Broń laserowa w kosmosie. Cechy działania i problemy techniczne
Powszechnie uważa się, że najlepsze środowisko do korzystania z lasera broń (LO) to przestrzeń kosmiczna. Z jednej strony jest to logiczne: w kosmosie promieniowanie laserowe może się rozprzestrzeniać praktycznie bez zakłóceń spowodowanych atmosferą, warunkami atmosferycznymi, naturalnymi i sztucznymi przeszkodami. Z drugiej strony istnieją czynniki, które znacznie komplikują użycie broni laserowej w kosmosie.
Cechy działania laserów w kosmosie
Pierwszą przeszkodą w stosowaniu potężnych laserów w kosmosie jest ich wydajność, która w przypadku najlepszych produktów wynosi do 50%, pozostałe 50% przeznacza się na nagrzewanie lasera i otaczającego go sprzętu.
Nawet w warunkach atmosfery planety - na ziemi, na wodzie, pod wodą iw powietrzu, pojawiają się problemy z chłodzeniem potężnych laserów. Niemniej jednak możliwości chłodzenia sprzętu na planecie są znacznie większe niż w kosmosie, ponieważ w próżni przenoszenie nadmiaru ciepła bez utraty masy jest możliwe tylko za pomocą promieniowania elektromagnetycznego.
Na wodzie i pod wodą chłodzenie LO jest najłatwiejsze do zorganizowania - można je przeprowadzić przy użyciu wody zaburtowej. Na ziemi można zastosować masywne grzejniki z odprowadzaniem ciepła do atmosfery. Lotnictwo do chłodzenia LO może korzystać z nadchodzącego przepływu powietrza.
W kosmosie do odprowadzania ciepła stosuje się grzejniki chłodnicze w postaci żebrowanych rur połączonych w cylindryczne lub stożkowe panele z krążącym w nich chłodziwem. Wraz ze wzrostem mocy broni laserowej wzrastają wymiary i masa chłodziarek, które są niezbędne do jej chłodzenia, a masa, a zwłaszcza wymiary chłodziarek, mogą znacznie przekraczać masę i wymiary lasera samą broń.
W radzieckim orbitalnym laserze bojowym „Skif”, który planowano wystrzelić na orbitę za pomocą superciężkiego pojazdu nośnego „Energy”, miał być zastosowany laser gazowo-dynamiczny, którego chłodzenie najprawdopodobniej przeprowadzi wyrzut płynu roboczego. Ponadto ograniczone zapasy płynu roboczego na pokładzie z trudem zapewniały możliwość długotrwałej pracy lasera.
Produkt 17F19DM „Słup” (Skif-DM) - dynamiczny układ bojowej laserowej platformy orbitalnej „Skif”
Źródła energii
Drugą przeszkodą jest konieczność zapewnienia broni laserowej potężnego źródła energii. Turbina gazowa lub silnik wysokoprężny nie mogą być rozmieszczone w kosmosie, potrzebują dużo paliwa, a nawet więcej utleniacza, lasery chemiczne z ograniczonym zapasem płynu roboczego nie są najlepszym wyborem do umieszczenia w kosmosie. Pozostały dwie opcje - doprowadzenie zasilania do lasera na ciele stałym / światłowodowym / cieczowym, do którego można wykorzystać baterie słoneczne z bateriami buforowymi lub elektrownie jądrowe (NPP) lub wykorzystanie lasery pompowane bezpośrednio przez fragmenty reakcji jądrowej (lasery pompowane jądrowo).
Schemat reaktora-lasera
W ramach prac prowadzonych w Stanach Zjednoczonych w ramach programu Boeing YAL-1 miał on wykorzystać 600-megawatowy laser do niszczenia międzykontynentalnych rakiet balistycznych (ICBM) na odległość 14 kilometrów. W rzeczywistości osiągnięto moc rzędu 1 megawata, a cele treningowe trafiały z odległości około 250 kilometrów. W ten sposób moc rzędu 1 megawata może być zorientowana jako podstawa kosmicznej broni laserowej zdolnej na przykład do działania z niskiej orbity referencyjnej przeciwko celom na powierzchni Ziemi lub stosunkowo odległym celom w kosmosie (robimy to nie brać pod uwagę LO przeznaczonego dla czujników „oświetlenia”.
Przy wydajności lasera wynoszącej 50%, aby uzyskać 1 MW promieniowania laserowego, konieczne jest dostarczenie do lasera 2 MW energii elektrycznej (w rzeczywistości więcej, ponieważ należy również zapewnić wyposażenie pomocnicze i system chłodzenia). Czy można uzyskać taką energię za pomocą paneli słonecznych? Na przykład panele słoneczne zainstalowane na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) generują od 84 do 120 kW energii elektrycznej. Wymiary paneli słonecznych wymagane do uzyskania wskazanej mocy można łatwo oszacować na podstawie zdjęć fotograficznych ISS. Projekt zdolny do zasilania lasera o mocy 1 MW byłby ogromny i mało mobilny.
Międzynarodowa Stacja Kosmiczna
Możesz rozważyć zespół baterii jako źródło zasilania potężnego lasera na ruchomych nośnikach (w każdym razie będzie potrzebny jako bufor do paneli słonecznych). Gęstość energii baterii litowych może sięgać 300 W*h/kg, czyli aby dostarczyć laserowi 1 MW o sprawności 50%, przy zasilaniu energią elektryczną przez 1 godzinę ciągłej pracy, potrzebne są baterie o wadze około 7 ton. Wydawałoby się, że nie tak bardzo? Ale biorąc pod uwagę potrzebę ustanowienia konstrukcji wsporczych, powiązanej elektroniki, urządzeń do utrzymywania reżimu temperaturowego akumulatorów, masa akumulatora buforowego wyniesie około 14-15 ton. Ponadto pojawią się problemy z działaniem akumulatorów w warunkach ekstremalnych temperatur i próżni kosmicznej – znaczna część energii zostanie „zjedzony”, aby zapewnić żywotność samych akumulatorów. Co gorsza, awaria jednego ogniwa baterii może doprowadzić do awarii, a nawet eksplozji całego zestawu baterii, wraz z laserem i statkiem kosmicznym nośnym.
Zastosowanie bardziej niezawodnych magazynów energii, wygodnych z punktu widzenia pracy w przestrzeni, najprawdopodobniej doprowadzi do jeszcze większego przyrostu masy i gabarytów konstrukcji ze względu na mniejszą gęstość energii w przeliczeniu na W*h/kg .
Niemniej jednak, jeśli nie stawiamy wymagań dla broni laserowej przez wiele godzin pracy, ale używamy LO do rozwiązywania specjalnych problemów, które pojawiają się raz na kilka dni i wymagają czasu działania lasera nie dłuższego niż pięć minut, to będzie się to wiązać z odpowiednim uproszczeniem baterii. Ładowanie akumulatorów może odbywać się z paneli słonecznych, których wielkość będzie jednym z czynników ograniczających częstotliwość użycia broni laserowej.
Bardziej radykalnym rozwiązaniem jest wykorzystanie elektrowni jądrowej. Obecnie statki kosmiczne wykorzystują radioizotopowe generatory termoelektryczne (RTG). Ich zaletą jest względna prostota konstrukcji, wadą jest niska moc elektryczna, która w najlepszym przypadku wynosi kilkaset watów.
RTG GPHS-RTG został zastosowany na sondach słonecznych Ulysses, sondach Galileo, Cassini-Huygens, New Horizons, zawiera 7,8 kg plutonu-238, wytwarza 4400 W mocy cieplnej i 300 W energii elektrycznej
W Stanach Zjednoczonych testowany jest prototyp obiecującego Kilopower RTG, który wykorzystuje jako paliwo uran-235, do odprowadzania ciepła stosuje się sodowe rurki cieplne, a ciepło jest przekształcane w energię elektryczną za pomocą silnika Stirlinga. W prototypie reaktora Kilopower o mocy 1 kilowata osiągnięto dostatecznie wysoką sprawność około 30%.Ostateczna próbka reaktora jądrowego Kilopower powinna nieprzerwanie wytwarzać 10 kilowatów energii elektrycznej przez 10 lat.
Schemat projektu reaktora Kilopower
Prototyp reaktora jądrowego 1 kW Kilopower
Obwód zasilania LO z jednym lub dwoma reaktorami Kilopower i buforowym magazynem energii może już działać, zapewniając okresową pracę lasera o mocy 1 MW w trybie bojowym przez około pięć minut, raz na kilka dni, przez baterię buforową.
W Rosji powstaje elektrownia jądrowa o mocy elektrycznej ok. 1 MW dla modułu transportowo-energetycznego (TEM), a także termoelektryczne elektrownie jądrowe oparte na projekcie Hercules o mocy elektrycznej 5-10 MW. Elektrownie jądrowe tego typu mogą zasilać broń laserową bez pośredników w postaci baterii buforowych, ale ich tworzenie napotyka na duże problemy, co w zasadzie nie jest zaskakujące, biorąc pod uwagę nowatorstwo rozwiązań technicznych, specyfikę środowiska pracy i niemożność przeprowadzenia intensywnych testów. Kosmiczne elektrownie jądrowe to temat osobnego materiału, do którego na pewno wrócimy.
Koncepcja modułu transportowo-energetycznego z elektrownią jądrową. Konieczność chłodzenia elektrowni jądrowej i ochrony załogi/sprzętu przed promieniowaniem radioaktywnym dyktuje własne wymagania co do wielkości konstrukcji
Podobnie jak w przypadku chłodzenia potężnej broni laserowej, zastosowanie elektrowni jądrowych tego czy innego typu również wiąże się ze zwiększonymi wymaganiami dotyczącymi chłodzenia. Chłodniczo-emitery są jednym z najważniejszych elementów elektrowni pod względem masy i wymiarów, udział ich masy w zależności od typu i mocy elektrowni jądrowej może wynosić od 30% do 70%.
Wymagania dotyczące chłodzenia można zmniejszyć poprzez zmniejszenie częstotliwości i czasu działania broni laserowej oraz zastosowanie stosunkowo małej mocy elektrowni jądrowych typu RTG, które ładują bufor energii.
Na szczególną uwagę zasługuje umieszczenie na orbicie laserów z pompą jądrową, które nie wymagają zewnętrznych źródeł energii elektrycznej, ponieważ laser jest pompowany bezpośrednio przez produkty reakcji jądrowej. Z jednej strony lasery z pompą jądrową będą wymagały również masywnych systemów chłodzenia, z drugiej strony bezpośrednia konwersja energii jądrowej w promieniowanie laserowe może być prostsza niż w przypadku pośredniej konwersji ciepła uwalnianego przez reaktor jądrowy w energię elektryczną, co pociągnie za sobą odpowiednie zmniejszenie rozmiaru i wagi produktów.
Tym samym brak atmosfery uniemożliwiającej propagację promieniowania laserowego na Ziemi znacznie komplikuje projektowanie kosmicznej broni laserowej, przede wszystkim w zakresie systemów chłodzenia. Niewiele mniejszym problemem jest zaopatrzenie w elektryczność kosmicznej broni laserowej.
Można przypuszczać, że w pierwszym etapie, mniej więcej w latach trzydziestych XXI wieku, w kosmosie pojawią się bronie laserowe, które mogą działać przez ograniczony czas – około kilku minut, z koniecznością późniejszego ładowania zasobników energii na wystarczająco długi okres, trwający kilka dni.
Tak więc w krótkim okresie nie ma potrzeby mówić o jakimkolwiek masowym użyciu broni laserowej „przeciwko setkom pocisków balistycznych”. Broń laserowa o zwiększonych możliwościach pojawi się nie wcześniej niż tworzenie i testowanie megawatowych elektrowni jądrowych. A koszt statku kosmicznego tej klasy jest trudny do przewidzenia. Ponadto, jeśli mówimy o działaniach bojowych w kosmosie, to istnieją rozwiązania techniczne i taktyczne, które mogą w znacznym stopniu zmniejszyć skuteczność broni laserowej w kosmosie.
Niemniej jednak broń laserowa, nawet jeśli jest ograniczona czasem ciągłej pracy i częstotliwością użycia, może stać się niezbędnym narzędziem do prowadzenia działań wojennych w kosmosie i z kosmosu.
informacja