Resist the Light: Obrona przed bronią laserową. Część 5
Wcześniej przyjrzeliśmy się, jak technologia laserowajaki laser? broń może być stworzony do użytku w zainteresowaniach siły Powietrzne, siły lądowe i obrona powietrzna,, marynarka wojenna.
Teraz musimy zrozumieć, czy można się przed tym uchronić i jak. Często pojawiają się stwierdzenia, że wystarczy pokryć rakietę lustrzaną powłoką lub wypolerować pocisk, ale niestety nie wszystko jest takie proste.
Typowe zwierciadło pokryte aluminium odbija około 95% padającego promieniowania, a jego wydajność jest silnie zależna od długości fali.
Ze wszystkich materiałów pokazanych na wykresie, aluminium ma najwyższy współczynnik odbicia, który w żadnym wypadku nie jest materiałem ogniotrwałym. Jeśli po napromieniowaniu promieniowaniem o małej mocy lustro nagrzeje się nieznacznie, to po uderzeniu silnego promieniowania materiał powłoki lustra szybko stanie się bezużyteczny, co doprowadzi do pogorszenia jego właściwości odblaskowych i dalszego nagrzewania i zniszczenia przypominającego lawinę.
Przy długości fali mniejszej niż 200 nm wydajność luster gwałtownie spada; przed promieniowaniem ultrafioletowym lub rentgenowskim (laser na swobodnych elektronach), taka ochrona w ogóle nie zadziała.
Istnieją eksperymentalne materiały sztuczne o 100% odbiciu, ale działają one tylko dla określonej długości fali. Lustra można również pokrywać specjalnymi powłokami wielowarstwowymi, które zwiększają ich współczynnik odbicia do 99.999%. Ale ta metoda działa również tylko dla jednej długości fali i pada pod pewnym kątem.
Nie zapominaj, że warunki działania broni są dalekie od laboratoryjnych, tj. rakietę lustrzaną lub pocisk trzeba będzie przechowywać w pojemniku wypełnionym gazem obojętnym. Najmniejsze zmętnienie lub plama, na przykład z odcisków dłoni, natychmiast pogorszy współczynnik odbicia lustra.
Opuszczenie pojemnika natychmiast wystawi powierzchnię lustra na działanie otoczenia - atmosfery i efektów termicznych. Jeśli powierzchnia lustra nie jest pokryta folią ochronną, natychmiast doprowadzi to do pogorszenia jej właściwości odblaskowych, a jeśli zostanie pokryta powłoką ochronną, pogorszy właściwości odblaskowe powierzchni.
Podsumowując powyższe, zauważamy: ochrona lustrzana nie jest zbyt dobrze przystosowana do ochrony przed bronią laserową. Co w takim razie pasuje?
Do pewnego stopnia metoda „rozmazywania” energii cieplnej wiązki laserowej nad ciałem pomoże poprzez zapewnienie ruchu obrotowego samolotu (LA) wokół własnej osi podłużnej. Ale ta metoda jest odpowiednia tylko dla amunicji i w ograniczonym stopniu dla bezzałogowych statków powietrznych (UAV), w mniejszym stopniu będzie skuteczna, gdy zostanie wystrzelona laserem w przód kadłuba.
W przypadku niektórych rodzajów chronionych obiektów, na przykład bomb szybujących, pocisków manewrujących (CR) lub przeciwpancernych pocisków kierowanych (ATGM) atakujących cel podczas lotu z góry, ta metoda również zawiedzie. W większości nierotujące miny to miny moździerzowe. Trudno zebrać dane na temat wszystkich samolotów niewirujących, ale jestem pewien, że jest ich dużo.
W każdym razie obrót samolotu tylko nieznacznie zmniejszy wpływ promieniowania laserowego na cel, ponieważ. ciepło przekazywane ciału przez silne promieniowanie laserowe będzie przekazywane do struktur wewnętrznych i dalej do wszystkich elementów samolotu.
Ograniczone jest również stosowanie oparów i aerozoli jako środków zaradczych przeciwko broni laserowej. Jak już wspomniano w artykułach z serii, użycie laserów przeciwko naziemnym opancerzonym pojazdom lub statkom jest możliwe tylko w przypadku użycia przeciwko sprzętowi inwigilacyjnemu, do którego ochrony wrócimy. Spal kadłub BMP /czołg lub statek nawodny z wiązką laserową w dającej się przewidzieć przyszłości jest nierealny.
Oczywiście nie można zastosować ochrony przed dymem lub aerozolem przed samolotami. Ze względu na dużą prędkość samolotu dym lub aerozol będą zawsze wydmuchiwane z powrotem przez nadlatujące ciśnienie powietrza, aw śmigłowcach będą zdmuchiwane przez strumień powietrza ze śmigła.
Tak więc ochrona przed bronią laserową w postaci rozpylonego dymu i aerozoli może być wymagana tylko w pojazdach lekko opancerzonych. Z drugiej strony czołgi i inne pojazdy opancerzone są często już wyposażone w standardowe systemy zasłon dymnych, aby zakłócić przechwytywanie wrogich systemów uzbrojenia, a w tym przypadku, po opracowaniu odpowiednich wypełniaczy, można je również wykorzystać do kontrowania broni laserowej.
Wracając do ochrony optycznego i termowizyjnego sprzętu rozpoznawczego, można przyjąć, że instalowanie filtrów optycznych zapobiegających przejściu promieniowania laserowego o określonej długości fali nadaje się jedynie na początkowym etapie do ochrony przed bronią laserową małej mocy, dla z następujących powodów:
- w użyciu będzie szeroka gama laserów różnych producentów pracujących na różnych długościach fal;
- filtr zaprojektowany do pochłaniania lub odbijania określonej długości fali pod wpływem silnego promieniowania prawdopodobnie ulegnie awarii, co spowoduje albo dostanie się promieniowania laserowego do wrażliwych elementów, albo uszkodzenie samej optyki (zmętnienie, zniekształcenie obrazu);
- niektóre lasery, w szczególności laser na swobodnych elektronach, mogą zmieniać roboczą długość fali w szerokim zakresie.
Ochrona optycznego i termowizyjnego sprzętu rozpoznawczego może być wykonywana dla sprzętu naziemnego, statków i lotnictwo technologii, instalując ekrany ochronne z dużą prędkością. W przypadku wykrycia promieniowania laserowego ekran ochronny powinien zamknąć soczewki w ułamku sekundy, ale nawet to nie gwarantuje braku uszkodzeń wrażliwych elementów. Niewykluczone, że powszechne użycie broni laserowej z czasem będzie wymagało co najmniej powielenia sprzętu rozpoznawczego działającego w zakresie optycznym.
Jeśli na dużych nośnikach instalacja ekranów ochronnych i zapasowych środków rozpoznania optycznego i termowizyjnego jest całkiem możliwa, to w przypadku broni o wysokiej precyzji, zwłaszcza kompaktowej, jest to znacznie trudniejsze. Po pierwsze znacznie zaostrza się wymagania dotyczące wagi i rozmiaru ochrony, a po drugie, narażenie na promieniowanie laserowe o dużej mocy, nawet przy zamkniętej przesłonie, może spowodować przegrzanie elementów układu optycznego ze względu na gęsty układ, co prowadzi do częściowego lub całkowite zakłócenie jego działania.
Jakie są sposoby na skuteczną ochronę sprzętu i broni przed bronią laserową? Istnieją dwie główne metody - ochrona ablacyjna i konstruktywna ochrona termoizolacyjna.
Ochrona ablacyjna (z łac. ablatio - usuwanie, usuwanie masy) polega na usunięciu substancji z powierzchni chronionego obiektu przez przepływ gorącego gazu i/lub na przebudowie warstwy granicznej, co razem znacznie zmniejsza ciepło przenieść na chronioną powierzchnię. Innymi słowy, dochodząca energia jest zużywana na ogrzewanie, topienie i odparowywanie materiału ochronnego.
Obecnie ochrona ablacyjna jest aktywnie wykorzystywana w modułach opadania statków kosmicznych (SC) oraz w dyszach silników odrzutowych. Największe zastosowanie znalazły zwęglejące tworzywa sztuczne na bazie żywic fenolowych, krzemoorganicznych i innych syntetycznych zawierających węgiel (w tym grafit), dwutlenek krzemu (krzemionka, kwarc) i nylon jako wypełniacze.
Ochrona ablacyjna jest jednorazowa, ciężka i obszerna, więc nie ma sensu jej używać w samolotach wielokrotnego użytku (czytaj nie wszystkie załogowe i większość bezzałogowych statków powietrznych). Jego jedyne zastosowanie dotyczy pocisków kierowanych i niekierowanych. I tutaj głównym pytaniem jest jak gruba powinna być ochrona dla lasera o mocy np. 100 kW, 300 kW itd.
Na statku kosmicznym Apollo grubość osłony waha się od 8 do 44 mm dla temperatur od kilkuset do kilku tysięcy stopni. Gdzieś w tym zakresie będzie również znajdować się wymagana grubość ochrony ablacyjnej przed laserami bojowymi. Łatwo sobie wyobrazić, jak wpłynie to na charakterystykę masy i rozmiarów, a co za tym idzie na zasięg, zwrotność, masę głowicy (głowicy) i inne parametry amunicji. Ablacyjna ochrona termiczna musi również wytrzymywać przeciążenia podczas startu i manewrowania oraz spełniać normy dotyczące warunków przechowywania amunicji.
Amunicja niekierowana budzi wątpliwości, ponieważ nierównomierne zniszczenie ochrony ablacyjnej przed promieniowaniem laserowym może zmienić balistykę zewnętrzną, w wyniku czego amunicja będzie odchylać się od celu. Jeśli ochrona ablacyjna jest już gdzieś stosowana, na przykład w amunicji naddźwiękowej, to jej grubość będzie musiała zostać zwiększona.
Innym sposobem ochrony jest powłoka konstrukcyjna lub konstrukcja nadwozia z kilkoma warstwami ochronnymi materiałów ogniotrwałych odpornych na wpływy zewnętrzne.
Jeśli narysujemy analogię ze statkiem kosmicznym, możemy rozważyć ochronę termiczną statku kosmicznego wielokrotnego użytku Buran. W miejscach, gdzie temperatura powierzchni wynosi 371 – 1260 stopni Celsjusza, zastosowano powłokę składającą się z amorficznego włókna kwarcowego o czystości 99,7%, do którego dodaje się spoiwo – koloidalny dwutlenek krzemu. Pokrycie wykonane jest w postaci płytek w dwóch standardowych rozmiarach od 5 do 64 mm grubości.
Szkło borokrzemianowe zawierające specjalny pigment (biała powłoka na bazie tlenku krzemu i jasnego tlenku glinu) jest nakładane na zewnętrzną powierzchnię płytek, aby uzyskać niską absorpcję promieniowania słonecznego i wysoką emisyjność. Ochronę ablacyjną zastosowano na stożku nosa i końcówkach skrzydeł aparatu, gdzie temperatury przekraczają 1260 stopni.
Należy pamiętać, że podczas długotrwałej eksploatacji może zostać naruszona ochrona płytek przed wilgocią, co doprowadzi do utraty ochrony termicznej jej właściwości, dlatego nie może być bezpośrednio stosowana jako ochrona antylaserowa w samolotach wielokrotnego użytku .
Obecnie opracowywana jest obiecująca ablacyjna ochrona termiczna o minimalnym zużyciu powierzchni, która zapewnia ochronę samolotów przed temperaturami do 3000 stopni.
Grupa naukowców z Royce Institute na Uniwersytecie w Manchesterze (Wielka Brytania) i Central South University (Chiny) opracowała nowy materiał o ulepszonych właściwościach, który może wytrzymać temperatury do 3000°C bez zmian strukturalnych. Jest to powłoka ceramiczna Zr0.8Ti0.2C0.74B0.26, która jest nałożona na kompozytową matrycę węglowo-węglową. Wydajność nowej powłoki znacznie przewyższa wydajność najlepszej ceramiki wysokotemperaturowej.
Sama budowa chemiczna ceramiki żaroodpornej działa jak mechanizm ochronny. W temperaturze 2000°C materiały Zr0.8Ti0.2C0.74B0.26 i SiC są utleniane i przekształcane odpowiednio w Zr0.80T0.20O2, B2O3 i SiO2. Zr0.80Ti0.20O2 topi się częściowo i tworzy stosunkowo gęstą warstwę, podczas gdy niskotopliwe tlenki SiO2 i B2O3 odparowują. W wyższej temperaturze 2500°C kryształy Zr0.80Ti0.20O2 łączą się w większe formacje. W temperaturze 3000°C tworzy się prawie całkowicie gęsta warstwa zewnętrzna, która składa się głównie z Zr0.80Ti0.20O2, tytanianu cyrkonu i SiO2.
Świat opracowuje również specjalne powłoki, które mają chronić przed promieniowaniem laserowym.
Już w 2014 roku przedstawiciel Chińskiej Armii Ludowo-Wyzwoleńczej stwierdził, że amerykańskie lasery nie stanowią szczególnego zagrożenia dla chińskiego sprzętu wojskowego osłoniętego specjalną warstwą ochronną. Pozostają tylko pytania, jaką moc ta powłoka chroni przed laserami oraz jaką ma grubość i masę.
Największym zainteresowaniem cieszy się powłoka opracowana przez amerykańskich naukowców z National Institute of Standards and Technology oraz University of Kansas - kompozycja aerozolowa oparta na mieszaninie nanorurek węglowych i specjalnej ceramiki, która może skutecznie pochłaniać światło lasera. Nanorurki nowego materiału równomiernie absorbują światło i przenoszą ciepło do pobliskich obszarów, obniżając temperaturę w miejscu kontaktu z wiązką lasera. Wysokotemperaturowe związki ceramiczne zapewniają powłoce ochronnej dużą wytrzymałość mechaniczną i odporność na uszkodzenia pod wpływem wysokich temperatur.
W trakcie badania cienką warstwę materiału nałożono na powierzchnię miedzi, a po wysuszeniu wiązka lasera podczerwonego o dużej długości fali, używanego do cięcia metalu i innych twardych materiałów, skupiona była na powierzchni materiał.
Analiza zebranych danych wykazała, że powłoka skutecznie zaabsorbowała 97.5% energii wiązki laserowej i wytrzymywała poziom energii 15 kW na centymetr kwadratowy powierzchni bez zniszczenia.
W odniesieniu do tej powłoki pojawia się pytanie: w testach na powierzchnię miedzi nałożono powłokę ochronną, która sama w sobie jest jednym z najtrudniejszych materiałów do obróbki laserowej, ze względu na wysoką przewodność cieplną nie jest jasne, w jaki sposób taka powłoka powłoka ochronna będzie zachowywać się z innymi materiałami. Pojawiają się również pytania o jego maksymalną odporność na temperaturę, odporność na wibracje i obciążenia udarowe, narażenie na warunki atmosferyczne i promieniowanie ultrafioletowe (słońce). Nie wskazano czasu, w którym przeprowadzono napromienianie.
Kolejna ciekawa kwestia: jeśli silniki samolotu zostaną również pokryte substancją o wysokiej przewodności cieplnej, to całe ciało będzie od nich równomiernie nagrzewane, co w jak największym stopniu zdemaskuje samolot w widmie termicznym.
W każdym przypadku właściwości powyższej ochrony aerozolowej będą wprost proporcjonalne do wielkości chronionego obiektu. Im większy jest chroniony obiekt i obszar pokrycia, tym więcej energii może być rozpraszane na tym obszarze i oddawane w postaci promieniowania cieplnego i chłodzenia przez nadchodzący strumień powietrza. Im mniejszy obiekt chroniony, tym grubsza ochrona będzie musiała zostać wykonana, ponieważ niewielka powierzchnia nie pozwoli na odprowadzenie wystarczającej ilości ciepła, a wewnętrzne elementy konstrukcyjne ulegną przegrzaniu.
Zastosowanie ochrony przed promieniowaniem laserowym, czy to ablacyjnej, czy konstruktywnej termoizolacyjnej, może odwrócić tendencję do zmniejszania rozmiarów amunicji kierowanej, znacznie obniżając skuteczność zarówno amunicji kierowanej, jak i niekierowanej.
Wszystkie powierzchnie nośne i stery – skrzydła, stateczniki, stery będą musiały być wykonane z drogich i trudnych w obróbce materiałów ogniotrwałych.
Osobno pojawia się pytanie o ochronę narzędzi do wykrywania radarów. Na eksperymentalnym statku kosmicznym „BOR-5” testowano radioprzezroczystą ochronę termiczną - włókno szklane z wypełniaczem krzemionkowym, ale nie mogłem znaleźć jego ochrony termicznej oraz charakterystyki wagowej i rozmiarowej.
Wciąż nie jest jasne, czy w wyniku napromieniowania osłoną osłony radiolokacji rozpoznawczej silnym promieniowaniem laserowym, aczkolwiek z ochroną przed promieniowaniem cieplnym, może dojść do powstania plazmy wysokotemperaturowej, która uniemożliwia przechodzenie fal radiowych, w wyniku czego cel może zostać zgubiony.
Aby chronić obudowę, zostanie zastosowana kombinacja kilku warstw ochronnych - żaroodporna-nisko przewodząca ciepło od wewnątrz i odbijająca-odporna na ciepło-wysoko przewodząca ciepło z zewnątrz. Możliwe jest również, że oprócz ochrony przed promieniowaniem laserowym zostaną zastosowane materiały maskujące, które nie będą w stanie wytrzymać promieniowania laserowego i będą musiały odzyskać siły po uszkodzeniu broni laserowej, jeśli sam samolot przeżyje.
Można przypuszczać, że ulepszenie i szeroka dystrybucja broni laserowej wymagać będzie zapewnienia ochrony przeciwlaserowej wszelkiej dostępnej amunicji, zarówno kierowanej, jak i niekierowanej oraz załogowych i bezzałogowych statków powietrznych.
Wprowadzenie ochrony przeciwlaserowej nieuchronnie doprowadzi do wzrostu kosztów, masy i rozmiarów amunicji kierowanej i niekierowanej, a także załogowych i bezzałogowych statków powietrznych.
Podsumowując, możemy wspomnieć o jednej z opracowywanych metod aktywnego przeciwdziałania atakowi laserowemu. Adsys Controls, firma z siedzibą w Kalifornii, opracowuje system obronny Helios, który ma zestrzelić naprowadzanie laserowe wroga.
Kierując laser bojowy wroga na chronione urządzenie, Helios określa jego parametry: moc, długość fali, częstotliwość impulsu, kierunek i zasięg do źródła. Helios dodatkowo zapobiega skupieniu wiązki laserowej wroga na celu, prawdopodobnie celując w nadchodzącą wiązkę laserową o niskiej energii, która dezorientuje system celowniczy wroga. Dokładna charakterystyka systemu Helios, etap jego rozwoju i jego praktyczna wydajność nie są jeszcze znane.
Teraz musimy zrozumieć, czy można się przed tym uchronić i jak. Często pojawiają się stwierdzenia, że wystarczy pokryć rakietę lustrzaną powłoką lub wypolerować pocisk, ale niestety nie wszystko jest takie proste.
Typowe zwierciadło pokryte aluminium odbija około 95% padającego promieniowania, a jego wydajność jest silnie zależna od długości fali.
Spektralny współczynnik odbicia luster z różnymi powłokami metalowymi
Ze wszystkich materiałów pokazanych na wykresie, aluminium ma najwyższy współczynnik odbicia, który w żadnym wypadku nie jest materiałem ogniotrwałym. Jeśli po napromieniowaniu promieniowaniem o małej mocy lustro nagrzeje się nieznacznie, to po uderzeniu silnego promieniowania materiał powłoki lustra szybko stanie się bezużyteczny, co doprowadzi do pogorszenia jego właściwości odblaskowych i dalszego nagrzewania i zniszczenia przypominającego lawinę.
Przy długości fali mniejszej niż 200 nm wydajność luster gwałtownie spada; przed promieniowaniem ultrafioletowym lub rentgenowskim (laser na swobodnych elektronach), taka ochrona w ogóle nie zadziała.
Powłoka lustrzana uszkodzona przez promieniowanie laserowe CO2
Istnieją eksperymentalne materiały sztuczne o 100% odbiciu, ale działają one tylko dla określonej długości fali. Lustra można również pokrywać specjalnymi powłokami wielowarstwowymi, które zwiększają ich współczynnik odbicia do 99.999%. Ale ta metoda działa również tylko dla jednej długości fali i pada pod pewnym kątem.
Nie zapominaj, że warunki działania broni są dalekie od laboratoryjnych, tj. rakietę lustrzaną lub pocisk trzeba będzie przechowywać w pojemniku wypełnionym gazem obojętnym. Najmniejsze zmętnienie lub plama, na przykład z odcisków dłoni, natychmiast pogorszy współczynnik odbicia lustra.
Opuszczenie pojemnika natychmiast wystawi powierzchnię lustra na działanie otoczenia - atmosfery i efektów termicznych. Jeśli powierzchnia lustra nie jest pokryta folią ochronną, natychmiast doprowadzi to do pogorszenia jej właściwości odblaskowych, a jeśli zostanie pokryta powłoką ochronną, pogorszy właściwości odblaskowe powierzchni.
Porównawcze widma odbicia folii z aluminium zbrojonego, standardowego i aluminium bez ochrony
Podsumowując powyższe, zauważamy: ochrona lustrzana nie jest zbyt dobrze przystosowana do ochrony przed bronią laserową. Co w takim razie pasuje?
Do pewnego stopnia metoda „rozmazywania” energii cieplnej wiązki laserowej nad ciałem pomoże poprzez zapewnienie ruchu obrotowego samolotu (LA) wokół własnej osi podłużnej. Ale ta metoda jest odpowiednia tylko dla amunicji i w ograniczonym stopniu dla bezzałogowych statków powietrznych (UAV), w mniejszym stopniu będzie skuteczna, gdy zostanie wystrzelona laserem w przód kadłuba.
W przypadku niektórych rodzajów chronionych obiektów, na przykład bomb szybujących, pocisków manewrujących (CR) lub przeciwpancernych pocisków kierowanych (ATGM) atakujących cel podczas lotu z góry, ta metoda również zawiedzie. W większości nierotujące miny to miny moździerzowe. Trudno zebrać dane na temat wszystkich samolotów niewirujących, ale jestem pewien, że jest ich dużo.
Bomby ślizgowe SDB-39 i JSOW
pociski cruise JASSM i 3M-14
PPK TOW2B atakujący cel podczas lotu nad nim
W każdym razie obrót samolotu tylko nieznacznie zmniejszy wpływ promieniowania laserowego na cel, ponieważ. ciepło przekazywane ciału przez silne promieniowanie laserowe będzie przekazywane do struktur wewnętrznych i dalej do wszystkich elementów samolotu.
Ograniczone jest również stosowanie oparów i aerozoli jako środków zaradczych przeciwko broni laserowej. Jak już wspomniano w artykułach z serii, użycie laserów przeciwko naziemnym opancerzonym pojazdom lub statkom jest możliwe tylko w przypadku użycia przeciwko sprzętowi inwigilacyjnemu, do którego ochrony wrócimy. Spal kadłub BMP /czołg lub statek nawodny z wiązką laserową w dającej się przewidzieć przyszłości jest nierealny.
Oczywiście nie można zastosować ochrony przed dymem lub aerozolem przed samolotami. Ze względu na dużą prędkość samolotu dym lub aerozol będą zawsze wydmuchiwane z powrotem przez nadlatujące ciśnienie powietrza, aw śmigłowcach będą zdmuchiwane przez strumień powietrza ze śmigła.
Tak więc ochrona przed bronią laserową w postaci rozpylonego dymu i aerozoli może być wymagana tylko w pojazdach lekko opancerzonych. Z drugiej strony czołgi i inne pojazdy opancerzone są często już wyposażone w standardowe systemy zasłon dymnych, aby zakłócić przechwytywanie wrogich systemów uzbrojenia, a w tym przypadku, po opracowaniu odpowiednich wypełniaczy, można je również wykorzystać do kontrowania broni laserowej.
Elementy kompleksu ochrony czynnej (KAZ) „Afganit”, przeznaczonego do zakładania kurtyn ochronnych, obiecującego czołgu T-14 opartego na platformie „Armata”
Wracając do ochrony optycznego i termowizyjnego sprzętu rozpoznawczego, można przyjąć, że instalowanie filtrów optycznych zapobiegających przejściu promieniowania laserowego o określonej długości fali nadaje się jedynie na początkowym etapie do ochrony przed bronią laserową małej mocy, dla z następujących powodów:
- w użyciu będzie szeroka gama laserów różnych producentów pracujących na różnych długościach fal;
- filtr zaprojektowany do pochłaniania lub odbijania określonej długości fali pod wpływem silnego promieniowania prawdopodobnie ulegnie awarii, co spowoduje albo dostanie się promieniowania laserowego do wrażliwych elementów, albo uszkodzenie samej optyki (zmętnienie, zniekształcenie obrazu);
- niektóre lasery, w szczególności laser na swobodnych elektronach, mogą zmieniać roboczą długość fali w szerokim zakresie.
Ochrona optycznego i termowizyjnego sprzętu rozpoznawczego może być wykonywana dla sprzętu naziemnego, statków i lotnictwo technologii, instalując ekrany ochronne z dużą prędkością. W przypadku wykrycia promieniowania laserowego ekran ochronny powinien zamknąć soczewki w ułamku sekundy, ale nawet to nie gwarantuje braku uszkodzeń wrażliwych elementów. Niewykluczone, że powszechne użycie broni laserowej z czasem będzie wymagało co najmniej powielenia sprzętu rozpoznawczego działającego w zakresie optycznym.
Jeśli na dużych nośnikach instalacja ekranów ochronnych i zapasowych środków rozpoznania optycznego i termowizyjnego jest całkiem możliwa, to w przypadku broni o wysokiej precyzji, zwłaszcza kompaktowej, jest to znacznie trudniejsze. Po pierwsze znacznie zaostrza się wymagania dotyczące wagi i rozmiaru ochrony, a po drugie, narażenie na promieniowanie laserowe o dużej mocy, nawet przy zamkniętej przesłonie, może spowodować przegrzanie elementów układu optycznego ze względu na gęsty układ, co prowadzi do częściowego lub całkowite zakłócenie jego działania.
Amerykańskie ppk Javelin, rosyjskie Verba MANPADS i pocisk krótkiego zasięgu RVV-MD są najbardziej wrażliwymi celami dla broni laserowej
Jakie są sposoby na skuteczną ochronę sprzętu i broni przed bronią laserową? Istnieją dwie główne metody - ochrona ablacyjna i konstruktywna ochrona termoizolacyjna.
Ochrona ablacyjna (z łac. ablatio - usuwanie, usuwanie masy) polega na usunięciu substancji z powierzchni chronionego obiektu przez przepływ gorącego gazu i/lub na przebudowie warstwy granicznej, co razem znacznie zmniejsza ciepło przenieść na chronioną powierzchnię. Innymi słowy, dochodząca energia jest zużywana na ogrzewanie, topienie i odparowywanie materiału ochronnego.
Obecnie ochrona ablacyjna jest aktywnie wykorzystywana w modułach opadania statków kosmicznych (SC) oraz w dyszach silników odrzutowych. Największe zastosowanie znalazły zwęglejące tworzywa sztuczne na bazie żywic fenolowych, krzemoorganicznych i innych syntetycznych zawierających węgiel (w tym grafit), dwutlenek krzemu (krzemionka, kwarc) i nylon jako wypełniacze.
Schemat ochrony ablacyjnej
Ochrona ablacyjna jest jednorazowa, ciężka i obszerna, więc nie ma sensu jej używać w samolotach wielokrotnego użytku (czytaj nie wszystkie załogowe i większość bezzałogowych statków powietrznych). Jego jedyne zastosowanie dotyczy pocisków kierowanych i niekierowanych. I tutaj głównym pytaniem jest jak gruba powinna być ochrona dla lasera o mocy np. 100 kW, 300 kW itd.
Na statku kosmicznym Apollo grubość osłony waha się od 8 do 44 mm dla temperatur od kilkuset do kilku tysięcy stopni. Gdzieś w tym zakresie będzie również znajdować się wymagana grubość ochrony ablacyjnej przed laserami bojowymi. Łatwo sobie wyobrazić, jak wpłynie to na charakterystykę masy i rozmiarów, a co za tym idzie na zasięg, zwrotność, masę głowicy (głowicy) i inne parametry amunicji. Ablacyjna ochrona termiczna musi również wytrzymywać przeciążenia podczas startu i manewrowania oraz spełniać normy dotyczące warunków przechowywania amunicji.
Ochrona ablacyjna statku kosmicznego „Buran” w sekcji
Amunicja niekierowana budzi wątpliwości, ponieważ nierównomierne zniszczenie ochrony ablacyjnej przed promieniowaniem laserowym może zmienić balistykę zewnętrzną, w wyniku czego amunicja będzie odchylać się od celu. Jeśli ochrona ablacyjna jest już gdzieś stosowana, na przykład w amunicji naddźwiękowej, to jej grubość będzie musiała zostać zwiększona.
Innym sposobem ochrony jest powłoka konstrukcyjna lub konstrukcja nadwozia z kilkoma warstwami ochronnymi materiałów ogniotrwałych odpornych na wpływy zewnętrzne.
Jeśli narysujemy analogię ze statkiem kosmicznym, możemy rozważyć ochronę termiczną statku kosmicznego wielokrotnego użytku Buran. W miejscach, gdzie temperatura powierzchni wynosi 371 – 1260 stopni Celsjusza, zastosowano powłokę składającą się z amorficznego włókna kwarcowego o czystości 99,7%, do którego dodaje się spoiwo – koloidalny dwutlenek krzemu. Pokrycie wykonane jest w postaci płytek w dwóch standardowych rozmiarach od 5 do 64 mm grubości.
Szkło borokrzemianowe zawierające specjalny pigment (biała powłoka na bazie tlenku krzemu i jasnego tlenku glinu) jest nakładane na zewnętrzną powierzchnię płytek, aby uzyskać niską absorpcję promieniowania słonecznego i wysoką emisyjność. Ochronę ablacyjną zastosowano na stożku nosa i końcówkach skrzydeł aparatu, gdzie temperatury przekraczają 1260 stopni.
Należy pamiętać, że podczas długotrwałej eksploatacji może zostać naruszona ochrona płytek przed wilgocią, co doprowadzi do utraty ochrony termicznej jej właściwości, dlatego nie może być bezpośrednio stosowana jako ochrona antylaserowa w samolotach wielokrotnego użytku .
Statek kosmiczny „Buran”. Płytki biało-czarne - ochrona termiczna wielokrotnego użytku, czarne elementy łuku i krawędzi skrzydeł - ablacyjna ochrona termiczna
Grubość osłony termicznej statku kosmicznego „Buran” w zależności od temperatury
Obecnie opracowywana jest obiecująca ablacyjna ochrona termiczna o minimalnym zużyciu powierzchni, która zapewnia ochronę samolotów przed temperaturami do 3000 stopni.
Grupa naukowców z Royce Institute na Uniwersytecie w Manchesterze (Wielka Brytania) i Central South University (Chiny) opracowała nowy materiał o ulepszonych właściwościach, który może wytrzymać temperatury do 3000°C bez zmian strukturalnych. Jest to powłoka ceramiczna Zr0.8Ti0.2C0.74B0.26, która jest nałożona na kompozytową matrycę węglowo-węglową. Wydajność nowej powłoki znacznie przewyższa wydajność najlepszej ceramiki wysokotemperaturowej.
Sama budowa chemiczna ceramiki żaroodpornej działa jak mechanizm ochronny. W temperaturze 2000°C materiały Zr0.8Ti0.2C0.74B0.26 i SiC są utleniane i przekształcane odpowiednio w Zr0.80T0.20O2, B2O3 i SiO2. Zr0.80Ti0.20O2 topi się częściowo i tworzy stosunkowo gęstą warstwę, podczas gdy niskotopliwe tlenki SiO2 i B2O3 odparowują. W wyższej temperaturze 2500°C kryształy Zr0.80Ti0.20O2 łączą się w większe formacje. W temperaturze 3000°C tworzy się prawie całkowicie gęsta warstwa zewnętrzna, która składa się głównie z Zr0.80Ti0.20O2, tytanianu cyrkonu i SiO2.
Ciemnoszara powierzchnia materiału przed badaniem, a także powierzchnia po dwóch minutach badania w 2000°C i 2500°C. W centrum prawej próbki znajduje się obszar, w którym temperatura płomienia osiągnęła 3000 ° C
Świat opracowuje również specjalne powłoki, które mają chronić przed promieniowaniem laserowym.
Już w 2014 roku przedstawiciel Chińskiej Armii Ludowo-Wyzwoleńczej stwierdził, że amerykańskie lasery nie stanowią szczególnego zagrożenia dla chińskiego sprzętu wojskowego osłoniętego specjalną warstwą ochronną. Pozostają tylko pytania, jaką moc ta powłoka chroni przed laserami oraz jaką ma grubość i masę.
Największym zainteresowaniem cieszy się powłoka opracowana przez amerykańskich naukowców z National Institute of Standards and Technology oraz University of Kansas - kompozycja aerozolowa oparta na mieszaninie nanorurek węglowych i specjalnej ceramiki, która może skutecznie pochłaniać światło lasera. Nanorurki nowego materiału równomiernie absorbują światło i przenoszą ciepło do pobliskich obszarów, obniżając temperaturę w miejscu kontaktu z wiązką lasera. Wysokotemperaturowe związki ceramiczne zapewniają powłoce ochronnej dużą wytrzymałość mechaniczną i odporność na uszkodzenia pod wpływem wysokich temperatur.
W trakcie badania cienką warstwę materiału nałożono na powierzchnię miedzi, a po wysuszeniu wiązka lasera podczerwonego o dużej długości fali, używanego do cięcia metalu i innych twardych materiałów, skupiona była na powierzchni materiał.
Analiza zebranych danych wykazała, że powłoka skutecznie zaabsorbowała 97.5% energii wiązki laserowej i wytrzymywała poziom energii 15 kW na centymetr kwadratowy powierzchni bez zniszczenia.
W odniesieniu do tej powłoki pojawia się pytanie: w testach na powierzchnię miedzi nałożono powłokę ochronną, która sama w sobie jest jednym z najtrudniejszych materiałów do obróbki laserowej, ze względu na wysoką przewodność cieplną nie jest jasne, w jaki sposób taka powłoka powłoka ochronna będzie zachowywać się z innymi materiałami. Pojawiają się również pytania o jego maksymalną odporność na temperaturę, odporność na wibracje i obciążenia udarowe, narażenie na warunki atmosferyczne i promieniowanie ultrafioletowe (słońce). Nie wskazano czasu, w którym przeprowadzono napromienianie.
Kolejna ciekawa kwestia: jeśli silniki samolotu zostaną również pokryte substancją o wysokiej przewodności cieplnej, to całe ciało będzie od nich równomiernie nagrzewane, co w jak największym stopniu zdemaskuje samolot w widmie termicznym.
Szybkość cięcia miedzi jest najmniejsza ze wszystkich metali w tabeli ze względu na jej wysoką przewodność cieplną, możliwe jest, że twórcy materiału ochronnego nie przypadkowo preferowali ten materiał jako podłoże w testach, próbując przecenić właściwości ich rozwój
W każdym przypadku właściwości powyższej ochrony aerozolowej będą wprost proporcjonalne do wielkości chronionego obiektu. Im większy jest chroniony obiekt i obszar pokrycia, tym więcej energii może być rozpraszane na tym obszarze i oddawane w postaci promieniowania cieplnego i chłodzenia przez nadchodzący strumień powietrza. Im mniejszy obiekt chroniony, tym grubsza ochrona będzie musiała zostać wykonana, ponieważ niewielka powierzchnia nie pozwoli na odprowadzenie wystarczającej ilości ciepła, a wewnętrzne elementy konstrukcyjne ulegną przegrzaniu.
Zastosowanie ochrony przed promieniowaniem laserowym, czy to ablacyjnej, czy konstruktywnej termoizolacyjnej, może odwrócić tendencję do zmniejszania rozmiarów amunicji kierowanej, znacznie obniżając skuteczność zarówno amunicji kierowanej, jak i niekierowanej.
Wszystkie powierzchnie nośne i stery – skrzydła, stateczniki, stery będą musiały być wykonane z drogich i trudnych w obróbce materiałów ogniotrwałych.
Osobno pojawia się pytanie o ochronę narzędzi do wykrywania radarów. Na eksperymentalnym statku kosmicznym „BOR-5” testowano radioprzezroczystą ochronę termiczną - włókno szklane z wypełniaczem krzemionkowym, ale nie mogłem znaleźć jego ochrony termicznej oraz charakterystyki wagowej i rozmiarowej.
Wciąż nie jest jasne, czy w wyniku napromieniowania osłoną osłony radiolokacji rozpoznawczej silnym promieniowaniem laserowym, aczkolwiek z ochroną przed promieniowaniem cieplnym, może dojść do powstania plazmy wysokotemperaturowej, która uniemożliwia przechodzenie fal radiowych, w wyniku czego cel może zostać zgubiony.
Aby chronić obudowę, zostanie zastosowana kombinacja kilku warstw ochronnych - żaroodporna-nisko przewodząca ciepło od wewnątrz i odbijająca-odporna na ciepło-wysoko przewodząca ciepło z zewnątrz. Możliwe jest również, że oprócz ochrony przed promieniowaniem laserowym zostaną zastosowane materiały maskujące, które nie będą w stanie wytrzymać promieniowania laserowego i będą musiały odzyskać siły po uszkodzeniu broni laserowej, jeśli sam samolot przeżyje.
Można przypuszczać, że ulepszenie i szeroka dystrybucja broni laserowej wymagać będzie zapewnienia ochrony przeciwlaserowej wszelkiej dostępnej amunicji, zarówno kierowanej, jak i niekierowanej oraz załogowych i bezzałogowych statków powietrznych.
Wprowadzenie ochrony przeciwlaserowej nieuchronnie doprowadzi do wzrostu kosztów, masy i rozmiarów amunicji kierowanej i niekierowanej, a także załogowych i bezzałogowych statków powietrznych.
Podsumowując, możemy wspomnieć o jednej z opracowywanych metod aktywnego przeciwdziałania atakowi laserowemu. Adsys Controls, firma z siedzibą w Kalifornii, opracowuje system obronny Helios, który ma zestrzelić naprowadzanie laserowe wroga.
Kierując laser bojowy wroga na chronione urządzenie, Helios określa jego parametry: moc, długość fali, częstotliwość impulsu, kierunek i zasięg do źródła. Helios dodatkowo zapobiega skupieniu wiązki laserowej wroga na celu, prawdopodobnie celując w nadchodzącą wiązkę laserową o niskiej energii, która dezorientuje system celowniczy wroga. Dokładna charakterystyka systemu Helios, etap jego rozwoju i jego praktyczna wydajność nie są jeszcze znane.
informacja