Популярный образ воин будущего в большинстве случаев содержит лазеры как основной тип оружия. Военные инженеры резных стран не одно десятилетие обещают, что эпоха боевого применения когерентного излучения наступит уже скоро. Давайте разберемся, как устроены эти приборы и можно ли воспользоваться ими для победы в космическом конфликте.
«Лучи смерти»
Лазеры в качестве оружия давно стали непременным атрибутом научной фантастики. Начало этому положил один из ее основателей — Герберт Уэллс. Правда, в его произведениях они еще имели название «тепловой луч». Впрочем, оно довольно точно передавало суть прибора, ставшего реальностью всего через несколько десятилетий.
В 1898 году, когда Уэллс в своей «Войне миров» оснастил «тепловыми лучами» марсианские треножники, идея узкого пучка излучения, настолько интенсивного, что его можно использовать как оружие, была чем-то абсолютно революционным. Однако уже в 1916 году Альберт Эйнштейн предсказал существование вынужденного излучения. А в 1928 году его предсказание подтвердилось, и это дало начало исследованиям, приведшим к воплощению идей фантастов в жизнь.
Слово «лазер» появилось в 1960 году. Именно так назвав свой оптический квантовый генератор американский физик Теодор Майман. Оно является аббревиатурой от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, по-русски — «усиление света при помощи вынужденного излучения».
Физика лазерного излучения
В основе работы лазера — принцип вынужденного излучения, предсказанный Эйнштейном. Он состоит в том, что в определенных условиях атом, насыщенный энергией, сталкивается с фотоном, но не поглощает его, а излучает новый фотон, по своим характеристикам идентичный инициирующему.
Чтобы это происходило стабильно, важно, чтобы большинство атомов находились в возбужденном состоянии. Кроме того, необходимо обернуть среду, где происходит процесс, зеркальной поверхностью, отражающей фотоны. Благодаря этому их количество в генераторе будет постоянно умножаться, после чего нужно просто оставить для них единственное узкое отверстие, которое и создаст луч интенсивного излучения.
Главная особенность лазерного луча — его монохроматичность. Солнечный свет представляет собой смесь разных длин волн, и именно поэтому его можно разложить на спектр с помощью призмы. Однако возбуждающая среда способна эффективно генерировать фотоны только с определенной длиной волны, определяемой типом молекул излучающего вещества и их состоянием.
В процессе усиления наиболее распространенная длина волны начинает все сильнее доминировать, в результате чего излучение возникает в одном очень узком участке электромагнитного спектра.
Также при усилении фотоны, каждый из которых — не только частица, но и электромагнитная волна, переходят в поляризованное состояние. Это означает, что их колебания совершаются в одной плоскости. Лазерное излучение является когерентным, а следовательно, все фотоны поляризуются одинаково.
Конструкция лазера
Поляризация лазерного луча позволяет качественно и точно его преломлять и отражать. Именно поэтому на выходе обычно устанавливают вспомогательные приборы в виде призм, зеркал, линз и их комбинаций. Примером может служить оптоволоконный кабель, по сути, являющийся чрезвычайно удлиненным зеркалом. Мерцание лазерного луча в нем происходит миллионы раз и передает информацию на гигантские расстояния.
Однако получить лазерный луч с заданными характеристиками не так-то просто. Сам квантовый генератор состоит из трех главных частей: системы накачки, активной среды и оптического резонатора. При этом конструкция каждого из элементов может сильно изменяться в зависимости от типа устройства.
Система накачки в большинстве случаев представляет собой некую лампу, способную излучать фотоны — обычно импульсную либо дуговую. Хотя в этом качестве может использоваться и электрический разряд, другой лазер, солнечный свет, химическая реакция и даже взрыв.
Активная среда — это, собственно, те атомы, которые будут инициироваться фотонами и испускать их «копии». Она помещается внутрь оптического резонатора. Зеркальная поверхность последнего подбирается таким образом, чтобы она эффективно отражала фотоны именно той длины и поляризации, которые нужно усилить.
Типы лазеров
Самой главной из трех составляющих каждого лазера является сама активная среда. Она определяет не только то, какую длину волны будет иметь лазер, но и какой источник накачки и оптический резонатор для него нужно использовать. Эта среда может находиться в одном из четырех основных состояний вещества: твердом, жидком, газообразном и плазменном. И именно по типу активной среды, как правило, происходит классификация лазеров.
Но одновременно внутри каждого из основных типов существует множество разновидностей, часто используемых как основная техническая характеристика лазера. К примеру, к газофазным относятся аргоновые, неоновые, криптоновые, азотные и другие подобные лазеры, к жидкофазным — лазеры на различных красителях (кумарине, стильмине, родамине).
Твердотельные лазеры преимущественно используют в качестве активной среды кристалл или стекло, от которого и получают свое название. Первый лазер, созданный Майманом, относился именно к этому типу. Фотоны в нем генерировались внутри рубина.
Наконец, существуют лазеры на свободных электронах. У них вообще нет активной среды — фотоны в них формируются в вакууме. Источником накачки в этих устройствах выступает поток электронов, а аналогом оптического осциллятора является специальный набор магнитов, называемый ондулятором. Он заставляет заряженные частицы колебаться таким образом, чтобы они постоянно теряли энергию и излучали фотоны.
Лазер как оружие
Идея лазерного оружия базируется на том, что лазер является узким лучом когерентного излучения. Поэтому он, в отличие от солнечных лучей, способен долго не увеличиваться в диаметре (расходиться). А когда луч сохраняет определенный диаметр, в нем обеспечивается нужная плотность энергии.
Что такое большое количество световой энергии, сконцентрированное в одном месте, хорошо демонстрирует эксперимент с Солнцем, увеличительным стеклом и любым легковоспламеняющимся предметом. Лазерное оружие — способ устроить то же самое, но на расстоянии многих километров.
Именно поэтому с точки зрения физики лазер не может резать в прямом смысле этого слова. Он прицельно выжигает, плавит и испаряет материал, и лишь высокая точность его действия позволяет сравнить его с процессом, в котором обычно участвуют пилы и лезвия.
Впрочем, обеспечить на расстоянии десятков километров такую плотность энергии луча, чтобы с броней вражеского танка поступить так же, как с деревянной планкой на расстоянии 10 см, очень тяжело. Поэтому, хотя проекты лазеров, способных физически обезвреживать вражескую технику и личный состав, существуют давно, большинство образцов вооружения применяют более мягкие способы воздействия.
Часть лазерного оружия предназначена для поджигания легковоспламеняющихся предметов. Характерным примером тут может служить китайская лазерная винтовка ZKZM-500, разработанная в 2018 году. Она способна наносить тяжелые ожоги телу человека, прожигать шины колесной техники, вызвать перегрев и взрыв баков с горючим.
Большое количество лазеров, разработанных для армий разных стран, преследует цель ослепления солдат врага. Кроме собственно невозможности видеть, она производит психологическое поражение. Однако международные соглашения существенно ограничивают мощность подобных образцов, которые в англоязычной литературе принято называть «дэззлерами»: слишком сильное излучение грозит лишить человека зрения навсегда. Меньшая же мощность делает их неэффективными на большом расстоянии, особенно если противник использует защитные очки.
Наконец, значительная часть лазерного оружия предназначена для уничтожения оборудования на вражеской технике, чувствительного к оптическому излучению либо перегреву. Системы, предназначенные для нейтрализации лазерных головок наведения, в свое время разрабатывали как в СССР, так и в США.
Преимущества и недостатки лазерного оружия
Главным преимуществом лазерного оружия является то, что луч распространяется со скоростью света. Поэтому поправка на время, за которое он будет преодолевать расстояние до цели, не требуется. Да и увернуться от него в бою на поверхности либо в воздухе практически невозможно.
Среди преимуществ лазерного луча — то, что гравитация практически не влияет на его точность, в отличие от пули. Да и отдачи от такого оружия фактически не чувствуется.
Мощность лазера и диаметр его луча можно легко варьировать, управляя способом поражения. Кроме того, боекомплект в этом случае определяется исключительно количеством энергии.
Однако и недостатки у лазеров довольно значительные. В первую очередь это касается рассеяния лазерного луча. Чем плотнее среда — тем сильнее падает плотность энергии с расстоянием. Поэтому любой туман, дым и дождь существенно снижают их эффективность.
Также на войне стрельба прямой наводкой — не всегда то, что нужно. Часто боевые действия происходят в условиях сложного ландшафта, поэтому необходимо оружие, стреляющее по навесной траектории — например, минометы и гаубицы. Лазеры в этом плане не могут предложить ничего.
Еще одна большая проблема: чтобы лазерный луч причинил вред цели, нужно, чтобы значительная часть его энергии была ею поглощена. А она может быть еще рассеяна и отражена. То, в каких пропорциях происходят эти три физических явления, зависит не только от характеристик лазера, но и от самой цели.
Наконец, у лазеров невероятно велико потребление электроэнергии. Китайскую винтовку может носить один солдат лишь потому, что она предназначена только для поджигания и исключительно на небольшом расстоянии. Лучевая пушка, способная плавить броню танка, вместе с источником энергии на том же танке просто не поместится, в отличие от обычной нарезной.
Проекты боевых лазеров
При всей сложности реализации, СССР и США потратили несколько десятилетий на разработку оружия, способного поражать цели лазером. В Советском Союзе существовали программы «Терра» и «Омега», целью которых было создать систему поражения баллистических ракет лазерным лучом. Однако в конце 1970-х стало ясно, что мощности экспериментальной газофазной установки «Терра-3» для этого будет недостаточно. Как следствие, постепенно интерес к этой теме угас и в 1990-х программы окончательно свернули.
Кроме того, СССР разрабатывал ряд проектов боевых лазеров морского и даже космического базирования. Массогабаритный макет лазерной платформы «Скиф» побывал в космосе. Но в итоге все эти программы завершились так же, как и «Терра».
То же самое случилось и с американским проектом Excalibur, который являлся ключевым элементом программы Strategic Defense Initiative. Он предусматривал уничтожение баллистических ракет с помощью лазера рентгеновского диапазона. Наработки в этом направлении появились еще в 1970-х, а активная разработка продолжалась все 1980-е. Но в 1992 году программу окончательно закрыли.
С начала 2000-х компания Boeing вместе с Министерством обороны США разрабатывала программу Advanced Tactical Laser. Она предполагала размещение газофазного лазера инфракрасного диапазона мощностью 100 кВт на самолете AC-130.
Пушка массой свыше 5 тонн предназначалась для поражения вражеских объектов на расстоянии до 20 км. В 2009 году прошли ее успешные испытания, однако программу решили не продолжать. Так поступили и с Precision Airborne Standoff Directed Energy Weapon, разработка которой велась в начале 2010-х.
Зато в 2000-х годах Соединенные Штаты успешно опробовали в Ираке и Афганистане систему HLONS, более известную как ZEUS. Она представляет собой твердотельный лазер мощностью до 1 кВт, установленный на автомобиле Humvee, и позволяет проводить дистанционное разминирование, вызывая подрыв с помощью лазерного луча.
В целом в начале ХХІ века многие страны заинтересовались реализацией лазерного оружия в вариантах преимущественно для автомобильной техники. Впрочем, несмотря на множество экспериментальных образцов, на поле боя распространения оно не получило.
Лазеры в космической войне
Когда люди рассуждают о войне в космосе, они часто представляют космические корабли, стреляющие друг в друга лазерами. На первый взгляд такое предположение кажется вполне логичным. Огромные расстояния дают значительное преимущество лазерным лучам по сравнению со снарядами, даже если последние разгоняются электромагнитными катапультами.
То, что на лазерные лучи практически не действует гравитационное поле, а сами они не вызывают значительной отдачи, дополнительно повышает их ценность. Ведь вблизи массивных тел, подобных Земле, траектории физических снарядов настолько капризны, что могут превращаться в орбиты, и они будут представлять опасность совсем не для тех объектив, по которым они были выпущены.
А выстрел из пушки, придающий снаряду большую скорость, передает такой же импульс аппарату, на котором она установлена. Это может привести не только к неконтролируемой «раскрутке» стрелка, но и к изменению его траектории. С лазерами таких проблем практически нет.
Однако с лазерным оружием в космосе возникают и сложности. Ибо он настолько велик, что приходится учитывать расхождение лазерного луча, происходящее не из-за сопротивления среды, а лишь потому, что таковы базовые свойства излучения. Вполне реальна ситуация, когда на расстоянии сотен тысяч километров лазер попадает во вражеский аппарат, но его энергия «размазана» по очень большой площади и не может даже нагреть материал.
Для предотвращения этого следует помнить, что лазеры бывают не только оптического диапазона. А расхождение луча зависит от длины волны: оно тем меньше, чем выше частота. Поэтому фиолетовым лазерам легче сохранять плотность энергии, чем красным, ультрафиолетовым — чем фиолетовым. А дальше теоретически можно использовать рентгеновский і гамма-диапазоны.
Правда, существует возможность обойти это препятствие путем фокусирования луча с помощью линзы. Однако этот метод сталкивается с необходимостью точно определять расстояние до цели. А это на большой дистанции тоже становится проблемой.
Так или иначе, но человечество уже впритык подошло к возможности массового применения лазеров в боевых действиях, в том числе и в космосе. Остается только надеяться, что необходимости в этом так и не возникнет.
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
