Vũ khí laser trong không gian. Tính năng vận hành và sự cố kỹ thuật
Người ta tin rằng môi trường tốt nhất để sử dụng tia laser vũ khí (LO) là không gian bên ngoài. Một mặt, điều này là hợp lý: trong không gian, bức xạ laser có thể lan truyền thực tế mà không bị nhiễu bởi khí quyển, điều kiện thời tiết, các chướng ngại vật tự nhiên và nhân tạo. Mặt khác, có những yếu tố làm phức tạp đáng kể việc sử dụng vũ khí laser trong không gian.
Đặc điểm của hoạt động của laser trong không gian
Trở ngại đầu tiên đối với việc sử dụng các tia laser mạnh ngoài không gian là hiệu suất của chúng, lên đến 50% đối với các sản phẩm tốt nhất, 50% còn lại dùng để đốt nóng laser và các thiết bị xung quanh của nó.
Ngay cả trong các điều kiện của bầu khí quyển của hành tinh - trên trái đất, trên mặt nước, dưới nước và trong không khí, vẫn có những vấn đề với việc làm mát các tia laser mạnh mẽ. Tuy nhiên, khả năng thiết bị làm mát trên hành tinh cao hơn nhiều so với trong không gian, vì trong chân không, việc truyền nhiệt thừa mà không mất khối lượng chỉ có thể thực hiện được với sự trợ giúp của bức xạ điện từ.
Trên mặt nước và dưới nước, việc làm mát LO là dễ tổ chức nhất - nó có thể được thực hiện với nước bên ngoài. Trên mặt đất, bạn có thể sử dụng các bộ tản nhiệt lớn với khả năng loại bỏ nhiệt vào bầu khí quyển. Hàng không để làm mát LO có thể sử dụng luồng không khí tới.
Trong không gian, để loại bỏ nhiệt, bộ tản nhiệt tủ lạnh được sử dụng dưới dạng các ống có vây nối thành các tấm hình trụ hoặc hình nón với chất làm mát lưu thông trong đó. Với sự gia tăng sức mạnh của vũ khí laser, kích thước và khối lượng của các thiết bị phát ra trong tủ lạnh cần thiết cho việc làm mát của nó tăng lên, và khối lượng và đặc biệt là kích thước của các thiết bị phát ra trong tủ lạnh có thể vượt quá đáng kể khối lượng và kích thước của tia laser vũ khí của chính nó.
Trong laser chiến đấu quỹ đạo của Liên Xô "Skif", được lên kế hoạch phóng lên quỹ đạo bằng phương tiện phóng siêu nặng "Năng lượng", một laser động khí đã được sử dụng, việc làm mát chúng rất có thể sẽ được thực hiện bằng sự phun ra của chất lỏng làm việc. Ngoài ra, nguồn cung cấp hạn chế của chất lỏng hoạt động trên tàu khó có thể cung cấp khả năng hoạt động lâu dài của laser.
Sản phẩm 17F19DM "Cực" (Skif-DM) - bố cục động của nền tảng quỹ đạo laser chiến đấu "Skif"
Nguồn năng lượng
Trở ngại thứ hai là nhu cầu cung cấp vũ khí laser với nguồn năng lượng mạnh mẽ. Tua bin khí hoặc động cơ diesel không thể được triển khai trong không gian, chúng cần rất nhiều nhiên liệu và thậm chí nhiều chất oxy hóa hơn, laser hóa học với nguồn cung cấp chất lỏng hoạt động hạn chế không phải là lựa chọn tốt nhất để bố trí trong không gian. Có hai tùy chọn còn lại - để cung cấp năng lượng cho laser thể rắn / sợi quang / lỏng, có thể sử dụng pin năng lượng mặt trời với pin đệm hoặc nhà máy điện hạt nhân (NPP) hoặc sử dụng laser được bơm trực tiếp bởi các mảnh phân hạch của phản ứng hạt nhân (laser bơm hạt nhân).
Sơ đồ lò phản ứng-laser
Là một phần của công việc được thực hiện tại Hoa Kỳ trong khuôn khổ chương trình Boeing YAL-1, nó được cho là sử dụng tia laser 600 megawatt để tiêu diệt tên lửa đạn đạo xuyên lục địa (ICBM) ở khoảng cách 14 km. Trên thực tế, công suất đạt mức 1 megawatt đã đạt được, trong khi các mục tiêu huấn luyện bị bắn trúng ở khoảng cách 250 km. Do đó, một công suất bậc 1 megawatt có thể được định hướng làm cơ sở cho vũ khí laser không gian, chẳng hạn, có khả năng hoạt động từ quỹ đạo tham chiếu thấp chống lại các mục tiêu trên bề mặt Trái đất hoặc chống lại các mục tiêu tương đối xa trong không gian (chúng tôi không coi LO dành cho cảm biến "chiếu sáng»).
Với hiệu suất laser là 50%, để thu được 1 MW bức xạ laser, cần cung cấp 2 MW năng lượng điện cho laser (thực tế là nhiều hơn, do thiết bị phụ trợ và hệ thống làm mát cũng phải được đảm bảo). Có thể nhận được năng lượng như vậy bằng cách sử dụng các tấm pin mặt trời không? Ví dụ, các tấm pin mặt trời được lắp đặt trên Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS) tạo ra từ 84 đến 120 kW điện. Có thể dễ dàng ước tính kích thước của các tấm pin mặt trời để có được công suất được chỉ định từ các hình ảnh chụp của ISS. Một thiết kế có khả năng cung cấp năng lượng cho một tia laser 1 MW sẽ rất lớn và cơ động tối thiểu.
Trạm không gian quốc tế
Bạn có thể coi cụm pin là nguồn cung cấp năng lượng cho tia laser cực mạnh trên các thiết bị di động (trong mọi trường hợp, nó sẽ cần thiết như một bộ đệm cho các tấm pin mặt trời). Mật độ năng lượng của pin lithium có thể đạt 300 W * h / kg, tức là để cung cấp tia laser 1 MW với hiệu suất 50%, có điện cho 1 giờ hoạt động liên tục thì cần pin nặng khoảng 7 tấn. Có vẻ như không quá nhiều? Nhưng nếu tính đến nhu cầu bố trí các kết cấu chịu lực, các thiết bị điện tử liên quan, các thiết bị duy trì chế độ nhiệt độ của ắc quy, khối lượng của ắc quy đệm sẽ xấp xỉ 14-15 tấn. Ngoài ra, pin sẽ gặp vấn đề trong hoạt động trong điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt và chân không - một phần đáng kể năng lượng sẽ bị “ăn hết” để đảm bảo tuổi thọ của chính pin. Tệ hơn hết, việc hỏng một tế bào pin có thể dẫn đến hỏng hóc, hoặc thậm chí là nổ toàn bộ bộ pin, cùng với tia laser và tàu vũ trụ.
Việc sử dụng các thiết bị lưu trữ năng lượng đáng tin cậy hơn, thuận tiện từ quan điểm hoạt động của chúng trong không gian, rất có thể sẽ dẫn đến sự gia tăng lớn hơn về khối lượng và kích thước của cấu trúc do mật độ năng lượng thấp hơn dựa trên W * h / kg.
Tuy nhiên, nếu chúng tôi không đặt ra yêu cầu đối với vũ khí laser trong nhiều giờ hoạt động, mà sử dụng LO để giải quyết các vấn đề đặc biệt phát sinh vài ngày một lần và yêu cầu thời gian hoạt động laser không quá năm phút, thì điều này sẽ đòi hỏi sự đơn giản hóa tương ứng của pin. Việc sạc lại pin có thể được thực hiện từ các tấm pin mặt trời, kích thước của chúng sẽ là một trong những yếu tố hạn chế tần suất sử dụng vũ khí laser.
Một giải pháp triệt để hơn là sử dụng nhà máy điện hạt nhân. Hiện tại, tàu vũ trụ sử dụng máy phát nhiệt điện đồng vị phóng xạ (RTGs). Ưu điểm của chúng là thiết kế tương đối đơn giản, nhược điểm là công suất điện thấp, tốt nhất là vài trăm watt.
RTG GPHS-RTG được sử dụng trên tàu thăm dò năng lượng mặt trời Ulysses, tàu thăm dò Galileo, Cassini-Huygens, New Horizons, chứa 7,8 kg plutonium-238, tạo ra nhiệt năng 4400 W và điện năng 300 W
Tại Hoa Kỳ, một mẫu thử nghiệm của Kilopower RTG đầy hứa hẹn đang được thử nghiệm, sử dụng Uranium-235 làm nhiên liệu, các ống dẫn nhiệt natri được sử dụng để loại bỏ nhiệt và nhiệt được chuyển thành điện bằng động cơ Stirling. Trong nguyên mẫu lò phản ứng Kilopower có công suất 1 kilowatt, đạt hiệu suất đủ cao khoảng 30%. Mẫu cuối cùng của lò phản ứng hạt nhân Kilopower phải liên tục sản xuất 10 kilowatt điện trong 10 năm.
Sơ đồ thiết kế lò phản ứng Kilopower
Nguyên mẫu lò phản ứng hạt nhân Kilopower 1 kW
Mạch cung cấp năng lượng LO với một hoặc hai lò phản ứng Kilopower và bộ lưu trữ năng lượng đệm đã có thể hoạt động, cung cấp hoạt động định kỳ của tia laser 1 MW ở chế độ chiến đấu trong khoảng năm phút, vài ngày một lần, thông qua pin đệm.
Ở Nga, một nhà máy điện hạt nhân với công suất điện khoảng 1 MW đang được tạo ra cho mô-đun năng lượng và vận tải (TEM), cũng như các nhà máy điện hạt nhân nhiệt điện dựa trên dự án Hercules với công suất điện từ 5-10 MW. Các nhà máy điện hạt nhân loại này có thể cung cấp năng lượng cho vũ khí laser mà không cần trung gian dưới dạng pin đệm, nhưng việc tạo ra chúng phải đối mặt với những vấn đề lớn, về nguyên tắc không có gì đáng ngạc nhiên, do tính mới của các giải pháp kỹ thuật, các đặc điểm cụ thể của môi trường hoạt động và không thể thực hiện các thử nghiệm chuyên sâu. Các nhà máy điện hạt nhân không gian là một chủ đề của một loại vật liệu riêng biệt, mà chúng tôi chắc chắn sẽ quay trở lại.
Khái niệm về mô-đun giao thông và năng lượng với nhà máy điện hạt nhân. Nhu cầu làm mát nhà máy điện hạt nhân và bảo vệ phi hành đoàn / thiết bị khỏi bức xạ phóng xạ quy định các yêu cầu riêng về kích thước của cấu trúc
Như trong trường hợp cung cấp khả năng làm mát cho vũ khí laser mạnh, việc sử dụng các nhà máy điện hạt nhân thuộc loại này hay loại khác cũng đặt ra yêu cầu làm mát tăng lên. Bộ phát điện trong tủ lạnh là một trong những phần tử quan trọng nhất của nhà máy điện về khối lượng và kích thước; tỷ trọng khối lượng của chúng, tùy thuộc vào loại và công suất của nhà máy điện hạt nhân, có thể dao động từ 30% đến 70%.
Các yêu cầu làm mát có thể được giảm bớt bằng cách giảm tần suất và thời gian hoạt động của vũ khí laser, đồng thời sử dụng các nhà máy điện hạt nhân loại RTG công suất tương đối thấp để nạp lại bộ đệm năng lượng.
Đặc biệt lưu ý là vị trí đặt các tia laser được bơm hạt nhân trên quỹ đạo, không cần nguồn điện bên ngoài, vì tia laser được bơm trực tiếp bởi các sản phẩm của phản ứng hạt nhân. Mặt khác, laser bơm hạt nhân cũng sẽ yêu cầu hệ thống làm mát lớn, mặt khác, việc chuyển đổi trực tiếp năng lượng hạt nhân thành bức xạ laser có thể đơn giản hơn so với việc chuyển đổi trung gian nhiệt lượng do lò phản ứng hạt nhân giải phóng thành năng lượng điện, điều này sẽ kéo theo sự giảm kích thước và trọng lượng tương ứng của sản phẩm.
Do đó, việc không có bầu khí quyển ngăn cản sự lan truyền bức xạ laser trên Trái đất làm phức tạp đáng kể việc thiết kế vũ khí laser không gian, chủ yếu là về hệ thống làm mát. Không ít vấn đề hơn là việc cung cấp vũ khí laser không gian bằng điện.
Có thể giả định rằng ở giai đoạn đầu, khoảng những năm ba mươi của thế kỷ XNUMX, vũ khí laser sẽ xuất hiện trong không gian có thể hoạt động trong một thời gian giới hạn - theo thứ tự vài phút, với nhu cầu sạc lại các thiết bị lưu trữ năng lượng sau đó trong một khoảng thời gian đủ dài, kéo dài vài ngày.
Vì vậy, trong ngắn hạn, không cần phải nói về bất kỳ việc sử dụng lớn vũ khí laser nào “chống lại hàng trăm tên lửa đạn đạo”. Vũ khí laser với khả năng tăng cường sẽ xuất hiện không sớm hơn việc chế tạo và thử nghiệm các nhà máy điện hạt nhân cấp megawatt. Và chi phí của các tàu vũ trụ thuộc lớp này rất khó dự đoán. Ngoài ra, nếu chúng ta nói về các hoạt động tác chiến trong không gian, thì có những giải pháp kỹ thuật và chiến thuật có thể làm giảm phần lớn hiệu quả của vũ khí laser trong không gian.
Tuy nhiên, vũ khí laser, ngay cả khi bị giới hạn về thời gian hoạt động liên tục và tần suất sử dụng, vẫn có thể trở thành một công cụ thiết yếu cho chiến tranh trong và ngoài không gian.
tin tức