Російські війська випробували нову лазерну систему протиповітряної оборони «Посох» проти безпілотників у рамках зусиль Росії щодо розробки нових контрзаходів проти безпілотників, які не схильні до перешкод радіоелектронної боротьби.
Російське новинне видання Остагон 18 липня заявило, що російські війська випробували статичну модель системи протиповітряної оборони «Посох» проти безпілотників, і що система успішно вразила імітаційні безпілотники-приманки на відстані 500 метрів за 0,2 секунди.
Видання стверджувало, що російські розробники незабаром випробувають систему «Посох» на відстані 1,5 кілометра, використовуючи безпілотники, що імітують українські безпілотники «Лютий». Остагон повідомив, що російські війська переважно покладаються на системи радіоелектронної боротьби для протидії українським безпілотникам, і зазначив, що сучасні безпілотники стають дедалі менш вразливими до перешкод радіоелектронної боротьби, оскільки вони не покладаються на операторів безпілотників для оптики та навігації. Видання натякнуло, що російські розробники поспішають розробляти лазерні системи для придушення автономних дронів, зазначивши, що наявна російська лазерна система Задіра неефективна проти загрози великої кількості дронів на базі штучного інтелекту/машинного навчання, оскільки Росія розробила Задіру для знищення окремих БПЛА. Остагон зазначив, що Задіра може вразити рухому ціль на відстані п’яти кілометрів за п’ять секунд і є дуже мобільною завдяки автономному джерелу живлення, але не може використовуватися в дощову, сніжну або хмарну погоду.
Повідомляється, що Задіра вражає одну високоенергетичну ціль, що робить її неефективною проти великої групи дронів. Остагон стверджував, що лише російська лазерна система «Пересвіт» може ефективно боротися з групою дронів, але Росії не вистачає систем «Пересвіт» для захисту всієї критичної інфраструктури, оскільки ця система є дорогою та вимагає складного процесу встановлення. Системи «Пересвіт» також мають великі енергетичні потреби для створення потужного електромагнітного поля, яке може знищувати повітряні цілі на висоті від 200 до 1100 кілометрів та діаметром від 130 до 180 кілометрів.
Розглянемо з прикладу заданих характеристик, який вийде лазерна установка
Яка потрібна потужність лазера для знищення цілей з таких матеріалів: алюміній, сталь, фанера, пінопласт, пластик? Під знищенням розуміється пропалювання наскрізного отвору у зазначеному матеріалу із товщиною 2 міліметри, що рухається зі швидкістю 300 км/год, прожиг не більше 10 міліметрів довжини, що знаходиться на відстані 2 кілометри. Погода ясна, вологість повітря 60 відсотків.
Щоб визначити необхідну потужність лазера для пропалювання наскрізного отвору довжиною до 10 мм у вказаних матеріалах товщиною 2 мм, які рухаються зі швидкістю 300 км/год (83.33 м/с) на відстані 2 км за умов ясної погоди та вологості повітря 60%, потрібно врахувати кілька ключових факторів:
1. Фізичні властивості матеріалів:
Алюміній: Висока теплопровідність (~237 Вт/м·К) та відбивна здатність (~90% для інфрачервоного діапазону), що ускладнює поглинання лазерного променя. Температура плавлення ~660°C.
Сталь: Залежить від типу (наприклад, вуглецева або нержавіюча). Теплопровідність нижча (~15-50 Вт/м·К), температура плавлення ~1370-1500°C. Нержавіюча сталь менш відбивна, ніж алюміній.
Фанера: Композитний матеріал (дерево + клей), легко запалюється, низька теплопровідність (~0.12 Вт/м·К), температура займання ~250-300°C.
Пінопласт: Полістирол, низька щільність (~20-50 кг/м³), температура плавлення ~240°C, низька теплопровідність (~0.03-0.04 Вт/м·К).
Пластик: Залежить від типу (наприклад, акрил чи ПВХ). Акрил плавиться при ~160°C, ПВХ при ~100-260°C, теплопровідність низька (~0.1-0.2 Вт/м·К).
2. Вимоги до лазера:
Час взаємодії: Для створення отвору довжиною 10 мм при швидкості 83.33 м/с час взаємодії становить ~10 мм / 83.33 м/с = 0.12 мс. Це вимагає швидкого імпульсного лазера або системи точного наведення для безперервного лазера.
Розсіювання променя: На відстані 2 км діаметр променя розширюється через дифракцію. Для волоконного лазера (довжина хвилі ~1.06 мкм) з вихідним діаметром променя ~10 мм мінімальний діаметр плями на 2 км становить ~2-3 см через дифракційні обмеження. Для фокусування потрібна оптика з великою апертурою (20-30 см) та адаптивна корекція атмосферних спотворень.
Атмосферне поглинання: При вказаних погодних умовах поглинання для довжини хвилі 1.06 мкм становить ~0.1-0.2 дБ/км, тобто втрати ~4-8% на 2 км.
3. Розрахунок потужності:
Для пропалювання отвору лазер повинен доставити достатню енергію для нагрівання, плавлення та випаровування матеріалу. Енергія залежить від:
– Теплоємності, температури плавлення/випаровування та латентної теплоти матеріалу (температури, необхідної для переходу матеріалу з одного агрегатного стану в інше).
– Щільності потоку енергії (Вт/см²) у зоні впливу.
– Часу впливу (~0.12 мс).
Для оцінки використаємо спрощений підхід, враховуючи типові значення щільності потоку для лазерного різання:
Алюміній: Потрібна щільність потоку ~10⁶-10⁷ Вт/см² через високу теплопровідність і відбивну здатність. Для діаметра променя 0.2 мм (площа ~0.000314 см²) необхідна потужність ~3-10 кВт для безперервного лазера. Для імпульсного лазера пікова потужність може бути вищою (~50-100 кВт) за імпульс тривалістю ~0.1 мс.
Сталь: Щільність потоку ~10⁵-10⁶ Вт/см². Для вуглецевої сталі достатньо ~1-3 кВт безперервної потужності або ~10-30 кВт пікової для імпульсного режиму. Нержавіюча сталь може вимагати трохи більше через вищу температуру плавлення.
Фанера: Потужність ~40-50 Вт достатня для різання 3 мм за швидкості 10 м/с, але для швидкого пропалювання (0.12 мс) потрібна щільність потоку ~10⁵ Вт/см², що відповідає ~100-500 Вт безперервної потужності або ~5-10 кВт пікової в імпульсі.
Пінопласт: Низька температура плавлення та щільність дозволяють використовувати низьку щільність потоку (~10⁴ Вт/см²). Потужність ~50-100 Вт безперервного лазера або ~1-5 кВт пікової в імпульсі.
Пластик: Для акрилу чи ПВХ достатньо ~50-200 Вт безперервної потужності або ~2-10 кВт пікової в імпульсі через низьку температуру плавлення.
4. Вплив відстані та швидкості:
На 2 км потрібна система фокусування з адаптивною оптикою для підтримання щільності потоку. Безперервні лазери потужністю 1-10 кВт (залежно від матеріалу) потребують точного наведення, щоб утримувати промінь на цілі, що рухається зі швидкістю 83.33 м/с.
Імпульсні лазери (з піковою потужністю 10-100 кВт) ефективніші для короткочасного пропалювання, оскільки дозволяють сконцентрувати енергію в імпульсі тривалістю ~0.1 мс.
Таким чином:
Для пропалювання отвору діаметром ~0.2 мм і довжиною до 10 мм у матеріалах товщиною 2 мм на відстані 2 км за швидкості 300 км/год необхідна потужність лазера залежить від матеріалу:
Алюміній: ~3-10 кВт (безперервний) або ~50-100 кВт пікової (імпульсний).
Сталь: ~1-3 кВт (безперервний) або ~10-30 кВт пікової (імпульсний).
Фанера: ~100-500 Вт (безперервний) або ~5-10 кВт пікової (імпульсний).
Пінопласт: ~50-100 Вт (безперервний) або ~1-5 кВт пікової (імпульсний).
Пластик: ~50-200 Вт (безперервний) або ~2-10 кВт пікової (імпульсний).
Для всіх матеріалів оптимальним буде імпульсний волоконний лазер (довжина хвилі ~1.06 мкм) з піковою потужністю 10-100 кВт і тривалістю імпульсу ~0.1 мс, обладнаний системою адаптивної оптики для фокусування на 2 км і точного наведення. Для алюмінію бажано використовувати лазери з вищою піковою потужністю через його відбивні властивості.
Про автоматичне визначення місця розташування цілі (дрона) для наведення на її зброю написано в цій статті.
Лазерні гармати (оптику) зручніше піднімати в повітря дроном, а передачу енергії проводити оптоволоконним кабелем із землі. Систему визначення координат цілі також можна піднімати у повітря іншим дроном. Джерела енергії, що мають велику вагу, та системи управління, при цьому, знаходяться на землі – енергія та сигнали управління передаються по оптоволоконній лінії зв’язку.
Для передачі 10 кіловат лазерної енергії на відстань 100 метрів за допомогою волоконно-оптичного кабелю характеристики маси та розмірів вимагатимуть спеціально розробленої системи, оскільки стандартні оптичні волокна не розраховані на такі високі рівні потужності.
Розмір та матеріал осердя: Осередець (наприклад, 50-100 мікрон), виготовлен з високочистого кремнезему або легованих волокон, може витримувати 10 кВт за умови належного проектування, хоча він перевищує типові телекомунікаційні волокна (які витримують до 1 Вт).
Оболонка: Знадобиться покращена оболонка та міцна захисна оболонка, що, ймовірно, збільшить діаметр до 10-20 мм, залежно від теплового управління.
Система охолодження волоконно-оптичного кабелю кабелю: Пасивного охолодження може бути достатньо для 10 кВт, що зменшує потребу в громіздких активних системах охолодження, хоча деякі конструкції для розсіювання тепла все одно будуть необхідні.
Вага та довжина: Вага вказаного кабелю може коливатися від 200 до 500 кг/км, залежно від матеріалів та будь-якого інтегрованого охолодження або армування. Для 100 метрів це приблизно становить 20-50 кг.
Фактична конструкція залежатиме від конкретної довжини хвилі лазера, якості променя та коефіцієнтів безпеки.