أسلحة الليزر في الفضاء. ملامح التشغيل والمشاكل الفنية
يُعتقد على نطاق واسع أن أفضل بيئة لاستخدام الليزر أسلحة (LO) هو الفضاء الخارجي. من ناحية أخرى ، هذا منطقي: في الفضاء ، يمكن لإشعاع الليزر أن ينتشر عمليا دون تدخل بسبب الغلاف الجوي والظروف الجوية والعوائق الطبيعية والاصطناعية. من ناحية أخرى ، هناك عوامل تعقد بشكل كبير استخدام أسلحة الليزر في الفضاء.
ميزات عمل الليزر في الفضاء
العقبة الأولى أمام استخدام الليزر القوي في الفضاء الخارجي هي كفاءتها ، والتي تصل إلى 50٪ لأفضل المنتجات ، وتذهب النسبة المتبقية 50٪ لتسخين الليزر والمعدات المحيطة به.
حتى في ظروف الغلاف الجوي للكوكب - على الأرض ، على الماء ، تحت الماء وفي الهواء ، هناك مشاكل في تبريد الليزر القوي. ومع ذلك ، فإن إمكانيات معدات التبريد على الكوكب أعلى بكثير مما هي عليه في الفضاء ، لأنه في الفراغ ، لا يمكن نقل الحرارة الزائدة دون فقدان الكتلة إلا بمساعدة الإشعاع الكهرومغناطيسي.
على الماء وتحت الماء ، يعتبر تبريد LO أسهل تنظيمًا - يمكن تنفيذه بالماء الخارجي. على الأرض ، يمكنك استخدام مشعات ضخمة مع إزالة الحرارة في الغلاف الجوي. طيران لتبريد LO يمكن استخدام تدفق الهواء القادم.
في الفضاء ، لإزالة الحرارة ، يتم استخدام مشعات الثلاجة في شكل أنابيب ذات زعانف متصلة بألواح أسطوانية أو مخروطية مع سائل تبريد يدور فيها. مع زيادة قوة سلاح الليزر ، يمكن أن تتجاوز أبعاد وكتلة بواعث الثلاجة اللازمة لزيادة التبريد ، ويمكن أن تتجاوز كتلة وأبعاد بواعث الثلاجة بشكل كبير كتلة وأبعاد الليزر السلاح نفسه.
في الليزر القتالي المداري السوفيتي "Skif" ، الذي كان مخططًا لإطلاقه إلى المدار بواسطة مركبة الإطلاق الثقيلة "الطاقة" ، كان من المقرر استخدام ليزر ديناميكي الغازي ، والذي من المرجح أن يتم تبريده بواسطة طرد سائل العمل. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الإمداد المحدود لسائل العمل على اللوحة بالكاد يمكن أن يوفر إمكانية تشغيل الليزر على المدى الطويل.
المنتج 17F19DM "Pole" (Skif-DM) - تخطيط ديناميكي لمنصة الليزر القتالية المدارية "Skif"
مصادر الطاقة
العقبة الثانية هي الحاجة إلى تزويد أسلحة الليزر بمصدر قوي للطاقة. لا يمكن نشر التوربينات الغازية أو محركات الديزل في الفضاء ، فهي تحتاج إلى الكثير من الوقود وحتى المزيد من المؤكسد ، والليزر الكيميائي مع الإمداد المحدود لسائل العمل ليس هو الخيار الأفضل لوضعه في الفضاء. هناك خياران متبقيان - لتوفير الطاقة لجهاز ليزر صلب / ليفي / سائل ، حيث يمكن استخدام البطاريات الشمسية مع البطاريات العازلة أو محطات الطاقة النووية (NPP) ، أو استخدامها الليزر الذي يتم ضخه مباشرة بواسطة شظايا انشطارية من تفاعل نووي (ليزر يضخ نوويًا).
مخطط مفاعل الليزر
كجزء من العمل الذي تم تنفيذه في الولايات المتحدة في إطار برنامج Boeing YAL-1 ، كان من المفترض استخدام ليزر 600 ميغاواط لتدمير الصواريخ الباليستية العابرة للقارات (ICBMs) على مسافة 14 كيلومتر. في الواقع ، تم تحقيق قوة 1 ميغاواط ، بينما تم ضرب أهداف التدريب على مسافة حوالي 250 كيلومترًا. وبالتالي ، يمكن توجيه قوة تصل إلى 1 ميغاواط كقاعدة لسلاح ليزر فضائي قادر ، على سبيل المثال ، على العمل من مدار مرجعي منخفض ضد أهداف على سطح الأرض أو ضد أهداف بعيدة نسبيًا في الفضاء الخارجي (نحن نفعل لا تعتبر LO مخصصًا لأجهزة استشعار "الإضاءة").
مع كفاءة الليزر بنسبة 50٪ ، للحصول على 1 ميجاوات من إشعاع الليزر ، من الضروري توفير 2 ميجاوات من الطاقة الكهربائية لليزر (في الواقع ، أكثر من ذلك ، حيث يجب أيضًا ضمان المعدات المساعدة ونظام التبريد). هل من الممكن الحصول على هذه الطاقة باستخدام الألواح الشمسية؟ على سبيل المثال ، تولد الألواح الشمسية المثبتة على محطة الفضاء الدولية (ISS) من 84 إلى 120 كيلوواط من الكهرباء. يمكن بسهولة تقدير أبعاد الألواح الشمسية المطلوبة للحصول على الطاقة المشار إليها من الصور الفوتوغرافية لمحطة الفضاء الدولية. سيكون التصميم القادر على تشغيل ليزر 1 ميجاوات ضخمًا وقليلًا من الحركة.
محطة الفضاء الدولية
يمكنك اعتبار تجميع البطارية كمصدر طاقة لليزر قوي على شركات النقل المحمولة (على أي حال ، ستكون هناك حاجة إليه كمخزن مؤقت للألواح الشمسية). يمكن أن تصل كثافة طاقة بطاريات الليثيوم إلى 300 واط * ساعة / كجم ، أي لتوفير ليزر 1 ميجاوات بكفاءة 50٪ ، مع كهرباء لمدة ساعة واحدة من التشغيل المتواصل ، وهناك حاجة إلى بطاريات تزن حوالي 1 أطنان. يبدو أن ليس كثيرا؟ ولكن مع الأخذ في الاعتبار الحاجة إلى وضع الهياكل الداعمة ، والإلكترونيات ذات الصلة ، والأجهزة للحفاظ على نظام درجة حرارة البطاريات ، فإن كتلة البطارية العازلة ستكون حوالي 7-14 طنًا. بالإضافة إلى ذلك ، ستكون هناك مشاكل في تشغيل البطاريات في ظروف درجات الحرارة القصوى وفراغ الفضاء - سيتم "استهلاك" جزء كبير من الطاقة لضمان عمر البطاريات نفسها. الأسوأ من ذلك كله ، أن فشل خلية بطارية واحدة يمكن أن يؤدي إلى فشل ، أو حتى انفجار ، حزمة البطارية بأكملها ، جنبًا إلى جنب مع الليزر والمركبة الفضائية الحاملة.
من المرجح أن يؤدي استخدام أجهزة تخزين الطاقة الأكثر موثوقية ، والتي تكون مريحة من حيث تشغيلها في الفضاء ، إلى زيادة أكبر في كتلة وأبعاد الهيكل نظرًا لانخفاض كثافة طاقتها استنادًا إلى W * h / kg .
ومع ذلك ، إذا لم نفرض متطلبات على أسلحة الليزر لساعات عديدة من التشغيل ، ولكن استخدمنا LO لحل المشكلات الخاصة التي تظهر مرة واحدة كل بضعة أيام وتتطلب وقتًا لا يزيد عن خمس دقائق لعملية الليزر ، فسيستلزم ذلك التبسيط المقابل. من البطارية. يمكن إعادة شحن البطاريات من الألواح الشمسية ، وسيكون حجمها أحد العوامل التي تحد من تكرار استخدام أسلحة الليزر.
الحل الأكثر جذرية هو استخدام محطة للطاقة النووية. حاليًا ، تستخدم المركبات الفضائية المولدات الكهروحرارية بالنظائر المشعة (RTGs). ميزتها هي البساطة النسبية للتصميم ، والعيب هو انخفاض الطاقة الكهربائية ، والتي هي في أحسن الأحوال بضع مئات من واط.
تم استخدام RTG GPHS-RTG في مسبار Ulysses الشمسي ، و Galileo ، و Cassini-Huygens ، و New Horizons ، وتحتوي على 7,8 كجم من البلوتونيوم -238 ، وتنتج 4400 واط من الطاقة الحرارية و 300 واط من الكهرباء
في الولايات المتحدة ، يتم اختبار نموذج أولي من كيلوباور RTG الواعد ، والذي يستخدم اليورانيوم 235 كوقود ، وتستخدم أنابيب حرارة الصوديوم لإزالة الحرارة ، ويتم تحويل الحرارة إلى كهرباء باستخدام محرك ستيرلينغ. في النموذج الأولي لمفاعل كيلوباور بسعة 1 كيلو وات ، تم تحقيق كفاءة عالية إلى حد ما بحوالي 30 ٪.يجب أن تنتج العينة النهائية من مفاعل كيلوباور 10 كيلوواط من الكهرباء بشكل مستمر لمدة 10 سنوات.
مخطط تصميم مفاعل كيلوباور
1 كيلو واط كيلوباور النموذج الأولي للمفاعل النووي
يمكن أن تكون دائرة إمداد الطاقة LO مع مفاعل واحد أو اثنين من مفاعل كيلوباور ومخزن طاقة عازلة جاهزة للعمل بالفعل ، مما يوفر التشغيل الدوري لليزر 1 ميجاوات في وضع القتال لمدة خمس دقائق ، مرة كل عدة أيام ، من خلال بطارية عازلة.
في روسيا ، يتم إنشاء محطة للطاقة النووية بطاقة كهربائية تبلغ حوالي 1 ميغاواط لوحدة النقل والطاقة (TEM) ، بالإضافة إلى محطات الطاقة النووية الحرارية القائمة على مشروع هرقل بطاقة كهربائية من 5-10 ميغاواط. يمكن لمحطات الطاقة النووية من هذا النوع أن توفر الطاقة لأسلحة الليزر بدون وسطاء على شكل بطاريات عازلة ، لكن إنشائها يواجه مشاكل كبيرة ، وهو أمر لا يثير الدهشة من حيث المبدأ ، نظرًا لحداثة الحلول التقنية وخصائص بيئة التشغيل و استحالة إجراء اختبارات مكثفة. محطات الطاقة النووية الفضائية هي موضوع مادة منفصلة ، سنعود إليها بالتأكيد.
مفهوم وحدة النقل والطاقة مع محطة للطاقة النووية. تملي الحاجة إلى تبريد محطة الطاقة النووية وحماية الطاقم / المعدات من الإشعاع المشع متطلباتها الخاصة لحجم الهيكل
كما في حالة توفير التبريد لأسلحة الليزر القوية ، فإن استخدام محطات الطاقة النووية من نوع أو آخر يطرح أيضًا متطلبات تبريد متزايدة. تعد بواعث الثلاجة أحد أهم عناصر محطة الطاقة من حيث الكتلة والأبعاد ؛ ويمكن أن تتراوح حصة كتلتها ، اعتمادًا على نوع محطة الطاقة النووية وقوتها ، من 30٪ إلى 70٪.
يمكن تقليل متطلبات التبريد عن طريق تقليل وتيرة ومدة تشغيل أسلحة الليزر ، واستخدام محطات الطاقة النووية من نوع RTG منخفضة الطاقة نسبيًا التي تعيد شحن المخزن المؤقت للطاقة.
وتجدر الإشارة بشكل خاص إلى وضع الليزر الذي يتم ضخه نوويًا في المدار ، والذي لا يتطلب مصادر خارجية للكهرباء ، حيث يتم ضخ الليزر مباشرة بواسطة منتجات تفاعل نووي. من ناحية أخرى ، ستتطلب أشعة الليزر التي يتم ضخها بالطاقة النووية أيضًا أنظمة تبريد ضخمة ، ومن ناحية أخرى ، يمكن أن يكون التحويل المباشر للطاقة النووية إلى إشعاع ليزر أبسط من التحويل الوسيط للحرارة المنبعثة من المفاعل النووي إلى طاقة كهربائية ، مما سيترتب عليه تخفيض مماثل في الحجم والوزن للمنتجات.
وبالتالي ، فإن غياب الغلاف الجوي الذي يمنع انتشار إشعاع الليزر على الأرض يعقد بشكل كبير تصميم أسلحة الليزر الفضائية ، وخاصة فيما يتعلق بأنظمة التبريد. لا تقل المشكلة عن توفير أسلحة ليزر الفضاء بالكهرباء.
يمكن الافتراض أنه في المرحلة الأولى ، تقريبًا في الثلاثينيات من القرن الحادي والعشرين ، ستظهر أسلحة الليزر في الفضاء التي يمكن أن تعمل لفترة محدودة - حوالي عدة دقائق ، مع الحاجة إلى إعادة الشحن اللاحقة لأجهزة تخزين الطاقة لفترة كافية. فترة طويلة تدوم عدة أيام.
وبالتالي ، على المدى القصير ، ليست هناك حاجة للحديث عن أي استخدام مكثف لأسلحة الليزر "ضد مئات الصواريخ الباليستية". لن تظهر أسلحة الليزر ذات القدرات المحسّنة قبل إنشاء واختبار محطات الطاقة النووية من فئة ميغاواط. ومن الصعب التنبؤ بتكلفة المركبات الفضائية من هذه الفئة. بالإضافة إلى ذلك ، إذا تحدثنا عن العمليات القتالية في الفضاء ، فهناك حلول تقنية وتكتيكية يمكن أن تقلل إلى حد كبير من فعالية أسلحة الليزر في الفضاء.
ومع ذلك ، فإن أسلحة الليزر ، حتى لو كانت محدودة في وقت التشغيل المستمر وتكرار الاستخدام ، يمكن أن تصبح أداة أساسية للحرب في الفضاء ومنه.
معلومات