Технические науки

Космическое оружие: дилемма безопасности. Автора- А.Г.Арбатов, А.А.Васильев, Е.П.Велихов...
Москва, Мир, 1986
1.1. Лазерное оружие

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.

Для магниевых сплавов при той же эффективной толщине потребуется почти столько же энергии, а для титана – в полтора раза больше (эти материалы наиболее типичны для стенок топливных баков ракет). Термодинамические характеристики этих и ряда других материалов приведены в табл. 1.2.

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.

С помощью этого коэффициента можно определить, за кое время сможет прогреться слой вещества толщиной

(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.

Если, то процесс взаимодействия характеризуется импульсным ударом.

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. Удельный энерговклад такого лазерного импульса, как легко проверить, существенно выше теплоты испарения (для алюминия она составляет около 12 кДж/г), так что сделанное допущение выполняется.

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. Минимально возможная расходимость луча задается так называемым дифракционным пределом:

(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].

Если подставить в формулу (1.11) d=D, то получим следующее соотношение: (1.13)

или

(1.14)

что определяет предельный радиус поражения лазера данного типа при соответствующем размере зеркала, не зависящий от мощности самого источника лазерного излучения. Связь трех параметров (диаметр зеркала, длина волны лазера и радиус поражения) представлена на диаграмме рис. 1.2.

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.

вернуться к содержанию
вернуться к списку источников
перейти на главную страницу

Релевантная научная информация:

  1. Космическое оружие: дилемма безопасности. Автора- А.Г.Арбатов, А.А.Васильев, Е.П.Велихов... Москва, Мир, 1986 - Технические науки
  2. 1.1. Лазерное оружие - Технические науки
  3. Использование средств поражения космического эшелона для ударов по воздушным и наземным объектам - Технические науки
  4. 6.1. Активные средства нейтрализации и поражения широкомасштабной системы ПРО - Технические науки
  5. Потенциальные боевые компоненты космического эшелона широкомасштабной противоракетной системы - Технические науки
  6. 1.1.1. Химические лазеры на фтористом водороде - Технические науки
  7. 1.1.2. Эксимерные лазеры - Технические науки
  8. 1.1.3. Рентгеновские лазеры с накачкой от ядерного взрыва - Технические науки
  9. 1.1.4. Лазеры на свободных электронах - Технические науки
  10. 1.2. Пучковое оружие - Технические науки
  11. 1.з. Кинетическое оружие - Технические науки
  12. Боевые космические станции противоракетной системы - Технические науки
  13. 2.2. Оперативная надежность боевых космический станций - Технические науки
  14. 2.з. Заключение - Технические науки
  15. 5.1 Подсистема обнаружения,опознавания и наведения на цель - Технические науки
  16. 5.1.1. Требования по разрешению - Технические науки
  17. 5.2. Подсистема боевого управления - Технические науки
  18. 5.2.1. Архитектура подсистемы боевого управления и проблема уязвимости - Технические науки
  19. 6.2. Развитие стратегических ядерных вооружений как мера по сохранению способности к адекватному ответному удару - Технические науки
  20. 7.4. Противоракетное оружие и европейская безопасность - Технические науки

Другие научные источники направления Технические науки: