Каковы ограничения лазерного оружия в космосе?

Это зависит от силы, которая стреляет в вас.

Обычные зеркала не отражают на 100%. Обычно они отражают чуть более 90% падающего света, а это означает, что около 10% этой мощности поглощается или передается.

Если вы нацелены на лазер мВт, 10% из них — пустяки, и вам не о чем беспокоиться.

Если вас атакуют петаваттным лазером (от 10 до 12 Вт), вы получаете что-то вроде гигаватт мощности, и вам лучше об этом беспокоиться.

Вы можете улучшить отражательную способность зеркал до 99,999...%, используя метаматериалы, такие как DBR , но они имеют сильную направленность. Это означает, что в каком-то точном направлении вы отражаете обратно 99,999...% света, но если вы отклоняетесь от этого направления, вы можете быть совершенно голыми против лазера.

И не забывайте, что нужно снимать и отраженный луч. Вы ведь не хотите, чтобы вас ударило отражение, не так ли?

В вашу пользу у вас есть расстояние, с которого стреляет лазер: несмотря на высокую коллимацию, лазерные лучи не идеально коллимированы. У них все еще есть некоторая миллирадианная расходимость, которая гарантирует, что на космических расстояниях мощность распространяется по большой поверхности. Для справки, в эксперименте по определению дальности Луны, когда лазером стреляют по зеркалам, оставленным на поверхности Луны миссиями Аполлон (расстояние 400 тыс. км, чуть больше 1 световой секунды), лазер достигает поверхности Луны. распространяется на диск шириной в несколько километров, и его мощность на единицу поверхности пропорционально уменьшается.

Я предполагал, что лазер будет эффективным оружием на достаточно коротких дистанциях, чтобы импульс мог испарить обшивку корпуса.

«Короткая дальность» - сложная вещь для количественной оценки. Это очень сильно зависит от ваших собственных предположений и требований к техническому уровню, и, поскольку вы не сообщили нам о них, я не могу строить предположения. Чем короче длина волны, тем причудливее ваша оптика, тем больше радиус действия ваших лазеров. Вы более или менее можете манипулировать этим в соответствии со своими целями и выбирать что-то между сотнями километров и световыми секундами.

Лазер с бомбовой накачкой, например, может иметь дальность действия от 100 км (что больше похоже на практическую дальность действия гаубицы «Касаба») или до 10000 км, в зависимости от качества и эффективности ваших лазерных стержней и эффективности ваших система прицеливания.

Кроме того, я предполагал, что лазер будет довольно неэффективным, поскольку он сможет только нагреть цель.

Мягкое согревание рентгеновскими лучами может не совсем то же самое, что мягкое согревание греющей лампой. Просто говорю' ;-)

Я помню, что где-то слышал, что около 20% энергии, вложенной в лазер, теряется в виде отработанного тепла.

Лазер с эффективностью 80% не является чем-то неправдоподобным, но вполне может считаться чрезвычайно эффективным . Есть некоторые конструкции диодных лазеров, которые достигают такого уровня эффективности, но многие другие типы лазеров, особенно конструкции с очень короткой длиной волны или с очень короткими импульсами, будут иметь более низкую эффективность. (Лазеры с накачкой бомбами, о которых я упоминал выше, могут быть эффективны только на 2%, но когда вы накачиваете их мегатонной бомбой и используете тысячу таких, неэффективность не такая уж большая проблема...)

Могу ли я использовать отражающие корпуса для защиты от лазеров на большом расстоянии?

Будет некоторый диапазон, где входящий луч будет достаточно интенсивным, чтобы расплавить вашу броню, но если вы сначала немного усилите его, все будет в порядке. Конечно, это зависит от отражаемости луча... в дальнем ультрафиолетовом и более коротком диапазоне длин волн (например, рентгеновский лазер с бомбовой накачкой) это становится немного сложно сделать, потому что ваши электроны начнут падать. , но для видимого света вам может сойти с рук это.

Лазеры по определению работают на одной длине волны.

Как правило, да. Можно настроить длину волны лазера на свободных электронах на небольшую величину, ограниченную доступной оптикой. Например, ЛСЭ видимого света может быть вполне регулируемым. Также можно использовать более одного лазера или лазер, частота которого может быть удвоена (так же, как современные коммерческие Nd:YAG - лазеры ближнего ИК-диапазона могут использовать кристалл KDP для получения видимого зеленого света с некоторой эффективностью). расходы). Выход титан-сапфировых лазеров можно в некоторой степени настраивать в диапазоне от 650 до 1100 нм.

поэтому, пока материал отражает эту конкретную длину волны, я предполагаю, что они будут.

Вы можете сделать высокоэффективные диэлектрические зеркала , но они, как правило, эффективны в очень специфическом диапазоне длин волн. Они дороги (намного дороже, чем немая броня) и хрупки (истирание, вызванное микрометеоритным повреждением, сделает их бесполезными) и будут практически неэффективны против любого лазерного излучения с неподходящей длиной волны.

Более того, на эффективной дистанции поражения вы начнете получать очень высокую интенсивность лазера и интересные нелинейные оптические эффекты, а это означает, что отражения 99,99% падающего света недостаточно, и поверхность вашего зеркала взорвется за наносекунду и быть бесполезным.

Да, и умаслить вас несколькими лазерами с бомбовой накачкой на дальнем расстоянии может быть достаточно, чтобы сделать вашу броню неэффективной против более обычного лазерного огня.

По этим причинам они, вероятно, не лучший выбор для брони военного корабля.

Другими словами, поможет ли оклеивание моего корабля алюминиевой фольгой?

Это поможет, поскольку если поставить что-то между вами и их лазером, вы продержитесь чуть дольше, когда дела пойдут наперекосяк. В основном то, что вам нужно, это что-то очень огнеупорное , потому что вы хотите, чтобы ваша броня по-прежнему была полезна на более близких дистанциях, когда вы просто не можете отразить достаточно тепла, чтобы быть в безопасности, и вам нужно что-то, что поглотит как можно больше энергии, прежде чем испарится. .

Некоторая форма углерода, вероятно, лучше. Бор также подойдет, но встречается гораздо реже, и вы можете найти для него другое, более эффективное применение. Плетение из углеродных нанотрубок, вероятно, лучше всего здесь использовать, так как оно будет сопротивляться взрывным воздействиям. В любом случае, эти материалы будут полезны и против других видов энергетического оружия. Возможно, какие-то более твердые включения (возможно, какая-то форма гипералмаза) могли бы помочь против оружия с кинетической энергией, поскольку помогает все что угодно.

Отражающие поверхности всегда помогут отклонить часть энергии, однако ни один материал не способен отражать на 100%, и часть этой энергии всегда будет поглощаться. Таким образом, даже если у вас есть отражающая поверхность на 99,99999%, вы все равно поглощаете крошечную часть энергии, что является основным моментом.

Лазер мощный, потому что он может сфокусировать приличное количество энергии на очень маленьком участке. Ради аргументов, скажем, у меня есть 1 ватт (не уверен, что это правильная единица), распределенный по 1 м ^ 2. Если я смогу сфокусировать это на 0,5 м ^ 2, то внезапно у меня будет мощность, эквивалентная 4 ваттам, приложенная к этой поверхности. Когда я фокусирую лазер на маленьком пятне, я экспоненциально увеличиваю мощность, которую применяю к одному пятну. Цель состоит в том, чтобы вывести из строя одно место в вашей защите или сжечь отражающую поверхность, что затем приведет к катастрофическому отказу в вашей системе защиты. Таким образом, вы можете покрыть весь свой корабль фольгой, но если моему лазеру нужно будет прожечь в этой фольге дыру меньше булавки, чтобы скомпрометировать вашу систему.

Оклейка космического корабля алюминием толщиной 2-5 мм (сталь будет намного лучше) и активным охлаждением спасут вас от любого разумного лазера, если вы будете держаться на расстоянии.

80% рассеиваемой энергии только для лабораторных лазеров. У мощных "боевых лазеров" на луч уходит всего 0,1% - 5% энергии. А сам луч сильно теряет плотность энергии с увеличением дальности из-за дифракции. Это означает, что современные лазеры в космосе имеют больше шансов расплавить себя, чем противник, даже если противник не использует зеркала.

Я бы сказал, что зеркала переоценены как противолазерная защита. Лучшей защитой будет черный материал с высокой температурой плавления (типа титано-вольфрамовых сплавов или керамики): тепловыделение за счет излучения в «холодном» космосе вообще не позволит расплавить такой материал лазером (здесь требуется строгая наука, чтобы сделать некоторые твердые заявления). А активное охлаждение и творческое использование вакуума будут поддерживать нормальную внутреннюю температуру. Вы даже можете использовать энергию лазерного луча!

То, что убивает лазеры на расстоянии, — это рассеяние луча.

Лазер распространяется намного меньше, чем, скажем, фонарик, но распространяется. Это приводит к снижению плотности энергии. Это плотность энергии, которая прожигает корабль. Если плотности энергии недостаточно для повреждения корпуса, он просто нагревает цель, и, как вы указали, вы проигрываете тепловую войну.

Таким образом, вещи, которые уменьшают плотность энергии или увеличивают тепло, необходимое для повреждения, хороши.

Таким образом, вращение корабля (или просто много движений) увеличит размер «пятна», в которое попадает лазер. Корпус кривых также увеличит размер патча. Нефункциональные, отражающие, выступы могут выдержать удар. Некоторая энергия будет передана по шахте проекции на корабль, но большая часть энергии рассеется обратно в космос. Я представляю корабль, покрытый пузырями или зонтиками. :-)

Также хорошо подойдут вещества с высокой температурой плавления и высокой теплопроводностью. Я думаю о чем-то вроде алмазного покрытия, но оно не разобьется при попадании высокоскоростного снаряда (хотя выглядело бы очень красиво, поскольку цель окружена блестками).

Путешественник (старая РПГ) использовал «песчаные пушки» для защиты от лазеров. Они бросали облако блестящих частиц между собой и нападавшим. Пока они не маневрировали слишком много и сохраняли облако между собой и нападавшим, оно ослабляло лазерные удары.

Какой лазер?

Существует много видов лазеров с длинами волн от радио «мазеров» до ультрафиолетовых «эксимерных» лазеров, которые потенциально становятся более доступными с техническим прогрессом. И нет известного материала, полностью отражающего все эти длины волн. Например, алюминий имеет пониженную отражательную способность в инфракрасном диапазоне 700–900 нм .

На радиочастотном конце спектра: если вражеский корабль или элементы его конструкции изготовлены из электропроводящего материала, размер которого аналогичен используемой длине волны мазера, они неизбежно будут действовать как антенны, вырабатывающие электричество, что приведет к электромагнитным помехам, нагреву и искрению.

Так что, если у вас есть многоволновая решетка для всех мыслимых типов вражеской защиты или широко настраиваемый лазер, это было бы очень эффективно.

Я думаю, что если вы построите стену корабля из ретрорефлекторов со слоем материала с высокой температурой плавления под ним, то у вас будет идеальная защита от атакующих лазеров. Любой лазер, направленный на ваш корпус, будет в значительной степени направлен обратно на атакующий корабль. А нижний слой гарантирует, что тепло от того, что поглощается, не нанесет структурных повреждений вашему кораблю.

С другой стороны, корпус световозвращателя является недостатком, если лазер используется не для атаки, а для обнаружения и определения дальности (Лидар). Потому что вы сделаете свой корабль отлично видимым для любой такой технологии. В этом случае идеально черный корпус имел бы больше смысла.

Возможно, идеальной защитой был бы внешний черный слой, который поглощает любые лидарные лазеры, но будет быстро сожжен атакующими лазерами, а затем слой световозвращателя для автоматической пассивной контратаки, а затем в качестве третьего слоя высокотермостойкий материал. для защиты корабля.

Внешний слой затруднит вас обнаружение (но будет быстро сожжен, когда вас найдут и атакуют), второй слой сделает вас опасным для нападения (любой атакующий вас эффективно атакует сам), а третий слой защитит ваш корабль.

Также обратите внимание, что лазер с одной длиной волны не поможет вам, поскольку злоумышленник может свободно выбирать, какую длину волны использовать. Если вы можете сделать свой корабль совершенно безопасным от лазеров с длиной волны 400 нм, это не поможет вам, если атакующий решит вместо этого атаковать лазером с длиной волны 600 нм.

Вместо отражающего слоя алюминия технически можно использовать принцип градиентного оптического волокна и использовать несколько пленок из прозрачных материалов, чтобы направлять лазер вдоль поверхности корпуса и перенаправлять его. Градиент должен быть таким, чтобы под каким бы углом ни падал лазер, он работал.

Простейшей защитой от лазера была бы искусственная гравитация, вызванная вращением. Вы перемещаете пораженную часть корпуса под луч достаточно быстро, чтобы предотвратить долговременное повреждение или, по крайней мере, не дать импульсным лазерам сверлить слишком глубоко. Думайте об углеродной пене как о внешнем слое. Либо он избегает луча, светящегося и излучающего энергию, но в остальном все в порядке. Или пористая структура помогает удерживать луч внутри слоя брони.

Конечно, вы не должны чувствовать себя слишком уверенно, когда ваша защита успешно защищает вас от удивительно маломощного и плохо сфокусированного лазера. Это был бы явный признак лазерного пучка холодных частиц , который вскоре превратил ваш корабль в штопор.