Eerder keken we hoe lasertechnologieën zich ontwikkelen, welke laserwapens kunnen worden gemaakt voor gebruik in het belang van de luchtmacht, grondtroepen en luchtverdediging en de marine.
Nu moeten we begrijpen of het mogelijk is om ons ertegen te verdedigen, en hoe. Er wordt vaak gezegd dat het voldoende is om de raket te bedekken met een spiegelcoating of het projectiel te polijsten, maar helaas is alles niet zo eenvoudig.
Een typische spiegel met aluminiumcoating reflecteert ongeveer 95% van de invallende straling en de efficiëntie ervan is sterk afhankelijk van de golflengte.
Van alle materialen die in de grafiek worden getoond, heeft aluminium de hoogste reflectie, wat geenszins een vuurvast materiaal is. Als de spiegel bij blootstelling aan laagvermogenstraling enigszins opwarmt, zal het materiaal van de spiegelcoating bij krachtige straling snel onbruikbaar worden, wat zal leiden tot een verslechtering van de reflecterende eigenschappen en verdere lawine-achtige verwarming en verwoesting.
Bij een golflengte van minder dan 200 nm daalt het rendement van de spiegels sterk; tegen ultraviolette of röntgenstraling (vrije elektronenlaser) werkt een dergelijke bescherming helemaal niet.
Er zijn experimentele kunstmatige materialen met 100% reflectiviteit, maar die werken alleen voor een bepaalde golflengte. Spiegels kunnen ook worden bedekt met speciale meerlaagse coatings die hun reflectiviteit verhogen tot 99,999%. Maar deze methode werkt ook voor slechts één golflengte en valt onder een bepaalde hoek.
Vergeet niet dat de bedrijfsomstandigheden van wapens verre van laboratoriumomstandigheden zijn, d.w.z. de spiegelraket of projectiel moet worden opgeslagen in een container gevuld met een inert gas. De geringste waas of vegen, zoals van handafdrukken, zal de reflectiviteit van de spiegel onmiddellijk aantasten.
Als u de container verlaat, wordt het spiegeloppervlak onmiddellijk blootgesteld aan de omgeving - atmosfeer en warmte. Als het spiegeloppervlak niet is bedekt met een beschermende film, zal dit onmiddellijk leiden tot een verslechtering van de reflecterende eigenschappen en als het is gecoat met een beschermende coating, zal het zelf de reflecterende eigenschappen van het oppervlak verslechteren.
Samenvattend stellen we vast dat spiegelbescherming niet erg geschikt is voor bescherming tegen laserwapens. En wat past dan?
Tot op zekere hoogte zal de methode van het "smeren" van de thermische energie van de laserstraal over het lichaam door middel van een roterende beweging van het vliegtuig (AC) rond zijn eigen lengteas helpen. Maar deze methode is alleen geschikt voor munitie en in beperkte mate voor onbemande luchtvaartuigen (UAV's), in mindere mate zal het effectief zijn bij laserstraling in de voorkant van de romp.
Op sommige soorten beschermde objecten, bijvoorbeeld op glijdende bommen, kruisraketten (CR) of anti-tank geleide raketten (ATGM) die een doelwit aanvallen wanneer ze van bovenaf vliegen, kan deze methode ook niet worden toegepast. Niet-roterend, voor het grootste deel, zijn mortelmijnen. Het is moeilijk om gegevens te verzamelen over alle niet-roterende vliegtuigen, maar ik weet zeker dat er veel zijn.
In ieder geval zal de rotatie van het vliegtuig het effect van laserstraling op het doel slechts in geringe mate verminderen, omdatde warmte die door de krachtige laserstraling op het lichaam wordt overgedragen, wordt overgebracht naar de interne structuren en verder naar alle componenten van het vliegtuig.
Ook het gebruik van dampen en spuitbussen als tegenmaatregel tegen laserwapens is beperkt. Zoals reeds vermeld in de artikelen van de serie, is het gebruik van lasers tegen gepantserde voertuigen of schepen op de grond alleen mogelijk bij gebruik tegen bewakingsapparatuur, waar we later op terugkomen. Het is onrealistisch om binnen afzienbare tijd de romp van een infanteriegevechtsvoertuig/tank of oppervlakteschip met een laserstraal te verbranden.
Het is natuurlijk onmogelijk om rook- of aerosolbescherming tegen vliegtuigen aan te brengen. Door de hoge snelheid van het vliegtuig zal rook of aerosol altijd worden teruggeblazen door de aankomende luchtdruk, bij helikopters worden ze weggeblazen door de luchtstroom van de propeller.
Zo kan bescherming tegen laserwapens in de vorm van opgespoten dampen en spuitbussen alleen nodig zijn op licht gepantserde voertuigen. Aan de andere kant zijn tanks en andere gepantserde voertuigen vaak al uitgerust met standaardsystemen voor het opzetten van rookgordijnen om de vangst van vijandelijke wapensystemen te verstoren, en in dit geval kunnen ze bij het ontwikkelen van geschikte vulstoffen ook worden gebruikt om laserwapens tegen te gaan.
Terugkomend op de bescherming van optische en thermische beeldverkenningsapparatuur, kan worden aangenomen dat de installatie van optische filters die de doorgang van laserstraling van een bepaalde golflengte voorkomen, alleen in de beginfase geschikt zal zijn voor bescherming tegen laserwapens met een laag vermogen, voor de volgende redenen:
- in dienst zal een groot aantal lasers van verschillende fabrikanten zijn die op verschillende golflengten werken;
- een filter dat is ontworpen om een bepaalde golflengte te absorberen of te reflecteren, zal bij blootstelling aan krachtige straling waarschijnlijk falen, wat ertoe zal leiden dat laserstraling de gevoelige elementen raakt, of dat de optica zelf defect raakt (troebeling, beeldvervorming);
- sommige lasers, in het bijzonder de vrije-elektronenlaser, kunnen de werkingsgolflengte over een groot bereik veranderen.
Bescherming van optische en thermische beeldverkenningsapparatuur kan worden uitgevoerd voor grondapparatuur, schepen en luchtvaartapparatuur, door het installeren van high-speed beschermende schermen. Als laserstraling wordt gedetecteerd, moet het beschermende scherm de lenzen in een fractie van een seconde bedekken, maar zelfs dit garandeert niet dat de gevoelige elementen niet worden beschadigd. Het is mogelijk dat het wijdverbreide gebruik van laserwapens in de loop van de tijd op zijn minst duplicatie van verkenningsmiddelen vereist die in het optische bereik opereren.
Als op grote dragers de installatie van beschermende schermen en duplicerende middelen voor optische en thermische beeldverkenning redelijk haalbaar is, dan is dit op zeer nauwkeurige wapens, vooral compacte, veel moeilijker. Ten eerste worden de vereisten voor gewicht en grootte voor bescherming aanzienlijk aangescherpt, en ten tweede kan de impact van krachtige laserstraling, zelfs met een gesloten sluiter, oververhitting van de componenten van het optische systeem veroorzaken vanwege de dichte lay-out, wat zal leiden tot gedeeltelijke of volledige onderbreking van de werking ervan.
Welke methoden kunnen worden gebruikt om apparatuur en wapens effectief te beschermen tegen laserwapens? Er zijn twee manieren: ablatieve bescherming en constructieve warmte-isolerende bescherming.
Ablatiebescherming (van het Latijnse ablatio - wegnemen, overdracht van massa) is gebaseerd op het verwijderen van een stof van het oppervlak van het beschermde object door een stroom heet gas en/of op de herstructurering van de grenslaag, die samen aanzienlijk vermindert de warmteoverdracht naar het beschermde oppervlak. Met andere woorden, de binnenkomende energie wordt besteed aan het verwarmen, smelten en verdampen van het beschermende materiaal.
Op dit moment wordt ablatieve bescherming actief gebruikt in afdalingsmodules van ruimtevaartuigen (SC) en in straalmotoren. De meest gebruikte zijn verkolende kunststoffen op basis van fenol, organosilicium en andere synthetische harsen die koolstof (inclusief grafiet), siliciumdioxide (silica, kwarts) en nylon als vulstoffen bevatten.
Ablatiebescherming is eenmalig, zwaar en volumineus, dus het heeft geen zin om het te gebruiken op herbruikbare vliegtuigen (lees niet alle bemande, en de meeste onbemande vliegtuigen). De enige toepassing is op geleide en ongeleide projectielen. En hier is de belangrijkste vraag hoe dik de bescherming moet zijn voor een laser met een vermogen van bijvoorbeeld 100 kW, 300 kW, enz.
Op het Apollo-ruimtevaartuig varieert de dikte van de afscherming van 8 tot 44 mm voor temperaturen van enkele honderden tot enkele duizenden graden. Ergens in dit bereik zal ook de vereiste dikte van ablatieve bescherming tegen gevechtslasers liggen. Het is gemakkelijk voor te stellen hoe dit de kenmerken van het gewicht en de grootte zal beïnvloeden, en bijgevolg het bereik, de manoeuvreerbaarheid, het gewicht van de kernkop en andere parameters van de munitie. Ablatieve thermische beveiliging moet ook bestand zijn tegen overbelasting tijdens lancering en manoeuvreren, voldoen aan de normen van de voorwaarden voor munitieopslag.
Ongeleide munitie is twijfelachtig, omdat de ongelijke vernietiging van ablatieve bescherming tegen laserstraling de externe ballistiek kan veranderen, waardoor de munitie afwijkt van het doelwit. Als ablatieve bescherming al ergens wordt gebruikt, bijvoorbeeld in hypersonische munitie, dan moet u de dikte ervan vergroten.
Een andere beschermingsmethode is een structurele coating of uitvoering van de behuizing met meerdere beschermende lagen van vuurvaste materialen die bestand zijn tegen invloeden van buitenaf.
Als we een analogie trekken met ruimtevaartuigen, kunnen we de thermische bescherming van het herbruikbare ruimtevaartuig "Buran" overwegen. In gebieden waar de oppervlaktetemperatuur 371 - 1260 graden Celsius is, is een coating aangebracht bestaande uit amorfe kwartsvezel met een zuiverheid van 99,7%, waaraan een bindmiddel, colloïdaal siliciumdioxide, is toegevoegd. De bekleding is gemaakt in de vorm van tegels van twee standaardmaten met een dikte van 5 tot 64 mm.
Op het buitenoppervlak van de tegels wordt borosilicaatglas met een speciaal pigment (witte coating op basis van siliciumoxide en glanzend aluminiumoxide) aangebracht om een lage absorptiecoëfficiënt van zonnestraling en een hoge emissiviteit te verkrijgen. Ablatiebescherming werd gebruikt op de neuskegel en de vleugelpunten van het voertuig, waar de temperatuur hoger was dan 1260 graden.
Houd er rekening mee dat bij langdurig gebruik de bescherming van tegels tegen vocht kan worden aangetast, wat zal leiden tot verlies van thermische bescherming van zijn eigenschappen, daarom kan het niet direct worden gebruikt als anti-laserbescherming op herbruikbare vliegtuigen.
Op dit moment wordt een veelbelovende ablatieve thermische bescherming met minimale oppervlakteslijtage ontwikkeld, die de bescherming van vliegtuigen tegen temperaturen tot 3000 graden garandeert.
Een team van wetenschappers van het Royce Institute van de University of Manchester (VK) en Central South University (China) heeft een nieuw materiaal ontwikkeld met verbeterde eigenschappen dat temperaturen tot 3000°C kan weerstaan zonder structurele veranderingen. Dit is een keramische coating Zr0.8Ti0.2C0.74B0.26, die is gesuperponeerd op een koolstof-koolstof composietmatrix. Wat zijn eigenschappen betreft, presteert de nieuwe coating aanzienlijk beter dan de beste keramiek voor hoge temperaturen.
De chemische structuur van hittebestendig keramiek zelf fungeert als een afweermechanisme. Bij een temperatuur van 2000 ° C oxideren de materialen Zr0.8Ti0.2C0.74B0.26 en SiC en transformeren ze in respectievelijk Zr0.80T0.20O2, B2O3 en SiO2. Zr0.80Ti0.20O2 smelt gedeeltelijk en vormt een relatief dichte laag, terwijl de laagsmeltende oxiden SiO2 en B2O3 verdampen. Bij een hogere temperatuur van 2500 °C worden de Zr0.80Ti0.20O2-kristallen versmolten tot grotere formaties. Bij een temperatuur van 3000 ° C wordt een bijna absoluut dichte buitenlaag gevormd, voornamelijk bestaande uit Zr0.80Ti0.20O2, zirkoniumtitanaat en SiO2.
De wereld ontwikkelt ook speciale coatings die zijn ontworpen om te beschermen tegen laserstraling.
In 2014 verklaarde een woordvoerder van het Volksbevrijdingsleger van China dat Amerikaanse lasers geen bijzonder gevaar vormen voor Chinese militaire uitrusting die is omhuld met een speciale beschermende laag. De enige vragen die overblijven zijn de lasers van welke kracht deze coating beschermt, en welke dikte en massa het heeft.
Van het grootste belang is een coating die is ontwikkeld door Amerikaanse onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology en de University of Kansas - een aerosolsamenstelling op basis van een mengsel van koolstofnanobuisjes en speciale keramiek, die laserlicht effectief kan absorberen. De nanobuisjes van het nieuwe materiaal absorberen licht gelijkmatig en dragen warmte over naar nabijgelegen gebieden, waardoor de temperatuur op het contactpunt met de laserstraal wordt verlaagd. Keramische verbindingen voor hoge temperaturen geven de beschermende coating een hoge mechanische sterkte en weerstand tegen beschadiging door hoge temperaturen.
Tijdens het testen werd een dunne laag materiaal aangebracht op het oppervlak van koper en, na droging, gericht op het oppervlak van het materiaal een straal van een langegolf infrarood laser, een laser die wordt gebruikt om metaal en andere harde materialen te snijden.
Analyse van de verzamelde gegevens toonde aan dat de coating met succes 97,5 procent van de laserstraalenergie absorbeerde en een energieniveau van 15 kW per vierkante centimeter oppervlak doorstond zonder vernietiging.
Bij deze coating rijst de vraag: in tests is een beschermende coating aangebracht op een koperen oppervlak, dat op zichzelf een van de moeilijkste materialen is voor laserbewerking, vanwege zijn hoge thermische geleidbaarheid, het is onduidelijk hoe een dergelijke beschermende coating zal zich gedragen met andere materialen. Ook rijzen er vragen over de maximale temperatuurbestendigheid, weerstand tegen trillingen en schokbelastingen, de effecten van atmosferische omstandigheden en ultraviolette straling (zon). De tijd gedurende welke de bestraling is uitgevoerd is niet aangegeven.
Nog een interessant punt: als de vliegtuigmotoren ook zijn gecoat met een stof met een hoge thermische geleidbaarheid, dan zal het hele lichaam er gelijkmatig van worden verwarmd, waardoor het vliegtuig maximaal wordt ontmaskerd in het thermische spectrum.
In ieder geval zullen de eigenschappen van bovenstaande aerosolbescherming in directe verhouding staan tot de grootte van het beschermde object. Hoe groter het beschermde object en het dekkingsgebied, hoe meer energie er over het gebied kan worden verspreid en in de vorm van warmtestraling en koeling door de invallende luchtstroom kan worden gegeven. Hoe kleiner het beschermde object, hoe dikker de bescherming zal moeten zijn. door het kleine gebied kan niet voldoende warmte worden afgevoerd en raken de interne structurele elementen oververhit.
Het gebruik van bescherming tegen laserstraling, ongeacht ablatieve of constructieve warmte-isolatie, kan de trend naar een afname van de omvang van geleide munitie keren en de effectiviteit van zowel geleide als niet-geleide munitie aanzienlijk verminderen.
Alle draagvlakken en bedieningselementen - vleugels, stabilisatoren, roeren - zullen gemaakt moeten worden van dure en moeilijk te verwerken vuurvaste materialen.
Een aparte vraag rijst over de bescherming van radardetectieapparatuur. Op het experimentele ruimtevaartuig "BOR-5" werd het radiotransparante hitteschild getest - glasvezel met een silicavuller, maar ik kon de hitteafscherming en de kenmerken van het gewicht en de grootte niet vinden.
Het is nog niet duidelijk of er een hoge temperatuur plasmavorming kan ontstaan als gevolg van bestraling met krachtige laserstraling vanuit de radome van radarverkenningsapparatuur, weliswaar met bescherming tegen thermische straling, die de doorgang van radiogolven verhindert, als gevolg van waardoor het doelwit verloren kan gaan.
Ter bescherming van de behuizing kan een combinatie van meerdere beschermlagen worden toegepast - hittebestendig-laag-warmtegeleidend van binnenuit en reflecterend-hittebestendig-zeer warmtegeleidend van buitenaf. Ook is het mogelijk dat er stealth-materialen worden toegepast bovenop de bescherming tegen laserstraling, die niet bestand is tegen laserstraling, en zal moeten herstellen van schade door laserwapens in het geval dat het vliegtuig zelf overleefde.
Aangenomen mag worden dat voor de verbetering en wijdverbreide verspreiding van laserwapens het voorzien in anti-laserbescherming voor alle beschikbare munitie, zowel geleide als ongeleide, en bemande en onbemande luchtvaartuigen.
De introductie van anti-laserbescherming zal onvermijdelijk leiden tot een stijging van de kosten, het gewicht en de afmetingen van geleide en ongeleide munitie, evenals van bemande en onbemande luchtvaartuigen.
Tot slot kunnen we een van de ontwikkelde methoden noemen om een laseraanval actief tegen te gaan. Het in Californië gevestigde Adsys Controls ontwikkelt het Helios-verdedigingssysteem, dat de lasergeleiding van de vijand moet uitschakelen.
Wanneer de gevechtslaser van de vijand op het beschermde apparaat wordt gericht, bepaalt Helios de parameters: vermogen, golflengte, pulsfrequentie, richting en afstand tot de bron. Helios verhindert verder dat de laserstraal van de vijand zich op een doel concentreert, vermoedelijk door een naderende laserstraal met lage energie te richten, wat het richtsysteem van de vijand in de war brengt. De gedetailleerde kenmerken van het Helios-systeem, het stadium van zijn ontwikkeling en zijn praktische prestaties zijn nog onbekend.
