Armas láser en el espacio. Características de operación y problemas técnicos.
Se cree ampliamente que el mejor medio para usar láser armas (LO) es el espacio exterior. Por un lado, esto es lógico: en el espacio, la radiación láser puede propagarse casi sin interferencia causada por la atmósfera, las condiciones climáticas, los obstáculos naturales y artificiales. Por otro lado, hay factores que complican significativamente el uso de armas láser en el espacio.
Características del funcionamiento de los láseres en el espacio.
El primer obstáculo para el uso de láseres de alta potencia en el espacio exterior es su eficiencia, que representa hasta el 50% de los mejores productos, el 50% restante se destina al calentamiento del láser y sus equipos.
Incluso en la atmósfera del planeta: en la tierra, en el agua, debajo del agua y en el aire, hay problemas para enfriar láseres potentes. Sin embargo, la capacidad de enfriar equipos en el planeta es mucho mayor que en el espacio, ya que en el vacío la transferencia de exceso de calor sin pérdida de masa solo es posible con la ayuda de la radiación electromagnética.
En el agua y debajo del agua, el enfriamiento de los LO es más fácil de organizar: se puede hacer con agua fuera de borda. En el suelo, puede usar radiadores masivos con eliminación de calor a la atmósfera. Aviación para enfriar LO puede usar un flujo de aire libre.
En el espacio, los disipadores de calor utilizan los disipadores de calor en forma de tubos con aletas conectados a paneles cilíndricos o cónicos con un portador de calor que circula en ellos. Con un aumento en el poder de las armas láser, las dimensiones y la masa de los emisores del refrigerador, que son necesarios para su enfriamiento, aumento, y la masa y especialmente las dimensiones de los emisores del refrigerador pueden exceder significativamente la masa y el tamaño del arma láser.
El láser de combate orbital soviético Skif, que se planeó poner en órbita por el cohete portador superpesado Energia, debería haber utilizado un láser de gas dinámico, cuyo enfriamiento probablemente se vería afectado por la expulsión de un fluido de trabajo. Además, el suministro limitado de fluido de trabajo a bordo difícilmente podría proporcionar la posibilidad de operación láser a largo plazo.
Producto 17F19DM Polyus (Skif-DM): un modelo dinámico de la plataforma orbital láser de combate Skif
Fuentes de energia
El segundo obstáculo es la necesidad de proporcionar armas láser con una poderosa fuente de energía. Si no despliega una turbina de gas o un motor diesel en el espacio, necesitan mucho combustible e incluso más oxidante, los láseres químicos con sus reservas limitadas del fluido de trabajo no son la mejor opción para su colocación en el espacio. Quedan dos opciones: proporcionar energía a un láser de estado sólido / fibra / líquido, para el cual se pueden usar o usar baterías solares con baterías amortiguadoras o centrales nucleares (NPP) láseres directamente bombeados por fragmentos de fisión nuclear (láseres de bombeo nuclear).
Circuito reactor láser
Como parte del trabajo que se realiza en los Estados Unidos bajo el programa Boing YAL-1, se planeó usar un láser de 600 megavatios para destruir misiles balísticos intercontinentales (ICBM) a una distancia de 14 kilómetros. De hecho, se logró una potencia de aproximadamente 1 megavatio, mientras que los objetivos de entrenamiento se alcanzaron a una distancia de aproximadamente 250 kilómetros. Por lo tanto, una potencia del orden de 1 megavatio puede orientarse como la básica para las armas láser espaciales, que pueden, por ejemplo, funcionar desde una órbita de referencia baja para objetivos en la superficie de la Tierra o para objetivos relativamente distantes en el espacio exterior (no consideramos LO diseñado para "exposición" "Sensores).
Con una eficiencia del láser del 50%, para obtener 1 MW de radiación láser, es necesario llevar 2 MW de energía eléctrica al láser (en realidad más, ya que todavía es necesario garantizar el funcionamiento de los equipos auxiliares y el sistema de enfriamiento). ¿Es posible obtener tanta energía con la ayuda de paneles solares? Por ejemplo, los paneles solares instalados en la Estación Espacial Internacional (ISS) generan de 84 a 120 kW de electricidad. Las dimensiones de los paneles solares necesarios para obtener la potencia indicada se estiman fácilmente a partir de las imágenes fotográficas de la ISS. Un diseño capaz de proporcionar energía a un láser de 1 MW tendrá un tamaño enorme y una movilidad mínima.
Estacion espacial internacional
Puede considerar el conjunto de la batería como una fuente de energía para un láser potente en portadores móviles (en cualquier caso, se requerirá como un amortiguador para las baterías solares). La densidad de energía de las baterías de litio puede alcanzar los 300 W * h / kg, es decir, para proporcionar un láser de 1 MW con una eficiencia del 50%, se necesita una batería con un peso de aproximadamente 1 toneladas durante 7 hora de funcionamiento continuo. Parece que no tanto? Pero teniendo en cuenta la necesidad de marcar las estructuras de soporte, la electrónica relacionada, los dispositivos para mantener la temperatura de las baterías, la masa de la batería de almacenamiento intermedio será de aproximadamente 14-15 toneladas. Además, habrá problemas con el funcionamiento de las baterías en condiciones de cambios de temperatura y vacío espacial: una parte importante de la energía se "consumirá" para garantizar la vida útil de las baterías. Lo peor de todo, la falla de una celda de batería puede conducir a la falla, o incluso a la explosión, de toda la batería de baterías, al mismo tiempo con el láser y el portaaviones.
Es probable que el uso de dispositivos de almacenamiento de energía más confiables, convenientes desde el punto de vista de su operación en el espacio, conduzca a un aumento aún mayor en la masa y las dimensiones de la estructura debido a su menor densidad de energía a una tasa de W * h / kg.
Sin embargo, si no imponemos requisitos a las armas láser por horas de trabajo, y usamos LO para resolver problemas especiales que ocurren una vez cada pocos días y requieren un tiempo de operación del láser de no más de cinco minutos, esto implicará una simplificación correspondiente de la batería . Las baterías recargables se pueden llevar a cabo desde paneles solares, cuyo tamaño será uno de los factores que limitarán la frecuencia del uso de armas láser.
Una solución más radical es usar una planta de energía nuclear. En la actualidad, las naves espaciales utilizan generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG). Su ventaja es la relativa simplicidad del diseño, la desventaja de la baja potencia eléctrica, que en el mejor de los casos es de varios cientos de vatios.
El GPHS-RTG RTG se utilizó en la sonda solar Ulysses, las sondas Galileo, Cassini-Huygens, New Horizons, contiene 7,8 kg de plutonio-238, produce 4400 W de energía térmica y 300 W de energía eléctrica.
Un prototipo del prometedor Kilopower RTG se está probando en los EE. UU., En el que el uranio-235 se usa como combustible, las tuberías de calor de sodio se usan para eliminar el calor y el calor se convierte en electricidad usando el motor Stirling. En el prototipo del reactor Kilopower con una potencia de 1 kilovatio, se logró una eficiencia bastante alta de aproximadamente el 30%. La muestra final del reactor nuclear Kilopower debería producir continuamente 10 kilovatios de electricidad durante 10 años.
Diseño del reactor Kilopower
Prototipo de reactor nuclear Kilopower de 1 kW
El circuito de suministro de energía de una aeronave con uno o dos reactores Kilopower y un dispositivo de almacenamiento de energía amortiguadora ya puede estar operativo, proporcionando la operación periódica de un láser de 1 MW en modo de combate durante aproximadamente cinco minutos, con una frecuencia de una vez cada varios días, a través de una batería amortiguadora.
En Rusia, se está creando una planta de energía nuclear con una capacidad eléctrica de aproximadamente 1 MW para un módulo de transporte y energía (TEM), así como plantas de energía nuclear termoiónicas basadas en el proyecto Hércules con una energía eléctrica de 5-10 MW. Las plantas de energía nuclear de este tipo pueden proporcionar energía a las armas láser sin intermediarios en forma de baterías amortiguadoras, pero su creación enfrenta grandes problemas, lo cual no es sorprendente en principio, dada la novedad de las soluciones técnicas, las características específicas del entorno operativo y la incapacidad para realizar pruebas intensivas. Space NPS es un tema de un material separado, al que definitivamente volveremos.
El concepto de un módulo de transporte y energía con una central nuclear. La necesidad de enfriar la planta de energía nuclear y proteger a la tripulación / equipo de la radiación radiactiva dicta sus requisitos para el tamaño de la estructura.
Como en el caso de garantizar el enfriamiento de poderosas armas láser, el uso de una planta de energía nuclear de un tipo u otro también plantea mayores requisitos de enfriamiento. Los refrigeradores emisores son uno de los elementos más importantes de una central eléctrica en términos de peso y tamaño; la proporción de su masa, dependiendo del tipo y la potencia de una central nuclear, puede variar del 30% al 70%.
Los requisitos de enfriamiento se pueden reducir al reducir la frecuencia y la duración de las armas láser, y al usar plantas de energía nuclear de tipo RTU de relativamente baja potencia que recargan un dispositivo de almacenamiento de energía amortiguadora.
La separación de los láseres de bombeo nuclear en órbita, que no requieren fuentes externas de electricidad, ya que el láser es bombeado directamente por los productos de una reacción nuclear. Por un lado, los láseres de bombeo nuclear también requerirán sistemas de enfriamiento masivo, por otro lado, la conversión directa de energía nuclear en radiación láser puede ser más simple que con la conversión intermedia del calor generado por un reactor nuclear en energía eléctrica, lo que implicará una reducción correspondiente en tamaño y masa productos
Por lo tanto, la ausencia de una atmósfera que impida la propagación de la radiación láser en la Tierra, complica significativamente el diseño de armas láser espaciales, principalmente en términos de sistemas de enfriamiento. Un problema un poco más pequeño es la provisión de armas láser espaciales con electricidad.
Se puede suponer que en la primera etapa, aproximadamente en los años treinta del siglo XXI, aparecerá un arma láser en el espacio que puede funcionar durante un tiempo limitado, del orden de varios minutos, con la necesidad de la posterior recarga de las reservas de energía durante un período bastante largo de varios días.
Por lo tanto, a corto plazo, no hay necesidad de hablar sobre el uso masivo de armas láser "contra cientos de misiles balísticos". Las armas láser con capacidades avanzadas aparecerán antes de que se creen y desarrollen las plantas de energía nuclear de clase megavatio. Y el costo de las naves espaciales de esta clase es difícil de predecir. Además, si hablamos de operaciones militares en el espacio, existen soluciones técnicas y tácticas que pueden reducir en gran medida la efectividad de las armas láser en el espacio.
Sin embargo, las armas láser, incluso limitadas en tiempo de operación continua y frecuencia de uso, pueden convertirse en una herramienta importante para realizar operaciones de combate en el espacio y desde el espacio.
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