Powszechnie uważa się, że najlepszym środowiskiem do użycia broni laserowej (LW) jest przestrzeń kosmiczna. Z jednej strony jest to logiczne: w kosmosie promieniowanie laserowe może się rozprzestrzeniać praktycznie bez zakłóceń spowodowanych atmosferą, warunkami atmosferycznymi, naturalnymi i sztucznymi przeszkodami. Z drugiej strony istnieją czynniki, które znacznie komplikują użycie broni laserowej w kosmosie.
Cechy działania laserów w kosmosie
Pierwszą przeszkodą w stosowaniu laserów dużej mocy w kosmosie jest ich wydajność, która w przypadku najlepszych produktów sięga 50%, pozostałe 50% przeznacza się na nagrzewanie lasera i otaczającego go sprzętu.
Nawet w warunkach atmosfery planety - na lądzie, na wodzie, pod wodą iw powietrzu, występują problemy z chłodzeniem potężnych laserów. Niemniej jednak możliwości chłodzenia sprzętu na planecie są znacznie większe niż w kosmosie, ponieważ w próżni przenoszenie nadmiaru ciepła bez utraty masy jest możliwe tylko za pomocą promieniowania elektromagnetycznego.
Chłodzenie LO na wodzie i pod wodą jest najłatwiejsze do zorganizowania - można je przeprowadzić przy użyciu wody morskiej. Na ziemi można zastosować masywne grzejniki z odprowadzaniem ciepła do atmosfery. Lotnictwo może wykorzystać nadlatujący strumień powietrza do chłodzenia samolotu.
W kosmosie do odprowadzania ciepła stosuje się chłodnice chłodnicy w postaci żebrowanych rurek połączonych z cylindrycznymi lub stożkowymi panelami z krążącym w nich chłodziwem. Wraz ze wzrostem mocy broni laserowej wzrastają rozmiary i masa chłodnic-chłodziarek, które są niezbędne do jej chłodzenia, ponadto masa, a zwłaszcza wymiary chłodnic-chłodnic mogą znacznie przekraczać masę i wymiary sama broń laserowa.
W radzieckim orbitalnym laserze bojowym „Skif”, który miał zostać wystrzelony na orbitę przez superciężką rakietę nośną „Energia”, miał być zastosowany laser gazowo-dynamiczny, którego chłodzenie najprawdopodobniej przeprowadzi wyrzut płynu roboczego. Ponadto ograniczone zapasy płynu roboczego na pokładzie z trudem zapewniały możliwość długotrwałej pracy lasera.
Źródła energii
Drugą przeszkodą jest konieczność zapewnienia broni laserowej potężnego źródła energii. Turbina gazowa lub silnik wysokoprężny w kosmosie nie mogą być rozmieszczone w kosmosie, potrzebują dużo paliwa i jeszcze więcej utleniacza, lasery chemiczne z ograniczonymi zapasami płynu roboczego nie są najlepszym wyborem do umieszczenia w kosmosie. Pozostają dwie opcje - zasilanie lasera półprzewodnikowego / światłowodowego / cieczowego, do którego można wykorzystać baterie słoneczne z akumulatorami buforowymi lub elektrowniami jądrowymi (NPP), lub lasery z bezpośrednim pompowaniem przez fragmenty rozszczepienia jądrowego (lasery pompowane jądrowo) może być użyty.
Obwód reaktora-lasera
W ramach prac prowadzonych w Stanach Zjednoczonych w ramach programu Boing YAL-1, 14-megawatowy laser miał służyć do niszczenia międzykontynentalnych rakiet balistycznych (ICBM) na odległość 600 kilometrów. W rzeczywistości osiągnięto moc około 1 megawata, podczas gdy cele treningowe zostały trafione z odległości około 250 kilometrów. Tak więc moc rzędu 1 megawata może być wykorzystana jako baza dla kosmicznej broni laserowej, zdolnej np. do operowania z niskiej orbity referencyjnej przeciwko celom na powierzchni Ziemi lub stosunkowo odległym celom w kosmosie (jesteśmy nie bierze pod uwagę samolotu przeznaczonego do oświetlenia »Czujniki).
Przy sprawności lasera wynoszącej 50%, aby uzyskać 1 MW promieniowania laserowego, konieczne jest doprowadzenie do lasera 2 MW energii elektrycznej (w rzeczywistości więcej, ponieważ nadal konieczne jest zapewnienie działania urządzeń pomocniczych i chłodzenia system). Czy można uzyskać taką energię za pomocą paneli słonecznych? Na przykład panele słoneczne zainstalowane na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) generują od 84 do 120 kW energii elektrycznej. Wymiary paneli słonecznych wymagane do uzyskania wskazanej mocy można łatwo oszacować na podstawie zdjęć fotograficznych ISS. Projekt zdolny do zasilania lasera o mocy 1 MW byłby ogromny i wymagałby minimalnej przenośności.
Możesz rozważyć zespół baterii jako źródło zasilania potężnego lasera na ruchomych nośnikach (w każdym razie będzie wymagany jako bufor dla baterii słonecznych). Gęstość energii baterii litowych może sięgać 300 W*h/kg, co oznacza, że aby zapewnić laserowi 1 MW wydajność 50%, na 1 godzinę ciągłej pracy z energią elektryczną potrzebne są baterie o wadze około 7 ton. Wydawałoby się, że nie tak dużo? Ale biorąc pod uwagę potrzebę ustanowienia konstrukcji wsporczych, towarzyszącej elektroniki, urządzeń do utrzymywania reżimu temperaturowego akumulatorów, masa akumulatora buforowego wyniesie około 14-15 ton. Ponadto pojawią się problemy z działaniem akumulatorów w warunkach ekstremalnych temperatur i próżni kosmicznej – znaczna część energii zostanie „zużyta” na zapewnienie żywotności samych akumulatorów. Co gorsza, awaria jednego ogniwa baterii może doprowadzić do awarii, a nawet eksplozji całej baterii akumulatorów, wraz z laserem i statkiem kosmicznym nośnym.
Zastosowanie bardziej niezawodnych magazynów energii, dogodnych z punktu widzenia ich pracy w przestrzeni, najprawdopodobniej doprowadzi do jeszcze większego przyrostu masy i gabarytów konstrukcji ze względu na ich niższą gęstość energii w przeliczeniu na W*h / kg.
Niemniej jednak, jeśli nie nakładamy wymagań na broń laserową na wiele godzin pracy, ale używamy LR do rozwiązywania specjalnych problemów, które pojawiają się raz na kilka dni i wymagają czasu działania lasera nie dłuższego niż pięć minut, to pociągnie to za sobą odpowiedni uproszczenie baterii… Baterie można ładować z paneli słonecznych, których wielkość będzie jednym z czynników ograniczających częstotliwość użycia broni laserowej
Bardziej radykalnym rozwiązaniem jest wykorzystanie elektrowni jądrowej. Obecnie statki kosmiczne wykorzystują radioizotopowe generatory termoelektryczne (RTG). Ich zaletą jest względna prostota konstrukcji, wadą jest niska moc elektryczna, która w najlepszym przypadku wynosi kilkaset watów.
W USA testowany jest prototyp obiecującego Kilopower RTG, w którym jako paliwo zastosowano uran-235, do odprowadzania ciepła zastosowano sodowe rurki cieplne, a ciepło zamieniane jest na energię elektryczną za pomocą silnika Stirlinga. W prototypie reaktora Kilopower o mocy 1 kilowata osiągnięto dość wysoką sprawność około 30%. Ostateczna próbka reaktora jądrowego Kilopower powinna nieprzerwanie wytwarzać 10 kilowatów energii elektrycznej przez 10 lat.
Obwód zasilania LR z jednym lub dwoma reaktorami Kilopower i buforowym magazynem energii może już działać, zapewniając okresową pracę lasera o mocy 1 MW w trybie bojowym przez około pięć minut, raz na kilka dni, przez baterię buforową
W Rosji powstaje elektrownia jądrowa o mocy elektrycznej około 1 MW dla modułu transportowo-energetycznego (TEM), a także elektrowni jądrowych z emisją cieplną w oparciu o projekt Hercules o mocy elektrycznej 5-10 MW. Elektrownie jądrowe tego typu mogą zasilać broń laserową już bez pośredników w postaci baterii buforowych, jednak ich tworzenie napotyka na duże problemy, co w zasadzie nie dziwi, biorąc pod uwagę nowatorstwo rozwiązań technicznych, specyfikę środowiska pracy i niemożność przeprowadzenia intensywnych testów. Kosmiczne elektrownie jądrowe to temat na osobny materiał, do którego na pewno wrócimy.
Podobnie jak w przypadku chłodzenia potężnej broni laserowej, zastosowanie elektrowni jądrowej tego czy innego typu również wiąże się ze zwiększonymi wymaganiami dotyczącymi chłodzenia. Lodówki-chłodziarki są jednymi z najważniejszych pod względem masy i wymiarów elementów elektrowni, udział ich masy w zależności od typu i mocy elektrowni jądrowej może wynosić od 30% do 70%.
Wymagania dotyczące chłodzenia można zmniejszyć, zmniejszając częstotliwość i czas działania broni laserowej, a także stosując elektrownie jądrowe typu RTG o stosunkowo niskiej mocy, doładowujące magazyn energii w buforze
Na szczególną uwagę zasługuje umieszczenie na orbicie laserów z pompą jądrową, które nie wymagają zewnętrznych źródeł energii elektrycznej, ponieważ laser jest pompowany bezpośrednio przez produkty reakcji jądrowej. Z jednej strony lasery z pompą jądrową będą wymagały również masywnych systemów chłodzenia, z drugiej strony schemat bezpośredniej konwersji energii jądrowej na promieniowanie laserowe może być prostszy niż w przypadku pośredniej konwersji ciepła uwalnianego przez reaktor jądrowy na energię elektryczną, co pociągnie za sobą odpowiednie zmniejszenie rozmiaru i wagi produktów.
Tak więc brak atmosfery, która uniemożliwia propagację promieniowania laserowego na Ziemi, znacznie komplikuje projektowanie kosmicznej broni laserowej, przede wszystkim pod względem systemów chłodzenia. Zaopatrzenie kosmicznej broni laserowej w elektryczność nie jest mniejszym problemem.
Można przypuszczać, że w pierwszym etapie, mniej więcej w latach trzydziestych XXI wieku, w kosmosie pojawi się broń laserowa, zdolna do funkcjonowania przez ograniczony czas - rzędu kilku minut, z koniecznością późniejszego ładowania energii jednostki magazynowe na wystarczająco długi okres kilku dni
Tak więc w krótkim okresie nie ma potrzeby mówić o jakimkolwiek masowym użyciu broni laserowej „przeciwko setkom pocisków balistycznych”. Broń laserowa o zaawansowanych możliwościach pojawi się nie wcześniej niż zostaną stworzone i przetestowane elektrownie jądrowe klasy megawatów. A koszt statku kosmicznego tej klasy jest trudny do przewidzenia. Ponadto, jeśli mówimy o operacjach wojskowych w kosmosie, to istnieją rozwiązania techniczne i taktyczne, które mogą w znacznym stopniu zmniejszyć skuteczność broni laserowej w kosmosie.
Niemniej jednak broń laserowa, nawet ta ograniczona pod względem ciągłego czasu działania i częstotliwości użycia, może stać się niezbędnym narzędziem do prowadzenia działań wojennych w kosmosie i z kosmosu.
