É amplamente aceito que o melhor ambiente para o uso de armas a laser (LW) é o espaço sideral. Por um lado, isso é lógico: no espaço, a radiação laser pode se propagar praticamente sem interferências causadas pela atmosfera, condições climáticas, obstáculos naturais e artificiais. Por outro lado, existem fatores que complicam significativamente o uso de armas a laser no espaço.
Características da operação de lasers no espaço
O primeiro obstáculo para o uso de lasers de alta potência no espaço sideral é sua eficiência, que é de até 50% para os melhores produtos, os 50% restantes vão para o aquecimento do laser e seus equipamentos circundantes.
Mesmo nas condições da atmosfera do planeta - na terra, na água, debaixo d'água e no ar, existem problemas com o resfriamento de lasers poderosos. No entanto, as possibilidades de resfriamento de equipamentos no planeta são muito maiores do que no espaço, já que no vácuo a transferência do excesso de calor sem perda de massa só é possível com o auxílio da radiação eletromagnética.
O resfriamento aquático e subaquático do LO é mais fácil de organizar - pode ser realizado com água do mar. No solo, você pode usar radiadores enormes com dissipação de calor para a atmosfera. A aviação pode usar o fluxo de ar que se aproxima para resfriar a aeronave.
No espaço, para a remoção de calor, os radiadores-resfriadores são usados na forma de tubos nervurados conectados a painéis cilíndricos ou cônicos com um refrigerante circulando neles. Com o aumento da potência das armas a laser, o tamanho e a massa dos radiadores-refrigeradores, necessários ao seu resfriamento, aumentam, além disso, a massa e principalmente as dimensões dos radiadores-refrigeradores podem ultrapassar significativamente a massa e as dimensões dos a própria arma laser.
No laser de combate orbital soviético "Skif", que foi planejado para ser lançado em órbita pelo foguete superpesado "Energia", um laser dinâmico de gás seria usado, cujo resfriamento provavelmente seria realizado por a ejeção de um fluido de trabalho. Além disso, o fornecimento limitado de fluido de trabalho a bordo dificilmente poderia fornecer a possibilidade de operação a longo prazo do laser.
Fontes de energia
O segundo obstáculo é a necessidade de fornecer armas a laser com uma fonte poderosa de energia. Uma turbina a gás ou um motor a diesel no espaço não podem ser implantados; eles precisam de muito combustível e ainda mais oxidante, os lasers químicos com suas reservas limitadas de um fluido de trabalho não são a melhor escolha para serem colocados no espaço. Restam duas opções - fornecer energia a um laser de estado sólido / fibra / líquido, para o qual podem ser usadas baterias solares com acumuladores de buffer ou usinas nucleares (NPPs), ou lasers com bombeamento direto por fragmentos de fissão nuclear (lasers com bomba nuclear) pode ser usado.
Circuito reator-laser
Como parte do trabalho realizado nos Estados Unidos sob o programa Boing YAL-1, um laser de 14 megawatts deveria ser usado para destruir mísseis balísticos intercontinentais (ICBMs) a uma distância de 600 quilômetros. Na verdade, uma potência de cerca de 1 megawatt foi alcançada, enquanto alvos de treinamento foram atingidos a uma distância de cerca de 250 quilômetros. Assim, uma potência da ordem de 1 megawatt pode ser usada como base para armas a laser espaciais, capazes, por exemplo, de operar a partir de uma órbita de baixa referência contra alvos na superfície da Terra ou contra alvos relativamente distantes no espaço sideral (estamos não considerando uma aeronave projetada para iluminação »Sensores).
Com uma eficiência do laser de 50%, para se obter 1 MW de radiação laser, é necessário fornecer 2 MW de energia elétrica ao laser (na verdade, mais, pois ainda é necessário garantir o funcionamento dos equipamentos auxiliares e do resfriamento sistema). É possível obter essa energia usando painéis solares? Por exemplo, os painéis solares instalados na Estação Espacial Internacional (ISS) geram entre 84 e 120 kW de eletricidade. As dimensões dos painéis solares necessárias para obter a potência indicada podem ser facilmente estimadas a partir das imagens fotográficas da ISS. Um projeto capaz de alimentar um laser de 1 MW seria enorme e exigiria uma portabilidade mínima.
Você pode considerar um conjunto de bateria como uma fonte de energia para um poderoso laser em transportadoras móveis (em qualquer caso, será necessário como um buffer para baterias solares). A densidade de energia das baterias de lítio pode chegar a 300 W * h / kg, ou seja, para fornecer um laser de 1 MW com eficiência de 50%, são necessárias baterias com cerca de 7 toneladas para 1 hora de operação contínua com eletricidade. Não parece muito? Mas levando em consideração a necessidade de estabelecer estruturas de suporte, que acompanhem a eletrônica, dispositivos para manter o regime de temperatura das baterias, a massa da bateria tampão será de aproximadamente 14-15 toneladas. Além disso, haverá problemas com o funcionamento das baterias em condições de temperaturas extremas e vácuo espacial - uma parte significativa da energia será "consumida" para garantir a vida útil das próprias baterias. Pior de tudo, a falha de uma célula da bateria pode levar à falha, ou mesmo à explosão, de toda a bateria de baterias, junto com o laser e a espaçonave transportadora.
O uso de dispositivos de armazenamento de energia mais confiáveis, convenientes do ponto de vista de sua operação no espaço, muito provavelmente levará a um aumento ainda maior na massa e nas dimensões da estrutura devido à sua menor densidade de energia em termos de W * h / kg.
No entanto, se não impormos requisitos às armas a laser para muitas horas de trabalho, mas usarmos o LR para resolver problemas especiais que surgem uma vez a cada vários dias e exigem um tempo de operação do laser de não mais de cinco minutos, então isso implicará um correspondente simplificação da bateria. … As baterias podem ser recarregadas a partir de painéis solares, cujo tamanho será um dos fatores que limitam a frequência de uso de armas a laser
Uma solução mais radical é usar uma usina nuclear. Atualmente, as espaçonaves usam geradores termoelétricos com radioisótopos (RTGs). Sua vantagem é a relativa simplicidade do projeto, a desvantagem é a baixa potência elétrica, que é, na melhor das hipóteses, várias centenas de watts.
Nos EUA, um protótipo do promissor Kilopower RTG está sendo testado, no qual Urânio-235 é usado como combustível, tubos de calor de sódio são usados para remover calor e o calor é convertido em eletricidade usando um motor Stirling. No protótipo do reator Kilopower com capacidade de 1 kilowatt, uma eficiência bastante alta de cerca de 30% foi alcançada. A amostra final do reator nuclear Kilopower deve produzir continuamente 10 kilowatts de eletricidade por 10 anos.
O circuito de alimentação do LR com um ou dois reatores Kilopower e um dispositivo de armazenamento de energia buffer já pode estar operacional, proporcionando a operação periódica de um laser de 1 MW em modo de combate por cerca de cinco minutos, a cada vários dias, através de uma bateria buffer
Na Rússia, uma usina nuclear com uma potência elétrica de cerca de 1 MW está sendo criada para um módulo de transporte e energia (TEM), bem como usinas nucleares de emissão térmica baseadas no projeto Hercules com uma potência elétrica de 5-10 MW. As centrais nucleares deste tipo podem fornecer energia a armas laser já sem intermediários na forma de baterias tampão, no entanto, a sua criação se depara com grandes problemas, o que não é surpreendente a princípio, dada a novidade das soluções técnicas, as especificidades do ambiente operacional e a impossibilidade de realização de testes intensivos. As usinas nucleares espaciais são um tópico para um material separado, ao qual voltaremos definitivamente.
Como no caso do resfriamento de uma arma laser poderosa, o uso de uma usina nuclear de um tipo ou outro também apresenta requisitos de resfriamento maiores. Os refrigeradores-radiadores são um dos mais significativos em termos de massa e dimensões, elementos de uma usina, a proporção de sua massa, dependendo do tipo e da potência da usina nuclear, pode variar de 30% a 70%.
Os requisitos de resfriamento podem ser reduzidos reduzindo a frequência e a duração da arma a laser e usando NPPs do tipo RTG de potência relativamente baixa, recarregando o armazenamento de energia do buffer
Digno de nota é a colocação em órbita de lasers com bomba nuclear, que não requerem fontes externas de eletricidade, uma vez que o laser é bombeado diretamente pelos produtos de uma reação nuclear. Por um lado, lasers com bomba nuclear também exigirão sistemas de resfriamento massivos, por outro lado, o esquema para conversão direta de energia nuclear em radiação laser pode ser mais simples do que com uma conversão intermediária de calor liberado por um reator nuclear em energia elétrica, o que implicará uma redução correspondente em tamanho e peso.
Assim, a ausência de uma atmosfera que impeça a propagação da radiação laser na Terra complica significativamente o projeto de armas laser espaciais, principalmente em termos de sistemas de resfriamento. Fornecer eletricidade a armas laser espaciais não é muito menos problemático.
Pode-se supor que na primeira fase, aproximadamente na década de trinta do século XXI, surgirá no espaço uma arma a laser, capaz de funcionar por um tempo limitado - da ordem de vários minutos, com a necessidade de posterior recarga de energia unidades de armazenamento por um período suficientemente longo de vários dias
Assim, a curto prazo, não há necessidade de falar em qualquer uso massivo de armas laser "contra centenas de mísseis balísticos". Armas a laser com capacidades avançadas não aparecerão antes de as usinas nucleares da classe megawatt serão criadas e testadas. E o custo de uma espaçonave desta classe é difícil de prever. Além disso, se falamos de operações militares no espaço, existem soluções técnicas e táticas que podem reduzir em grande parte a eficiência das armas a laser no espaço.
Não obstante, as armas a laser, mesmo aquelas limitadas em termos de tempo de operação contínua e frequência de uso, podem se tornar uma ferramenta essencial para a guerra no e do espaço.
