1 января, 2002

Лазеры стремятся в высоту

В ответ на вопрос: "С помощью чего можно тушить пожары?" - абсолютное большинство землян вряд ли назовет лазер. Люди уверены в том, что лазер имеет как раз противоположное назначение. И тем не менее, одна из возможных гражданских областей применения лазера - тушение пожаров на газовых месторождениях. Лазерная система передачи энергии (ЛСПЭ), размещенная на мобильных транспортных средствах, лазерным лучом пережигает газовыводящую трубу и опоры вышки, что дает возможность буксирования конструкции из очага пожара и применения огнегасящих средств.

Именно такая система была создана по заказу ОАО "Газпром" кооперацией предприятий: ГНЦ ТРИНИТИ (головной исполнитель), НИИЭФА им. Д.В. Ефремова и ОАО "НПО "Алмаз" имени академика А.А. Расплетина" (разработчик средств формирования и управления лазерным лучом). Диаметр главного зеркала выходного телескопа такой ЛСПЭ - 80 см.

Примером лазера для системы подобного класса является газодинамический СО2-лазер на жидких компонентах, разработанный в дочернем предприятии НПО "Алмаз". На представлен сверхзвуковой диффузор этого лазера.

Лазерные системы передачи энергии (ЛСПЭ) являются весьма перспективными для решения различных задач.

Что же такое ЛСПЭ? Это сложный комплекс аппаратуры для генерации, формирования в узконаправленный пучок и высокоточной, адресной передачи энергии лазерного излучения на заданный элемент удаленного объекта.

Лазер со средней по времени выходной мощностью излучения от нескольких десятков кВт до нескольких МВт считается мощным. СО2-лазеры, СО-лазеры, HF-/DF-лазеры, кислородно-йодные и некоторые другие мощные лазеры к настоящему времени уже создавались и испытывались.

ЛСПЭ с лазером большой мощности может иметь наземное, морское, воздушное (на самолете или аэростате) либо космическое базирование. В зависимости от целевого назначения и вида базирования система может обеспечивать передачу энергии на дальность от сотен метров до нескольких десятков тысяч километров.

Следует заметить, что ЛСПЭ традиционно относят к системам "на новых физических принципах". При этом нельзя забывать, что еще в 1964 г. выдающиеся ученые А.М. Прохоров, Н.Г. Басов (СССР) и Ч.Таунс (США) стали лауреатами Нобелевской премии за открытие лазеров.

Более правильным применительно к ЛСПЭ является термин "система направленной энергии" (Directed Energy System). Именно он принят на Западе.

ЛСПЭ имеет в своем составе: мощный лазер; систему формирования излучения; систему углового наведения излучения; пассивную, активную, либо пассивно-активную информационно-прицельную систему; систему автоматического управления. Излучение из мощного лазера направляется в систему формирования, где приобретает вид узконаправленного пучка, и фокусируется на дальность объекта.

Система углового наведения излучения обеспечивает поворот пучка излучения, наведение и удержание его на заданной области поверхности движущегося объекта, на который осуществляется передача энергии. Для этого система углового наведения получает от информационно-прицельной системы в реальном масштабе времени необходимые данные о типе объекта, его координатах, ориентации и движении. Управление всеми средствами ЛСПЭ, в том числе включением и выключением мощного лазера, осуществляет система автоматического управления.

Конструктивно выходные элементы системы формирования, управляющие элементы системы углового наведения и приемо-передающие элементы информационно-прицельной системы, как правило, объединяются в передающий канал.

Создание и испытания ЛСПЭ требуют специальных измерительных средств. Примером оригинального измерительного средства является буксируемый вертолетом контейнер-мишень с измерительной матрицей. Излучение лазера ориентируется на движущийся контейнер-мишень и наводится на центр измерительной матрицы, с которой сигналы по телеметрии передаются на землю.

ЛСПЭ, как и любому другому классу сложных технических систем, присущи как достоинства, так и недостатки. Благодаря главному достоинству - практически мгновенной доставке световой энергии к удаленному объекту - становится возможным решение задач, которые не могут в принципе решаться традиционными методами (из-за временных ограничений). Очевидно, что оно становится все весомее по мере увеличения потребной дальности передачи энергии.

Другим важным достоинством ЛСПЭ является относительно низкая стоимость и возможность многократного повторения цикла передачи энергии. Дело в том, что во время такого цикла происходит расходование только сравнительно дешевых компонентов для работы лазера, а основные средства (лазер, средства формирования и наведения мощного луча) остаются практически неизменными. Реализация достаточно большого числа циклов передачи энергии определяет низкую стоимость передачи энергии. Относительная дешевизна расходуемых компонентов для работы лазера делает ЛСПЭ весьма гибкими к модернизации и улучшению характеристик.

Вместе с тем, ЛСПЭ присущи существенные принципиальные ограничения. Плотность мощности излучения на удаленном объекте убывает в обратно квадратической зависимости по мере роста дальности. Второе принципиальное ограничение - физический предел уменьшения угловой направленности излучения (т.н. дифракционный предел): угловая расходимость излучения (угол, заключающий половину мощности излучения) не может быть меньше величины, равной отношению длины волны излучения к диаметру выходной апертуры (выходного зеркала) ЛСПЭ. Дифракционный предел недостижим из-за технологических ограничений, поэтому реальные величины угловой расходимости будут хуже дифракционного предела.

Для увеличения дальности передачи энергии ЛСПЭ используются лазеры с более короткой длиной волны, большим диаметром выходного телескопа и большей выходной мощностью. При этом следует понимать, что одновременно требуется компенсировать влияние негативных факторов, искажающих волновой фронт излучения. Их проявление увеличивается по мере повышения мощности и угловой концентрации энергии пучка.

Другим принципиальным ограничением является негативное влияние атмосферы и погодных условий на транспортировку энергии за счет ослабления и искажения пучка излучения. Это проявление усиливается с дальностью транспортировки излучения.

Следует заметить, что передавать энергию принципиально возможно не только с помощью света, но, например, с помощью радиоволн, которые так же, как и световые волны, относятся к электромагнитному излучению и способны переносить энергию. Радиоволны, в целом, в меньшей степени подвержены ослабляющему влиянию атмосферы и облачности. Однако главное ограничение - дифракционный предел - остается.

Сравним возможности передачи энергии в сантиметровом радиодиапазоне и оптическом инфракрасном диапазоне (длина волны - мкм). При прочих равных условиях и одинаковом размере передающей апертуры дифракционный предел для радиоволн будет на четыре порядка выше, чем для инфракрасного излучения. Это означает, что при прочих равных условиях система направленной энергии, использующая радиоволны, сможет обеспечить плотность энергии на объекте в сто миллионов раз меньшую, чем ЛСПЭ, использующая инфракрасное излучение.

Возможности ЛСПЭ в значительной мере определяются видом базирования. Универсального вывода о преимуществах того или иного вида размещения дать нельзя, поскольку они зависят от назначения системы и других сопутствующих факторов. Рассмотрим их применительно к ЛСПЭ с большой дальностью действия.

Процесс передачи энергии при наземном расположении лазерной системы очень зависит от состояния атмосферы, от погодных условий. Поэтому создание ЛСПЭ большой дальности действия такого вида размещения сопряжено с многими проблемами. Вместе с тем, для стран, желающих развивать национальные школы разработки ЛСПЭ и необходимых технологий, такое размещение экономически целесообразно с точки зрения организации исследовательских и демонстрационных экспериментов.

Идеальные условия для распространения излучения на большие дальности предоставляет космическое пространство. Поэтому ЛСПЭ космического базирования будут иметь большие перспективы. Однако их создание весьма сложно - в силу трудоемкости и дороговизны вывода ЛСПЭ на орбиту, проведения их испытаний и отработки в космосе. Недаром до настоящего времени в США не проведено ни одного натурного эксперимента в космосе по демонстрации возможностей космических ЛСПЭ. Полагаю, что создание и развертывание ЛСПЭ такого размещения вряд ли можно ожидать в ближайшие десятилетия.

Наиболее перспективно создание ЛСПЭ воздушного (авиационного) базирования. С подъемом на высоту свыше 10-12 км, прекращается влияние на передачу энергии лазерного излучения облачности, осадков и других явлений низких слоев атмосферы. Необходимость учета при создании авиационных ЛСПЭ массо-габаритных ограничений и весьма жестких возмущающих факторов делает технологии создания авиационных ЛСПЭ универсальными с точки зрения применения для других видов базирования. При этом авиационное размещение, по сравнению с космическим, обеспечивает возможность доработки и ремонта, что чрезвычайно важно на стадии натурной отработки. В связи с этим, авиационные ЛСПЭ должны стать трамплином для создания космических лазерных систем.

В настоящее время ЛСПЭ активно развиваются за границей. Работы в области создания ЛСПЭ и элементной базы для них имеют широкомасштабный характер в США.

Наиболее важным для американцев является проект создания авиационной ЛСПЭ, использующей иодно-кислородный непрерывный химический лазер и размещаемой на самолете Боинг 747-400 (рисунок в заставке). Она предназначена для передачи энергии на расстояние в несколько сотен километров. Такая система, судя по всему, будет иметь возможность осуществлять передачу энергии на объекты, находящиеся как в атмосфере, так и на низкоорбитальные ИСЗ.

Несмотря на дороговизну, этот проект имеет явный приоритет в финансировании работ по созданию ЛСПЭ. В настоящее время ведутся испытания лазера и средств управления лучом. Комплексные натурные испытания ЛСПЭ намечено начать с 2003 г.

Известен также проект американо-израильской наземной лазерной системы для передачи энергии на относительно небольшие дальности. На фотограмме (рис.8) представлен ее крупногабаритный выходной поворотный телескоп, с помощью которого осуществляется фокусировка и угловое наведение мощного лазерного луча на движущийся объект. К настоящему времени выполнено значительное количество успешных натурных экспериментов; динамика одного из них показана на фотограмме.

Представляется интересным проект по исследованию возможности создания ЛСПЭ для разгона малоразмерных объектов. Результаты этого проекта могут иметь важное значение для решения задач энергетического управления объектами на большом расстоянии, например, для корректировки орбит ИСЗ.

В последние несколько лет США и другие западные страны открыто пропагандируют и рекламируют работы, связанные с созданием ЛСПЭ. В 1997 г. в США вышла в свет книга "Авиационный лазер" (R.W.Duffner. Airborne laser), в которой подробно изложена история создания первой американской летающей лаборатории с ЛСПЭ на основе мощного газодинамического СО2-лазера. На международной конференции "Лазеры-2000" (г. Альбукерке, шт. Нью-Мексико, США) были сделаны доклады по авиационной ЛСПЭ и по бортовому лазеру для нее. В Великобритании ежегодно проходят международные конференции "Системы направленной энергии". Вместе с тем, ключевые технологии, "ноу-хау", отдельные тактико-технические характеристики и некоторая другая информация являются закрытой областью, весьма строго охраняемой от посторонних.

В заключение следует подчеркнуть, что роль лазерных систем существенно возросла в последние годы. Страны, где разработка современных лазерных технологий и создание образцов перспективных ЛСПЭ принадлежат к приоритетным направлениям науки и техники, уже в недалеком будущем получат ощутимые преимущества в мировом сообществе.