Zuvor haben wir untersucht, wie sich Lasertechnologien entwickeln, welche Laserwaffen für den Einsatz im Interesse der Luftstreitkräfte, Bodentruppen und Luftverteidigung sowie der Marine geschaffen werden können.
Jetzt müssen wir verstehen, ob es möglich ist, sich dagegen zu wehren und wie. Es wird oft gesagt, dass es ausreicht, die Rakete mit einer Verspiegelung zu beschichten oder das Projektil zu polieren, aber so einfach ist leider nicht alles.
Ein typischer aluminiumbeschichteter Spiegel reflektiert etwa 95 % der einfallenden Strahlung und seine Effizienz hängt stark von der Wellenlänge ab.
Von allen in der Grafik dargestellten Materialien weist Aluminium das höchste Reflexionsvermögen auf, das keineswegs ein feuerfestes Material ist. Erwärmt sich der Spiegel bei schwacher Strahlung leicht, so wird bei starker Strahlung das Material der Spiegelbeschichtung schnell unbrauchbar, was zu einer Verschlechterung der Reflexionseigenschaften und weiterer lawinenartiger Erwärmung und Zerstörung.
Bei einer Wellenlänge von weniger als 200 nm fällt die Effizienz der Spiegel stark ab; gegen Ultraviolett- oder Röntgenstrahlung (Freie-Elektronen-Laser) funktioniert dieser Schutz überhaupt nicht.
Es gibt experimentelle künstliche Materialien mit 100% Reflektivität, aber sie funktionieren nur für eine bestimmte Wellenlänge. Außerdem können Spiegel mit speziellen mehrschichtigen Beschichtungen beschichtet werden, die ihre Reflektivität auf bis zu 99,999 % erhöhen. Diese Methode funktioniert aber auch nur für eine Wellenlänge und unter einem bestimmten Winkel einfallend.
Vergessen Sie nicht, dass die Betriebsbedingungen von Waffen weit von Laborbedingungen entfernt sind, d. Die Spiegelrakete oder das Projektil muss in einem mit Inertgas gefüllten Behälter aufbewahrt werden. Geringste Trübungen oder Flecken, wie zum Beispiel von Handabdrücken, beeinträchtigen sofort das Reflexionsvermögen des Spiegels.
Beim Verlassen des Behälters wird die Spiegeloberfläche sofort der Umgebung ausgesetzt - Atmosphäre und Hitze. Wenn die Spiegeloberfläche nicht mit einer Schutzfolie bedeckt ist, führt dies sofort zu einer Verschlechterung ihrer Reflexionseigenschaften, und wenn sie mit einer Schutzbeschichtung beschichtet ist, verschlechtert sie selbst die Reflexionseigenschaften der Oberfläche.
Zusammenfassend stellen wir fest, dass Spiegelschutz nicht sehr gut zum Schutz vor Laserwaffen geeignet ist. Und was passt dann?
In gewissem Maße hilft das Verfahren des "Verschmierens" der thermischen Energie des Laserstrahls über den Körper, indem eine Rotationsbewegung des Flugzeugs (AC) um seine eigene Längsachse bereitgestellt wird. Diese Methode ist jedoch nur für Munition und bedingt für unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) geeignet, weniger effektiv ist sie bei Laserbestrahlung in die Vorderseite des Rumpfes.
Bei einigen Arten von geschützten Objekten, zum Beispiel bei Gleitbomben, Marschflugkörpern (CR) oder Panzerabwehrlenkflugkörpern (ATGM), die ein Ziel von oben angreifen, kann diese Methode ebenfalls nicht angewendet werden. Nicht-rotierend sind zum größten Teil Mörserminen. Es ist schwierig, Daten über alle nicht rotierenden Flugzeuge zu sammeln, aber ich bin mir sicher, dass es viele davon gibt.
In jedem Fall wird die Wirkung der Laserstrahlung auf das Ziel durch die Rotation des Flugzeugs nur geringfügig reduziert, daDie von der starken Laserstrahlung auf den Körper übertragene Wärme wird auf die inneren Strukturen und weiter auf alle Komponenten des Flugzeugs übertragen.
Auch der Einsatz von Dämpfen und Aerosolen als Gegenmaßnahmen gegen Laserwaffen ist begrenzt. Wie bereits in den Artikeln der Serie erwähnt, ist der Einsatz von Lasern gegen bodengestützte gepanzerte Fahrzeuge oder Schiffe nur in Verbindung mit Überwachungsgeräten möglich, auf deren Schutz wir später zurückkommen. Es ist unrealistisch, in absehbarer Zeit den Rumpf eines Schützenpanzers oder Überwasserschiffes mit einem Laserstrahl zu verbrennen.
Natürlich ist es unmöglich, einen Rauch- oder Aerosolschutz gegen Flugzeuge aufzubringen. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit des Flugzeugs wird Rauch oder Aerosol immer durch den entgegenkommenden Luftdruck zurückgeblasen, bei Hubschraubern werden sie durch den Luftstrom vom Propeller weggeblasen.
So darf ein Schutz vor Laserwaffen in Form von versprühten Dämpfen und Aerosolen nur bei leicht gepanzerten Fahrzeugen erforderlich sein. Auf der anderen Seite sind Panzer und andere gepanzerte Fahrzeuge oft bereits mit Standardsystemen zum Aufbau von Nebelwänden ausgestattet, um die Eroberung feindlicher Waffensysteme zu stören, und können in diesem Fall bei der Entwicklung entsprechender Füllstoffe auch zur Abwehr von Laserwaffen eingesetzt werden.
Zurück zum Schutz optischer und thermischer Aufklärungsgeräte kann davon ausgegangen werden, dass der Einbau optischer Filter, die den Durchgang von Laserstrahlung einer bestimmten Wellenlänge verhindern, nur in der Anfangsphase zum Schutz vor Laserwaffen geringer Leistung geeignet ist. aus den folgenden Gründen:
- eine große Auswahl an Lasern verschiedener Hersteller mit unterschiedlichen Wellenlängen im Einsatz sein wird;
- ein Filter, der dazu bestimmt ist, eine bestimmte Wellenlänge zu absorbieren oder zu reflektieren, wenn er starker Strahlung ausgesetzt wird, wird wahrscheinlich versagen, was entweder dazu führt, dass Laserstrahlung auf die empfindlichen Elemente trifft oder die Optik selbst versagt (Trübung, Bildverzerrung);
- Einige Laser, insbesondere der Freie-Elektronen-Laser, können die Betriebswellenlänge über einen weiten Bereich ändern.
Der Schutz optischer und thermischer Aufklärungsgeräte kann für Bodengeräte, Schiffe und Luftfahrtgeräte durch die Installation von Hochgeschwindigkeits-Schutzschirmen erfolgen. Wird Laserstrahlung erkannt, sollte die Schutzscheibe die Linsen in Sekundenbruchteilen abdecken, doch auch dies garantiert keine Beschädigung der empfindlichen Elemente. Es ist möglich, dass der weit verbreitete Einsatz von Laserwaffen im Laufe der Zeit zumindest eine Verdoppelung von Aufklärungsmitteln im optischen Bereich erfordert.
Wenn auf großen Trägern die Installation von Schutzschirmen und Vervielfältigungsmitteln der optischen und thermischen Bildaufklärung durchaus machbar ist, ist dies bei hochpräzisen Waffen, insbesondere bei kompakten, viel schwieriger. Zum einen werden die Gewichts- und Größenanforderungen für den Schutz deutlich verschärft, zum anderen kann es durch die Einwirkung von Hochleistungslaserstrahlung auch bei geschlossenem Shutter aufgrund der dichten Anordnung zu einer Überhitzung der Komponenten des optischen Systems kommen, die zu partiellen oder vollständige Betriebsunterbrechung.
Mit welchen Methoden lassen sich Geräte und Waffen effektiv vor Laserwaffen schützen? Es gibt zwei Hauptwege - ablativer Schutz und konstruktiver wärmeisolierender Schutz.
Der Ablationsschutz (von lat. ablatio – Wegnehmen, Masseverschleppung) beruht auf der Entfernung eines Stoffes von der Oberfläche des zu schützenden Objekts durch einen heißen Gasstrom und/oder auf der Neustrukturierung der Grenzschicht, die zusammen signifikant reduziert die Wärmeübertragung auf die geschützte Oberfläche. Mit anderen Worten, die eingehende Energie wird zum Erhitzen, Schmelzen und Verdampfen des Schutzmaterials verwendet.
Derzeit wird ablativer Schutz aktiv in Abstiegsmodulen von Raumfahrzeugen (SC) und in Düsen von Strahltriebwerken eingesetzt. Am weitesten verbreitet sind verkohlende Kunststoffe auf Basis von Phenol, Organosilicium und anderen Kunstharzen, die Kohlenstoff (einschließlich Graphit), Siliciumdioxid (Silica, Quarz) und Nylon als Füllstoffe enthalten.
Der Ablationsschutz ist wegwerfbar, schwer und voluminös, daher macht es keinen Sinn, ihn in wiederverwendbaren Flugzeugen zu verwenden (lesen Sie nicht alle bemannten und die meisten unbemannten Flugzeuge). Seine einzige Anwendung ist bei geführten und ungelenkten Projektilen. Und hier ist die Hauptfrage, wie dick der Schutz für einen Laser mit einer Leistung von beispielsweise 100 kW, 300 kW usw. sein sollte.
Bei der Apollo-Sonde reicht die Dicke der Abschirmung von 8 bis 44 mm für Temperaturen von mehreren hundert bis mehreren tausend Grad. Irgendwo in diesem Bereich wird auch die erforderliche Dicke des ablativen Schutzes vor Kampflasern liegen. Es ist leicht vorstellbar, wie sich dies auf die Gewichts- und Größeneigenschaften und damit auf die Reichweite, Manövrierfähigkeit, das Gewicht des Gefechtskopfes und andere Parameter der Munition auswirkt. Der ablative Wärmeschutz muss auch Überlastungen beim Start und beim Manövrieren standhalten und die Normen der Bedingungen für die Munitionslagerung einhalten.
Ungelenkte Munition ist fragwürdig, da die ungleichmäßige Zerstörung des ablativen Schutzes vor Laserstrahlung die Außenballistik verändern kann, wodurch die Munition vom Ziel abweicht. Wenn irgendwo bereits ein ablativer Schutz verwendet wird, zum Beispiel in Hyperschallmunition, müssen Sie seine Dicke erhöhen.
Eine andere Schutzmethode ist eine strukturelle Beschichtung oder Ausführung des Gehäuses mit mehreren Schutzschichten aus feuerfesten Materialien, die gegen äußere Einflüsse beständig sind.
Wenn wir eine Analogie zu Raumfahrzeugen ziehen, können wir den Wärmeschutz des wiederverwendbaren Raumschiffs "Buran" betrachten. In Bereichen, in denen die Oberflächentemperatur 371 - 1260 Grad Celsius beträgt, wurde eine Beschichtung aus amorphen Quarzfasern mit einer Reinheit von 99,7% aufgebracht, denen ein Bindemittel, kolloidales Siliziumdioxid, zugesetzt wurde. Der Belag wird in Form von Fliesen in zwei Standardgrößen mit einer Dicke von 5 bis 64 mm hergestellt.
Auf die Außenfläche der Fliesen wird Borosilikatglas mit einem speziellen Pigment (weiße Beschichtung auf Basis von Siliziumoxid und glänzendem Aluminiumoxid) aufgetragen, um einen niedrigen Absorptionskoeffizienten der Sonnenstrahlung und einen hohen Emissionsgrad zu erzielen. Am Bugkonus und an den Flügelspitzen des Fahrzeugs wurde ein Ablationsschutz verwendet, wo die Temperaturen 1260 Grad übersteigen.
Es ist zu beachten, dass bei längerem Betrieb der Schutz der Fliesen vor Feuchtigkeit beeinträchtigt werden kann, was zum Verlust des Wärmeschutzes ihrer Eigenschaften führt, daher kann sie nicht direkt als Laserschutz für wiederverwendbare Flugzeuge verwendet werden.
Derzeit wird ein vielversprechender ablativer Wärmeschutz mit minimalem Oberflächenverschleiß entwickelt, der den Schutz von Flugzeugen vor Temperaturen bis 3000 Grad gewährleistet.
Ein Team von Wissenschaftlern des Royce Institutes der University of Manchester (UK) und der Central South University (China) hat ein neues Material mit verbesserten Eigenschaften entwickelt, das Temperaturen bis 3000 °C ohne strukturelle Veränderungen übersteht. Dabei handelt es sich um eine keramische Beschichtung Zr0,8Ti0,2C0,74B0,26, die einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmatrix überlagert ist. In ihren Eigenschaften übertrifft die neue Beschichtung die besten Hochtemperaturkeramiken deutlich.
Die chemische Struktur der hitzebeständigen Keramik selbst wirkt als Abwehrmechanismus. Bei einer Temperatur von 2000°C oxidieren die Materialien Zr0.8Ti0.2C0.74B0.26 und SiC und wandeln sich in Zr0.80T0.20O2, B2O3 bzw. SiO2 um. Zr0.80Ti0.20O2 schmilzt teilweise und bildet eine relativ dichte Schicht, während niedrigschmelzende Oxide SiO2 und B2O3 verdampfen. Bei einer höheren Temperatur von 2500 °C werden die Zr0.80Ti0.20O2-Kristalle zu größeren Formationen verschmolzen. Bei einer Temperatur von 3000 °C bildet sich eine nahezu absolut dichte Außenschicht, die hauptsächlich aus Zr0,80Ti0,20O2, Zirkoniumtitanat und SiO2 besteht.
Darüber hinaus entwickelt die Welt spezielle Beschichtungen zum Schutz vor Laserstrahlung.
Ein Sprecher der Volksbefreiungsarmee Chinas erklärte bereits 2014, dass amerikanische Laser keine besondere Gefahr für mit einer speziellen Schutzschicht umhüllte chinesische Militärausrüstung darstellen. Bleibt nur noch die Frage der Laser, welche Leistung diese Beschichtung schützt und welche Dicke und Masse sie hat.
Von größtem Interesse ist eine von amerikanischen Forschern des National Institute of Standards and Technology und der University of Kansas entwickelte Beschichtung – eine Aerosolzusammensetzung auf Basis einer Mischung aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen und spezieller Keramik, die Laserlicht effektiv absorbieren kann. Die Nanoröhren des neuen Materials absorbieren Licht gleichmäßig und übertragen Wärme an nahegelegene Bereiche, wodurch die Temperatur am Kontaktpunkt mit dem Laserstrahl gesenkt wird. Keramische Hochtemperaturverbindungen verleihen der Schutzschicht eine hohe mechanische Festigkeit und Beständigkeit gegen Beschädigungen durch hohe Temperaturen.
Während des Tests wurde eine dünne Materialschicht auf die Kupferoberfläche aufgetragen und nach dem Trocknen ein Strahl eines langwelligen Infrarotlasers, einem Laser zum Schneiden von Metall und anderen harten Materialien, auf die Oberfläche des Materials fokussiert.
Die Analyse der gesammelten Daten zeigte, dass die Beschichtung erfolgreich 97,5 Prozent der Laserstrahlenergie absorbierte und einem Energieniveau von 15 kW pro Quadratzentimeter Oberfläche ohne Zerstörung standhielt.
Bei dieser Beschichtung stellt sich die Frage: In Tests wurde eine Schutzschicht auf eine Kupferoberfläche aufgebracht, die aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit an sich eines der schwierigsten Materialien für die Laserbearbeitung ist, es ist unklar, wie eine solche Schutzschicht wird sich mit anderen Materialien verhalten. Außerdem stellen sich Fragen nach der maximalen Temperaturbeständigkeit, der Widerstandsfähigkeit gegen Vibrationen und Schockbelastungen, den Auswirkungen von atmosphärischen Bedingungen und ultravioletter Strahlung (Sonne). Die Zeit, während der die Bestrahlung durchgeführt wurde, ist nicht angegeben.
Ein weiterer interessanter Punkt: Wenn die Flugzeugtriebwerke zusätzlich mit einer Substanz mit hoher Wärmeleitfähigkeit beschichtet sind, wird der gesamte Körper gleichmäßig von ihnen erwärmt, was das Flugzeug im thermischen Spektrum maximal demaskiert.
In jedem Fall stehen die Eigenschaften des oben genannten Aerosolschutzes in direktem Verhältnis zur Größe des geschützten Objekts. Je größer das Schutzobjekt und der Erfassungsbereich, desto mehr Energie kann über die Fläche gestreut und in Form von Wärmestrahlung und Kühlung durch den einfallenden Luftstrom abgegeben werden. Je kleiner das geschützte Objekt, desto dicker muss der Schutz sein. durch die kleine Fläche kann nicht genügend Wärme abgeführt werden und die internen Strukturelemente werden überhitzt.
Der Einsatz von Laserstrahlungsschutz, egal ob ablativ oder konstruktiv wärmeisolierend, kann den Trend zur Verkleinerung von gelenkten Munitionen umkehren und die Wirksamkeit sowohl von gelenkter als auch nicht gelenkter Munition deutlich reduzieren.
Alle Lagerflächen und Bedienelemente - Flügel, Stabilisatoren, Ruder - müssen aus teuren und schwer zu verarbeitenden feuerfesten Materialien hergestellt werden.
Eine gesonderte Frage stellt sich zum Schutz von Radardetektoren. Auf der experimentellen Raumsonde "BOR-5" wurde der radiotransparente Hitzeschild getestet - Glasfaser mit einem Silikatfüller, aber ich konnte seine Hitzeschutz- und Gewichts- und Größeneigenschaften nicht finden.
Es ist noch nicht klar, ob durch Bestrahlung mit starker Laserstrahlung aus dem Radom von Radaraufklärungsgeräten eine Hochtemperatur-Plasmabildung entstehen kann, allerdings mit Schutz vor Wärmestrahlung, die den Durchtritt von Funkwellen verhindert, durch womit das Ziel verloren gehen kann.
Zum Schutz des Gehäuses kann eine Kombination aus mehreren Schutzschichten verwendet werden - hitzebeständig-niedrig-wärmeleitend von innen und reflektierend-hitzebeständig-hochwärmeleitend von außen. Es ist auch möglich, dass zusätzlich zum Schutz vor Laserstrahlung Stealth-Materialien angebracht werden, die der Laserstrahlung nicht standhalten können und sich von Schäden durch Laserwaffen erholen müssen, falls das Flugzeug selbst überlebt.
Es kann davon ausgegangen werden, dass die Verbesserung und weite Verbreitung von Laserwaffen die Bereitstellung eines Laserschutzes für alle verfügbare Munition, sowohl gelenkte als auch ungelenkte sowie bemannte und unbemannte Luftfahrzeuge, erfordern wird.
Die Einführung des Laserschutzes wird unweigerlich zu einer Erhöhung der Kosten, des Gewichts und der Abmessungen von gelenkter und ungelenkter Munition sowie von bemannten und unbemannten Luftfahrzeugen führen.
Abschließend können wir eine der entwickelten Methoden zur aktiven Abwehr eines Laserangriffs erwähnen. Das in Kalifornien ansässige Unternehmen Adsys Controls entwickelt das Abwehrsystem Helios, das die feindliche Laserführung niederschlagen soll.
Wenn der Kampflaser des Feindes auf das geschützte Gerät gerichtet wird, bestimmt Helios dessen Parameter: Leistung, Wellenlänge, Pulsfrequenz, Richtung und Entfernung zur Quelle. Helios verhindert außerdem, dass der Laserstrahl des Feindes auf ein Ziel fokussiert wird, vermutlich durch das Zielen eines entgegenkommenden Laserstrahls mit niedriger Energie, der das Zielsystem des Feindes verwirrt. Die detaillierten Eigenschaften des Helios-Systems, sein Entwicklungsstadium und seine praktische Leistungsfähigkeit sind noch unbekannt.
