Популярний образ війн майбутнього у більшості випадків містить лазери як основний тип зброї. Військові інженери різних країн не одне десятиліття обіцяють, що епоха бойового використання когерентного випромінювання настане вже скоро. Тож розберімось, як влаштовані ці пристрої та чи можна ними скористатися для перемоги у космічному конфлікті.
«Промені смерті»
Лазери у якості зброї давно стали обов’язковим атрибутом наукової фантастики. Розпочав це один із її засновників — Герберт Веллс. Щоправда, у його творах вони ще мали назву «тепловий промінь». Утім, вона досить точно передавала суть приладу, що став реальністю лише за кілька десятиліть.
У 1898 році, коли Веллс у своїй «Війні світів» оснастив «тепловими променями» марсіанські триножники, ідея вузького пучка випромінювання, настільки інтенсивного, що його можна застосовувати як зброю, була чимось абсолютно революційним. Однак уже 1916 року Альберт Ейнштейн передбачив існування вимушеного випромінювання. А 1928 року його передбачення було підтверджено, й це дало початок дослідженням, що призвели до втілення ідей фантастів у життя.
Слово «лазер» з’явилося 1960 року. Саме так назвав свій оптичний квантовий генератор американський фізик Теодор Майман. Воно є абревіатурою від Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, українською — «підсилення світла за допомогою вимушеного випромінювання».
Фізика лазерного випромінювання
В основі дії лазера — принцип вимушеного випромінювання, передбачений Ейнштейном. Він полягає в тому, що у певних умовах атом, насичений енергією, зіштовхується з фотоном, але не поглинає його, а випромінює новий фотон, за своїми характеристиками ідентичний ініціюючому.
Щоб це відбувалося стабільно, важливо, аби більшість атомів перебували у збудженому стані. Крім того, необхідно огорнути середовище, у якому відбувається процес, дзеркальною поверхнею, що відбиватиме фотони. Завдяки цьому їхня кількість у генераторі буде постійно множитися, після чого достатньо просто залишити для них єдиний вузький отвір, який і створить промінь інтенсивного випромінювання.
Головна особливість лазерного променя — його монохроматичність. Сонячне світло є сумішшю різних довжин хвиль, і саме тому його можна розкласти на спектр за допомогою призми. Однак збуджене середовище здатне ефективно генерувати фотони лише з певною довжиною хвилі, що визначається типом молекул випромінюючої речовини та їхнім станом.
У процесі підсилення найбільш розповсюджена довжина хвилі починає дедалі сильніше домінувати, внаслідок чого випромінювання утворюється в одній дуже вузькій ділянці електромагнітного спектра.
Також під час посилення фотони, кожен із яких є не лише частинкою, але й електромагнітною хвилею, переходять у поляризований стан. Це означає, що їхні коливання відбуваються в одній площині. Лазерне випромінювання є когерентним, а отже, всі фотони поляризуються однаково.
Конструкція лазера
Поляризація лазерного променя дозволяє якісно і точно його заломлювати та відбивати. Саме тому на виході зазвичай встановлюють допоміжні прилади у вигляді призм, дзеркал, лінз і їхніх комбінацій. Прикладом тут може слугувати оптоволоконний кабель, який по суті є надзвичайно видовженим дзеркалом. Мерехтіння лазерного променя в ньому відбувається мільйони разів і передає інформацію на велетенські відстані.
Однак отримати лазерний промінь із заданими характеристиками не так просто. Сам квантовий генератор складається з трьох головних частин: системи накачування, активного середовища та оптичного резонатора. При цьому конструкція кожного з цих елементів може сильно варіюватися залежно від типу пристрою.
Система накачування здебільшого являє собою якусь лампу, здатну випромінювати фотони — зазвичай імпульсну чи дугову. Хоча у цій якості може використовуватися й електричний розряд, інший лазер, сонячне світло, хімічна реакція та навіть вибух.
Активне середовище — це, власне, ті атоми, що будуть ініціюватися фотонами та випускати їхні «копії». Воно поміщається всередину оптичного резонатора. Дзеркальну поверхню останнього підбирають таким чином, щоб вона ефективно відбивала фотони саме тієї довжини та поляризації, які треба посилити.
Типи лазерів
Найголовнішим із трьох складових кожного лазера є саме активне середовище. Воно визначає не тільки те, яку довжину хвилі матиме лазер, але й яке джерело накачування та оптичний резонатор для нього треба використовувати. Це середовище може перебувати в одному з чотирьох основних станів речовини: твердому, рідкому, газоподібному та плазмовому. Й саме за типом активного середовища, як правило, відбувається класифікація лазерів.
Але одночасно всередині кожного з основних типів існує безліч різновидів, що часто використовуються як основна технічна характеристика лазера. Наприклад, до газофазних належать аргонові, неонові, криптонові, азотні й інші подібні лазери, до рідкофазних — лазери на різних барвниках (кумарині, стильміні, родаміні).
Твердотільні лазери переважно використовують у якості активного середовища кристал або скло, від якого й отримують свою назву. Перший лазер, створений Майманом, належав саме до цього типу. Фотони в ньому генерувалися всередині рубіна.
Нарешті, є лазери на вільних електронах. Вони взагалі не мають активного середовища — фотони в них формуються у вакуумі. Джерелом накачування у цих пристроях виступає потік електронів, а аналогом оптичного осцилятора є спеціальний набір магнітів, який називається ондулятором. Він примушує заряджені частинки коливатися таким чином, аби вони постійно втрачали енергію та випромінювали фотони.
Лазер як зброя
Ідея лазерної зброї базується на тому, що лазер є вузьким променем когерентного випромінювання. Через це він, на відміну від сонячних променів, здатний тривалий час не збільшуватись у діаметрі (розходитись). А коли промінь зберігає певний діаметр, у ньому забезпечується потрібна густина енергії.
Що таке велика кількість світлової енергії, сконцентрована в одному місці, добре демонструє експеримент із Сонцем, збільшувальним склом і будь-яким легкозаймистим предметом. Лазерна зброя — спосіб влаштувати те саме, але на відстані багатьох кілометрів.
Саме тому з точки зору фізики лазер не може різати у прямому сенсі цього слова. Він прицільно випалює, плавить і випаровує матеріал, і лише висока точність його дії дозволяє порівняти її з процесом, у якому зазвичай беруть участь пили та леза.
Утім, забезпечити на відстані десятків кілометрів таку густину енергії променя, щоб із бронею ворожого танку вчинити так само, як із дерев’яною планкою на відстані 10 см, украй важко. Тому, хоча проєкти лазерів, що можуть фізично знешкоджувати ворожу техніку й особовий склад, існують давно, більшість зразків озброєння застосовують м’якші способи впливу.
Частина лазерної зброї призначена для запалювання легкозаймистих предметів. Характерним прикладом тут може бути китайська лазерна гвинтівка ZKZM-500, розроблена 2018 року. Вона здатна завдавати важких опіків тілу людини, пропалювати шини колісної техніки та викликати перегрів і вибух баків із пальним.
Велика кількість лазерів, розроблених для армій різних країн, має за мету осліплення солдатів ворога. Окрім власне неможливості бачити, вона спричиняє психологічне ураження. Однак міжнародні угоди суттєво обмежують потужність подібних зразків, які в англомовній літературі прийнято називати «деззлерами»: надто сильне випромінювання загрожує позбавити людину зору назавжди. Менша ж потужність робить їх неефективними на великій відстані, особливо якщо супротивник використовує захисні окуляри.
Нарешті, значна частина лазерної зброї призначена для знищення обладнання на ворожій техніці, чутливого до оптичного випромінювання чи перегріву. Системи, призначені для нейтралізації лазерних головок наведення, свого часу розробляли як в СРСР, так і у США.
Переваги та недоліки лазерної зброї
Головною перевагою лазерної зброї є те, що промінь розповсюджується зі швидкістю світла. Тому поправка на час, за який він долатиме відстань до цілі, не потрібна. Та й ухилитися від нього в бою на поверхні чи у повітрі практично неможливо.
Серед переваг лазерного променя — те, що гравітація практично не впливає на його точність, на відміну від кулі. Та й віддачі від такої зброї фактично не відчувається.
Потужність лазера та діаметр його променя можна легко варіювати, керуючи способом ураження. Крім того, боєкомплект у цьому випадку визначається виключно кількістю енергії.
Однак і недоліки у лазерів досить значні. Передусім це стосується розсіювання лазерного променя. Чим густіше середовище — тим сильніше падає густина енергії з відстанню. Тому будь-який туман, дим і дощ суттєво знижують їхню ефективність.
Також на війні стрільба прямим наведенням — не завжди те, що треба. Часто бойові дії відбуваються в умовах складного ландшафту, тож необхідна зброя, яка стріляє по навісній траєкторії — наприклад, міномети та гаубиці. Лазери в цьому плані не можуть запропонувати нічого.
Ще одна велика проблема: для того, аби лазерний промінь завдав шкоди цілі, треба, щоб значна частина його енергії була нею поглинута. А вона може бути ще й розсіяна та відбита. І те, у яких пропорціях ці три фізичні явища відбуваються, залежить не лише від характеристик лазера, але й від самої цілі.
Нарешті, у лазерів неймовірно великі потреби в електроенергії. Китайську гвинтівку може носити один солдат лише тому, що вона призначена тільки для підпалювання й виключно на невеликій відстані. Променева гармата, здатна плавити броню танка, разом із джерелом енергії на цьому ж танку просто не вміститься, на відміну від звичайної нарізної.
Проєкти бойових лазерів
Попри всю складність реалізації, СРСР і США витратили кілька десятиліть на розробку зброї, здатної вражати цілі лазером. У Радянському Союзі існували програми «Терра» та «Омега», метою яких було створити систему враження балістичних ракет лазерним променем. Однак наприкінці 1970-х стало зрозуміло, що потужності експериментальної газофазної установки «Терра-3» для цього буде недостатньо. Відтак поступово інтерес до цієї теми згас і в 1990-х програми остаточно згорнули.
Крім того, СРСР розробляв низку проєктів бойових лазерів морського й навіть космічного базування. Масогабаритний макет лазерної платформи «Скіф» побував у космосі. Але зрештою всі ці програми завершилися так само, як і «Терра».
Те саме сталось і з американським проєктом Excalibur, який був ключовим елементом програми Strategic Defense Initiative. Він передбачав знищення балістичних ракет за допомогою лазерів рентгенівського діапазону. Напрацювання в цьому напрямку з’явилися ще у 1970-х, а активна розробка тривала всі 1980-ті. Але 1992 року програму остаточно закрили.
З початку 2000-х компанія Boeing разом із Міністерством оборони США розробляла програму Advanced Tactical Laser. Вона передбачала розміщення газофазного лазера інфрачервоного діапазону потужністю 100 кВт на літаку AC-130.
Гармата масою понад 5 тонн призначалася для враження ворожих об’єктів на відстані до 20 км. 2009 року відбулись успішні випробування, проте програму вирішили не продовжувати. Так вчинили і з Precision Airborne Standoff Directed Energy Weapon, розробка якої велася на початку 2010-х.
Зате у 2000-х роках Сполучені Штати успішно випробували в Іраку й Афганістані систему HLONS, більш відому як ZEUS. Вона являє собою твердотільний лазер потужністю до 1 кВт, установлений на автомобілі Humvee, та дозволяє проводити дистанційне розмінування, викликаючи вибух за допомогою лазерного променя.
Загалом на початку ХХІ століття багато країн зацікавилися реалізацією лазерної зброї у варіантах переважно для автомобільної техніки. Втім, попри велику кількість експериментальних зразків, на полі бою розповсюдження вона не отримала.
Лазери у космічній війні
Коли люди розмірковують про війну в космосі, вони часто уявляють космічні кораблі, що стріляють один в одного лазерами. На перший погляд, таке припущення здається цілком логічним. Величезні відстані дають значну перевагу лазерним променям порівняно зі снарядами, навіть якщо останні розганяють електромагнітними катапультами. 
Те, що на лазерні промені практично не діє гравітаційне поле, а самі вони не викликають значної віддачі, додатково підвищує їхню цінність. Адже поблизу масивних тіл, подібних до Землі, траєкторії фізичних снарядів є настільки примхливими, що можуть перетворюватися на орбіти, й вони становитимуть небезпеку зовсім не для тих об’єктів, по яких були випущені.
А постріл із гармати, що надає снаряду великої швидкості, передає такий самий імпульс апарату, на якому її встановлено. Це може призвести не лише до неконтрольованого «розкручування» стрільця, але й до зміни його траєкторії. З лазерами таких проблем практично немає.
Однак із лазерною зброєю в космосі виникають і свої складнощі. Бо він настільки великий, що доводиться враховувати розходження лазерного променя, яке відбувається не через спротив середовища, а лише тому, що такими є базові властивості випромінювання. Цілком реальна ситуація, коли на відстані сотень тисяч кілометрів лазер влучає у ворожий апарат, але його енергія «розмазана» по дуже великій площі та не може навіть нагріти матеріал.
Для запобігання цьому варто згадати, що лазери бувають не лише оптичного діапазону. А розходження променя залежить від довжини хвилі: воно тим менше, чим вища частота. Тому фіолетовим лазерам легше зберігати густину енергії, ніж червоним, ультрафіолетовим — аніж фіолетовим. А далі, теоретично, можна використовувати рентгенівський і гамма-діапазони.
Щоправда, є можливість обійти цю перешкоду шляхом фокусування променя за допомогою лінзи. Однак цей метод потребує необхідності точно визначати відстань до цілі. А це на великій дистанції теж стає проблемою.
Хай там як, але людство вже впритул підійшло до можливості масового використання лазерів у бойових діях, зокрема й у космосі. Лишається тільки сподіватися, що необхідності у цьому так і не виникне.
Тільки найцікавіші новини та факти у нашому Telegram-каналі!
Долучайтеся: https://t.me/ustmagazine
