Laser bojowy – co z nim nie tak?

Pierwsze lasery zapre­zen­to­wano w latach 60. XX wieku. Zaraz potem pojawiły się pomysły na zasto­so­wa­nie ich w celach wojskowych. Jak na razie lasery małej mocy znalazły zastosowanie w dal­mie­rzach, łączności i jeszcze w kilku pokrewnych dziedzinach, jak na przykład lidar. Niszcze­nie na masową skalę wrogich obiektów promieniem lasera wielkiej mocy udało się wdrożyć tylko w filmach fabularnych, pobudzających wyobraźnię widzów.

Już od wielu lat przemysł oferuje lasery do cięcia różnych materiałów, w tym do cięcia stali. Należy zauważyć, że cięcie stali to wcale nieprosta sprawa. Temperatura topnienia stali to ponad 1300 stopni Celsjusza. Na dodatek stal bardzo dobrze przewodzi ciepło. Część energii promienia marnuje się na nagrzanie przecinanego materiału. Jeżeli miejsce cięcia będziemy nagrzewać promieniem o zbyt słabej gęstości energii, otrzymamy tylko nadtopienie powierzchni obrabia­nego materiału, a spora część energii zostanie rozproszona na nagrzanie objętości wolno nagrzewanej stali.

Jakby tego było mało, często obrabiana stal ma zwierciadlany połysk i część energii promienia odbija się od powierzchni. A pomimo to w realnie działających urządze­niach cięcie laserem kilkumilimetrowej grubości stali nie jest niczym nadzwyczajnym, idzie szybko, a nierówna powierzchnia cięcia powstaje dopiero w płytach centymet­ro­wej grubości i grubszych. Moc lase­rów w takich urządzeniach nie jest specjalnie duża, zazwyczaj to zaledwie kilka kilowatów. Skoro tak stosunkowo słabym laserem można w czasie poniżej sekundy zrobić dziurę w stali o grubości kilku milimetrów, to na czym polega problem, aby zrobić taką samą dziurę na przykład w nadlatującym pocisku moź­dzie­rzowym?

Prawdopodobnie najambitniej­sza jak dotąd próba skon­stru­o­wa­nia lasera bojowego: samolot YAL-1, mający zestrzeliwać pociski balistycz­ne. Wieżyczka z głowicą lasera w pozycji bojowej.
(US Missile Defense Agency)

Można też wykorzystać o rząd wielkości mocniejszy laser, skracając około dziesięciu razy czas naświetlania celu. Lasery o mocy kilkudziesięciu kilowatów są dostępne i nie stanowią wyzwania technologicznego. Zniszczenie latającego bezzałogowca z tworzyw sztucznych powinno być nawet łatwiejsze, bo temperatura topnienia większości tworzyw sztucznych jest poniżej kilkuset stopni Celsjusza, a niska przewodność cieplna i palność większości tworzyw sztucznych powinny sprawę ułatwić.

Na czym więc polega problem? Dlaczego przecięcie trudnotopliwej stali kilkumilimetrowej grubości na przystosowanym do tego celu urządzeniu jest proste, a wypalenie dziurki w łatwo­palnym i cienkim plastiku powietrznego bezzałogowca jest takie trudne?

Aby odpowiedzieć na te pytania przyjrzyjmy się najpierw, jak skonstruowana jest głowica urzą­dze­nia do cięcia metalowych płyt, skupiająca światło lasera na obrabianym metalu.

Jedną z najważniejszych części głowicy jest soczewka, skupiająca światło lasera na powierzchni przecinanego materiału. Dlaczego jest taka istotna? Zadaniem soczewki jest skupić promień w jak najmniejszą plamkę. Im mniejsza plamka skupionego światła, tym większa gęstość energii świetlnej skierowanej na obrabiany materiał i tym wyższa temperatura osiągana na powierzchni ciętego metalu. Jeżeli uda się skupić światło lasera w podobnej wielkości plamkę na korpusie nadlatującego pocisku moździerzowego i utrzymać ją podobny czas w tym samym punkcie, bez wątpienia wypalimy taką samą dziurę, jaką wypala obrabiarka do cięcia laserowego w przecina­nej stalowej płycie o podobnej grubości. Problem polega właśnie na tym, że to nie takie proste. A ściślej mówiąc: to niemożliwe.

Schemat głowicy lasera tnącego.
(KDS4444, Creative Commons Uznanie autorstwa – Na tych samych warunkach 4.0 Międzynarodowe)

Niestety skupienie promienia w jak najmniejszą plamkę wiąże się także ze zmniejszeniem długości ogniskowej soczewki. Oznacza to, że uzyskanie plamki o najmniejszej powierzchni możliwe jest tylko na bardzo małych odległościach od soczewki, porównywalnych ze średnicą samej soczewki. Na dodatek pojawiają się także wyższe wymagania co do dokładności ogniskowania i ogranicza się możliwość cięcia grubszego materiału. W przypadku nierównej powierzchni bądź grubości przecinanego materiału niedokładne ogniskowanie pogarsza jakość przeciętej krawędzi. To dlatego w urządzeniach przemysłowych do cięcia laserem głowica z soczewką porusza się bardzo blisko powierzchni ciętego materiału. Umieszczenie jej wyżej umożliwiłoby cięcie nie tylko płaskich arkuszy, ale również wyrobów o złożonej geometrii. Na przeszkodzie stoi jednak właśnie niemożność skupienia promienia w jak najmniejszą plamkę.

Wzrost długości ogniskowej umożliwia cięcie grubszego materiału. Niestety, ale wzrasta również rozmiar plamki. Dobrze to widać na poniższej ilustracji. Niewielkie zwiększenie długości ogniskowej powoduje wzrost rozmiarów plamki nawet o rząd wielkości.

Odkąd rozpoczęliśmy finansowanie Konfliktów przez Patronite i Buycoffee, serwis pozostał dzięki Waszej hojności wolny od reklam Google. Aby utrzymać ten stan rzeczy, potrzebujemy 2000 złotych miesięcznie.

Możecie nas wspierać przez Patronite.pl i przez Buycoffee.to.

Rozumiemy, że nie każdy może sobie pozwolić na to, by nas sponsorować, ale jeśli wspomożecie nas finansowo, obiecujemy, że Wasze pieniądze się nie zmarnują. Nasze comiesięczne podsumowania sytuacji finansowej możecie przeczytać tutaj.

Co gorsza, wraz ze wzrostem rozmiaru plamki wykładniczo maleje gęstość energii. Jeżeli założymy, że plamka lasera pada prostopadle na płaski arkusz metalu, to jej powierzchnię możemy obliczyć ze wzoru S=πR², czyli powierzchni okręgu. Dwukrotne powiększenie średnicy plamki powoduje czterokrotne zwiększenie jej powierzchni. Trzykrotne powiększenie średnicy powoduje już dziewięciokrotne zwiększenie powierzchni i odpowiednio tyle samo razy zmniejszenie gęstości energii na jednostkę powierzchni. Jeżeli wraz ze wzrostem odległości parametry techniczne naszego urządzenia pogarszają się wykładniczo, to będzie problem z osiągnięciem zadowalających rezultatów, pomimo że na małych odległościach to działa zaskakująco dobrze.

Skoro skupiająca soczewka nadaje się tylko do pracy z bardzo małej odległości, przy naświe­tla­niu obiektów odległych o kilometry trzeba stosować innego rodzaju system soczewek i zwiercia­deł, które zamiast skupiać światło, emitują cienką wiązkę równoległych promieni. Taka wiązka teoretycznie powinna zachować swoją początkową średnicę również na dużych odległoś­ciach. W praktyce ze względu na zjawisko dyfrakcji promień będzie miał formę nie­znacz­nie rozchodzą­cego się stożka światła i plamka lasera będzie powiększać się wraz z odleg­łoś­cią, ale zwiększenie plamki nie będzie tak drastycznie szybkie jak w przypadku soczewki skupiającej. Niestety, nie­moż­ność zastosowania soczewki skupiającej oznacza także, iż plamka lasera już na wyjściu z obiektywu będzie znacznie większa, a gęstość energii – o rzędy wielkości mniejsza niż w urzą­dze­niach do cięcia laserem.

To jednak nie koniec problemów w konstruowaniu i stosowaniu broni laserowej.

W dyskusjach internetowych o skuteczności przyszłej broni laserowej część dyskutantów jako poważny problem widzi przeźroczystość powietrza, czyli zamglenia i unoszący się w powietrzu kurz, ewentualnie dym, które mogą osłabić intensywność promienia. Zapewne jest to jakiś problem, ale wydaje się, że to pikuś w porównaniu z problemami technicznymi związanymi z utrzymaniem wiązki lasera na dronie.

Wrogi dron raczej nie będzie chciał współpracować i ustawić się w najkorzystniejszej dla nas pozycji, gdy promień pada prostopadle na powierzchnię, za którą są istotne elementy sterowania bądź napędu. Promień w większości przypadków będzie padał na płatowiec ukośnie. Oznacza to, że plamka zamiast idealnego okręgu przybierze formę mniej lub bardziej wydłużonej elipsy, zwiększając i tak już zbyt dużą powierzchnię.

Stryker z eksperymentalnym laserowym systemem przeciwlotniczym MEHEL.
(Monica K. Guthrie, Fort Sill Public Affairs)

Niestety, to nie ostatni czynnik negatywnie wpływający na możliwość wypalenia dziury w płatowcu poruszającego się drona. Kolejny problem wiąże się ze sterowaniem obiektywem lasera. Pożądane jest przecież, aby nie tylko trafić, ale też utrzymać plamkę w tym samym punkcie płatowca przez czas przynajmniej kilku sekund. Inaczej nie damy rady wypalić dziury. Dron typu Mavic z odległości kilometra będzie niewidoczny gołym okiem, a chcemy utrzymać plamkę na poruszającym się dronie w jednym punkcie przynajmniej z dokładnością około centymetra.

Cel należy śledzić, kierując obiektyw za pomocą precyzyjnej mechaniki. Jeżeli chcemy wycelo­wać promień możliwe dokładnie, kroki w zmianie kątów powinny być jak najmniejsze. Przy zmianie kąta obiektywu o jedną sekundę kątową plamka na odległości kilometra przesunie się o ~5 milimetrów. Przy 4 kilometrach będzie to już 2 centymetry. (Pełny okrąg ma 360 stopni, jeden stopień kątowy ma 60 minut kątowych, a jedna minuta kątowa ma 60 sekund kątowych).

Niestety, dokładność pozycjonowania stoi w sprzeczności z potrzebą szybkości zmiany położenia obiektywu. Jeżeli nisko lecący dron pojawi się nagle z nieoczekiwanego kierunku, trzeba sko­kowo zmieniać kąty w azymucie i elewacji, czyli „kroki” w zmianie kątów powinny być jak największe. Projektując broń laserową, musimy wybrać, czy sterowanie mechaniką lasera będzie precyzyjne i tym samym wolne, czy szybkie i tym samym niedokładne. Istnieją rozwiązania tech­niczne próbujące pogodzić oba te sprzeczne ze sobą wymagania jak najmniejszych i jak naj­więk­szych kroków, ale zawsze prowadzi to do skomplikowania konstrukcji i uzyskania komp­ro­misu, gdy mechanizm pozycjonowania nie będzie ani dostatecznie precyzyjny, ani dosta­tecz­nie szybki.

O ile przy łatwych celach (dron w zawisie albo poruszający się z bardzo małą prędkością) utrzy­ma­nie plamki lasera w jednym punkcie płatowca będzie względnie łatwe, o tyle wraz ze wzros­tem odległości do celu, szybkości drona i szczególnie podczas manewrowania będzie to coraz trudniejsze, a w realnych warunkach pola walki raczej niemożliwe. Plamka będzie się ślizgać po powierzchni płatowca, rozpraszając energię i wydłużając czas potrzebny do wypalenia dziury w płatowcu.

Jak wszystkie te czynniki działają w praktyce, można było zobaczyć podczas prób zastosowania lasera na okręcie desantowym USS Ponce (LPD 15) do zniszczenia powolnego powietrznego drona. W filmiku laser smaży, smaży i smaży ten nieszczęsny cel przez długie kilka sekund, aż dron zaczyna dymić i przez następne długie sekundy nadal nie chce spaść.

Jak można się domyślić z powyższego tekstu, autor jest mocno sceptyczny co do realnego zastosowania laserów na polu walki do niszczenia energią promienia wrogich obiektów. A teraz specjalnie dla oczytanych Czytelników, którzy chcieliby skomentować artykuł, zaczynając od słów: „A w Izraelu…”.

Z entuzjastycznych doniesień izraelskich środków masowego przekazu z załączonym materiałem filmowym wynika, że w 2025 roku wykorzystano bojowo prototypowy izraelski laser, który zniszczył duży dron, podpalając płatowiec. Dodatkowo podano, że plamka izraelskiego lasera jest mniej więcej średnicy monety, laser w kilku wersjach ma moc od 20 do 50 kilowatów i jest w stanie skutecznie porazić cel w odległości do 7 kilometrów.

Porównajmy te dane z realnie działającym i produkowanym seryjne przemysłowym laserowym urządzeniem do cięcia stali o mocy 2 kilowatów, które w ułamku sekundy jest w stanie wypalić otworek w stali o grubości 1 milimetra.

Moneta o nominale 1 euro ma nieco ponad 23 milimetry średnicy. Dla uproszczenia przyjmijmy, że plamka ma 2 centymetry średnicy. Jeżeli porównamy jej powierzchnię z powierzchnią naj­więk­szej plamki z rysunku poniżej (0,33 milimetra), zobaczymy, że jest ona większa 3673 razy, czyli upraszczając: gęstość energii będzie jakieś trzy rzędy wielkości mniejsza. Co można osiąg­nąć z takim promieniem? Jeżeli płatowiec byłby z milimetrowej grubości zwierciadlanej stali, to w kilkadziesiąt sekund nagrzewania najwyżej nieco go podgrzejemy. Podobny efekt uzyskamy przy płatowcu z aluminium (temperatura topnienia aluminium – 660 stopni).

Jeżeli płatowiec drona będzie z plastiku, to co innego. Temperatura topnienia polietylenu wyso­kiej gęstości to 126–135 stopni, polipropylenu – 160–170 stopni, poliuretanu – 120–250 stopni. To rząd wielkości mniej niż temperatura topnienia stali. Na dodatek ze względu na złe przewod­nic­two cieplne plastiku nie ma dodatkowych strat energii na nagrzewanie płatowca poza naświe­tla­nym miejscem. Jeżeli zwiększymy moc lasera o rząd wielkości i wydłużymy czas naświetlania o następny rząd wielkości (czyli z ułamka sekundy do kilku sekund), zniwelujemy zmniejszoną o trzy rzędy gęstość energii i mamy realną szansę wypalić dziurę w płatowcu drona skonstruowa­nego z plastiku o temperaturze topnienia bądź zapłonu stu kilkudziesięciu stopni.

To w przypadku drona nieruchomego albo poruszającego się z bardzo małą prędkością, gdy moż­liwe jest utrzymanie plamki lasera mniej więcej w jednym punkcie płatowca. W przypadku drona poruszającego się szybciej będziemy zmuszeni wydłużyć czas naświetlania o dalszy rząd wiel­kości z powodów opisanych powyżej į w rezultacie otrzymamy kilkanaście albo kilkadzie­siąt sekund ekspozycji. Co i widzimy na udostępnianych filmikach. Żadnych rozpropa­go­wa­nych w filmach fabularnych „strzałów laserowych” po których porażony obiekt efektownie wybucha.

Niszczenie nadlatujących stalowych pocisków moździerzowych możemy sobie darować pomimo entuzjastycznych zapewnień pojawiających się w prasie. Przepalenie laserem o takiej mocy stalowej kilkumilimetrowej grubości skorupy granatu moździerzowego w kilka sekund lotu do uderzenia go w cel nie jest możliwe. O niszczeniu stabilizowanych obrotowo pocisków artyleryjskich na szczęście nikt nie wspomina.

Z zastosowaniem bojowym lasera o takich parametrach nawet do niszczenia plastikowych dro­nów będziemy mieć kłopot. Do tego trzeba, aby dron pojawił się niezbyt daleko od naszego lasera, ale też niezbyt blisko. W pierwszym wypadku gęstość energii może być zbyt słaba, aby podpalić płatowiec i trudno będzie utrzymać plamkę w jednym punkcie, a w drugim dron będzie widoczny zbyt krótko i zabraknie czasu, aby nagrzać płatowiec do temperatury zapłonu. Na dodatek dron powinien być powolny, aby mechanizmy sterowania obiektywem nadążały z wystarczającą dokładnością go śledzić.

Oczywiście płatowiec musi być łatwopalny, o delikatnej konstrukcji i bez żadnych zabezpieczeń przed oddziaływaniem termicznym. Dron powinien być jeden, bo dwu w czasie kilkunastu sekund widoczności nijak nie damy rady strącić. Bardzo pożądana byłaby wcześniejsza informa­cja o dokładnej trasie przelotu, aby można było w odpowiednim miejscu ustawić laser. Jeżeli wszystkie te warunki zostaną spełnione, jest spora szansa na pozytywny debiut bojowy naszego lasera. Pytanie tylko, czy na realnym polu walki potrzebna jest broń, która jest droga, ma duże wymiary, działa powoli, w cieplarnianych warunkach i nie zawsze skutecznie. Czy nie taniej do eliminacji podobnie łatwych celów będzie wykorzystać karabiny maszynowe i działka małego kalibru?

Skoro mowa o kosztach. W dyskusjach o broni laserowej jako podstawową zaletę wymienia się niski koszt „pojedynczego strzału”, co zdaniem autora jest tylko częściowo prawdziwe. Jeżeli laser ma być gotowy do natychmiastowego użycia, musi być włączony i zasilany odpowiednim zapasem mocy elektrycznej. Inaczej mówiąc, laser w odróżnieniu od tradycyjnego działka zużywa „amunicję” również wtedy, gdy nie „strzela”. Na dodatek, utrzymywany w ciągłej gotowości do użycia laser sam się zużywa i chociaż trwałość współczesnych laserów to tysiące godzin nieprzerwanej pracy, nie jest ona bezgraniczna, a koszty naprawy, serwisu lasera muszą być doliczone do kosztów „pojedynczego strzału”. Podsumowując: końcowy koszt „pojedyn­czego strzału” może okazać się nie taki znowu niski jak się go reklamuje.

Broń laserowa nie będzie miała racji bytu, jeżeli nie będzie przewyższać parametrami dotych­czaso­wych systemów uzbrojenia. Ale jeżeli lasery o takiej mocy są mało użyteczne, to czy da się skonstruować mocniejsze urządzenie laserowe do zwalczania dronów?

Spróbujmy najpierw w przybliżeniu oszacować, jakiej mocy lasera potrzebujemy, aby niszczyć drony równie efektywnie, jak robi to szybkostrzelne działko 35-milimetrowe z amunicją programowalną, wybuchającą w pobliżu celu. Z doświadczeń wojny w Ukrainie wynika, że działko jest skuteczne na dystansie 2–3 kilometrów, do zniszczenia celu w rodzaju samolotu pocisku Szahed/Gierań potrzeba 3–5 pocisków odpalanych serią w czasie poniżej 1 sekundy.

Największą wadą obecnych systemów laserowych jest zbyt długi czas naświetlania. Jeżeli skrócić go do 0,1–0,3 sekundy, znacząco zmniejszą się wymagania co do precyzji naprowadzania pro­mie­nia. Aby to osiągnąć, należy o dwa rzędy wielkości zwiększyć moc lasera, od kilkudzie­się­ciu kilowatów do kilku megawatów. Aby móc niszczyć drony skonstruowane z termicznie odpornych materiałów, należałoby podnieść moc co najmniej o dalszy rząd wielkości, czyli do kilkudzie­się­ciu megawatów. Wtedy będziemy mieć szansę zniszczyć płatowiec drona z alumi­nium w ułamku sekundy, o ile nie będzie wypolerowany do zwierciadlanego połysku.

To wszys­tko przy założe­niu, że zachowamy taką samą gęstość energii (plamkę o rozmiarze monety) jak przy wspomnia­nym wyżej izraelskim laserze. A nie jest to możliwe bez wielokrotnego zwiększe­nia rozmiarów optyki obiektywu. W rezultacie otrzymamy ogromnych rozmiarów urządzenie, do którego zasila­nia potrzebna jest mała elektrownia. Skuteczność takiego urządzenia będzie porównywalna z wspomnianym powyżej działkiem kalibru 35 milimetrów. Według wiedzy autora nie skonstruo­wano jeszcze lasera o mocy kilkudziesięciu megawatów, ale nawet jeżeli pokonamy wszystkie wyzwania techniczne, czy gra warta jest świeczki?