Arme cu laser în spațiu. Caracteristici de funcționare și probleme tehnice
Se crede larg că cel mai bun mediu pentru utilizarea unui laser arme (LO) este spațiul cosmic. Pe de o parte, acest lucru este logic: în spațiu, radiația laser se poate propaga practic fără interferențe cauzate de atmosferă, condițiile meteorologice, obstacolele naturale și artificiale. Pe de altă parte, există factori care complică semnificativ utilizarea armelor laser în spațiu.
Caracteristici ale funcționării laserelor în spațiu
Primul obstacol în calea utilizării laserelor puternice în spațiul cosmic este eficiența acestora, care este de până la 50% pentru cele mai bune produse, restul de 50% merg la încălzirea laserului și a echipamentelor din jur.
Chiar și în condițiile atmosferei planetei - pe pământ, pe apă, sub apă și în aer, există probleme cu răcirea laserelor puternice. Cu toate acestea, posibilitățile de răcire a echipamentelor de pe planetă sunt mult mai mari decât în spațiu, deoarece în vid transferul de căldură în exces fără pierderi de masă este posibil numai cu ajutorul radiației electromagnetice.
Pe apă și sub apă, răcirea LO este cel mai ușor de organizat - poate fi efectuată cu apă din exterior. Pe sol, puteți folosi calorifere masive cu îndepărtarea căldurii în atmosferă. aviație pentru răcire LO poate folosi fluxul de aer care se apropie.
În spațiu, pentru îndepărtarea căldurii, frigiderele-radiatoare sunt utilizate sub formă de tuburi cu aripioare conectate în panouri cilindrice sau conice în care circulă un lichid de răcire. Odată cu creșterea puterii unei arme cu laser, dimensiunile și masa emițătoarelor frigorifice care sunt necesare pentru răcirea acesteia cresc, iar masa și mai ales dimensiunile emițătoarelor frigorifice pot depăși semnificativ masa și dimensiunile laserului. arma în sine.
În laserul de luptă orbital sovietic „Skif”, care era planificat să fie lansat pe orbită de către vehiculul de lansare super-greu „Energy”, urma să fie utilizat un laser dinamic gazos, a cărui răcire ar fi cel mai probabil efectuată de ejectia fluidului de lucru. În plus, furnizarea limitată a fluidului de lucru de la bord ar putea oferi cu greu posibilitatea de funcționare pe termen lung a laserului.
Produs 17F19DM „Pol” (Skif-DM) - un aspect dinamic al platformei orbitale laser de luptă „Skif”
Surse de energie
Al doilea obstacol este necesitatea de a oferi armelor laser o sursă puternică de energie. O turbină cu gaz sau un motor diesel nu pot fi desfășurate în spațiu, au nevoie de mult combustibil și chiar mai mult oxidant, laserele chimice cu furnizarea lor limitată de fluid de lucru nu sunt cea mai bună alegere pentru plasarea în spațiu. Au mai rămas două opțiuni - pentru a furniza energie unui laser cu stare solidă / fibră / lichid, pentru care pot fi folosite baterii solare cu baterii tampon sau centrale nucleare (NPP), sau pentru a utiliza lasere pompate direct de fragmente de fisiune ale unei reacții nucleare (lasere cu pompare nucleară).
Schema reactor-laser
Ca parte a lucrărilor desfășurate în Statele Unite în cadrul programului Boeing YAL-1, trebuia să folosească un laser de 600 megawați pentru a distruge rachetele balistice intercontinentale (ICBM) la o distanță de 14 de kilometri. De fapt, a fost atinsă o putere de ordinul a 1 megawatt, în timp ce ținte de antrenament au fost atinse la o distanță de aproximativ 250 de kilometri. Astfel, o putere de ordinul 1 megawatt poate fi orientată ca bază pentru o armă laser spațială capabilă, de exemplu, să opereze de pe o orbită de referință joasă împotriva țintelor de pe suprafața Pământului sau împotriva țintelor relativ îndepărtate din spațiul cosmic (nu nu luați în considerare LO destinat senzorilor de „iluminare”.
Cu o eficiență laser de 50%, pentru a obține 1 MW de radiație laser, este necesar să se furnizeze 2 MW de energie electrică laserului (de fapt, mai mult, deoarece trebuie asigurate și echipamente auxiliare și un sistem de răcire). Este posibil să obțineți o astfel de energie folosind panouri solare? De exemplu, panourile solare instalate pe Stația Spațială Internațională (ISS) generează de la 84 la 120 kW de energie electrică. Dimensiunile panourilor solare necesare pentru a obține puterea indicată pot fi estimate cu ușurință din imaginile fotografice ale ISS. Un design capabil să alimenteze un laser de 1 MW ar fi uriaș și minim mobil.
Statia Spatiala Internationala
Puteți considera un ansamblu baterie ca sursă de alimentare pentru un laser puternic pe suporturile mobile (în orice caz, va fi necesar ca tampon pentru panourile solare). Densitatea energetică a bateriilor cu litiu poate ajunge la 300 W*h/kg, adică pentru a asigura un laser de 1 MW cu o eficiență de 50%, cu energie electrică pentru 1 oră de funcționare continuă, sunt necesare baterii cu o greutate de aproximativ 7 tone. S-ar părea că nu atât de mult? Dar ținând cont de necesitatea de a stabili structuri portante, electronice aferente, dispozitive pentru menținerea regimului de temperatură al bateriilor, masa bateriei tampon va fi de aproximativ 14-15 tone. În plus, vor exista probleme cu funcționarea bateriilor în condiții de temperatură extremă și vid spațial - o parte semnificativă a energiei va fi „devorată” pentru a asigura durata de viață a bateriilor în sine. Cel mai rău dintre toate, defecțiunea unei celule a bateriei poate duce la defectarea, sau chiar la o explozie, a întregului pachet de baterii, împreună cu laserul și nava spațială purtătoare.
Utilizarea unor dispozitive de stocare a energiei mai fiabile, care sunt convenabile din punct de vedere al funcționării lor în spațiu, va duce cel mai probabil la o creștere și mai mare a masei și dimensiunilor structurii datorită densității lor mai mici de energie bazate pe W* h/kg.
Cu toate acestea, dacă nu impunem cerințe pentru armele cu laser pentru multe ore de funcționare, ci folosim LO pentru a rezolva probleme speciale care apar o dată la câteva zile și necesită un timp de funcționare cu laser de cel mult cinci minute, atunci aceasta va implica o simplificare corespunzătoare. a bateriei. Reîncărcarea bateriilor poate fi efectuată din panouri solare, a căror dimensiune va fi unul dintre factorii care limitează frecvența de utilizare a armelor laser.
O soluție mai radicală este utilizarea unei centrale nucleare. În prezent, navele spațiale folosesc generatoare termoelectrice cu radioizotopi (RTG). Avantajul lor este simplitatea relativă a designului, dezavantajul puterii electrice scăzute, care este în cel mai bun caz de câteva sute de wați.
RTG GPHS-RTG a fost utilizat pe sonda solară Ulysses, sondele Galileo, Cassini-Huygens, New Horizons, conține 7,8 kg de plutoniu-238, produce 4400 W de putere termică și 300 W de energie electrică.
În Statele Unite, este testat un prototip al promițătorului Kilopower RTG, care folosește uraniu-235 ca combustibil, conductele de căldură de sodiu sunt folosite pentru a elimina căldura, iar căldura este convertită în electricitate cu ajutorul unui motor Stirling. În prototipul reactorului Kilopower cu o capacitate de 1 kilowatt s-a atins o eficiență suficient de mare de aproximativ 30%, eșantionul final al reactorului nuclear Kilopower ar trebui să producă continuu 10 kilowați de energie electrică timp de 10 ani.
Diagrama de proiectare a reactorului de kiloputere
Prototip de reactor nuclear de 1 kW Kilopower
Circuitul de alimentare LO cu unul sau două reactoare Kilopower și un stocare de energie tampon poate fi deja funcțional, asigurând funcționarea periodică a unui laser de 1 MW în regim de luptă timp de aproximativ cinci minute, o dată la câteva zile, printr-o baterie tampon.
În Rusia, se creează o centrală nucleară cu o putere electrică de aproximativ 1 MW pentru modulul de transport și energie (TEM), precum și centrale nucleare termoionice bazate pe proiectul Hercules cu o putere electrică de 5-10 MW. Centralele nucleare de acest tip pot furniza energie armelor laser fără intermediari sub formă de baterii tampon, dar crearea lor se confruntă cu mari probleme, ceea ce nu este surprinzător în principiu, având în vedere noutatea soluțiilor tehnice, specificul mediului de operare și imposibilitatea efectuării unor teste intensive. Centralele nucleare spațiale este un subiect al unui material separat, la care vom reveni cu siguranță.
Conceptul de modul de transport și energie cu o centrală nucleară. Necesitatea de a răci centrala nucleară și de a proteja echipajul / echipamentul de radiațiile radioactive dictează propriile cerințe pentru dimensiunea structurii
Ca și în cazul furnizării de răcire a armelor laser puternice, utilizarea centralelor nucleare de un tip sau altul propune, de asemenea, cerințe de răcire crescute. Emițătoarele frigorifice sunt unul dintre cele mai semnificative elemente ale centralei electrice din punct de vedere al masei și dimensiunilor; ponderea masei lor, în funcție de tipul și puterea centralei nucleare, poate varia de la 30% la 70%.
Cerințele de răcire pot fi reduse prin reducerea frecvenței și duratei armelor cu laser și prin utilizarea centralelor nucleare de tip RTG de putere relativ scăzută care reîncarcă tamponul de energie.
De remarcat în mod deosebit este plasarea laserelor cu pompare nucleară pe orbită, care nu necesită surse externe de electricitate, deoarece laserul este pompat direct de către produsele unei reacții nucleare. Pe de o parte, laserele cu pompare nucleară vor necesita, de asemenea, sisteme de răcire masive, pe de altă parte, conversia directă a energiei nucleare în radiații laser poate fi mai simplă decât cu conversia intermediară a căldurii eliberate de un reactor nuclear în energie electrică, ceea ce va presupune o reducere corespunzătoare a dimensiunii şi greutăţii.produse.
Astfel, absența unei atmosfere care împiedică propagarea radiației laser pe Pământ complică semnificativ proiectarea armelor laser spațiale, în primul rând în ceea ce privește sistemele de răcire. Nu o problemă mai mică este furnizarea de energie electrică a armelor laser spațiale.
Se poate presupune că în prima etapă, aproximativ în anii treizeci ai secolului XXI, în spațiu vor apărea arme cu laser care pot funcționa pentru un timp limitat - de ordinul a câteva minute, cu necesitatea reîncărcării ulterioare a dispozitivelor de stocare a energiei. pentru o perioadă suficient de lungă, care durează câteva zile.
Astfel, pe termen scurt, nu este nevoie să vorbim despre vreo utilizare masivă a armelor laser „împotriva sutelor de rachete balistice”. Armele laser cu capacități îmbunătățite vor apărea nu mai devreme de crearea și testarea centralelor nucleare de clasa megawați. Și costul navelor spațiale din această clasă este greu de prezis. În plus, dacă vorbim despre operațiuni de luptă în spațiu, atunci există soluții tehnice și tactice care pot reduce în mare măsură eficiența armelor laser în spațiu.
Cu toate acestea, armele laser, chiar dacă sunt limitate în timpul de funcționare continuă și frecvența de utilizare, pot deveni un instrument esențial pentru războiul în și din spațiu.
informații