Затухание лазера в космосе?

Уравнение для мощности, излучаемой лазерным лучом на расстоянии в окружности радиусом$r$На расстоянии$z$где диаметр луча$w(z)$является

$$P(r,z)=\frac{1}{2}\pi I_0w_0^2\left(1-e^{-2r^2/w^2(z)}\right)$$ куда $I_0$начальная интенсивность и $w_0$— начальный диаметр луча (см. эти примечания к курсу ). Если считать, что весь диаметр луча попадает в цель, то можно положить $r=w(z)$и получить $$P=\frac{1}{2}\pi I_0w_0^2\left(1-e^{-2}\right)$$ Мы могли бы написать $I_0$как функция амплитуды электрического поля $E$и волновое сопротивление $\eta$(см. эту презентацию ), но может быть лучше просто работать с цифрами. Во всяком случае, это уравнение предполагает, что весь луч попадает в цель, что не всегда так. Если бы мы использовали самый мощный в мире лазер , мы могли бы получить около 1,3 $\times$10 ¹⁵ ватт мощности - за полтриллионных доли секунды.

Давайте подумаем о расходимости луча и длине Рэлея . Это значение$z$для которого$w(z)=2w_0$. Это дано

$$z_R=\frac{\pi w_0^2}{\lambda}$$ Лазер NIF работает на длине волны 351 нм ( Haynam et al. (2007) ), при этом все 192 луча фокусируются через отверстие диаметром менее 1 мм. Если предположить, что ширина луча наших лазеров примерно равна такой, то мы имеем $z_R$~22 метра. Это не хорошо.

Однако это потому, что лучи должны быть такими маленькими. Боинг YAL-1 мог быть эффективен на расстоянии до 300 километров (см . краткий отчет ). Так что, если мы увеличим мощность, то теоретически мы могли бы получить результаты, более похожие на те, что мы видели в NIF — действительно взрывоопасные. Пара сотен километров должна быть достижимой.

Защита от лазера - это совсем другая проблема. При таких энергиях мало что может остановить эти лазеры. Большинство вещей загорится или взорвется (или и то, и другое). Черт возьми, вот почему НИФ их использует!

Один из вариантов — использовать щит из «мусора» — в основном, из лазерного пушечного мяса. Его постепенно съедают лазерные атаки.

Проблемы:

1. Он не позволяет кораблю что-либо делать (видеть противника, запускать ракеты и т. д.).
2. Это временно, его нужно заменить, и он может не прослужить долго.

Вторым решением может быть использование защитного газа . Это обычно используется в промышленной сварке для поглощения тепла от сварочных лазеров. Я совершенно не знаю, может ли это сработать. Вам, вероятно, потребуется создать магнитное поле, чтобы сдержать его (если возможно), и оно затенит видимый свет. Но это может быть лучше, чем ничего.

Ответ Хде можно расширить только на сайте атомных ракет ( http://www.projectrho.com/public_html/rocket/spacegunconvent.php ), на котором есть ссылки на многие другие сайты, расчетные таблицы и рабочие примеры, поэтому я расскажу об обороне.

Короткий ответ: большинство идей защиты от лазерного оружия — ерунда. Зеркальный корпус может отражать 99% падающего луча, но энергетический импульс будет настолько коротким и резким, что оставшийся 1% повредит зеркало и позволит последующим выстрелам прожечь корпус. Абляционные материалы будут быстро сгорать, и даже вращение космического корабля приведет к тому, что корабль покроется сумасшедшим лоскутным одеялом из линий горения, прежде чем что-то выйдет из строя (а вращающийся космический корабль уже будет испытывать большую нагрузку).

Если у вас есть что-то, что может остановить конкретный лазер, враг будет работать над более мощным лазерным оружием (большее зеркало, более короткие длины волн, тот же выходной сигнал, упакованный в более короткие лучи и т. д.), а лучшим оружием будет RBoD (Ravening Beam). смерти); лазер на свободных электронах с ускорителем километрового диаметра, способный доставить пучок рентгеновских лучей с точностью до одной световой секунды (почти расстояние от Земли до Луны). Полное описание находится в конце раздела о лазерах в Atomic Rockets (выше).

Итак, если он может испарить вас за световую секунду и нанести значительный ущерб за световую минуту, как вы отреагируете?

Для защиты вам придется нести огромное количество материала, чтобы поглотить поступающую энергию. Огромный ледяной щит поглотит большую часть поступающей энергии, а тепло будет рассеиваться в массе льда. Преимущество этого заключается в том, что высокая энергия луча, вероятно, испарит и ионизирует воду, создав плазму, которая будет поглощать еще больше энергии и перемещаться «вверх по лучу», блокируя удар лазера (хотя, если RBoD является легким во-вторых, это не принесет вам много пользы в долгосрочной перспективе). Недостатком этого является то, что перемещение вашего корабля становится чрезвычайно энергозатратным, а тем более совершать боевые маневры, поэтому RBod может постепенно разрезать ваш корабль на части. Корабль можно относительно дешево и легко построить из водяного льда (см. http://neofuel.com/iceship/index.html ).), так что вы можете попытаться перегрузить RBoD огромным количеством цифр.

Это приводит к другому подходу, который представляет собой активную защиту или тушение огня огнем. На сайте Rocketpunk Manifesto Рика Робинсона ( http://www.rocketpunk-manifesto.com ) часто говорилось о «конкурсах по жарке глазных яблок», когда лазеры пытаются прострелить оптические пути вражеских лазеров и уничтожить оптическую цепь. Это делает большое количество предположений, которые можно подвергнуть сомнению, но в принципе это разумная идея. Противодействие этому включает использование внешних лазеров с накачкой от бомб в качестве боеголовок на дронах и ракетах или случайное направление оптической цепочки на разные боевые зеркала между выстрелами.

Другой подход состоит в том, чтобы попытаться сокрушить RBoD тысячами приближающихся боеголовок с кинетической энергией. Они получили прозвище «Банки с газировкой смерти» (SCoD), что указывает на то, что они размером примерно с банку безалкогольного напитка, доставляемую в огромных количествах. Поскольку даже небольшие объекты, движущиеся с орбитальной и межпланетной скоростью, обладают огромной кинетической энергией, удар даже одного из них может нанести значительный ущерб, поэтому система управления огнем должна программировать RBoD на попытку очистить небо от приближающихся SCoD, а не стрелять на тебя. В какой-то момент появляется больше целей, чем RBoD может обработать (время цикла, перегрев, изменение положения зеркала и т. д.), поэтому он падает под градом ударов KE. (Жаль, что они также стреляли в вас автобусами, полными SCoD в то же самое время....).

Космическая война будет очень грязной и будет включать в себя заполнение неба тысячами датчиков, оружия и взаимоподдерживающих систем (вы же не думаете, что существует только один RBoD, не так ли?). Я подозреваю, что большие расходы на все это сделают любую реальную космическую войну более теоретической, подобно тому, как дредноуты Первой мировой войны провели большую часть войны на хорошо защищенных базах, сердито глядя друг на друга через Северное море, потому что риск проиграть битву был настолько велик. по сравнению с потенциальным выигрышем.