Применение лазеров в военном деле

К настоящему времени сложились основные направления, по которым идет внедрение лазерной техники в военное дело: лазерная локация (наземная, бортовая, подводная), лазерная связь, лазерные навигационные системы, лазерное оружие, а также лазерные системы ПРО и ПКО. Сегодня получены параметры излучения лазеров, которые способны существенно повысить тактико-технические данные военной аппаратуры: стабильность частоты порядка 10-14, пиковая мощность 1012 Вт, мощность непрерывного излучения 104 Вт, угловой раствор луча 10-6 рад, τ = 10-12 с, λ = 0,2…20 мкм.

Лазерная локация

Лазерной локацией называют область оптоэлектроники, занимающуюся обнаружением и определением местоположения различных объектов при помощи электромагнитных волн оптического диапазона, излучаемого лазерами. Объектами лазерной локации могут быть танки, корабли, ракеты, спутники, промышленные и военные сооружения.

Лазерная локация осуществляется активным методом. Лазерное излучение отличается от температурного тем, что оно является узконаправленным, монохроматичным, имеет большую импульсивную мощность и высокую спектральную яркость. Все это делает оптическую локацию конкурентоспособной в сравнении с радиолокаций, особенно при ее использовании в космосе (где нет поглощающего воздействия атмосферы) и под водой (где для волн оптического диапазона существуют окна прозрачности).

В основе лазерной локации так же, как и радиолокации, лежат три основных свойства электромагнитных волн:

1. Способность отражаться от объектов. Цель и фон, на котором она расположена, по-разному отражают упавшее на них излучение. Лазерное излучение отражается от всех предметов: металлических и неметаллических, от леса, пашни, воды. Оно лучше, чем радиоволны отражается от любых объектов, размеры которых меньше длины волны. По мере развития радиолокации постоянно переходили от длинных волн к более коротким: чем короче волна, тем лучше. Однако изготовление генераторов сверхкоротких радиоволн становилось все более трудным делом, а затем зашло в тупик. Создание лазеров открыло новые перспективы в технике локации.
2. Способность распространяться прямолинейно. Использование узконаправленного лазерного луча, которым производится просмотр пространства, позволяет определить направление на объект (пеленг цели). Чем уже луч, тем с большей точностью может быть определен пеленг. Простые расчеты показывают: чтобы получить коэффициент направленности около 1,5 при пользовании радиоволн сантиметрового диапазона, нужно иметь антенну диаметром около 10 м. Такую антенну трудно поставить на танк, а тем более – на летательный аппарат. Угловой раствор луча лазера составляет всего 1,0-1,5 градуса без дополнительных фокусирующих систем. Следовательно, габариты лазерного локатора могут быть значительно меньше.
3. Способность лазерного излучения распространяться с постоянной скоростью дает возможность определять дальность до объекта.

Лазерные дальномеры

Лазерная дальнометрия – одна из первых областей практического применения лазеров в военной технике многих армий мира. Первые опыты относятся к 1961 году, а сейчас лазерные дальномеры используются и в наземной военной технике (артиллерийские, танковые), и в авиации (дальномеры, высотомеры, целеуказатели), и на флоте. Эта техника прошла боевые испытания во Вьетнаме и на Ближнем Востоке.

Задача определения расстояния между дальномером и целью сводится к измерению интервала времени между зондирующим сигналом и сигналом, отраженным от цели. Различают три метода измерения дальности в зависимости от характера модуляции лазерного излучения в дальномере: импульсный, фазовый или фазово-импульсный.

Сущность импульсного метода дальнометрирования состоит в том, что к объекту посылается зондирующий импульс, он же запускает временной счетчик в дальномере. Когда отраженный объектом импульс приходит к дальномеру, он останавливает работу счетчика. По временному интервалу автоматически высвечивается перед оператором расстояние до объекта. Погрешность в изменении составляет около 30 см. Специалисты считают, что для решения ряда практических задач этого вполне достаточно.

При фазовом методе дальнометрирования лазерное излучение модулируется по принципу синусоиды. При этом интенсивность излучения меняется в значительных пределах. В зависимости от дальности до объекта изменяется фаза сигнала, упавшего на объект. Отраженный от объекта сигнал придет на приемное устройство также с определенной фазой, зависящей от расстояния. Погрешность измерения составляет около 5 см.

Первый лазерный дальномер ХМ-23 был рассчитан на использование в передовых наблюдательных пунктах сухопутных войск. Источником излучения в нем является рубиновый лазер с выходной мощностью 2,5 Вт и длительностью импульса 30 нс. В другом артиллерийской дальномере, также принятом на вооружение, имеется устройство для одновременного определения дальности до четырех целей, лежащих на одной прямой, путем последовательного стробирования дистанций 200, 600, 1000, 2000 и 3000 м.

Портативные лазерные дальномеры разработаны для пехотных подразделений и передовых артиллерийских наблюдателей, некоторые из них выполнены в виде бинокля. Источник излучения и приемник смонтированы в общем корпусе, с монокулярным оптическим визиром, в поле зрения которого имеется световое табло из светодиодов, хорошо различимых как ночью, так и днем.

Лазерный дальномер можно ввести в систему управления огнем. В частности, был разработан дальномер AN/VVS-1 для танка М60А. Измерение дальности может производиться как наводчиком пушки, так и командиром танка. Позже система управления огнем танковой пушки получила установку «Кобельда». В нее также входят семь чувствительных датчиков и оптический прицел. Лазерный дальномер позволяет измерять дальность одновременно до двух целей, расположенных в створе. Система отличается быстродействием, что позволяет произвести выстрел в кратчайшее время.

Наземные локаторы

Как сообщает печать, за рубежом разрабатывается ряд стационарных лазерных локаторов, предназначенных для слежения за ракетами на начальном этапе полета, а также за самолетами и спутниками. Огромное значение придается лазерному локатору, включенному в систему ПРО и ПКО. По проекту американской системы, оптический локатор обеспечивает выдачу четких координат в систему лазерного поражения цели.

Локатор типа «ОПДАР» предназначен для слежения за ракетами на активном участке их полета. Тактические требования определяют незначительную дальность действия локатора, поэтому на нем установлен газовый лазер, работающий на гелий-неоновой смеси, излучающий электромагнитную энергию на волне 0,6328 мкм при входной мощности всего 0,01 Вт. Лазер работает в непрерывном режиме, но его излучение модулируется с частотой 100 МГц.

Локатор дозволяет работать в пределах от 30 до 30 000 м. Предельная высота полета ракеты 18 000 м. Сообщается, что этот локатор традиционно размещается от ракеты на расстоянии около 1000 м и на линии, составляющей с плоскостью полета ракеты 45 градусов. Измерение характеристик движения ракеты с такой высокой точностью на активном участке полета дает возможность точно рассчитать точку ее падения.

Локатор слежения

Рассмотрим лазерный локатор, созданный по заказу НАСА и предназначенный для слежения за спутниками. Он работал вместе с радиолокатором, который выдавал координаты спутника с низкой точностью. Эти координаты использовались для предварительного наведения лазерного локатора, который выдавал координаты с высокой точностью. Целью опыта было определение того, как отклоняется истинная траектория спутника от расчетной, чтобы узнать распределение поля тяготения Земли по всей ее сфере.

Для этого на полярную орбиту был запущен спутник «Эксплорер-22». Его орбита была рассчитана с высокой точностью. По этому спутнику была, по сообщению НАСА, проведена серия экспериментов, и часть данных опубликована. В одном из сообщений говорилось, что на расстоянии 960 км ошибка в дальности составляла 3 м.

Кстати, в прессе появилось сообщение, что американцев опередили в их работе французские инженеры и ученые. Сотрудники лаборатории Сан-Мишель де Прованс провели серию экспериментов по наблюдению за тем же спутником, используя лазерный локатор собственного производства.

Бортовые лазерные системы

По информации зарубежной печати, в военной авиации государств США и НАТО широко используются лазерные дальномеры и высотомеры. Они дают высшую точность измерения дальности и высоты, имеют небольшие габариты и легко встраиваются в систему управления огнем. Кроме этого, на лазерные системы возложен ряд других задач, в частности, наведение и целеуказание. Такие системы используются в вертолетах, самолетах и беспилотных летательных аппаратах. Их разделяют на полуактивные и активные.

Принцип построения полуактивной системы следующий:

1. Цель освещается излучением лазера непрерывно или импульсно, но так, чтобы исключить потерю цели системой самонаведения. Для этого подбирается соответствующая частота посылок. Освещение цели обеспечивается или с наземного, или с воздушного наблюдательного пункта (вертолет, самолет-корректировщик, БПЛА);
2. Отраженное от цели излучение лазера воспринимается головкой самонаведения, установленной на ракете или бомбе, которая описывает ошибку в рассогласовании положения оптической оси головки с траекторией полета. Эти данные вводятся в систему управления, которая и обеспечивает четкое наведение ракеты либо бомбы на освещаемую лазером цель.

Лазерные системы охватывают следующие виды боеприпасов: бомбы, ракеты класса «воздух-земля», морские торпеды. Боевое применение лазерных систем самонаведения определяется типом системы, характером цели и условиями боевых действий. К примеру, для управляемых бомб целеуказатель и бомба с головкой самонаведения могут находиться на одном носителе.

Лазерные системы разведки

Для разведки с воздушных носителей в зарубежных армиях используются самые разные средства: фотографические, телевизионные, инфракрасные, радиотехнические и др. Наибольшую емкость полезной информации дают средства фоторазведки. Но им присущи такие недостатки, как невозможность ведения скрытной разведки в ночных условиях, а также долгие сроки обработки, передачи и предоставления материалов, несущих информацию.

Принцип действия лазерной системы воздушной разведки заключается в следующем. Излучение с бортового носителя облучает разведываемый участок местности, и расположенные на нем объекты по-разному отражают упавшее на него излучение. Можно заметить, что один и тот же объект, в зависимости от того, на каком фоне он расположен, имеет разный коэффициент яркости, следовательно, он имеет демаскирующие признаки. Его просто выделить на окружающем фоне.

Поскольку в лазерных системах разведки реализуется, как правило, строчно-кадровая развертка, то такая система близка к телевизионной. Узконаправленный луч лазера развертывается перпендикулярно направлению полета самолета. Одновременно с этим сканирует и диаграмма направленности приемной системы. Это обеспечивает формирование строчки изображения. Развертка по кадру обеспечивается движением самолета. Изображение регистрируется или на фотопленку, или воспроизводится на экране.

Голограммы на лобовом стекле

Для использования в прицельно-навигационной системе ночного видения, предназначенной для истребителя F-16 и штурмовика A-10, был разработан голографический индикатор на лобовом стекле. При этом решалась проблема приведения наблюдаемого изображения в соответствие с изображением на индикаторе при полетах на малых высотах в ночное время.

Система ночного видения давала несколько увеличенное изображение, которым летчик не мог воспользоваться, поскольку несколько искажалась картина, которую можно бы было получить при визуальном обзоре. Исследования показали, что летчик терял уверенность, стремился лететь с меньшей скоростью и на большей высоте. Нужно было создать систему, обеспечивающую получение реального изображения довольно большого размера, чтобы летчик мог пилотировать самолет визуально ночью и в сложных метеоусловиях, лишь изредка сверяясь с приборами.

В США также разрабатывается голографический координатор для распознавания и сопровождения целей. Главным назначением такого коррелятора является выработка и контроль сигналов управления наведения ракеты на среднем и заключительном участках траектории полета. Это достигается путем моментального сравнения изображений земной поверхности, находящейся в поле зрения системы в нижней и передней полусфере, с изображением, хранящемся в запоминающем устройстве системы.

Применение данной схемы, как утверждают специалисты, позволит запускать ракеты с носителя, находящегося вне зоны ПВО противника. С любой высоты и точки траектории, при любом ракурсе она обеспечит высокую помехоустойчивость наведения управляемого оружия на заранее выбранные и хорошо замаскированные стационарные цели.

Арсений Митько, к. т. н., Арктическая академия наук