Wcześniej przyjrzeliśmy się, jak rozwijają się technologie laserowe, jaką broń laserową można stworzyć na użytek sił powietrznych, sił lądowych i obrony przeciwlotniczej oraz marynarki wojennej.
Teraz musimy zrozumieć, czy i jak można się przed tym obronić. Często mówi się, że wystarczy pokryć rakietę lustrzaną powłoką lub wypolerować pocisk, ale niestety wszystko nie jest takie proste.
Typowe zwierciadło pokryte aluminium odbija około 95% padającego promieniowania, a jego wydajność w dużym stopniu zależy od długości fali.
Ze wszystkich materiałów pokazanych na wykresie, aluminium ma najwyższy współczynnik odbicia, który w żadnym wypadku nie jest materiałem ogniotrwałym. Jeśli pod wpływem promieniowania o małej mocy lustro nieznacznie się nagrzeje, to w przypadku uderzenia silnego promieniowania materiał powłoki lustra szybko stanie się bezużyteczny, co doprowadzi do pogorszenia jego właściwości odblaskowych i dalszego nagrzewania się lawinowego i zniszczenie.
Przy długości fali mniejszej niż 200 nm wydajność luster gwałtownie spada; przed promieniowaniem ultrafioletowym lub rentgenowskim (laser na swobodnych elektronach) taka ochrona w ogóle nie zadziała.
Istnieją eksperymentalne materiały sztuczne o 100% współczynniku odbicia, ale działają one tylko dla określonej długości fali. Lustra można również pokryć specjalnymi wielowarstwowymi powłokami, które zwiększają ich współczynnik odbicia do 99,999%. Ale ta metoda działa również tylko dla jednej długości fali i pada pod pewnym kątem.
Nie zapominaj, że warunki działania broni są dalekie od laboratoryjnych, tj. rakietę lustrzaną lub pocisk trzeba będzie przechowywać w pojemniku wypełnionym gazem obojętnym. Najmniejsza mgiełka lub smuga, na przykład od odcisków dłoni, natychmiast pogorszy współczynnik odbicia lustra.
Opuszczenie pojemnika spowoduje natychmiastowe narażenie powierzchni lustra na działanie otoczenia - atmosfery i ciepła. Jeśli powierzchnia lustra nie zostanie pokryta folią ochronną, natychmiast doprowadzi to do pogorszenia jej właściwości odblaskowych, a jeśli zostanie pokryta powłoką ochronną, sama pogorszy właściwości odblaskowe powierzchni.
Podsumowując powyższe, zauważamy, że ochrona lustrzana nie nadaje się zbyt dobrze do ochrony przed bronią laserową. A co wtedy pasuje?
W pewnym stopniu pomoże metoda „rozmazywania” energii cieplnej wiązki laserowej na ciele poprzez zapewnienie ruchu obrotowego samolotu (AC) wokół własnej osi podłużnej. Ale ta metoda jest odpowiednia tylko dla amunicji i w ograniczonym stopniu dla bezzałogowych statków powietrznych (UAV), w mniejszym stopniu będzie skuteczna, gdy laser zostanie napromieniowany w przód kadłuba.
W przypadku niektórych rodzajów chronionych obiektów, na przykład bomb szybujących, pocisków manewrujących (CR) lub przeciwpancernych pocisków kierowanych (ATGM) atakujących cel podczas lotu z góry, ta metoda również nie może być zastosowana. W większości nierotujące miny to miny moździerzowe. Trudno zebrać dane o wszystkich statkach powietrznych niewirujących, ale jestem pewien, że jest ich dużo.
W każdym razie obrót samolotu tylko nieznacznie zmniejszy wpływ promieniowania laserowego na cel, ponieważciepło przekazywane ciału przez silne promieniowanie laserowe będzie przekazywane do struktur wewnętrznych i dalej do wszystkich elementów samolotu.
Ograniczone jest również stosowanie oparów i aerozoli jako środków zaradczych przeciwko broni laserowej. Jak już wspomniano w artykułach z serii, użycie laserów przeciwko opancerzonym pojazdom naziemnym lub statkom jest możliwe tylko w przypadku użycia przeciwko sprzętowi inwigilacyjnemu, do ochrony którego wrócimy później. Spalenie kadłuba bojowego wozu piechoty / czołgu lub okrętu nawodnego wiązką lasera w dającej się przewidzieć przyszłości jest nierealne.
Oczywiście nie można zastosować ochrony przed dymem lub aerozolem przed samolotami. Ze względu na dużą prędkość samolotu dym lub aerozol będą zawsze wydmuchiwane z powrotem przez nadlatujące ciśnienie powietrza, w śmigłowcach będą zdmuchiwane przez strumień powietrza ze śmigła.
Tak więc ochrona przed bronią laserową w postaci rozpylonych oparów i aerozoli może być wymagana tylko na pojazdach lekko opancerzonych. Z drugiej strony czołgi i inne pojazdy opancerzone są często już wyposażone w standardowe systemy do zakładania zasłon dymnych, aby zakłócić przechwytywanie systemów uzbrojenia wroga, a w tym przypadku przy opracowaniu odpowiednich wypełniaczy można je również wykorzystać do kontrowania broni laserowej.
Wracając do ochrony optycznego i termowizyjnego sprzętu rozpoznawczego, można przypuszczać, że zainstalowanie filtrów optycznych, które zapobiegają przejściu promieniowania laserowego o określonej długości fali, będzie odpowiednie tylko w początkowej fazie do ochrony przed bronią laserową małej mocy, z następujących powodów:
- w eksploatacji będzie szeroka gama laserów różnych producentów działających na różnych długościach fal;
- filtr zaprojektowany do pochłaniania lub odbijania określonej długości fali pod wpływem silnego promieniowania prawdopodobnie ulegnie awarii, co spowoduje albo promieniowanie laserowe uderzające we wrażliwe elementy, albo uszkodzenie samej optyki (zmętnienie, zniekształcenie obrazu);
- niektóre lasery, w szczególności laser na swobodnych elektronach, mogą zmieniać roboczą długość fali w szerokim zakresie.
Ochrona optycznego i termowizyjnego sprzętu rozpoznawczego może być realizowana dla sprzętu naziemnego, statków i sprzętu lotniczego poprzez zainstalowanie szybkich ekranów ochronnych. W przypadku wykrycia promieniowania laserowego ekran ochronny powinien zakryć soczewki w ułamku sekundy, ale nawet to nie gwarantuje braku uszkodzeń wrażliwych elementów. Możliwe, że powszechne użycie broni laserowej z czasem będzie wymagało co najmniej powielenia środków rozpoznawczych działających w zakresie optycznym.
Jeśli na dużych nośnikach instalacja ekranów ochronnych i środków powielania rozpoznania optycznego i termowizyjnego jest całkiem możliwa, to w przypadku broni o wysokiej precyzji, zwłaszcza kompaktowej, jest to znacznie trudniejsze. Po pierwsze znacznie zaostrzone są wymagania dotyczące masy i wymiarów ochrony, a po drugie oddziaływanie promieniowania laserowego dużej mocy nawet przy zamkniętej przesłonie może spowodować przegrzanie elementów układu optycznego ze względu na gęsty układ, co doprowadzi do częściowego lub całkowite zakłócenie jego działania.
Jakimi metodami można skutecznie chronić sprzęt i broń przed bronią laserową? Istnieją dwa główne sposoby - ochrona ablacyjna i konstruktywna ochrona termoizolacyjna.
Ochrona ablacyjna (z łac. ablatio – odbieranie, przenoszenie masy) polega na usunięciu substancji z powierzchni chronionego obiektu przez strumień gorącego gazu i/lub na przebudowie warstwy granicznej, które łącznie znacząco ogranicza przenikanie ciepła do chronionej powierzchni. Innymi słowy, dochodząca energia jest zużywana na ogrzewanie, topienie i odparowanie materiału ochronnego.
Obecnie ochrona ablacyjna jest aktywnie wykorzystywana w modułach opadania statków kosmicznych (SC) oraz w dyszach silników odrzutowych. Najszerzej stosowane są tworzywa zwęglanie na bazie żywic fenolowych, krzemoorganicznych i innych syntetycznych zawierających węgiel (w tym grafit), dwutlenek krzemu (krzemionka, kwarc) oraz nylon jako wypełniacze.
Ochrona ablacyjna jest jednorazowa, ciężka i obszerna, więc nie ma sensu jej używać w samolotach wielokrotnego użytku (czytaj nie wszystkie załogowe i większość bezzałogowych statków powietrznych). Jego jedyne zastosowanie dotyczy pocisków kierowanych i niekierowanych. I tutaj głównym pytaniem jest jak gruba powinna być ochrona dla lasera o mocy np. 100 kW, 300 kW itd.
Na statku kosmicznym Apollo grubość osłony waha się od 8 do 44 mm dla temperatur od kilkuset do kilku tysięcy stopni. Gdzieś w tym zakresie będzie również znajdować się wymagana grubość ochrony ablacyjnej przed laserami bojowymi. Łatwo sobie wyobrazić, jak wpłynie to na charakterystykę masy i rozmiarów, a co za tym idzie na zasięg, zwrotność, masę głowicy i inne parametry amunicji. Ablacyjna ochrona termiczna musi również wytrzymywać przeciążenia podczas startu i manewrowania, odpowiadać normom warunków przechowywania amunicji.
Amunicja niekierowana jest wątpliwa, ponieważ nierównomierne zniszczenie ochrony ablacyjnej przed promieniowaniem laserowym może zmienić balistykę zewnętrzną, w wyniku czego amunicja odbiega od celu. Jeśli ochrona ablacyjna jest już gdzieś używana, na przykład w amunicji hipersonicznej, będziesz musiał zwiększyć jej grubość.
Inną metodą ochrony jest powłoka strukturalna lub wykonanie obudowy kilkoma warstwami ochronnymi z materiałów ogniotrwałych odpornych na wpływy zewnętrzne.
Jeśli narysujemy analogię ze statkiem kosmicznym, możemy rozważyć ochronę termiczną statku kosmicznego wielokrotnego użytku „Buran”. W miejscach, gdzie temperatura powierzchni wynosi 371 – 1260 stopni Celsjusza, zastosowano powłokę składającą się z amorficznego włókna kwarcowego o czystości 99,7%, do którego dodano spoiwo, koloidalny dwutlenek krzemu. Pokrycie wykonane jest w postaci płytek w dwóch standardowych rozmiarach o grubości od 5 do 64 mm.
Szkło borokrzemowe zawierające specjalny pigment (biała powłoka na bazie tlenku krzemu i błyszczącego tlenku glinu) jest nakładane na zewnętrzną powierzchnię płytek w celu uzyskania niskiego współczynnika pochłaniania promieniowania słonecznego i wysokiej emisyjności. Ochrona ablacyjna została zastosowana na stożku nosa i końcówkach skrzydeł pojazdu, gdzie temperatury przekraczają 1260 stopni.
Należy pamiętać, że przy dłuższym użytkowaniu ochrona płytek przed wilgocią może ulec pogorszeniu, co doprowadzi do utraty ochrony termicznej jej właściwości, dlatego nie może być bezpośrednio stosowana jako ochrona antylaserowa w samolotach wielokrotnego użytku.
Obecnie opracowywana jest obiecująca ablacyjna ochrona termiczna o minimalnym zużyciu powierzchni, która zapewnia ochronę samolotów przed temperaturami do 3000 stopni.
Zespół naukowców z Instytutu Royce'a na Uniwersytecie w Manchesterze (Wielka Brytania) i Central South University (Chiny) opracował nowy materiał o ulepszonych właściwościach, który może wytrzymać temperatury do 300°C bez zmian strukturalnych. Jest to powłoka ceramiczna Zr0,8Ti0,2C0,74B0,26, która jest nałożona na osnowę z kompozytu węglowo-węglowego. Pod względem swoich właściwości nowa powłoka znacznie przewyższa najlepszą ceramikę wysokotemperaturową.
Sama struktura chemiczna ceramiki żaroodpornej działa jak mechanizm obronny. W temperaturze 2000 ° C materiały Zr0,8Ti0,2C0,74B0,26 i SiC utleniają się i przekształcają odpowiednio w Zr0,80T0,20O2, B2O3 i SiO2. Zr0.80Ti0.20O2 topi się częściowo i tworzy stosunkowo gęstą warstwę, podczas gdy niskotopliwe tlenki SiO2 i B2O3 odparowują. W wyższej temperaturze 2500 ° C kryształy Zr0.80Ti0.20O2 łączą się w większe formacje. W temperaturze 3000 ° C tworzy się prawie absolutnie gęsta warstwa zewnętrzna, składająca się głównie z Zr0.80Ti0.20O2, tytanianu cyrkonu i SiO2.
Świat opracowuje również specjalne powłoki, które mają chronić przed promieniowaniem laserowym.
W 2014 roku rzecznik Chińskiej Armii Ludowo-Wyzwoleńczej stwierdził, że amerykańskie lasery nie stanowią szczególnego zagrożenia dla chińskiego sprzętu wojskowego pokrytego specjalną warstwą ochronną. Pozostają tylko pytania o lasery, jaką moc chroni ta powłoka, jaką ma grubość i masę.
Największym zainteresowaniem cieszy się powłoka opracowana przez amerykańskich naukowców z National Institute of Standards and Technology oraz University of Kansas - kompozycja aerozolowa oparta na mieszaninie nanorurek węglowych i specjalnej ceramiki, zdolnej do skutecznego pochłaniania światła laserowego. Nanorurki nowego materiału równomiernie pochłaniają światło i przenoszą ciepło do pobliskich obszarów, obniżając temperaturę w miejscu kontaktu z wiązką lasera. Ceramiczne złącza wysokotemperaturowe zapewniają powłoce ochronnej dużą wytrzymałość mechaniczną i odporność na uszkodzenia spowodowane wysokimi temperaturami.
Podczas badań cienką warstwę materiału nałożono na powierzchnię miedzi i po wyschnięciu skupiono na powierzchni materiału wiązkę długofalowego lasera podczerwonego, lasera służącego do cięcia metalu i innych twardych materiałów.
Analiza zebranych danych wykazała, że powłoka skutecznie zaabsorbowała 97,5% energii wiązki laserowej i wytrzymywała poziom energii 15 kW na centymetr kwadratowy powierzchni bez zniszczenia.
Na tej powłoce pojawia się pytanie: w testach na powierzchnię miedzi nałożono powłokę ochronną, która sama w sobie jest jednym z najtrudniejszych materiałów do obróbki laserowej, ze względu na wysoką przewodność cieplną nie jest jasne, w jaki sposób taka powłoka ochronna będzie zachowywać się z innymi materiałami. Pojawiają się również pytania o jego maksymalną odporność na temperaturę, odporność na wibracje i obciążenia udarowe, wpływ warunków atmosferycznych i promieniowanie ultrafioletowe (słońce). Nie wskazano czasu, w którym przeprowadzono napromienianie.
Kolejna ciekawostka: jeśli silniki samolotu zostaną również pokryte substancją o wysokiej przewodności cieplnej, to całe ciało będzie od nich równomiernie nagrzewane, co maksymalnie zdemaskuje samolot w widmie termicznym.
W każdym przypadku właściwości powyższej ochrony aerozolowej będą wprost proporcjonalne do wielkości chronionego obiektu. Im większy jest chroniony obiekt i obszar pokrycia, tym więcej energii można rozproszyć po tym obszarze i oddać w postaci promieniowania cieplnego i chłodzenia przez padający strumień powietrza. Im mniejszy chroniony obiekt, tym grubsza będzie ochrona. mała powierzchnia nie pozwoli na odprowadzenie wystarczającej ilości ciepła, a wewnętrzne elementy konstrukcyjne ulegną przegrzaniu.
Zastosowanie ochrony przed promieniowaniem laserowym, bez względu na to, czy chodzi o ablację, czy konstrukcyjną izolację cieplną, może odwrócić tendencję do zmniejszania rozmiarów amunicji kierowanej, znacznie obniżając skuteczność zarówno amunicji kierowanej, jak i niekierowanej.
Wszystkie powierzchnie nośne i stery – skrzydła, stateczniki, stery – będą musiały być wykonane z drogich i trudnych w obróbce materiałów ogniotrwałych.
Odrębną kwestią jest ochrona sprzętu do wykrywania radarów. Na eksperymentalnym statku kosmicznym „BOR-5” testowano przezroczystą dla promieniowania osłonę termiczną - włókno szklane z wypełniaczem krzemionkowym, ale nie mogłem znaleźć jego właściwości osłony termicznej i masowo-wymiarowej.
Nie jest jeszcze jasne, czy formacja plazmy wysokotemperaturowej może powstać w wyniku napromieniowania silnym promieniowaniem laserowym z osłony radarowego sprzętu rozpoznawczego, aczkolwiek z ochroną przed promieniowaniem termicznym, która zapobiega przechodzeniu fal radiowych w wyniku którego cel może zostać utracony.
W celu ochrony obudowy można zastosować kombinację kilku warstw ochronnych - żaroodpornej - słabo przewodzącej ciepło od wewnątrz i odbijającej - odpornej na ciepło - wysoce przewodzącej ciepło od zewnątrz. Możliwe jest również, że materiały maskujące zostaną zastosowane jako uzupełnienie ochrony przed promieniowaniem laserowym, które nie będzie w stanie wytrzymać promieniowania laserowego i będzie musiało regenerować się po uszkodzeniu broni laserowej w przypadku, gdy sam samolot przetrwa.
Można przypuszczać, że udoskonalenie i rozpowszechnienie broni laserowej będzie wymagało zapewnienia ochrony przeciwlaserowej wszelkiej dostępnej amunicji, zarówno kierowanej, jak i niekierowanej oraz załogowych i bezzałogowych statków powietrznych.
Wprowadzenie ochrony przeciwlaserowej nieuchronnie doprowadzi do wzrostu kosztów, masy i wymiarów amunicji kierowanej i niekierowanej, a także załogowych i bezzałogowych statków powietrznych.
Podsumowując, możemy wspomnieć o jednej z opracowanych metod aktywnego przeciwdziałania atakowi laserowemu. Kalifornijska firma Adsys Controls opracowuje system obrony Helios, który ma niszczyć naprowadzanie laserowe wroga.
Celując laserem bojowym wroga w chronione urządzenie, Helios określa jego parametry: moc, długość fali, częstotliwość impulsu, kierunek i odległość od źródła. Helios dodatkowo zapobiega skupieniu się wiązki laserowej wroga na celu, prawdopodobnie celując w nadchodzącą wiązkę laserową o niskiej energii, co dezorientuje system celowniczy wroga. Dokładna charakterystyka systemu Helios, etap jego rozwoju i jego praktyczna wydajność nie są jeszcze znane.
