http://www.krugosvet.ru/articles/113/1011335/1011335a2.htm/ ·
Боевые системы электромагнитного излучения >. Одним из оснований СОИ стали планы создания новых видов < оружия >, использующих в качестве поражающего фактора электромагнитное < излучение > различных диапазонов спектра: от радиоволн до гамма-излучения. Важнейшим преимуществом такого < оружия > является максимально возможная скорость достижения цели – скорость света. Это позволяет наносить удар неожиданно даже с большого расстояния. Появляется принципиальная возможность уничтожать взлетающие МБР на активном участке их траектории, в течение первых 5 мин. после старта.
Оптические и инфракрасные лазеры. Идея использовать мощный луч света как < оружие > неоднократно встречается в научной и художественной литературе. Но реальную почву она обрела лишь в 1961 с появлением первых лазеров. А уверенность в том, что квантовый генератор света можно использовать в качестве < оружия >, появилась в 1967, когда был создан первый газодинамический лазер. Основные его элементы: 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.
Похожую конструкцию имеют химический и электроразрядный лазеры: в них также через объем резонатора с большой скоростью прокачивается возбужденная рабочая смесь, но источником возбуждения является соответственно химическая реакция или электрический разряд. Наиболее перспективным для целей ПРО считается химический лазер на реакции водорода с фтором (Н2 + F2 = 2НF + g2,7 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 составляет около 500 Дж на 1 г газовой смеси. А 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. 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 порядка 105 МДж. Приняв КПД лазера равным 20% и энергию поражения ракеты 200 МДж, оценим 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 около 104 т только одной рабочей смеси для химических лазеров.
Фокусировка лазерного луча на цель представляет непростую задачу. За счет дифракции на выходном зеркале луч имеет угловую расходимость a » l/D где l – длина волны < излучения >, а D – диаметр зеркала. Значит, размер пятна на расстоянии L будет lL/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: a Ј 10–6 рад. Если используется ИК-лазер на молекулах CO2 (l = 10,6 мкм), то для фокусировки его луча необходимо зеркало диаметром D і 11 м. Для химического лазера на молекуле HF эта величина снижается до 4 м, что выглядит уже более реальным в смысле изготовления зеркал и космических транспортных кораблей.
С точки зрения фокусировки луча более привлекательны оптические лазеры. Наиболее перспективными среди них считают эксимерные 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 A, и следовательно, земная атмосфера для него непрозрачна. У эксимерных лазеров внешний источник энергии – электрический разряд, пучок ускоренных электронов, поток нейтронов от ядерного реактора или ядерного взрыва.
Принципиальным недостатком газовых лазеров 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, что затрудняет противнику защиту от < излучения >.
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 (УФ). 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. Эта идея требует непременного использования адаптивной оптики, с большой скоростью реагирующей на изменение структуры атмосферы и перестраивающей форму волнового фронта лазерного луча так, чтобы за пределом атмосферы луч имел минимальную расходимость. Для астрономических наблюдений такие оптические системы уже созданы, но лазерный луч в них используется лишь как средство контроля за атмосферой.
Рентгеновские лазеры. Особую роль в планах «звездных войн» играет рентгеновский лазер с накачкой энергией от ядерного взрыва. Но при создании коротковолновых лазеров необходимо преодолеть 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 этими атомами, обеспечивающая это вынужденное < излучение >. Коэффициент усиления < излучения > составляет
K = s (Nвоз – Nосн),
где s – сечение взаимодействия квантов с атомами, Nвоз и Nосн – число атомов в возбужденном и основном состояниях. В условиях термодинамического равновесия Nвоз < Nосн, поэтому поглощение преобладает над вынужденным < излучением >. Для получения лазерного эффекта необходимо создать среду с инверсной заселенностью атомов по энергетическим состояниям: Nвоз > Nосн. Кроме этого, из фундаментальных законов квантовой физики следует, что s µ l2. 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. В 1961 был построен первый оптический генератор непрерывного действия (гелиево-неоновый лазер). Методы нелинейной оптики позволили в 1970 создать лазеры, работающие в области вакуумного ультрафиолета (l ~ 1000 &#197;). К началу 1978 стало ясно, что наиболее вероятная схема лазера в области l і 10 &#197; – это рентгеновский лазер на многозарядных ионах с накачкой мощным лазером оптического диапазона. А для l Ј 1 &#197; должны быть использованы ядерные переходы и эффект Мёссбауэра (< излучение > квантов в кристаллах без «отдачи» атома, а значит, без смещения частоты < излучения > вследствие доплер-эффекта).
Для поддержания инверсной заселенности уровней вводимая извне мощность должна быть больше той, которая рассеивается средой в виде спонтанного < излучения >. Как известно, энергия кванта пропорциональна частоте < излучения > (E = hn). К тому же, вероятность спонтанного < излучения >, бесполезно уносящего энергию внешнего источника накачки, пропорциональна третьей степени частоты < излучения > (n3). Учитывая это, получим, что мощность W, необходимая для поддержания инверсии заселенности, W µ n4 µ l–4. Если для лазеров видимого диапазона (l =500 нм), достаточно обеспечить мощность, вводимую в кубический сантиметр среды, порядка 102–104 Вт/см3, то для рентгеновского лазера (l =0,5 нм) необходима плотность мощности W = 1014 – 1016 Вт/см3. Столь мощный энерговвод может быть обеспечен при ядерном взрыве в объеме заряда либо в фокусе импульсного лазера достаточно высокой мощности.
В 1984 в США была осуществлена генерация лазерного рентгеновского < излучения > в газовой среде с использованием в качестве источника накачки мощного двухлучевого оптического лазера «Новетт» (Ливерморская национальная лаборатория), каждый луч которого имел плотность мощности 5 ґ 1013 Вт/см2 в импульсе длительностью 450 пс на волне 5320 A. В фокусе лазера помещалась мишень – тончайшая пленка размером 0,1 ґ 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 A для селена и 155 A – для иттрия.
В том же 1984 сотрудникам Принстонской лаборатории физики плазмы (США) с помощью мощного ИК-лазера на молекулах CO2 удалось получить лазерный эффект в углеродной плазме на волне 182 A. 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. В этих экспериментах впервые использовалось для увеличения коэффициента лазерного усиления рентгеновское сферическое зеркало, состоящее из чередующихся слоев молибдена толщиной 35 A и кремния толщиной 60 A. Каждый молибденовый слой слабо отражает рентгеновские лучи, но отраженные от последовательных слоев лучи складываются, интерферируют и усиливаются, так что полный коэффициент отражения зеркала достигает 70%.
В 1986, полностью ионизовав в фокусе мощного лазера атомы фтора, исследователи получили лазерное < излучение > с длиной волны 80 A. 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 велись в Ливерморской лаборатории под руководством Э.Теллера. Испытания проводились во время подземных ядерных взрывов на полигоне в штате Невада. В 1981 было опубликовано неофициальное сообщение об измеренных во время эксперимента характеристиках лазерного < излучения >: длина волны 14 A, длительность импульса Ј 10–9 с, энергия в импульсе ~ 100 кДж. Детально конструкция лазера не описана, но известно, что его рабочим телом были тонкие металлические стержни.
После взрыва ядерного заряда вещество стержней превращается в полностью ионизованную плазму. Когда температура электронов несколько снижается, 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 l ~ 10 &#197; не существует, рентгеновский лазер, вероятно, должен работать без резонатора. Поэтому расходимость пучка будет определяться двумя факторами: дифракцией (a » l/D) и геометрией стержня (a » D/L), где D и L – диаметр и длина стержня). Точнее говоря, наибольшим из них. Минимизируя значение расходимости, получим оптимальную величину диаметра: D = (lL)1/2. Для l = 14 &#197; 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 ~ 10–5 рад. Однако более детальный расчет показывает, что к моменту высвечивания плазменный сгусток может расшириться до 1 мм; тогда расходимость луча станет ~ 10–4.
Для поражения МБР, т. е. для получения плотности энергии 10 кДж/см2 на расстоянии 1000 км при расходимости луча 10–5, в импульсе такого лазера должна быть энергия ~ 1010 Дж. При КПД лазера 10% и при расстоянии стержня от ядерного заряда ~ 1 м мощность заряда должна быть ~ 1015 Дж, или ~ 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.
По-видимому, принципиальных ограничений на создание рентгеновского лазера с ядерной накачкой нет. Он может стать очень компактным прибором с массой ~ 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