Астронет > Звездные войны

по текстам по ключевым словам в глоссарии по сайтам перевод

Звездные войны

<< "Звездные войны": история и сущность | Оглавление | Аббревиатуры | Кинетическое и пучковое оружие >>

БОЕВЫЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Одним из главных "козырей" СОИ являются планы создания новых видов оружия, использующих в качестве поражающего фактора электромагнитное излучение различных диапазонов спектра: от радиоволн до гамма-излучения. Важнейшим преимуществом такого оружия перед всеми иными является максимально возможная скорость достижения цели - скорость света. Это позволяет наносить удар неожиданно и быстро с большого расстояния. Появляется принципиальная возможность уничтожать взлетающие МБР на активном участке их траектории в течение первых 5 мин после старта. Именно поэтому лазерным оружием предполагается оснастить первый эшелон системы ПРО.

ЛАЗЕРЫ ОПТИЧЕСКОГО И ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНОВ

Идея использовать мощный луч света в качестве оружия восходит еще к Архимеду и неоднократно встречается в более поздней научной и художественной литературе. Но реальную почву эта идея обрела лишь в 1961 г. с появлением первых лазеров. А уверенность в том, что квантовый генератор света можно использовать в качестве оружия, появилась в 1967 г., когда был создан первый газодинамический лазер. Основными его элементами являются: камера сгорания, в которой образуется горячий газ; система сверхзвуковых сопел, после прохождения которых газ, быстро расширяясь, охлаждается и переходит в состояние с инверсной населенностью энергетических уровней; оптическая полость, где и происходит генерация лазерного излучения. В этой полости перпендикулярно потоку газа расположены два плоских зеркала, образующих оптический резонатор. Для вывода излучения из полости одно из зеркал делают чуть меньшего диаметра.

Близки по конструкции к газодинамическому лазеру химический и электроразрядный: в них также через объем резонатора с большой скоростью прокачивается возбужденная рабочая смесь, только источником их возбуждения является соответственно химическая реакция или электрический разряд. Наиболее перспективным для целей ПРО считается химический лазер на реакции водорода с фтором (Н₂ + F₂ = 2НF + $\gamma$ _{2,7 мкм}). Если в этом лазере вместо водорода использовать его тяжелый изотоп дейтерий, то излучение будет иметь длину волны не 2,7 мкм, а 3,8 мкм, т. е. попадет в "окно прозрачности" земной атмосферы (3,6-4 мкм) и сможет почти беспрепятственно достигать земной поверхности.

Энерговыделение химических лазеров достаточно велико: на 1 г газовой смеси оно составляет около 500 Дж. Важно, что химическому лазеру для инициирования реакции требуется сравнительно маломощный посторонний источник энергии. После начала реакции она преобретает цепной характер и идет с выделением химическои энергии. Оценки показывают, что для разрушения стенки топливного бака взлетающей МБР нужна плотность энергии от 1 до 20 кДж/см² в зависимости от того, защищена металлическая стенка абляционным покрытием или нет [18, 36]. Считая, что лазерное излучение сфокусировано в пятно диаметром около 1 м, получим требуемую энергию лазерного импульса: 10-200 МДж. Боеголовка ракеты защищена толстым слоем абляционного покрытия и для ее поражения необходима энергия $\sim 10^5$ МДж. Приняв КПД лазера равным 20% и энергию поражения ракеты 200 МДж, можно оценив расход рабочей смеси: 200 МДж/(20% 500 Дж/г) = 2 т. Это очень важная величина - на ней основаны оценки минимального веса боевых космических станций. Например, для поражения 1000 МБР (по 2 импульса на каждую) необходимо $\sim 10^4$ т только одной рабочей смеси для химических лазеров.

Рис.8.

Непростую задачу представляет фокусировка лазерного луча на цель (рис.8). За счет дифракции на выходном зеркале луч имеет угловую расходимость $\alpha \approx \lambda/D$ где $\lambda$ - длина волны излучения, а D - диаметр зеркала. Значит, размер пятна на расстоянии L будет $\lambda L/D$. Для эффективного действия лазерного оружия размер пятна не должен превышать 1 м. Принимая дальность до цели L=1000 км, получим ограничение на расходимость луча: $\alpha \le 10^{-6}$ рад. Если используется ИК-лазер на молекулах CO₂ ( $\lambda$ =10,6 мкм), то для фокусировки его луча необходимо зеркало диаметром D $\ge$ 11 м. Для химического лазера на молекуле HF эта величина снижается до 4 м, что выглядит уже более реальным с точки зрения технологии изготовления зеркал и габаритов космических транспортных кораблей.

С точки зрения фокусировки луча более привлекательными являются оптические и ультрафиолетовые (УФ) лазеры. Наиболее перспективными среди них считают эксимерные лазеры на молекулах фтористого аргона (ArF) и фтористого криптона (KrF). Эти молекулы-эксимеры могут существовать только в возбужденном состоянии: излучая фотон, они разрушаются, и таким образом в среде поддерживается инверсная населенность. Излучение этих лазеров лежит в диапазоне от 2000 до 3000 $\AA$ , и следовательно, земная атмосфера для него непрозрачна. У эксимерных лазеров внешний источник энергии - электрический разряд, пучок ускоренных электронов, поток нейтронов от ядерного реактора или, возможно, от ядерного взрыва.

Принципиальным недостатком газовых лазеров всех типов является выделение тепла в их рабочем объеме. Это ограничивает повышение мощности на единицу массы таких лазеров. Перспективным в этом отношении считается лазер на свободных электронах, в котором усиление излучения происходит за счет его взаимодействия с пучком электронов, движущимся в периодическом магнитном поле. Поскольку электроны летят в вакуумном объеме, не происходит разогрева прибора, как у обычных лазеров. Важно, что частота генерации у лазера на свободных электронах может перестраиваться в широком спектральном диапазоне от миллиметровой до УФ-области, что затрудняет противнику защиту от излучения.

Рис.4.

Рис.5.

Стремление использовать в лазерном оружии коротковолновое излучение связано также и с тем, что оно хорошо поглощается любыми материалами. Например, титановое покрытие почти полностью отражает ИК-излучение, но поглощает ультрафиолет. Однако УФ-лазеры очень тяжелы и требуют громоздких источников энергии. Поэтому рассматривается возможность монтировать такие лазеры на стационарных наземных установках, а в космосе развернуть систему зеркал для трансконтинентальной передачи лазерного луча и наведения его на цель (рис.4.). Эта идея требует непременного использования активной оптики (астрономы называют ее адаптивной оптикой), с большой скоростью реагирующей на изменение структуры атмосферы и соответствующим образом перестраивающей форму волнового фронта лазерного луча так, чтобы за пределом атмосферы луч все время имел минимальную расходимость (рис.5.). Для астрономических наблюдений такие оптические системы уже созданы, но лазерный луч в них используется пока лишь как средство контроля за атмосферой.

РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛАЗЕРЫ

Особую роль в планах "звездных войн" играет не существующий пока рентгеновский лазер с накачкой энергиен от ядерного взрыва. Вообще идея рентгеновских и гамма-лазеров давно привлекает внимание ученых [37-39]. Применение таких лазеров сулит большие перспективы: как источники когерентных волн они приведут к рождению рентгеновской и гамма-голографии (молекулярной голографии), позволят создать рентгеновский микроскоп и расшифровать объемную структуру молекул и атомов. Возможность воздействовать на атомы и их ядра строго дозированными порциями энергии - квантами - даст возможность изучать и направленным образом изменять структуру атомных ядер Специально подобрав частоту излучения, можно раскачивать и разрывать определенные связи в ядре и осуществлять таким образом самые экзотические ядерные превращения. Ту роль, которую играют сейчас оптические лазеры в области управления химическими реакциями, рентгеновские и гамма-лазеры будут играть в сфере ядерных превращений. Впрочем, они найдут применение и в хирургии, и в спутниковой связи, и в других областях народного хозяйства. Поэтому уже более 20 лет продолжаются попытки создать рентгеновский лазер используя, разумеется, не разрушительную энергию ядерного взрыва, а "прирученную" энергию (например, обычных оптических лазеров).

При создании коротковолновых лазеров необходимо преодолеть некоторые принципиальные трудности. Чтобы осуществлялся эффект усиления электромагнитного излучения при его прохождении через активную среду, необходимо, во-первых, большое количество возбужденных атомов, готовых испустить кванты вынужденного излучения, а во-вторых, большая вероятность взаимодействия между квантами и возбужденными атомами, обеспечивающая это вынужденное излучение. Короче это можно записать так:
$K = \sigma (N_{\rm воз} - N_{\rm осн})\,,$

где K - коэффициент усиления излучения, $\sigma$ - сечение взаимодействия квантов с атомами, N_воз и N_осн - число атомов в возбужденном и основном состояниях. В нормальных условиях термодинамического равновесия выполняется соотношение N_воз < N_осн, поэтому поглощение преобладает над вынужденным излучением. Для получения лазерного эффекта необходимо создать среду с инверсной заселенностью атомов по энергетическим состояниям (N_воз > N_осн), в чем и состоит одна из основных проблем. Кроме этого, из фундаментальных законов квантовой физики следует, что $\sigma \propto \lambda^2$ . Значит, чем короче длина волны излучения, тем труднее осуществить его квантовое усиление. Поэтому первые такие усилители были созданы в радиодиапазоне (мазеры) в конце 1950-х годов. В 1961 г. был построен первый оптический генератор непрерывного действия (гелиево-неоновый лазер). Методы нелинейной оптики позволили в 1970 г. создать лазеры, работающие в области вакуумного ультрафиолета ( $$\lambda \sim 1000$\AA$ ). К началу 1978 г. стало ясно, что наиболее вероятная схема лазера в области $$\lambda \ge 10$\AA$ - это рентгеновский лазер на многозарядных ионах с накачкой мощным лазером оптического диапазона. А для $$\lambda \le 1$\AA$ должны быть использованы ядерные переходы и эффект Мессбауэра (излучение квантов в кристаллах без "отдачи" атома, а значит, без смещения частоты излучения вследствие доплер-эффекта).

Как уже говорилось, для того чтобы происходило квантовое усиление, необходима инверсная заселенность. Для ее поддержания мощность, вводимая извне, должна быть больше мощности, которая рассеивается средой в виде спонтанного излучения. Как известно, энергия кванта, возбуждающего атом, пропорциональна частоте излучения ( $E=h\nu$ ). К тому же, вероятность спонтанного излучения, бесполезно уносящего энергию внешнего источника накачки, пропорциональна третьей степени частоты излучения ( $\nu^3$ ). Учитывая все это, получим, что мощность $W$ , необходимая для поддержания инверсии заселенности, $W \propto \nu^4 \propto \lambda^{-4}$ . Если для лазеров видимого диапазона ( $\lambda \sim 100$ нм), достаточно обеспечить мощность, вводимую в кубический сантиметр среды, порядка 10² - 10⁴ Вт/см³, то для рентгеновского лазера, длина волны излучения которого на три порядка меньше ( $\lambda$ =0,5 нм), необходима плотность мощности $W$ = 10¹⁴ - 10¹⁶ Вт/см³. Столь мощный энерговвод может быть обеспечен в настоящее время при ядерном взрыве в объеме заряда либо в фокусе лазерного излучения достаточно высокой мощности, которая может быть реализована только в импульсном режиме [55].

В 1984 г. в США была осуществлена генерация лазерного рентгеновского излучения в газовой среде [20, 21] с использованием в качестве источника накачки мощного двухлучевого оптического лазера "Новетт" (Ливерморская национальная лаборатория), каждый луч которого имел плотность мощности 5^.10¹³ Вт/см² в импульсе длительностью 450 пс на волне 5320 $\AA$ . В фокусе лазера помещалась мишень - тончайшая пленка размером 0,1 x 1,1 см из селена или иттрия. Луч испарял мишень, создавая плазму из неоноподобных ионов этих металлов. Столкновения с электронами в плазме вызывали возбуждение ионов, которое заканчивалось вынужденным излучением на волне 206 и 210 $\AA$ - для селена и 155 $\AA$ - для иттрия. Наличие лазерного эффекта подтверждалось тем, что излучение, скажем, селеновой плазмы было примерно в 700 раз более интенсивным, чем ожидаемое ее спонтанное излучение. По сообщению руководителя Ливерморской группы Д. Мэтьюса, планируется дальнейшее продвижение в область жесткого рентгена: излучение неоноподобных ионов молибдена дает лазерный эффект на 100 $\AA$ , а использование новых лазеров накачки позволит продвинуться до 50 $\AA$ .

В том же 1984 г. сотрудникам Принстонской лаборатории физики плазмы (США) с помощью мощного ИК-лазера на молекулах CO₂ удалось получить лазерный эффект в углеродной плазме на волне 182 $\AA$ . Их лазер накачки имел импульсную мощность 10-20 ГВт. Его пучок фокусировался в пятно диаметром 0,2-0,4 мм, что позволяло достигать плотности мощности 10¹³ Вт/см². Руководитель Принстонской группы С. Сакьюэр также надеется продвинуться в область более коротких волн, используя литиеподобные ионы неона. Интересно, что в этих экспериментах впервые использовалось для увеличения коэффициента лазерного усиления рентгеновское зеркало, изготовленное Т. Барби в Станфордском университете (США). Это сферическое зеркало с радиусом кривизны 2 м состоит из чередующихся слоев молибдена толщиной 35 $\AA$ и кремния толщиной 60 $\AA$ . Каждый молибденовый слой слабо отражает рентгеновские лучи, но отраженные от последовательных слоев лучи складываются, интерферируют и усиливаются, так что полный коэффициент отражения такого многослойного зеркала достигает 70%.

В 1986 г., полностью ионизовав в фокусе мощного лазера атомы фтора, исследователи получили лазерное излучение с длиной волны 80 $\AA$ . Дальнейшее существенное уменьшение длины волны (а оно необходимо для уменьшения расходимости пучка у боевого лазера) требует таких гигантских плотностей энергии накачки, которые достигаются только при взрывах ядерных зарядов. Работы в этом направлении с целью создать боевой рентгеновский лазер ведутся в Ливерморской лаборатории под руководством "отца американской водородной бомбы" Эдуарда Теллера. Испытания проводятся во время подземных ядерных взрывов на полигоне в штате Невада. В 1981 г. было опубликовано неофициальное сообщение [18] об измеренных во время эксперимента характеристиках лазерного излучения: длина волны 14 $\AA$ , длительность импульса $\le 10^{-9}$ с, энергия в импульсе $\sim 100$ кДж. Детально конструкция лазера не описана, но известно, что его рабочим телом являются тонкие металлические стержни (в описанном эксперименте, вероятно, использовался цинк, поскольку на одном из переходов водородоподобного иона цинка излучается квант с $$\lambda=14.2$\AA$ ).

Рис.6.

После взрыва ядерного заряда под действием его мощного рентгеновского потока вещество стержней превращается в полностью ионизованную плазму (рис.6.). Когда температура электронов несколько понизится, они начинают рекомбинировать преимущественно на нижние уровни, излучая рентген. Поскольку время высвечивания плазмы измеряется пикосекундами, горячее облако не успевает существенно изменить свою геометрию - оно сохраняет форму и направление стержня. Так как зеркал для излучения с $$\lambda \sim 10$\AA$ не существует, рентгеновский лазер, вероятно, будет работать без резонатора. Поэтому расходимость пучка будет определяться двумя факторами: дифракцией ( $\alpha \approx \lambda/D$ ) и геометрией стержня ( $\alpha \approx D/l$ ), где D и l - диаметр и длина стержня). Точнее говоря, наибольшим из них. Минимизируя значение расходимости, получим оптимальную величину диаметра: $D=\sqrt{\lambda l}$ . Для $$\lambda=14$\AA$ и $l=7$ м это дает $D=0,1$ мм. Даже если в процессе ионизации и рекомбинации вещества его геометрия изменится незначительно, расходимость луча достигает $\sim 10^{-5}$ рад. Однако более детальный расчет показывает [18], что к моменту высвечивания плазменный сгусток может расшириться до 1 мм; тогда расходимость луча станет $\sim 10^{-4}$ .

Для поражения МБР, т. е. для получения плотности энергии, скажем, 10 кДж/см² на расстоянии 1000 км при расходимости луча 10^-5, в импульсе такого лазера должна быть энергия $\sim 10^{10}$ Дж. При внутреннем КПД рентгеновского лазера 10% (это оптимистическая оценка, [18]) и при расстоянии стержня (точнее было бы называть его струной) от ядерного заряда $\sim 1$ м мощность заряда должна быть $\sim 10^{15}$ Дж, или $\sim 200$ кт тротилового эквивалента. При этом мы предполагали, что большая часть энергии взрыва идет на ионизацию струны, и сама струна ориентирована к заряду не торцом, а боком. Однако в публикациях на эту тему упоминаются заряды на порядок менее мощные. Возможно, предполагается использовать не одну, а десятки или сотни параллельно ориентированных струн. Не исключено также что американские инженеры пытаются создать некий концентратор энергии взрыва на одной струне, используя эффект отражения рентгеновских лучей от кристаллов при косом падении.

Рис.10.

По-видимому, принципиальных ограничений на создание рентгеновского лазера с ядерной накачкой нет. Он обещает стать очень компактным прибором (с вероятной массой $\sim 1$ т), доступным для вывода в космос одной ракетой, что сделает его малоуязвимым оружием. Если эффективность преобразования энергии взрыва окажется высокой, то на одном заряде можно будет разместить десятки лазерных стержней с индивидуальным наведением для поражения сразу многих ракет противника (рис.10.).

ЭМИ-ОРУЖИЕ

Известно, что ядерные взрывы сопровождаются мощным импульсом электромагнитного излучения [18]. Источником излучения являются рожденные взрывом заряженные частицы, движущиеся в магнитном поле Земли. Особенно эффективен в этом смысле взрыв в верхних слоях атмосферы. При мегатонном взрыве в электромагнитное излучение (ЭМИ) переходит энергия 10¹¹ Дж. Такой импульс наводит токи и вызывает пробой в электронных устройствах на расстоянии в тысячу километров. Поэтому вполне правомерно применять понятие "ЭМИ-оружие".

Однако это оружие ненаправленного действия: оно поражает и ослепляет не только электронные средства противника, но и свои собственные. Естественным шагом в его развитии явилось использование генераторов микроволновых колебаний, которые американские специалисты считают одним из перспективных видов космического оружия. Обычно микроволновое излучение подразделяют на 4 диапазона (см. табл. 1).

Таблица 1

Диапазон частот Частота Длина волны

ГГц = 10⁹ Гц см

Ультравысокие, УВЧ 0,3-3 100-10

Сверхвысокие, СВЧ 3-30 10-1

Крайневысокие, КВЧ 30-300 1-0,1

Гипервысокие, ГВЧ 300-3 000 0,1-0,01


Таблица 1

Диапазон частот	Частота	Длина волны
	ГГц = 10⁹ Гц	см
Ультравысокие, УВЧ	0,3-3	100-10
Сверхвысокие, СВЧ	3-30	10-1
Крайневысокие, КВЧ	30-300	1-0,1
Гипервысокие, ГВЧ	300-3 000	0,1-0,01

В небольших дозах микроволновое излучение используется медиками в лечебных целях для местного разогрева человеческого тела (УВЧ-терапия). Мощные дозы микроволнового излучения могут поражать как человека, так и технику. Уже разработаны генераторы микроволнового излучения мощностью в сотни мегаватт Проблема в том, как сконцентрировать радиоволны в узкий пучок: явление дифракции приводит к тому, что даже у параболической антенны диаметром 15 м пучок миллиметровых волн имеет расходимость 10^-4 рад. На расстоянии 1000 км такой пучок образует пятно диаметром 100 м. Плотность потока мощности при этом даже от генератора в 1000 МВт падает до 10 Вт/см², что не может причинить серьезного ущерба ракете. Чтобы использовать микроволновое излучение как оружие ПРО, видимо, придется продвигаться в область субмиллиметровых волн (ГВЧ) и создавать более мощные генераторы.

Однако микроволновое излучение можно использовать и для поражения наземных целей. Атмосфера Земли имеет несколько "окон прозрачности" в радиодиапазоне: кроме основного "окна" ( $\lambda$ от 20 м до 1 см) есть еще "полупрозрачные окна" на $\lambda=8$ и 4 мм. Волны короче 1 мм поглощаются парами воды. Посылая на Землю пучок миллиметровых волн мощностью около 1000 МВт, можно создать поток тепла, достаточный для воспламенения горючих предметов.

Особую опасность представляет микроволновое излучение для человека. В состоянии ненапряженной деятельности наше тело выделяет около 100 Вт тепла. Считается опасным для живого организма, если поглощенная извне мощность превышает его собственное энерговыделение. Мощное микроволновое излучение способно вызвать у человека ожог или тепловой удар. Тепловое поражение нашего организма происходит при интенсивности падающего излучения порядка 1 кВт/м² [32]. Вообще говоря, такой уровень достижим уже сейчас.

Как известно, электромагнитные волны - это колебания электрического и магнитного полей, векторы которых перпендикулярны друг другу и направлению распространения волн. Если тело человека ориентировано своей длинной осью параллельно вектору электрического поля, а фронтальной плоскостью - перпендикулярно вектору магнитного поля (т. е. человек стоит боком к приходящему излучению), то тело будет эффективно поглощать излучение с частотой 70-100 МГц ( $\lambda$ =3-4 м) для которого оно является полуволновым диполем и активно резонирует с падающей волной. На более высоких частотах человеческое тело поглощает излучение в 5-10 раз менее эффективно, чем на резонансной частоте. На более низких частотах поглощение пренебрежимо мало.

Tаким образом, возжность создания космического микроволнового оружия, способного поражать космические, воздушные и наземные цели, вполне реальна.

Как мы увидим ниже, практически каждая новая система оружия, предложенная для "звездных войн", может найти важное применение в народном хозяйстве. Не составляют исключения и микроволновые излучатели: их предполагается использовать для передачи из космоса на Землю энергии орбитальных солнечных электростанций. Вероятно, станет возможным снабжать энергией и мобильные средства: специалисты НАСА конструируют самолет, который будет питаться электроэнергией от наземных станций с помощью микроволновых лучей мощностью 2 МВт. Этот беспилотный самолет с размахом крыла 45 м и двигателем 40 л. с. сможет на ходиться в воздухе до 3 месяцев без посадки. Он должен летать по замкнутому маршруту на высоте 22,5 км и может использоваться для контроля воздушной среды; он способен также выполнять задачи в качестве элемента воздушной системы раннего оповещения более дешевого, чем ИСЗ, и более надежного, чем дирижабль или привязной аэростат [56]. "Дневной" прототип такого самолета уже создан и летает, используя энергию солнечных элементов, размещенных на крыльях. Создание космических микроволновых станций сделает такие аппараты "круглосуточными".

<< "Звездные войны": история и сущность | Оглавление | Аббревиатуры | Кинетическое и пучковое оружие >>

Публикации с ключевыми словами: оружие космического базирования - военные космические программы - СОИ Публикации со словами: оружие космического базирования - военные космические программы - СОИ
См. также: В.Г.Сурдин "Звездные войны"

Обсудить эту публикацию

Версия для печати

Астрометрия - Астрономические инструменты - Астрономическое образование - Астрофизика - История астрономии - Космонавтика, исследование космоса - Любительская астрономия - Планеты и Солнечная система - Солнце