнике, настолько велика, что активная среда, в которой идет лазерный процесс, разрушается после выстрела. Это соображение следует учитывать при разработке лазерных источников многократного действия.

Предположим, что какая-то часть МБР стартовала одновременно из ограниченной области. Тогда находящимся поблизости нескольким боевым космическим станциям (БКС) могут противостоять сотни ракет. Этот случай позволяет сформулировать следующие требования к БКС:

– боезапас – до 1000 выстрелов;

– скорострельность – до нескольких десятков выстрелов в секунду. Мы завершили рассмотрение некоторых проблем, общих для лазерного оружия любого типа; эти проблемы ставят перед создателями лазерных боевых космических станций много технических вопросов. Теперь можно перейти к описанию возможных вариантов систем. В американской печати применительно к противоракетной системе рассматривались до сих пор только четыре типа лазеров:

а. Химические лазеры на фтористом водороде;

б. Эксимерные лазеры;

в. Рентгеновские лазеры с накачкой от ядерного взрыва;

г. Лазеры на свободных электронах.