Program LaWS Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych badał możliwość wykorzystania taniej technologii lasera światłowodowego jako podstawy broni laserowej, którą można by zintegrować z istniejącymi instalacjami Phalanx.
Po raz pierwszy US Navy jest w pełni przygotowana do zademonstrowania działania wysokoenergetycznej broni laserowej, a niedawno ogłosiła plany wystrzelenia na morzu prototypu elektromagnetycznego działa szynowego. Rozważ postęp w nowej generacji broni pulsacyjnej
Od kilkudziesięciu lat US Navy mówi tylko o rozmieszczeniu laserów, systemów energii impulsowej i broni elektrycznej na statkach. Szereg bardzo atrakcyjnych zalet teoretycznych - prawie nieograniczone zapasy, tania amunicja i szybkie uderzenie i nie tylko - przyczyniło się do znacznych inwestycji społeczności naukowo-technicznej w dziedzinie obronności w tworzenie, rozwój i demonstrację odpowiednich technologii w tamtym czasie. Proces ten zaowocował zalewem publikacji i patentów, kilkoma prototypami i mnóstwem znakomitych rekordów świata.
Jednak z technicznego punktu widzenia taka broń okazała się zbyt trudna do zaprojektowania i wyprodukowania. Technologia i środki techniczne nie zawsze pasowały do przewidywanych ram czasowych, a niektóre początkowo obiecujące rozwiązania okazywały się niepraktyczne lub nieskuteczne; prawa fizyki czasami stawały na drodze postępu.
Mimo to Marynarka Wojenna nadal wierzyła w nauki podstawowe, a ostrożna alokacja zasobów badawczo-rozwojowych w celu zmniejszenia ryzyka i rozwoju kluczowych zaawansowanych technologii zaczęła ostatnio przynosić zyski. Rzeczywiście, marynarka wojenna jest obecnie u progu rozmieszczenia pierwszego operacyjnego lasera wysokoenergetycznego (HEL); planowane jest również wypuszczenie do morza prototypu elektromagnetycznego działa szynowego w 2016 roku.
Szef badań marynarki wojennej kontradmirał Matthew Klunder opisuje tę wysokowydajną broń jako „przyszłość walki morskiej”, dodając, że marynarka wojenna „jest w czołówce tej wyjątkowej technologii”.
Warto jednak przypomnieć, że bronie o energii ukierunkowanej, takie jak lasery dużej mocy i mikrofale dużej mocy, były badane od ponad czterech dekad. Na przykład marynarka wojenna otworzyła dział w ramach programu HEL w 1971 roku i rozpoczęła opracowywanie, produkcję i testowanie wojskowego modelu demonstracyjnego potężnego (około megawata) HEL na fluorku deuteru.
Najnowsza historia rozwoju ukierunkowanej broni energetycznej dla Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych tak naprawdę rozpoczęła się wraz z przywróceniem w lipcu 2004 r. biura programowego (PMS 405) ds. systemów kierunkowej energii i broni elektrycznej Dowództwa Systemów Marynarki Wojennej. Ten ruch stał się nowym impulsem dla rozwoju naukowego i technicznego, który został odłożony na około dekadę w pudełku z etykietą „egzotyczny”. Nie chodzi o to, że badania zostały wstrzymane, raczej o to, że technologia nie ma jasnej ścieżki do sukcesu.
W ciągu ostatniej dekady PMS 405 służył jako centrum transferu technologii broni elektrycznej i ukierunkowanej energii z laboratoriów do marynarki wojennej. W tej roli koordynował prace badawczo-rozwojowe między ośrodkami badawczymi marynarki, laboratoriami rządowymi i przemysłem.
Warto również zwrócić uwagę na wkład ONR (Office of Naval Research) i Naval Surface Warfare Establishment Dahlgren Division (NSWCDD), Naval Surface Warfare Development Center w Dahlgren. ONR nadzorował innowacje w technologii laserów dużej mocy i działek szynowych, podczas gdy NSWCDD zostało założone jako „centrum doskonałości” w zakresie badań, rozwoju i kierunkowej symulacji energii. W ramach Directed Energy Research Office, Directed Energy Warfare Office (DEWO) przenosi technologię HEL z przestrzeni naukowej i technologicznej na front marynarki wojennej.
Urok lasera
Podsumowując, systemy uzbrojenia z potężnym laserem HEL oferują wiele zalet w porównaniu z tradycyjnymi armatami i amunicją kierowaną: uderzenie z prędkością światła i krótki czas napromieniowania celu; skalowalny wpływ (od śmiertelnego do nieśmiercionośnego); dokładność linii wzroku; wysoka precyzja prowadzenia; superszybkie ponowne przejęcie celu; duży i odnawialny magazyn wolny od niebezpieczeństw i obciążeń logistycznych związanych ze standardową amunicją wybuchową.
Jednak przede wszystkim perspektywa bardzo niskiego kosztu strzału – według wyliczeń ONR znacznie poniżej jednego dolara za strzał – wpłynęła hipnotyzująco na dowództwo marynarki wojennej USA, która szuka sposobów na dalsze finansowanie.
Jednocześnie, mimo że bardzo często mówi się o pozytywnych właściwościach systemów HEL, skomplikowane zadania finalizacji broni laserowej rozmieszczonej na statkach od dawna nawiedzają fizyków i inżynierów. Skupienie władzy na celu to jedno z głównych wyzwań. Broń laserowa musi być w stanie skoncentrować wiązkę o wysokiej energii w małym i wyraźnie określonym punkcie celowniczym na celu, aby zadać uderzenie. Jednak biorąc pod uwagę wiele rodzajów potencjalnych celów, wymagana ilość energii i zasięg, przy którym gwarantowane będzie zniszczenie, mogą się znacznie różnić.
Moc nie jest jedynym problemem. Rozpraszanie termiczne może wystąpić, gdy wiązka laserowa emitowana przez dłuższy czas wzdłuż tej samej linii widzenia ogrzewa powietrze, przez które przechodzi, powodując rozproszenie i rozogniskowanie wiązki. Celowanie jest również utrudnione przez złożone i dynamiczne właściwości otaczającego środowiska morskiego.
Następnie należy rozważyć różne kwestie integracji z platformą. Masywne urządzenia prototypowe mają duże rozmiary, a gotowe systemy wymagają znacznego zmniejszenia, aby można je było zintegrować z mniejszymi platformami. Integracja broni HEL na okrętach wojennych nakłada również nowe wymagania na platformę nośną w zakresie wytwarzania energii, dystrybucji energii, chłodzenia i odprowadzania ciepła.
ONR zidentyfikował laser na swobodnych elektronach (FEL) w połowie 2000 roku jako najlepsze długoterminowe rozwiązanie dla systemu uzbrojenia statku HEL. Dzieje się tak, ponieważ długość fali wiązki FEL można precyzyjnie dostroić do panujących warunków środowiskowych, aby uzyskać najlepszą „przepuszczalność atmosfery”.
W związku z tym pod kierownictwem ONR uruchomiono program Innovative Naval Prototype (INP), którego celem jest opracowanie demonstratora FEL klasy 100 kW o roboczej długości fali w zakresie 1,0-2,2 mikrona. Boeing i Raytheon otrzymały równoległe roczne kontrakty na fazę IA w kwietniu 2009 r. na wstępne projektowanie, a Boeing został wybrany do kontynuowania fazy IB we wrześniu 2010 r., po czym projekt przeszedł do fazy krytycznego przeglądu projektu.
Po zakończeniu krytycznego przeglądu elektrowni FEL, Boeing postanowił zbudować i przetestować kolejną wersję demonstracyjną FEL o mocy 100 kW, zaprojektowaną do pracy na trzech różnych długościach fal. Jednak ONR zrezygnował z INP w 2011 r., aby skierować obecne zasoby na opracowanie lasera na ciele stałym (SSL). Prace nad FEL skupiają się obecnie na kontynuowaniu prac nad zmniejszeniem zagrożeń związanych z tym systemem.
LaWS, oznaczony jako AN / SEQ-3, zostanie wdrożony na Ponce US Navy w ciągu najbliższych kilku miesięcy jako „pojazd szybkiego reagowania”. Urządzenie naprowadzające LaWS zostanie zainstalowane nad mostkiem statku Ponce
To przekierowanie zasobów jest konsekwencją większej dojrzałości technologii SSL i perspektywą przyspieszonego rozmieszczenia niedrogich broni HEL w marynarce wojennej USA. ONR i PMS 405 rozpoznały tę ścieżkę rozwoju na kolejny okres w połowie drugiej dekady XXI wieku.
Według wiceadmirała Klandera program SSL „należy do naszych programów naukowych i technologicznych o najwyższym priorytecie”. Dodał, że te pojawiające się możliwości są szczególnie atrakcyjne, ponieważ oferują „niedrogie rozwiązanie kosztownego problemu ochrony przed zagrożeniami asymetrycznymi. Nasi przeciwnicy mogą nawet się nie pojawić, wiedząc, że możemy wycelować laser w cel za mniej niż dolara za strzał”.
Przez ostatnie sześć lat nacisk kładziono na rozwój technologii półprzewodnikowej, o czym świadczą postępy i demonstracje w tej dziedzinie. Jednym z przykładów jest Morska Demonstracja Laserów (MLD). W kwietniu 2011 r. Northrop Grumman zainstalował prototyp lasera SSL na statku testowym, który zniszczył małą jednostkę-celem swoją wiązką. Peter Morrison, kierownik programu HEL w ONR, powiedział, że „po raz pierwszy HEL o takim poziomie mocy został zainstalowany na okręcie wojennym, zasilany przez ten statek i rozmieszczony w odległym celu na morzu”.
Demonstracja MLD była zwieńczeniem dwóch i pół roku projektowania, rozwoju, integracji i testowania. W projekcie MLD, wraz z Przemysłem, Wydziałem Technologii Wysokich Energii i Laboratoriami Marynarki Wojennej w Dahlgren, China Lake, Port Huenem i Point Mugu; projekt ten obejmuje również osiągnięcia zaczerpnięte z ogólnego programu laserów na ciele stałym dużej mocy.
Tymczasem w marcu 2007 r. rozpoczęto prace nad prototypowym systemem broni laserowej Laser Weapon System (LaWS), pomyślanym jako uzupełnienie istniejącego 20-mm krótkiego zasięgu Mk 15 Phalanx (CIWS). LaWS wykorzysta komercyjną technologię lasera z włókna szklanego, aby zapewnić dodatkowy typ broni do zwalczania podzbioru tanich „asymetrycznych” celów, takich jak małe bezzałogowe statki powietrzne i szybkie łodzie bojowe.
Programem LaWS zarządza PMS 405 we współpracy z Biurem Realizacji Programu Zintegrowanych Systemów Bojowych, DEWO Dahlgren i Raytheon Missile Systems (pierwotny producent Phalanx). Program przewiduje umieszczenie taniej technologii laserowej z włókna szklanego w sercu broni laserowej, która potencjalnie mogłaby zostać zintegrowana z istniejącą instalacją Phalanx. Ten wymóg integracji lasera z istniejącą instalacją determinuje jego masę do 1200-1500 kg. Byłoby również pożądane, aby to dodatkowe uzbrojenie nie miało wpływu na działanie instalacji, kąty azymutu i elewacji, maksymalną prędkość przenoszenia lub przyspieszenie.
Ograniczenia mocy
Biorąc pod uwagę te ograniczenia, jako najbardziej obiecujące rozwiązanie uznano gotową komercyjną technologię lasera światłowodowego. Chociaż ta technologia SSL ma pewne ograniczenia mocy (są one stopniowo usuwane w miarę rozwoju technologii), zastosowanie laserów światłowodowych pozwoliło na obniżenie kosztów nie tylko technologii instalacji uzbrojenia, ale także modyfikacji system na istniejących instalacjach.
Po wstępnym okresie analizy, oceny śmiertelności zagrożeń, przeglądów krytycznych komponentów i kompromisów zespół LaWS zakończył projektowanie i wdrażanie prototypowego systemu. W celu uzyskania wystarczającej mocy i odpowiednio śmiertelności w pewnej odległości, tego typu technologia wymaga zastosowania nowego kombinatora wiązki, który mógłby połączyć w wolnej przestrzeni sześć oddzielnych laserów z włókna szklanego o mocy 5,4 kW, tak aby uzyskać większe natężenie promieniowania na cel.
W celu obniżenia kosztów tego programu zebrano wiele sprzętu, wcześniej opracowanego i zakupionego do innych zadań badawczych. Obejmuje to obsługę śledzenia L-3 Brashear KINETO K433, teleskop 500 mm i wysokowydajne czujniki podczerwieni. Niektóre komponenty zostały zakupione od ręki, takie jak same lasery światłowodowe.
W marcu 2009 system LaWS (z jednym laserem światłowodowym) zniszczył pociski moździerzowe na poligonie White Sands. W czerwcu 2009 roku zostały przetestowane w Centrum Systemów Bojowych Lotnictwa Morskiego, podczas których prototyp wyśledził, przechwycił i zniszczył pięć bezzałogowych statków powietrznych, które w locie pełniły „zagrożenie”.
Kolejna seria testów w pełnej skali odbyła się na otwartym morzu w maju 2010 roku, gdzie system LaWS skutecznie zniszczył cztery cele UAV w scenariuszach „blisko walki” w odległości około jednej mili morskiej w czterech próbach. Wydarzenie to nazwano znaczącym w ONR - pierwszym zniszczeniu celów w pełnym cyklu od naprowadzania do strzału w środowisku powierzchniowym.
Jednak zaufanie do Marynarki Wojennej USA co do jej chęci kontynuowania planu przyspieszonego rozwoju dały wyniki testów na morzu niszczyciela rakietowego DDG-51 USS Dewey (DDG 105) w lipcu 2012 roku. Podczas testów niszczyciela Dewey system LaWS (tymczasowo zainstalowany na pokładzie statku) skutecznie trafił trzy cele UAV, ustanawiając swój rekord w przechwytywaniu celów 12 z 12.
Plany zainstalowania LaWS, oznaczonego jako AN / SEQ-3 (XN-1), na pokładzie USS Ponce służącego jako pływająca baza wysunięta (pośrednia) w Zatoce Perskiej, zostały ogłoszone przez dowódcę operacji morskich admirała Jonathana Greenerta w kwietniu 2013 roku. roku. AN / SEQ-3 jest wdrażany jako „zdolność szybkiego reagowania”, która umożliwi marynarce wojennej USA ocenę technologii w przestrzeni operacyjnej. Eksperyment jest prowadzony przez Dyrekcję Badań Operacji Morskich we współpracy z Centralnym Dowództwem Marynarki Wojennej / Piątą Flotą.
Zwracając się do delegatów na Sympozjum Stowarzyszenia Floty Powierzchniowej w styczniu 2014 r.? Kontradmirał Klunder powiedział, że było to „pierwsze na świecie operacyjne rozmieszczenie ukierunkowanej broni energetycznej”. Dodał, że ostateczny montaż LaWS został przeprowadzony w centrum NSWCDD, na poligonie Dahlgren, testy całego systemu zostały zakończone przed wysłaniem do Zatoki Perskiej w celu zainstalowania na statku Ponce. Testy na morzu zaplanowano na trzeci kwartał 2014 roku.
LaWS zostanie zainstalowany na pokładzie na szczycie mostu Ponce. „System będzie w pełni zintegrowany ze statkiem pod względem chłodzenia, elektryczności i mocy” – powiedział Klander. Będzie też w pełni zintegrowany z systemem walki okrętu i systemem bliskiego zasięgu Phalanx CIWS.”
NSWCDD unowocześniło system i zademonstrowało zdolność Phalanx CIWS do śledzenia i przesyłania celów do systemu LaWS w celu dalszego śledzenia i namierzania. Na pokładzie Ponce dowódca głowicy rakietowej i artyleryjskiej będzie pracował na panelu sterowania LaWS.
Dane zebrane podczas demonstracji morskiej trafią do programu ONR SSL TM (SSL Technology Maturation). Głównym celem programu SSL TM, uruchomionego w 2012 roku, jest dostosowanie progów i celów programu nauki i technologii do przyszłych potrzeb badawczych, rozwojowych i zakupowych.
Według ONR program SSL TM składa się z „kilku wydarzeń demonstracyjnych z prototypowymi systemami w konkurencyjnej przestrzeni”. Do opracowania projektów SSL TM wybrano trzy grupy branżowe, kierowane przez Northrop Grumman, BAE Systems i Raytheon; analiza wstępnych projektów ma zostać zakończona do końca II kwartału 2014 roku. ONR zdecyduje w przyszłym roku, które z nich nadają się do demonstracji morskiej.
Działo szynowe na morzu
Wraz z laserem US Navy rozważa elektromagnetyczne działo szynowe jako kolejny transformacyjny system uzbrojenia, który umożliwia dostarczanie ultraszybkich pocisków na duże odległości z bardzo dużą celnością. Flota planuje uzyskać początkowy zasięg 50-100 mil morskich, z czasem zwiększając go do 220 mil morskich.
Działka elektromagnetyczne przezwyciężają ograniczenia tradycyjnych dział (które wykorzystują chemiczne związki pirotechniczne do przyspieszania pocisku na całej długości lufy) i oferują większy zasięg, krótkie czasy lotu oraz wysoką śmiertelność celu. Wykorzystując przepływ prądu elektrycznego o bardzo wysokim napięciu, powstają potężne siły elektromagnetyczne, na przykład teoretycznie morskie działo elektromagnetyczne może wystrzeliwać pociski z prędkością większą niż 7 Macha. Pocisk bardzo szybko osiągnie trajektorię poza atmosferą (lot bez oporu aerodynamicznego), ponownie wchodząc w atmosferę, aby trafić w cel z prędkością przekraczającą 5 liczb Macha.
Program prototypowej armaty elektromagnetycznej okrętowej został uruchomiony przez ONR w 2005 roku jako główny element prac naukowo-technicznych, w ramach których konieczne jest dopracowanie technologii armat szynowych, tak aby oddać do użytku w pełni gotowy system z flota około 2030-2035.
Podczas fazy 1 innowacyjnego projektu INP nacisk położono na opracowanie technologii wyrzutni o odpowiedniej żywotności, opracowanie technologii zasilania impulsowego i zmniejszenie ryzyka związanego z komponentami pocisku. BAE Systems i General Atomics dostarczyły prototypy swoich dział szynowych do NSWCDD do testów i oceny.
Podczas fazy 1 programu badawczo-rozwojowego armaty elektromagnetycznej Marynarki Wojennej nacisk kładziony jest na opracowanie wyrzutni o wystarczającej żywotności, rozwijaniu niezawodnej mocy impulsowej i zmniejszaniu ryzyka dla pocisku. BAE Systems i General Atomics dostarczają prototypowe działa szynowe do Centrum Rozwoju Uzbrojenia w celu przeprowadzenia testów i oceny
W Fazie 1 osiągnięto cel zademonstrowania układu doświadczalnego, w grudniu 2010 uzyskano energię początkową 32 MJ; obiecujący system uzbrojenia o takim poziomie energii będzie w stanie wystrzelić pocisk na odległość 100 mil morskich.
BAE Systems otrzymało od ONR kontrakt o wartości 34,5 miliona dolarów na ukończenie fazy 2 INP w połowie 2013 roku i został wybrany jako pierwszy, pozostawiając w tyle konkurencyjny zespół General Atomics. Na etapie Fazy 2 technologie zostaną sfinalizowane do poziomu wystarczającego do przejścia do programu rozwojowego. Ulepszona zostanie wyrzutnia i moc impulsu, co pozwoli na przejście od pojedynczych strzałów do możliwości wielostrzałowych. Opracowane zostaną również techniki termoregulacji dla wyrzutni i impulsowego systemu zasilania, które są niezbędne do długotrwałego strzelania. Pierwsze prototypy zostaną dostarczone w 2014 roku; rozwój jest realizowany przez BAE Systems we współpracy z IAP Research i SAIC.
Pod koniec 2013 roku ONR przyznał BAE Systems oddzielny kontrakt o wartości 33,6 miliona dolarów na opracowanie i demonstrację pocisku hipersonicznego Hyper Velocity Projectile (HVP). HVP jest opisany jako pocisk kierowany nowej generacji. Będzie to pocisk modułowy o niskim oporze aerodynamicznym, kompatybilny z działem elektromagnetycznym, a także z istniejącymi systemami armat 127 mm i 155 mm.
Pierwsza faza kontraktu HVP została zakończona w połowie 2014 roku; ich celem było opracowanie projektu koncepcyjnego i planu rozwoju, aby zademonstrować w pełni kontrolowany lot. Rozwój będzie prowadzony przez BAE Systems we współpracy z UTC Aerospace Systems i CAES.
Koszt pocisku HVP o wadze 10,4 kg dla działa elektromagnetycznego szacuje się na około 25 000 USD za sztukę; według admirała Klandera „pocisk kosztuje około 1/100 kosztu istniejącego systemu rakietowego”.
W kwietniu 2014 roku Marynarka Wojenna potwierdziła swoje plany zademonstrowania działa szynowego na pokładzie swojego szybkiego statku Millinocket w 2016 roku.
Według kontradmirała Bryanta Fullera, głównego inżyniera dowództwa NAVSEA Naval Systems Command, ta demonstracja na morzu obejmie działo szynowe 20 MJ (wybór fazy 1 INP zostanie dokonany między prototypami produkowanymi przez BAE Systems i General Atomics), które będą strzelać pojedynczymi strzałami.
„W centrum morskiej broni nawodnej w Dahlgren wystrzeliliśmy setki pocisków z instalacji przybrzeżnej” – powiedział. „Technologia na tym poziomie jest wystarczająco dojrzała, dlatego chcemy ją wynieść na morze, umieścić na statku, przeprowadzić pełne testy, wystrzelić kilka pocisków i zbadać ją na podstawie zdobytego doświadczenia”.
„Ponieważ działo szynowe nie zostanie zintegrowane ze statkiem Millinocket podczas demonstracji w 2016 roku, statek ten nie zostanie poddany rozszerzonej modyfikacji, aby zapewnić te możliwości” – powiedział kontradmirał Fuller.
Całe elektromagnetyczne działo szynowe składa się z pięciu części: akceleratora, systemu magazynowania i przechowywania energii, kształtownika impulsów, pocisku o dużej prędkości i obrotowego uchwytu.
Na potrzeby demonstracji na pokładzie załogowym statku Millinocket zamontowano uchwyt armatni i dopalacz, natomiast magazynek, system obsługi amunicji i system magazynowania energii składający się z kilku dużych baterii zostaną umieszczone pod pokładem, najprawdopodobniej w kontenerach w ładowni. przegródki.
Marynarka Wojenna USA zamierza wrócić na morze w 2018 roku w celu wystrzelenia z okrętu serii dział elektromagnetycznych. Pełna integracja ze statkiem może być przeprowadzona w tym samym 2018 roku.
W ramach oddzielnego opracowania laboratorium badawcze Marynarki Wojennej USA na początku 2014 r. przetestowało nowe działo szynowe małego kalibru (o średnicy jednego cala). Pierwszy strzał oddano 7 marca 2014 roku. Opracowane przy wsparciu ONR, to małe działo szynowe to eksperymentalny system, który wykorzystuje zaawansowaną technologię baterii do wystrzeliwania wielu strzałów na minutę z mobilnej platformy.
US Navy planuje pokazać działanie działa szynowego na morzu podczas testów na Millinocket (JHSV 3) w 2016 roku.
