Het LaWS-programma van de Amerikaanse marine onderzocht de mogelijkheid om goedkope fiberlasertechnologie te gebruiken als basis voor laserwapens die kunnen worden geïntegreerd in bestaande Phalanx-installaties.
Voor het eerst is de Amerikaanse marine volledig voorbereid om de werking van hoogenergetische laserwapens te demonstreren en heeft onlangs plannen aangekondigd om een prototype elektromagnetisch railkanon op zee te lanceren. Overweeg de vooruitgang in de volgende generatie pulswapens
De Amerikaanse marine heeft het al tientallen jaren alleen over de inzet van lasers, pulserende energiesystemen en elektrische wapens op schepen. Een aantal zeer aantrekkelijke theoretische voordelen - bijna onbeperkte winkels, goedkope munitie en snelle impact, en meer - droegen bij aan de aanzienlijke investering van de defensiewetenschap en -technologiegemeenschap in de creatie, ontwikkeling en demonstratie van relevante technologieën op dat moment. Dit proces heeft geresulteerd in een stortvloed aan publicaties en patenten, verschillende prototypes en tal van illustere wereldrecords.
Technisch gezien bleken dergelijke wapens echter te moeilijk te ontwerpen en te vervaardigen. De technologie en technische middelen pasten niet altijd goed in het voorziene tijdsbestek en sommige aanvankelijk veelbelovende oplossingen bleken onpraktisch of niet te werken; de wetten van de fysica stonden soms de vooruitgang in de weg.
Toch bleef de marine vertrouwen in de basiswetenschap, en de voorzichtige toewijzing van R&D-middelen om risico's te verminderen en belangrijke geavanceerde technologieën te ontwikkelen, begint onlangs vruchten af te werpen. Inderdaad, de marine staat momenteel aan de vooravond van de inzet van haar eerste operationele high-energy laser (HEL); het is ook de bedoeling om in 2016 een prototype van een elektromagnetisch railkanon in zee te lanceren.
Naval Research Chief vice-admiraal Matthew Klunder beschrijft dit high-yield wapen als "de toekomst van zeegevechten", eraan toevoegend dat de marine "in de voorhoede staat van deze unieke technologie."
Het is echter de moeite waard eraan te herinneren dat gerichte energiewapens zoals krachtige lasers en krachtige microgolven al meer dan vier decennia worden bestudeerd. De marine opende bijvoorbeeld in 1971 een afdeling onder het HEL-programma en begon met de ontwikkeling, fabricage en testen van een militair demonstratiemodel van een krachtige (ongeveer een megawatt) HEL op deuteriumfluoride.
De recente geschiedenis van de ontwikkeling van gerichte energiewapens voor de Amerikaanse marine begon echt met de heroprichting in juli 2004 van het programmabureau (PMS 405) voor de gerichte energiesystemen en elektrische wapens van het Naval Systems Command. Deze stap diende als een nieuwe impuls voor wetenschappelijke en technische ontwikkelingen, die ongeveer tien jaar werden uitgesteld in een doos met het label 'exotisch'. Het is niet zo dat het onderzoek is opgeschort, maar de technologie heeft geen duidelijk pad naar succes gehad.
In het afgelopen decennium heeft de PMS 405 gediend als een hub voor de overdracht van elektrische en gerichte energiewapentechnologie van laboratoria naar de marine. In deze rol coördineerde hij R&D tussen marine onderzoekscentra, overheidslaboratoria en de industrie.
Het is ook vermeldenswaard hier de bijdrage van de ONR (Office of Naval Research) en de Naval Surface Warfare Establishment Dahlgren Division (NSWCDD), het Naval Surface Warfare Development Center in Dahlgren. ONR heeft toezicht gehouden op innovatie op het gebied van laser- en railkanontechnologie met hoog vermogen, terwijl NSWCDD werd opgericht als een "expertisecentrum" voor onderzoek, ontwikkeling en simulatie van gerichte energie. Binnen het Directed Energy Research Office verplaatst het Directed Energy Warfare Office (DEWO) HEL-technologie van de wetenschappelijke en technologische ruimte naar de zeefrontlinie.
De charme van de laser
Kort gezegd bieden wapensystemen met een krachtige HEL-laser veel voordelen ten opzichte van traditionele kanonnen en geleide munitie: het afleveren van een impact met de snelheid van het licht en een korte bestralingstijd van het doelwit; schaalbare impact (variërend van dodelijk tot niet-dodelijk); nauwkeurigheid van de gezichtslijn; hoge precisie begeleiding; supersnelle re-acquisitie van het doelwit; een groot en hernieuwbaar tijdschrift vrij van de gevaren en logistieke lasten die gepaard gaan met standaard explosieven.
Maar bovenal had het vooruitzicht van zeer lage kosten per schot - volgens de berekeningen van ONR aanzienlijk minder dan één dollar per schot - een betoverend effect op het commando van de Amerikaanse marine, die op zoek is naar manieren om de financiering voort te zetten.
Tegelijkertijd hebben natuurkundigen en ingenieurs, ondanks het feit dat ze heel vaak praten over de positieve eigenschappen van HEL-systemen, de complexe taken van het voltooien van de laserwapens die op schepen worden ingezet, lange tijd achtervolgd. Kracht richten op een doel is een van de grootste uitdagingen. Een laserwapen moet een hoogenergetische straal op een klein en duidelijk gedefinieerd richtpunt op een doelwit kunnen focussen om impact te kunnen leveren. Gezien de vele soorten potentiële doelen, kunnen de benodigde hoeveelheid energie en het bereik waarop vernietiging wordt gegarandeerd echter aanzienlijk variëren.
Stroom is niet het enige probleem. Thermische spreiding kan optreden wanneer een laserstraal die gedurende langere tijd langs dezelfde gezichtslijn wordt uitgezonden, de lucht verwarmt waar hij doorheen gaat, waardoor de straal verstrooid en onscherp wordt. Targeting wordt ook bemoeilijkt door de complexe en dynamische eigenschappen van het omringende mariene milieu.
Vervolgens moet u verschillende aspecten van integratie met het platform overwegen. Omvangrijke prototype-apparaten hebben een grote vormfactor en kant-en-klare systemen vereisen een aanzienlijke inkrimping om te integreren met kleinere platforms. De integratie van HEL-wapens in oorlogsschepen stelt ook nieuwe eisen aan het draagplatform op het gebied van stroomopwekking, energiedistributie, koeling en warmteafvoer.
ONR identificeerde de Free Electron Laser (FEL) in het midden van de jaren 2000 als de beste langetermijnoplossing voor het HEL-wapensysteem van het schip. Dit komt omdat de golflengte van de FEL-straal fijn kan worden afgestemd op de heersende omgevingsomstandigheden om de beste "atmosferische permeabiliteit" te bereiken.
In dit verband werd onder leiding van ONR het Innovative Naval Prototype (INP)-programma gelanceerd met als doel een 100 kW klasse FEL-demonstrator te ontwikkelen met een operationele golflengte in het bereik van 1,0-2,2 micron. Boeing en Raytheon kregen in april 2009 parallelle jaarlijkse Fase IA-contracten voor voorlopig ontwerp, en Boeing werd geselecteerd om Fase IB in september 2010 voort te zetten, waarna het project werd doorgeschoven naar de ontwerpkritische beoordelingsfase.
Na het voltooien van een kritische beoordeling van de FEL-energiecentrale, begon Boeing de volgende 100 kW FEL-demo te bouwen en te testen, ontworpen om op drie verschillende golflengten te werken. ONR schrapte de INP in 2011 echter om de huidige middelen te kanaliseren in de ontwikkeling van een solid state laser (SSL). Het werk aan FEL is momenteel gericht op voortzetting van de werkzaamheden om de risico's van dit systeem te verminderen.
De LaWS, aangeduid als AN / SEQ-3, zal de komende maanden worden ingezet bij de Ponce van de Amerikaanse marine als een "snelresponsvoertuig". LaWS-geleidingsapparaat wordt over de brug van het Ponce-schip geïnstalleerd
Deze omleiding van hulpbronnen is een gevolg van de grotere volwassenheid van SSL-technologie en het vooruitzicht van versnelde inzet van betaalbare HEL-wapens bij de Amerikaanse marine. ONR en PMS 405 herkenden dit ontwikkelingspad voor de volgende periode in het midden van de late jaren 2000.
Volgens schout-bij-nacht Klander behoort het SSL-programma "tot onze wetenschappelijke en technologische programma's met de hoogste prioriteit". Hij voegde eraan toe dat deze opkomende mogelijkheden bijzonder aantrekkelijk zijn omdat ze "een betaalbare oplossing bieden voor het kostbare probleem van bescherming tegen asymmetrische bedreigingen. Onze tegenstanders komen misschien niet eens opdagen wetende dat we een laser op een doel kunnen richten voor minder dan een dollar per schot.”
De afgelopen zes jaar lag de nadruk op de ontwikkeling van solid state technologie, zoals blijkt uit ontwikkelingen en demonstraties op dit gebied. Een voorbeeld is de Maritieme Laser Demonstratie (MLD). In april 2011 installeerde Northrop Grumman een prototype SSL-laser op een testvaartuig, dat een klein doelvaartuig met zijn straal uitschakelde. Peter Morrison, HEL-programmamanager bij ONR, zei dat het "de eerste keer was dat een HEL met dergelijke vermogensniveaus op een oorlogsschip werd geïnstalleerd, aangedreven door dat schip en werd ingezet op een afgelegen doel in de zee."
De MLD-demonstratie was het hoogtepunt van twee en een half jaar ontwerpen, ontwikkelen, integreren en testen. Over het MLD-project, samen met de industrie, de High Energy Technology Division en de marinelaboratoria in Dahlgren, China Lake, Port Huenem en Point Mugu; dit project belichaamt ook ontwikkelingen uit het algemene krachtige solid-state laserprogramma.
Ondertussen werd in maart 2007 begonnen met het werk aan een prototype laserwapensysteem Laser Weapon System (LaWS), bedoeld als aanvulling op het bestaande 20 mm korteafstands Mk 15 Phalanx (CIWS)-complex. LaWS zal profiteren van commerciële lasertechnologie van glasvezel om een extra wapentype te bieden om een subset van goedkope "asymmetrische" doelen aan te vallen, zoals kleine UAV's en snelle gevechtsboten.
Het LaWS-programma wordt beheerd door PMS 405 in samenwerking met het Integrated Combat Systems Program Execution Office, DEWO Dahlgren en Raytheon Missile Systems (oorspronkelijke fabrikant van Phalanx). Het programma voorziet in het centraal stellen van goedkope glasvezellasertechnologie in het hart van een laserwapen dat mogelijk kan worden geïntegreerd in een bestaande Phalanx-installatie. Deze eis voor de integratie van de laser met de bestaande installatie bepaalt de massa tot 1200-1500 kg. Het zou ook wenselijk zijn dat deze extra bewapening geen invloed heeft op de werking van de installatie, de azimut- en elevatiehoeken, de maximale overdrachtssnelheid of versnelling.
Vermogenslimieten
Gezien deze beperkingen is de kant-en-klare commerciële fiberlasertechnologie geïdentificeerd als de meest veelbelovende oplossing. Hoewel deze SSL-technologie enkele vermogensbeperkingen heeft (ze worden geleidelijk verwijderd naarmate de technologie verbetert), heeft het gebruik van glasvezellasers het mogelijk gemaakt om de kosten van niet alleen de technologie van wapeninstallaties, maar ook de wijziging van de systeem op bestaande installaties.
Na een eerste periode van analyse, beoordelingen van sterftecijfers, kritieke componentenbeoordelingen en afwegingen, voltooide het LaWS-team het ontwerp en de implementatie van het prototypesysteem. Om voldoende vermogen en dus dodelijkheid op een bepaalde afstand te bereiken, vereist dit type technologie het gebruik van een nieuwe bundelcombiner, die zes afzonderlijke 5,4 kW glasvezellasers in de vrije ruimte zou kunnen combineren om een hogere stralingsintensiteit te verkrijgen op het doel.
Om de kosten voor dit programma te drukken, is veel apparatuur verzameld, eerder ontwikkeld en aangeschaft voor andere onderzoekstaken. Dit omvat de L-3 Brashear KINETO K433-trackingondersteuning, een 500 mm-telescoop en hoogwaardige infraroodsensoren. Sommige componenten zijn kant-en-klaar gekocht, zoals de fiberlasers zelf.
In maart 2009 vernietigde een LaWS-systeem (met één fiberlaser) mortiergranaten bij de White Sands-reeks. In juni 2009 werden ze getest in het Center for Naval Aviation Combat Systems, waarbij het prototype vijf UAV's volgde, veroverde en vernietigde die tijdens de vlucht de "bedreigingsrol" vervulden.
De volgende reeks grootschalige tests vond plaats op open zee in mei 2010, waar het LaWS-systeem met succes vier UAV-doelen vernietigde in "close-to-combat"-scenario's op een afstand van ongeveer één zeemijl in vier pogingen. Deze gebeurtenis werd significant genoemd in ONR - de eerste vernietiging van doelen met een volledige cyclus van begeleiding tot een schot in een oppervlakteomgeving.
Het vertrouwen in de Amerikaanse marine in hun wens om verder te gaan met een versneld ontwikkelingsplan werd echter gegeven door zeetests op de DDG-51 USS Dewey (DDG 105) raketvernietiger in juli 2012. Tijdens tests op de torpedojager Dewey heeft het LaWS-systeem (tijdelijk geïnstalleerd in de cockpit van het schip) met succes drie UAV-doelen geraakt, waarmee het een record vestigde voor het vastleggen van doelen 12 van de 12.
Plannen om LaWS, aangeduid als AN / SEQ-3 (XN-1), te installeren aan boord van USS Ponce die dienst doet als drijvende voorste basis (tussenbasis) in de Perzische Golf, werden in april 2013 aangekondigd door de commandant van marineoperaties, admiraal Jonathan Greenert. van het jaar. AN / SEQ-3 wordt ingezet als een "snelle responscapaciteit" waarmee de Amerikaanse marine technologie in de operationele ruimte kan beoordelen. Het experiment wordt geleid door de Naval Operations Research Directorate in samenwerking met het Centraal Commando van de Marine / Vijfde Vloot.
Afgevaardigden toespreken op het Surface Fleet Association Symposium in januari 2014? Schout-bij-nacht Klunder zei dat het "de eerste operationele inzet van gerichte energiewapens ter wereld" was. Hij voegde eraan toe dat de eindmontage van de LaWS werd uitgevoerd in het NSWCDD-centrum, op de testlocatie van Dahlgren, en dat de tests van het volledige systeem werden voltooid voordat het naar de Perzische Golf werd gestuurd voor installatie op het Ponce-schip. Offshore-tests staan gepland voor het derde kwartaal van 2014.
De LaWS wordt geïnstalleerd op het dek bovenaan de Ponce Bridge. "Het systeem zal volledig geïntegreerd zijn met het schip op het gebied van koeling, elektriciteit en stroom", zei Klander. Het zal ook volledig worden geïntegreerd met het gevechtssysteem van het schip en het Phalanx CIWS korteafstandssysteem."
NSWCDD heeft het systeem geüpgraded en demonstreerde het vermogen van de Phalanx CIWS om doelen te volgen en door te sturen naar het LaWS-systeem voor verdere tracking en targeting. Aan boord van de Ponce zal de commandant van de raket- en artilleriekop aan het LaWS-bedieningspaneel werken.
De gegevens die tijdens de maritieme demonstratie worden verzameld, gaan naar het ONR's SSL TM (SSL Technology Maturation)-programma. Het belangrijkste doel van het SSL TM-programma, gelanceerd in 2012, is om de drempels en doelstellingen van het wetenschaps- en technologieprogramma af te stemmen op toekomstige onderzoeks-, ontwikkelings- en inkoopbehoeften.
Volgens ONR bestaat het SSL TM-programma uit "verschillende demonstratie-evenementen met prototypesystemen in een competitieve ruimte."Drie industriegroepen werden geselecteerd om SSL TM-projecten te ontwikkelen, geleid door Northrop Grumman, BAE Systems en Raytheon; de analyse van de conceptontwerpen is gepland voor het einde van het tweede kwartaal van 2014. ONR beslist volgend jaar welke geschikt zijn voor een maritieme demonstratie.
Railkanon in de zee
Samen met de laser beschouwt de Amerikaanse marine het elektromagnetische railkanon als een ander transformationeel wapensysteem dat de levering van ultrasnelle projectielen op grotere afstanden met zeer hoge nauwkeurigheid mogelijk maakt. De vloot is van plan om in eerste instantie een bereik van 50-100 zeemijlen te behalen en dit in de loop van de tijd uit te breiden tot 220 zeemijlen.
Elektromagnetische kanonnen overwinnen de beperkingen van traditionele kanonnen (die chemische pyrotechnische verbindingen gebruiken om het projectiel over de gehele lengte van de loop te versnellen) en bieden een groter bereik, korte vluchttijden en dodelijke doelen met hoge energie. Door gebruik te maken van de doorgang van een elektrische stroom met zeer hoge spanning, worden krachtige elektromagnetische krachten gecreëerd, bijvoorbeeld theoretisch zou een marien elektromagnetisch kanon projectielen kunnen afvuren met een snelheid van meer dan Mach 7. Het projectiel zal zeer snel een baan buiten de atmosfeer bereiken (vlucht zonder aerodynamische weerstand), waarbij het de atmosfeer opnieuw ingaat om het doelwit te raken met een snelheid van meer dan 5 Mach-getallen.
Het programma voor het elektromagnetische kanon van het prototype van het schip werd in 2005 door ONR gelanceerd als het belangrijkste onderdeel van wetenschappelijk en technologisch werk, in het kader waarvan het nodig is om de technologie van railkanonnen te verfijnen om een volledig afgewerkt systeem in gebruik te nemen met de vloot rond 2030-2035.
Tijdens de fase 1-fase van het innovatieve INP-project lag de nadruk op het ontwikkelen van lanceertechnologie met een passende levensduur, het ontwikkelen van pulsed power-technologie en het verminderen van het risico voor projectielcomponenten. BAE Systems en General Atomics hebben prototypes van hun railkanonnen aan NSWCDD geleverd voor testen en evaluatie.
Tijdens de fase 1-fase van het R&D-programma voor elektromagnetische kanonnen van de marine ligt de nadruk op het ontwikkelen van een draagraket met een voldoende levensduur, het ontwikkelen van betrouwbaar gepulseerd vermogen en het verminderen van het risico voor het projectiel. BAE Systems en General Atomics leveren prototype railkanonnen aan Arms Development Center voor test en evaluatie
In fase 1 werd het doel van het demonstreren van de experimentele opstelling bereikt, in december 2010 werd een initiële energie van 32 MJ verkregen; een veelbelovend wapensysteem met dit energieniveau zal een projectiel kunnen lanceren op een afstand van 100 zeemijl.
BAE Systems ontving een contract van $ 34,5 miljoen van ONR om Fase 2 van het INP medio 2013 te voltooien, en werd als eerste geselecteerd, waardoor het rivaliserende General Atomics-team achterbleef. In de fase 2-fase zullen technologieën worden afgerond tot een niveau dat voldoende is voor de overgang naar het ontwikkelingsprogramma. De launcher en het pulsvermogen zullen worden verbeterd, waardoor de overgang van enkele schoten naar multi-shot-mogelijkheden mogelijk wordt. Er zullen ook thermische regeltechnieken worden ontwikkeld voor de draagraket en het gepulseerde krachtsysteem, die nodig zijn voor langdurig vuren. De eerste prototypes worden in de loop van 2014 opgeleverd; ontwikkeling wordt uitgevoerd door BAE Systems in samenwerking met IAP Research en SAIC.
Eind 2013 kende ONR BAE Systems een apart contract toe ter waarde van $ 33,6 miljoen voor de ontwikkeling en demonstratie van het Hyper Velocity Projectile (HVP) hypersonische projectiel. De HVP wordt beschreven als het geleide projectiel van de volgende generatie. Het wordt een modulair projectiel met een lage aerodynamische weerstand, compatibel met een elektromagnetisch kanon en met bestaande kanonsystemen van 127 mm en 155 mm.
Medio 2014 is de eerste fase van het HVP-contract afgerond; hun doel was om een conceptueel ontwerp en ontwikkelingsplan te ontwikkelen om volledig gecontroleerde vlucht te demonstreren. De ontwikkeling zal worden uitgevoerd door BAE Systems in samenwerking met UTC Aerospace Systems en CAES.
De kosten van een HVP-projectiel met een gewicht van 10,4 kg voor een elektromagnetisch kanon worden geschat op ongeveer $ 25.000 per stuk; volgens admiraal Klander "kost het projectiel ongeveer 1/100 van de kosten van het bestaande raketsysteem."
In april 2014 bevestigde de marine haar plannen om het railkanon aan boord van het hogesnelheidsschip Millinocket in 2016 te demonstreren.
Volgens vice-admiraal Bryant Fuller, hoofdingenieur van het NAVSEA Naval Systems Command, zal deze demonstratie op zee een 20 MJ railkanon bevatten (Phase 1 INP-selectie zal worden gemaakt tussen prototypes vervaardigd door BAE Systems en General Atomics), dat enkele schoten zal afvuren.
"In het oppervlaktewapencentrum van de marine in Dahlgren hebben we honderden granaten afgevuurd vanuit een kustinstallatie", zei hij. "De technologie is volwassen genoeg op dit niveau, dus we willen het naar zee brengen, op een schip zetten, volwaardige tests uitvoeren, een aantal granaten afschieten en het bestuderen vanuit de opgedane ervaring."
"Aangezien het railkanon niet zal worden geïntegreerd met het Millinocket-schip voor de demonstratie van 2016, zal dit schip geen uitgebreide modificatie ondergaan om deze mogelijkheden te bieden", zei schout-bij-nacht Fuller.
Het gehele elektromagnetische railkanon bestaat uit vijf delen: een versneller, een energieopslag- en opslagsysteem, een pulsvormer, een hogesnelheidsprojectiel en een roterende kanonbevestiging.
Voor de demonstratie zullen de kanonsteun en booster worden geïnstalleerd in de cockpit van het Millinocket-schip, terwijl het magazijn, het munitieverwerkingssysteem en het energieopslagsysteem bestaande uit verschillende grote batterijen benedendeks worden geplaatst, hoogstwaarschijnlijk in containers in de vracht compartimenten.
De Amerikaanse marine is van plan om in 2018 terug te keren naar zee met als doel uitbarstingen van elektromagnetische kanonnen vanaf het schip af te vuren. Volledige integratie met het schip kan in hetzelfde 2018 worden uitgevoerd.
Als onderdeel van een aparte ontwikkeling testte het onderzoekslaboratorium van de Amerikaanse marine begin 2014 een nieuw klein kaliber railkanon (een inch in diameter). Het eerste schot werd gelost op 7 maart 2014. Dit kleine railkanon is ontwikkeld met ondersteuning van ONR en is een experimenteel systeem dat geavanceerde batterijtechnologie gebruikt om meerdere lanceringen per minuut af te vuren vanaf een mobiel platform.
De Amerikaanse marine is van plan om de werking van het railkanon op zee te laten zien tijdens tests op de Millinocket (JHSV 3) in 2016.
