«Звездные войны» на грешной земле
Спасет ли лазерная ПВО от вездесущих беспилотников: от секретных разработок к реально существующему оружию
Лазерное оружие десятилетиями считалось едва ли не фантазией киноделов. С 1960-х годов военные обещали, что вот-вот луч совершит революцию на поле боя, но чуда все не происходило. Амбициозные проекты — и американские, и советские — поглощали огромные бюджеты, однако путь от впечатляющей идеи до пригодной для войск установки оказался гораздо длиннее, чем представлялось на старте.
Появление многочисленных дешевых дронов придало этим работам дополнительный импульс: понадобилось средство, которое могло бы заменить дорогую ракету для каждой летающей мишени. Отсюда и впечатление, будто лазерная ПВО возникла внезапно. На самом деле нынешние установки — результат десятилетий исследований и инженерных компромиссов. Совершенствовались источники излучения, оптика, электроника и системы наведения.
В военном деле лазеры давно перестали быть экзотикой: их используют для наведения, измерения дальности и работы с оптическими приборами. У систем, которые должны физически разрушать цель, история сложнее. Одни еще проходят испытания, другие уже переданы военным. Например, российский «Пересвет» заступил на опытно-боевое дежурство в 2018 году, однако сам факт его существования не говорит о готовности лазерной ПВО решать все задачи противодронной обороны.
Как это устроено
Принцип лазера известен с середины XX века: он позволяет получать направленное излучение и сосредоточивать энергию на небольшом участке. До цели свет добирается практически мгновенно по военным меркам. Однако скорость доставки энергии и скорость разрушения атакуемого предмета — разные вещи: материалу еще предстоит нагреться.
Особенно смелые надежды связывали с космическими лазерами, в том числе в американской программе Стратегической оборонной инициативы, известной как «Звездные войны». Но военные исследования не ограничивались орбитой. И даже вакуум не избавляет установку от расходимости луча, необходимости точно сопровождать цель, получать энергию и отводить тепло.
О трудностях ранних разработок вспоминает генеральный конструктор ООО «Лазервариоракурс» Сергей Хилов: «Главным препятствием стал КПД лазера: это сейчас его удалось довести до 30 процентов, а тогда был всего один процент». Низкая эффективность установки сама по себе не была непреодолимым запретом фундаментальной физики, и инженеры продолжили работу, но не все физические препятствия удалось преодолеть.
Главное ограничение Сергей Хилов связывает с расходимостью излучения и трудностями формирования особого типа пучка — бесселева. «У нас же все лазеры работают на гауссовых пучках, а они имеют неприятное свойство расходиться. Например, нам нужно передать один киловатт мощности лазера на один квадратный сантиметр. Но через километр этот квадратный сантиметр превращается в семь в квадрате. То есть одним киловаттом мы на таком расстоянии уже ничего не сможем сделать. Значит, нужно повышать мощность установки — допустим, 10 киловатт. А это уже требует отдельной энергетической установки, ее на автомобиль не поставишь, нужно что-то более габаритное».
Три препятствия на пути света
Чтобы понять принцип лазера, полезно вспомнить лупу, которой в детстве выжигали точку на дереве. Лазер тоже концентрирует энергию и получает направленное излучение внутри прибора. К цели летят фотоны — порции электромагнитного излучения.
В основе лежит вынужденное излучение. Активному веществу сначала сообщают энергию — это называют накачкой. Подходящий фотон может заставить возбужденную частицу отдать накопленную энергию в виде еще одного фотона, согласованного с первым. Так свет усиливается. В распространенных волоконных системах активной средой служит специальное оптическое волокно, а энергию подводят лазерные диоды. Излучение нескольких модулей можно объединять. Важно сохранить качество пучка, чтобы мощность доходила до нужного участка цели.
Попав на предмет, часть света отражается, часть поглощается и превращается в тепло. Материал нагревается, теряет прочность, плавится или разрушается иным образом. Установка не обязана испарить весь беспилотник: достаточно повреждения, после которого он не сможет продолжать полет. Однако это требует времени. Свет проходит километр примерно за три миллионные доли секунды, а тепловое поражение может занимать секунды.
Здесь легко перепутать мощность и энергию. Киловатт — скорость передачи энергии, килоджоуль — ее количество. Условный источник мощностью 100 кВт за секунду излучает 100 кДж. Но до корпуса беспилотника дойдет меньше, а поглотится еще меньшая доля. Кроме того, нагретый участок отдает тепло соседним частям конструкции и воздуху.
Первый фундаментальный предел — дифракция. Из-за волновой природы света пучок, вышедший из оптики конечного размера, нельзя навсегда оставить бесконечно узким. Даже в вакууме он расходится. Увеличение диаметра оптики помогает уменьшить предельную расходимость, но делает установку крупнее. При прочих равных, если диаметр пятна вырос вдвое, его площадь увеличилась вчетверо, а средняя мощность на единицу площади упала вчетверо.