ABD Hava Kuvvetleri SHiELD Projesi: Havadan Lazer Silahlarının Geliştirme Eğilimi
Özet: SHiELD projesine ve ABD Hava Kuvvetleri'ndeki havadan lazer silahlarının geliştirme rotasına ilişkin bir inceleme. Tipik parametre ayarları altında, bilgisayar kaynaklı bir lazer silahının taktik füze hedefine olan hasar mesafesini simüle edin ve sistem tasarımı ve değerlendirmesi için referans olarak ilgili değişiklik eğrisini verin. Kırınım limiti sınırlama ve odaklanmış emisyonun iki yöntemine dayalı olarak elde edilen sonuçlar, iyi bir uyuşma gösterir ve lazer ışınının aynı zamanda emisyonu odaklarken kırınım limiti sınırlama özelliklerine de uyduğunu gösterir. Simülasyon sonuçları ayrıca, lazer emisyon gücünü artırmanın ve hedef ışınlama süresini uzatmanın yanı sıra, ışın kalitesini iyileştirmenin ve emisyon açıklığını artırmanın, hedefe ışınlanan lazer güç yoğunluğunu artırmak ve hedef hasar mesafesini artırmak için özellikle etkili olduğunu göstermektedir. Son olarak, savaş platformunun boyutu / ağırlığı / enerji tüketimi kısıtlamaları, yüksek hızlı uçuş ortamı ve kendini savunma savaş gereksinimleri etrafında, birkaç zorlu teknik konu tartışılmaktadır.
Havadan lazer silahları, orta ve yüksek irtifalarda yüksek atmosferik temizlik ve zayıf lazer atmosferik iletim avantajlarından tam olarak faydalanabilir.Taşınan bomba miktarı ile sınırlı değildir ve geniş uygulama olanaklarına sahiptirler. ABD ordusu, karbondioksit ve kimyasal yüksek enerjili lazerlere dayanan havadan lazer silahları için araştırma ve gösteriler gerçekleştirdi, ancak lazer sisteminin boyut, ağırlık ve güvenlik açısından doğasında olan kusurlar nedeniyle proje devam edemedi.
Enerji kaynağı olarak elektriği kullanan levha veya fiber katı hal lazerleri, küçük, hafif, yüksek güç çıkışı ve yüksek ışın kalitesinde avantajların yanı sıra kısa dalga boyları ve iyi odaklanma avantajlarına sahiptir. Şu anda havadan lazer silahlarının dayandığı ana teknik sistemdir. Bununla birlikte, havadaki ortamın özelliklerinin kısıtlamaları ve yüksek enerjili katı hal lazerlerinin mevcut geliştirme seviyesinin sınırlamaları nedeniyle, havadan lazer silahları şu anda teknik sistem belirleme, temel teknoloji araştırması ve sistem entegrasyonu test aşamalarında ve pratikliğe ulaşmak için hala birçok teknik zorluk var.
Amerika Birleşik Devletleri, katı hal lazer sistemine dayalı bir dizi havadan lazer silahı Ar-Ge projesi başlatmış ve yürütmüştür.Bunların arasında, Havadan lazer silahları için kullanılabilecek Kendini Korumalı Yüksek Enerjili Lazer Gösterici (SHiELD) projesi en temsilcisidir. Gelecekteki gelişmeler için ilham ve referans sağlayın.
Proje, ABD Hava Kuvvetleri Araştırma Laboratuvarı (AFRL) tarafından, 2015-2021 mali yılı arasında, toplam 281,4 milyon ABD doları finansmanla yürütülüyor. Füzeler veya insansız hava araçları gibi hava tehditleriyle mücadele amacıyla platform öz savunma geliştirecek ve gösterecek. Hedef taktik jet avcı uçağı, 6. seviye teknik olgunluk (TRL) gerektiren kompakt bir lazer silah sistemi ile donatılmıştır.
Araştırma içeriği, avcı boyutu, ağırlığı ve enerji tüketimi, ses altı-süpersonik havacılık optik efekt bastırma, uçuş ortamına uyarlanmış çevik, kompakt, büyük kalibreli ışın yöneticileri ve füze hareket eden hedef yakalama kısıtlamalarını karşılayan lazer silah sistemlerinin tasarımını ve uygulamasını içerir. İzleme, hizalama ve hasar gibi anahtar teknolojiler.
Beklenen sonuçlar:
Birincisi, görünür ışık / kızılötesi güdümlü havadan havaya ve karadan havaya füze tehditlerine karşı kendini savunma yeteneklerini göstermek, transonik ortamlarda lazer verimliliğini göstermek ve ışın kontrol teknolojisinin sonraki gelişimini belirlemek için süpersonik ortam özelliklerini karakterize etmek için lazer silah sistemleri ve uçak platformlarının entegrasyonudur. Takip araştırması için uçuşa uygun bir silah sistemi oluşturma stratejileri (bileşen iyileştirme, muharebe operasyonları kavramı, alternatif platformlar vb.);
İkincisi, daha yüksek güce, daha fazla (modül) sayısına ve kilitlenebilen daha fazla hedef alt sistem türüne yükseltilebilir.
Üçüncüsü, hem savunmayı hem de hücumu dikkate alan çok işlevli bir sistem oluşturmaktır.
AFRL, uçakların kurulumunu kolaylaştırmak, aerodinamik etkileri azaltmak ve farklı uçak platformları (insansız savaş uçakları dahil) arasında nakil uygulamalarını kolaylaştırmak için pod tarzı bağımsız bir yapı benimseme eğilimindedir. Sistem üç alt sisteme ayrılmıştır. onların arasında:
(1) Pnömatik Entegre Bölme Yapısı Alt Sistemi (LPRD), lazer için yerleşik kurulum alanı, enerji ve soğutma sağlayan Boeing'den sorumludur.
(2) Işın kontrol taret alt sistemi (STRAFE) Northrop Grumman'dan sorumludur.Orta lazer enerji seviyesi için uygundur ve pod yapı alt sistemine entegre edilecektir.Yapı uçuşa elverişlilik gereksinimlerini karşılamalıdır. Transonik ve süpersonik uçuşta sistemin aerodinamik ve titreşim ortam özelliklerini karakterize etmek için, çeşitli senaryolar için ayrıntılı senaryolar da dahil olmak üzere, işbirlikçi olmayan hedef yakalama, izleme, hizalama ve vuruş performansının gösterimi, yerde ve havada çeşitli transonik uçuş senaryolarında gerçekleştirilecektir. Aero-optik dalga cephesi uzay-zamansal değişim ve görüş hattı kararlılığı özellikleri.
(3) Yüksek enerjili lazer alt sistemi (LANCE), Lockheed Martin'den sorumludur.Yeni lazer teknolojisi ve uygulama yöntemlerinin araştırılması ve iyileştirilmesi ve taktik uçuş gerilimi koşullarında ışın kalitesinin bozulmasını en aza indiren güvenilir ve sağlam yüksek enerji geliştirilmesi gerekmektedir. Lazer, sistemin uçuş testini ve gösterimini desteklemek için sistemin aerodinamik yapısına ve taktik uçak üzerine entegre edilmiştir. Çalışma ayrıca lazer çıkış gücü, elektro-optik verimlilik, güç kararlılığı, ışın titreşimi, namludaki güç gibi tipik uçuş koşullarında önemli lazer parametrelerinin nicelleştirilmesini de içerir. Çalışmanın odak noktası, ışık ekstraksiyonunun verimliliğini artırmaya, boyut, ağırlık ve enerji tüketimini azaltmaya, ideal ışın kalitesine yakın elde etmeye ve hava ortamında olağanüstü aşırı yük ve aerodinamik etkilere dikkat ederek uçak platformunun kısıtlamalarına odaklanacak.
Proje, 2019 ve 2020 mali yılında düşük güçlü havadan test uçuş testinin ilk aşamasını gerçekleştirecek. Düşük güçlü bir lazer, LANCE'nin yerini alacak ve hedef ön hedefleme göstergesi olarak kullanılacak.Uçuş gereksinimlerini karşılayacak ve ışın ve sistem kontrol fonksiyonlarına ve lazerlere sahip olacak şekilde yapılandırılacaktır. Kapsül tipi güç kaynağı ve soğutma ekipmanı, transonik uçuşun ışın kontrol performansını gösterir ve süpersonik ortamın lazer ışınlarının yayılmasını nasıl etkilediğini ve lazer atmosferik distorsiyonu nasıl telafi edeceğini incelemek için süpersonik uçuşun aerodinamik etkilerini karakterize etmek için işaret ışık kaynağını kullanır.
Yüksek güçlü havadan test uçuş test planının ikinci aşaması, mali 2021 için planlanıyor. LANCE ile entegre edilmiş tam ölçekli lazer silah prototipi, taktik avcılar üzerinde test edilecek ve LANCE ve diğer alt sistemlerin çalışmasını doğrulamak için ses altı / süpersonik uçuş testleri yapılacak. Koordinasyon, yerleşik pilin güç kaynağı özelliği, özellikle lazerin aşırı ısınıp ısınmayacağını ve ek termal yönetim önlemleri gerektirip gerektirmeyeceğini belirlemek için.
SHiELD'in özel muharebe teknik göstergeleri kamuoyuna açıklanmadı, ancak dört açık gereklilik özetlenebilir: (1) taktik jet avcılarını bir yükleme platformu olarak kullanmak, ekipman uygunluğu için çok katı gereklilikler anlamına gelir; (2) taktik füzeler kullanmak Ana hedef olmak, sistemin sert hedeflere hasar verme yeteneğine ve dinamik hedefler için mükemmel hassas izleme ve nişan alma yeteneklerine sahip olması gerektiği anlamına gelir; (3) Platformun kendini savunmasını görev görevi olarak almak, saldırı açılarının aralığının geniş olması ve ateş transferinin hızlı olması gerektiği anlamına gelir; (4) Sistemin transonik / süpersonik veya aşırı aşırı yüklü uçuş ortamında uçuş testi, sistemin savaş kabiliyetinin gerçek uçuş ortamında doğrulanması gerektiği anlamına gelir.
AFRL, havadaki yüksek enerjili lazer silahları etrafında bir geliştirme rotası oluşturur, rolünü ve yatırım kotasını artırmaya devam eder ve her zaman boyut (S), ağırlık (W), enerji tüketimi (P) ve erişim engelleme / alan reddinin iyileştirilmesinden geçer (A2). / AD) yetenekleri, lazer kaynağı, ışın kontrolü, hedef yakalama ve izleme (APT), enerji / termal yönetimi ve hedef etkileri, sayısal analiz vb. Teknik araştırma içeriğini açıkça ortaya koymaktadır ki bu sadece teknik araştırmanın zorluklarını ve kilit noktalarını değil, aynı zamanda ABD Hava Kuvvetlerinin havadan lazer silahları geliştirme talebini ve amacını yansıtıyor.
2013 yol haritası, yüksek enerjili lazerlerin geliştirilmesini üç aşamaya ayırdı.
İlk aşama, yerdeki sensörler ve yumuşak hedefler için onlarca kW'lık pod tipi sürekli veya darbeli lazerler geliştirmektir;
İkinci aşama, orta menzilli tehdit hedefleri için 100kW'ın üzerinde yüksek enerjili lazerlerin geliştirilmesidir;
Üçüncü aşama, menzil içindeki hava ve yer sert hedefleri için 300kW'ın üzerinde yüksek enerjili lazerler geliştirmektir.
Güncellenen 2018 yol haritasında havadan lazer silah sistemi:
İlk aşama (2018-2021), kızılötesi güdümlü havadan havaya füzelerin ve sensörlerin imhasını göstermek için düzinelerce kW yüksek enerjili lazerlere dayanan giriş seviyesi gösteri aşamasıdır;
İkinci aşama (2025'e kadar), uçak platformunun öz savunması için orta menzilli füze ve uçak hasarını ve yerdeki sert hedeflere karşı ultra hassas saldırıları göstermek için 100 kW'lık yüksek enerjili lazerlere ve 4. ve 5. nesil savaşçılara dayanmaktadır;
Üçüncü aşama (2029'a kadar veya daha sonra), 300 kW'lık yüksek enerjili lazerlere ve 6. nesil avcılara dayanır ve uçağa görüş alanından uzak, zorlu hedefleri uçurur ve yerdeki sert hedefleri gösterir.
Yol haritası doğrudan MW sınıfı lazerlerden ve silah sistemlerinden bahsetmiyor, ancak AFRL'nin 15 Ocak 2019'da "Kompakt Yüksek Enerji Lazer Alt Sistem Mühendisliği Değerlendirmesi (CHELSEA)" proje duyurusunu yayınladığını ve LANCE temelinde daha da gelişmeyi beklediğini belirtmek gerekir. Işık çıkış gücünü ve verimliliğini artırın. Proje verileri, 2024 yılına kadar LANCE'nin yerini alacak veya yeni bir havadan lazer sisteminin bir parçası olarak yakın sonik taktik uçaklara uygun TRL5 sınıfı, kompakt ve sağlam yüksek enerjili lazer alt sistemleri tasarlamak ve üretmek için kullanılacaktır ve gelecekte ABD hükümetinin teknolojisini etkileyebilir. Karar vermeye yatırım yapın.
3.1 Hasar eşiği
Lazer silahlar, metal ve metal olmayan hedeflere dökülme hasarı, termal patlama hasarı ve termal ablasyon gibi hasar mekanizmalarına sahiptir. Mevcut lazer çıkış gücü seviyesinde, çoğunlukla bir termal ablasyon mekanizmasıdır, yani hedefin yüksek enerjili lazer tarafından ışınlanan kısmı yüzeyden içe doğru keskin bir şekilde ısınır, malzemenin erimesine veya buharlaşmasına neden olarak hedef çökme ve deformasyon gibi mekanik yapıya zarar verir ve hatta kabuktan yanar. Gövde ve ardından hedefin iç parçalarını yakarak kontrol kaybına neden olur veya yardımcı yakıt deposunu ateşleyerek patlamaya neden olur.
Hedef hasar için minimum lazer ışını enerjisi yoğunluğu Em, ışınlama süresi tm ve lazer gücü yoğunluğu hasar eşiği Im ürününe eşittir. Işınlama işlemi sırasında ısı kaybı nedeniyle, lazer ışınlama enerjisini biriktirmek için tm'yi uzatarak Im değerini düşürmenin belirli bir sınırı vardır. Uçak platformu öz savunması için, gelen füzelerin yüksek hızı ve güçlü manevra kabiliyeti nedeniyle lazeri uzun süre hedefte tutmak kolay değildir.Bu nedenle tm olabildiğince kısa olmalıdır, bu da lazer ışını sürüklenmesinin ve titremesinin etkisini zayıflatabilir. Aslında füze hedefinin kesin hasar eşiği şu anda çok net değil, hedef mermi malzemesi, iç ve dış yapı, yüzey kaplaması, meteorolojik ortam (sıcaklık, rüzgar) ve hareket durumu (dönme, tutum değişikliği) vb. İle ilgilidir. . Li Yong ve arkadaşları, Im = 3280W / cm2 (tm = 1s) veya Im = 1093W / cm2 (tm) olan çelik kabuklu Scud füzesi için Em = 3.28kJ / cm2 (füzenin dönüşünü dikkate almadan) tahmin etti. = 3s).
3.2 Kırınım sınırına göre hasar mesafesinin simülasyonu
Hedefe etki eden lazer noktası olarak Fraunhofer kırınım teorisine (toplam gücün% 83,8'ini oluşturan) dayalı Airy diski, lazer emisyon gücü Pt ve maksimum hedef hasar mesafesi Rm, hedef güç yoğunluğu hasar eşiğine Im , Dalga boyu , ışın kalite faktörü , emisyon optik geçirgenliği 0, atmosferik geçirgenlik 1, emisyon açıklığı D ve füze kabuğu yüzey lazer yansıtıcılığı r, lazer olay yönü ve hedef yüzey normal açısı ile ilgilidir:
R = 0.3, 0 = 0.7, = 10 °, = 1.064m varsayılırsa (aslında doping elemanının türüne bağlıdır). Orta ve yüksek rakımlarda iyi hava koşulları düşünün. Yakın kızılötesi lazerlerde neredeyse hiç moleküler absorpsiyon olmadığından, moleküler saçılma, aerosol zayıflamasından yaklaşık 1-2 kat daha küçüktür. Aerosol saçılması ve absorpsiyonu, ana zayıflatma faktörleri, o zaman:
V görünürlük olduğunda, 80 km varsayıldığında, karşılık gelen q değeri 1.6'dır.
Şekil 1 Lazer çıktı gücü ve hasar eşiği ve lazer emisyon açıklığı (Rm = 5km, = 2.5)
Şekil 2 Lazer çıktı gücü ve hedef hasar mesafesi ( = 2,5)
Şekil 3 Lazer ışını kalitesi ve lazer çıkış gücü gereksinimleri (D = 0.6m, Rm = 10km)
Şekil 2'deki sonuçlardan bazıları Tablo 1'de listelenmiştir. D = 0.6m ve tm = 1-3s için Rm'nin 4-8km (Pt = 50kW) veya 6-12km (Pt = 100kW) veya 11-19km (Pt = 300kW) değerlerine ulaşabildiği görülebilir; Pt 1MW mertebesine ulaştığında Yukarıda, Rm, kısa menzilli havadan havaya füzelerin menziline (~ 20 km) eşit veya bu menzili aşacaktır.
Tablo 1 Kırınım limiti sınırlamasına göre hedef hasar mesafesi Rm simülasyon sonuçları (D = 0.6, = 2.5)
3.3 Odaklanmış fırlatmaya dayalı hasar mesafesinin simülasyonu
Mühendislikte, sözde odaklanmış emisyon teknolojisi sıklıkla kullanılır, yani yüksek enerjili lazer, APT sistemi tarafından yönlendirilir ve kart tipi emisyon optik sistemi aracılığıyla hedefe odaklanır ve odak mesafesi, ikincil aynanın konumuna ince ayar yapılarak hedef değişikliğini takip edecek şekilde ayarlanabilir (ince ayar miktarı ) . Birincil ve ikincil emisyon aynalarının eğrilik yarıçapının sırasıyla 2,4 m ve 0,08 m olduğunu ve'nin 2,5 olduğunu varsayalım. Optik yolu, birincil aynadaki nokta yarıçapı 0,6 m olan D açıklığı 0,3 m olacak şekilde ayarlayın. Lazer ışını iletim teorisine göre, matematiksel yazılım aracılığıyla MATHCAD14, odak mesafesi F () ile nokta yarıçapı W () arasındaki ilişkiyi ile tahmin edebilir. Şekil 4a'dan F () 'nin bir maksimum değere sahip olduğu ve buna karşılık gelen odak noktası yarıçapının W () da değiştiği görülebilir. F () eğrisinin yükselen kenarına karşılık gelen nokta daha büyüktür ve lazer güç yoğunluğu daha küçüktür. Bu nedenle, gerçek lazer silah sistemi, daha küçük elde etmek için "güç odağı" olarak adlandırılan F () eğrisinin düşen kenarı üzerinde çalışmayı seçmelidir. Işık noktası, daha büyük lazer gücü yoğunluğu ve daha güçlü hedef hasarı yeteneği. Şu anda, odak noktasının odak mesafesi ile arttığı açıktır. Tanımlanırsa:
Şekil 4 Emisyon odak mesafesi ile odak noktası yarıçapının ayar değişikliği arasındaki ilişki
Şekil 5 Fırlatma odak ayarlamasına dayalı hasar mesafesi tahmini (D = 0.6)
Şekil 5, farklı lazer emisyon güçleri altında I () ve arasındaki ilişkiyi göstermektedir. Şekil 5a'da I (), A noktasında Im = 3280W / cm2'ye karşılık gelir, karşılık gelen değeri C noktasındaki F () eğrisine karşılık gelir ve karşılık gelen F () 4,85km'dir, bu da silah sisteminin Pt = 50kW'a karşılık geldiği anlamına gelir. Ve tm = 1s en uzak füze hedefi hasar mesafesi Rm. Benzer şekilde, Im = 1093W / cm2, tm = 3s ve Rm = 8.16km'ye karşılık gelen B ve D noktaları da bulunabilir. Çizgi segmenti CD'si, lazer silah sisteminin odaklanma çalışma durumunu yansıtır ve odaklanma mesafesi, hasar eşiği, hasar yeteneği ve ışınlama süresi özelliklerini içerir. Şekil 5b, c ve d'ye aynı işlemi yaptıktan sonra, Tablo 2'de gösterilen birkaç simülasyon sonucu seti elde edilir. Tablo 1 ile karşılaştırıldığında, sonuçların oldukça tutarlı olduğu ve her iki yöntemin de difraksiyon sınır özelliklerine uygun olduğunu gösterdiği görülebilir.
4.1 Uçak platformu özelliklerinin kısıtlamaları altında yüksek dönüşüm verimliliği, yüksek ışın kalitesi ve yüksek güçlü lazer çıkışı
Yüksek dönüşüm verimliliği, yüksek ışın kalitesi ve yüksek güç çıkışı, genellikle tamamen katı hal yüksek enerjili lazerlerin izlediği hedeflerdir ve hacim, ağırlık, enerji tüketimi ve aerodinamik özellikler üzerindeki katı sınırlar, havadaki lazer silahları alanındaki özel sorunlardır. Mevcut teknik rota esas olarak iki tip tek kalibreli çıktı ve çok bağlantılı tutarlı veya tutarsız kombinasyona odaklanmaktadır.Gazlı ortamların çoğu, latalar veya optik fiberler veya ikisinin bir kombinasyonunu kullanır. Uyumlu birleştirme sistemi, sistem maliyet kontrolü, termal yönetim ve ışın kontrolünde potansiyel avantajlara sahiptir, ancak ünite kiriş saflaştırma, faz kontrolü, açıklık doldurma ve optik eksen kalibrasyonunda hala teknik zorluklar vardır. Tutarsız birleştirme yöntemi nispeten basittir ve uygulaması kolaydır ve uzak alan lazer gücü süperpozisyon etkisi bazı pratik ihtiyaçlar için uygun olabilir.
Northrop Grumman Co., Ltd., 2009 yılında JHPSSL projesindeki uçtan pompalanan iletim soğutmalı lata lazer yapısına dayanarak, 105kW lazer çıkışı elde etmek için 7 kanallı 15kW modül uyumlu sentez kullanmıştır. Işın kalitesi BQ değeri 2,9'dur, bu da 7 değerinin değerine eşdeğerdir. HELLADS planında Marsh, patentli "ince zikzak" seramik çıtalar teknolojisini kullanıyor ve 100kW yüksek güçlü lazer çıkışı elde etmek için tek bir boşlukla seri olarak altı 17kW modül kullanıyor, ancak ışın kalitesi indeksi gereksinimleri karşılamıyor. DARPA'nın Amerika Birleşik Devletleri'ndeki HELLADS projesi, 150kW çıkış gücü ve 770kg ağırlık endeks gereksinimlerini ortaya koyuyor, ancak gerçek başarı raporu yok.
Amerika Birleşik Devletleri'nin IPG şirketi, 2009'da% 23'ten daha yüksek elektro-optik verimlilik ile 9,6kW'lık tek fiber tek modlu lazer çıkışı elde etti ve çok modlu sürekli fiber lazer çıkış gücü,% 25'ten daha yüksek elektro-optik verimlilikle 50 kW'a ulaşabilir, ancak ışın kalite faktörü 30 civarı. IPG, 2015 yılında 1,1'den daha düşük bir ışın kalite faktörü ve% 40'lık bir fiş verimliliği ile 1030 nm'lik bir dalga boyuna sahip 2.2kW'lık bir dar çizgi genişliğinde lazer çıkışı elde etmek için tek frekanslı bir tohum kaynağı faz modülasyonu MOPA yapısını benimsemiştir. Lockheed Martin'in dalga boyu bölmeli çoğullama (WDM) teknolojisine dayanan sözde "spektrum ışınlama" teknolojisi, çok sayıda farklı lazer ışınını bir fiber çekirdeğinde birleştirir ve burada her lazer, fiberi gerçekleştirmek için kendi dar spektrumunda çalışır Lazer yüksek ışın kalitesine ve yüksek enerji çıkışına sahiptir.Geliştirmekte olduğu HELIOS sisteminin 150kW güç çıkardığı söylenmektedir. 2016 yılında, Çin Mühendislik Fiziği Akademisi, ortak açıklık spektral sentez için yaklaşık 3 ışın kalite faktörü ile 9.6kW'lık bir güç çıkışı elde etti ve 80kW (1030-1050nm) veya 200kW (1030-1085nm) elde etmek için çift MLD ızgaralı spektral sentez yapılarının kullanımı üzerinde çalışıyor. ) Güç çıkışı.
Yüksek enerjili katı hal lazerleri elektrik enerjisini lazerlere dönüştürdükten sonra, kazanç ortamında ısı birikimini önlemek için büyük miktarda fazla atık ısının hızla dağıtılması gerekir, bu da lazer çıkış gücünü ve ışın kalitesini ciddi şekilde etkileyen sıcaklık artışına ve hatta termal bozulmaya neden olur. Verimli ve kompakt soğutma ve termal yönetim sistemleri, hacim, ağırlık ve enerji tüketimi açısından yerleşik gereksinimleri karşılamalıdır.Eğilim, faz değişimli ısı depolama yöntemlerinin yanı sıra döngü ısı boruları ve gelişmiş ısı değişim teknolojilerini uygulamaktır.
Geleneksel havadan gelen güç kaynağının, lazer silahlarının güç kaynağı gereksinimlerini doğrudan karşılaması zordur.Güç üretimi, şarj ve enerji depolamasının bir kombinasyonunu elde etmek için havadan gelen jeneratör ile yüksek enerjili lazer güç kaynağı arasına bağımsız bir görev güç kaynağı kullanmak veya bir enerji depolama cihazı kurmak gerekir. Enerji depolama cihazları, havadaki ortamın gereksinimlerini karşılamalı ve yüksek enerji ve güç yoğunluğu, hızlı şarj ve deşarj, uzun çevrim ömrü ve yüksek güvenilirlik özelliklerine sahip olmalıdır.Enerji depolama yöntemleri arasında piller, ultra yüksek hızlı volanlar ve süper kapasitörler bulunur.
Kısacası, mevcut tüm katı hal lazeri 100kW güç çıkışı sağlayabilir, ancak genellikle ışın kalitesindeki bozulma sorununu çözmek için gereklidir.Genel olarak, elektro-optik dönüşüm verimliliğinin% 40'ı aşması zordur ve kütle-güç oranı genellikle 5 kg / kW'dan yüksektir ve bu da uçak ortamlarında kurulum ve uyarlanabilirlik için uygundur. Cinsiyet açısından genel performansın tam olarak doğrulanması gerekir.
4.2 Hareketli yüksek hızlı hedeflerin hassas takibi ve odaklanma başlatılması
Lazer silahı, mikro radyan yüksek hassasiyetli bileşik kontrol sağlamak, yüksek enerjili lazerleri etkin bir şekilde yansıtmak ve hedefleri yok etmek için kaba ve ince çoklu izleme kanallı APT sistemini kullanır. APT genellikle kızılötesi ve görünür ışık görüntüleme algılama yöntemlerini kullanır.Kaba izleme birimi, hedefin ilk edinimini ve kaba izlemesini tamamlamak için daha geniş bir görüş alanına ve daha düşük bir servo bant genişliğine sahipken, ince izleme birimi daha küçük bir görüş alanına ve dinamik aralığa sahiptir ve nispeten Yüksek servo bant genişliği, kaba izleme kalıntılarını ve geniş güç spektrumu titreşimini daha da bastırarak, hızlı gerçek zamanlı yüksek hassasiyetli hedef izleme ve hizalama gerçekleştirir.
Savaşçılar sonik / ses altı hızlarda uçarlar.AIM-120 gibi havadan havaya füzeler 4 Mach'a ulaşabilir. Platform ile hedef arasındaki yüksek hızlı ve geniş açılı göreceli hareket, hedef takibinde gecikmeye ve hatta kayıplara neden olabilir. Hedef konum, arka plan, aydınlatma ve ana hat boyutu, şekil vb .'deki dinamik değişikliklerin yanı sıra platform ve hedef titreşiminin neden olduğu görüntü bulanıklığı, optik eksen işaretinin kararsızlığı vb., Tümü hassas sistem sinyali algılama, hedef yakalama ve izleme ve odak emisyon işleme ve kontrol doğruluğunu gerektirir. , Geniş dinamik aralık, güçlü gerçek zamanlı performans, hızlı tepki hızı ve iyi zeka.
Sistem, uçağın türbülansına ve hızlanma aşırı yüküne dayanabilmeli ve hava akışı ve türbülanstan kaynaklanan yavaş salınım, hızlı titreşim ve türbülans dahil olmak üzere uçağın çeşitli hareketlerini telafi edebilmelidir. Bir uçak süpersonik hızlarda uçtuğunda, önündeki atmosfere güçlü rahatsızlıklar vererek şok dalgaları oluşturarak atmosferik basınç, yoğunluk ve sıcaklıkta ani artışlara neden olur. Işık geçerken, yüksek sıcaklıktaki şok akış alanının paraziti ışığın yönünü değiştirmesine ve görsel hatalara neden olur.Termal radyasyonun etkisi, kızılötesi görüntüleme algılamasının sinyal-gürültü oranını azaltarak görüntü bulanıklığı, titreme ve hatta distorsiyon gibi bir dizi aero-optik etkiye neden olur. Düzeltme.
4.3 Atmosferik iletim etkileri ve bozulma telafisi
Atmosferik iletim sürecinde, yüksek enerjili lazer, atmosferle etkileşime girerek bir dizi doğrusal ve doğrusal olmayan efekt üretir, bu da lazer güç kaybına ve nokta genişlemesine, kaymaya, titremeye ve hatta bozulmaya neden olarak hedef lazer güç yoğunluğunu, enerji konsantrasyonunu ve nokta kararlılığını azaltır. Seks. SHiELD projesi, uçuş ortamının atmosferik etkisinin yasalarını kavramak ve lazer gücü zayıflamasını, ışın kalitesindeki azalmayı ve nokta titreşimini en aza indirmek için, araştırma ve deneysel içerik olarak, uçak ve lazer podu çevresindeki süpersonik ortamın lazer ışınının yayılması ve lazer atmosferik bozulmasının telafisi üzerindeki etkisini alır Drift, lazer gücünün veya enerjisinin hedefe etkin bir şekilde iletilmesini sağlamak için.
Şekil 6 Havadan lazer atmosferik iletim etkisi
Lazer atmosferik türbülans yoluyla iletildiğinde, atmosferdeki yerel sıcaklık ve basıncın rastgele değişikliklerinin neden olduğu kırılma indisinin düzensiz dağılımı, optik eksen seğirmesine ve rahatsızlık nedeniyle fazda ve ışık yoğunluğunda rastgele dalgalanmalara neden olur, nokta sapması, genişleme ve titreme vb. Bu fenomen, lazer dalga boyu, iletim mesafesi ve türbülans yoğunluğu ile ilgilidir ve sıcaklık ve rüzgar hızından etkilenir ve zamanla değişir. Kırılma indisi yapı sabiti Cn2 = 10-nm-2/3 genellikle atmosferik türbülansın yoğunluğunu (güçlü, orta ve zayıf türbülans için sırasıyla -12, -14 ve -16'dır) ve atmosferik uyum uzunluğunu r0 = C6 / 5 ( Cn2 / Rm) -3/5 atmosferik ön dalga distorsiyon aralığını (düzlem dalgası C = 0.185) tanımlar.
Termal çiçeklenme etkisi, atmosfere yüksek enerjili lazer ışığı iletildiğinde havayı ısıtarak negatif bir mercek oluşturduğu anlamına gelir.Yanal rüzgar olduğunda, üst rüzgara doğru eğimli, ışığın bozulmasına, bükülmesine ve ayrılmasına neden olan menisküs şeklinde benzersiz bir ışın dağılımı ve lazer İletim gücü, ışın geometrik parametreleri ve hava termodinamik özellikleri ilişkilidir ve Bradley-Hermann distorsiyon parametresi N ile ifade edilebilir. Termal çiçeklenme etkisi ve türbülans etkisinin bir etkileşimi vardır Türbülans etkisi güçlü olduğunda, termal çiçeklenme etkisinin türbülans etkisine bağlı olarak üretildiği ve türbülans etkisi zayıf olduğunda iki etki birbirinden bağımsız kabul edilebilir. Yüksek enerjili lazerin iletim gücü belli bir değere ulaştığında hedef üzerindeki lazer güç yoğunluğu artmaz buna göre azalır, bu da atmosferdeki lazer gücünün iletimini sınırlar ve atmosferik türbülansın artmasıyla bu değer artar. Daha da azaltın.
Lazer güç yoğunluğu belirli bir eşikten büyük olduğunda (genellikle > 108W / cm2), gaz fotonları emer ve iyonlaşarak yüksek yoğunluklu bir plazma oluşturur, bu da lazer oluşumunu engelleyen kırılma etkisi olarak adlandırılır. Mevcut lazer gücü seviyesi altında, arıza etkisi geçici olarak göz ardı edilebilir. Raman etkisi, lazer iletimi sırasında atmosferik moleküllerin hareketinin etkileşiminin neden olduğu, lazer gücünü zayıflatacak, ancak oran küçük ve genellikle ihmal edilebilir düzeyde olan frekans değişikliğinin saçılması anlamına gelir.
Bunlar arasında, J, atmosferik titreşimin genliğidir ve D = (21/2 / p) ( / D), ışın kırınım açısıdır. Görülebileceği gibi, lazer gücündeki zayıflama kaybı ve ışının atmosferik etkilerden kaynaklanan ilave genişlemesi, hedef güç yoğunluğunun düşmesine neden olacaktır. Orta dereceli türbülans ve termal çiçek yoğunluğu altında, etki çok açık ve dikkate değerdir.
Ek olarak, fiili muharebe ve eğitim ortamında, uçak ve füzelerin motor kuyruk alevleri ile mühimmatın patlaması sonucu ortaya çıkan duman, enkaz ve parçacıklar ilave lazer saçılımına neden olacaktır.Uçakların ve füzelerin yüksek hızda uçuşu atmosfere ciddi rahatsızlık veriyor mu? Türbülans etkisini artıracak daha fazla çalışma yapılması gerekiyor. Uçak süpersonik hızda uçarken, uçak akış alanında güçlü bir şok yapısı vardır ve hem büyük ölçekli yapılar hem de küçük ölçekli dalgalanma özellikleri vardır. Sayısal analiz, bir lazer ışını bir şok dalgası yapısına sahip süpersonik bir akış alanından geçtiğinde, atmosferik yoğunluğun eşit olmayan dağılımının neden olduğu kırılma indisinin düzensiz dağılımının, ışının faz bozulmasına neden olacağını ve bu da ışının merkez yayılma yönünün sapmasına ve dalga boyunun sapmasına neden olacağını göstermektedir. Aktarım mesafesi ne kadar kısa olursa o kadar belirgindir. Kamuya açık bilgilerden yola çıkarak, şok dalgaları tarafından yüksek enerjili lazer iletiminin etkisi üzerine araştırmayı desteklemek için yeterli ölçülmüş veri yoktur.
Uyarlanabilir optik teknolojisinin kullanılması, atmosferik türbülans, termal çiçeklenme ve diğer faktörlerin neden olduğu lazer dalga cephesi bozulmasını kısmen telafi edebilir ve düzeltebilir ve ışın iletiminin kalitesini artırabilir. Uyarlanabilir optiğin zayıf türbülans etkilerinin düzeltilmesi üzerindeki etkisi önemlidir, ancak gerçek türbülans yoğunluğu değişiklikleri düzensiz ve rastlantısaldır.Güçlü türbülans etkileri durumunda, sintilasyon ve faz süreksizliklerinin etkileri dikkate alınmalıdır. Dalga cephesi bozulma testi, havada yüksek enerjili lazer atmosferik iletimin analizi ve uygulamasının derinlemesine incelenmesi gereklidir.
4.4 Çok yönlü lazer emisyon taret yapısı
Gerçek savaşta, savaş uçakları farklı yönlerden çok sayıda füze tehdidiyle karşı karşıya kalabilir.İdeal olarak, SHiELD'e benzer bir platform öz savunma sistemi, uçağın etrafındaki tüm hava sahasını kapsayan birden çok hedefe sürekli olarak saldırma yeteneğine sahip olmalıdır.
AFRL ve DARPA'nın ortak desteğiyle Lockheed Martin, 2014-2015 döneminde uçağın üzerinde veya altında herhangi bir yönde lazer yayabilen Aero-uyarlamalı, Aero-optik Işın Kontrolü (Aero-uyarlamalı, Aero-optik Işın Kontrolü) adlı bir dizi geliştirdi. Taşıma platformu olarak Dassault Falcon 10 ticari jet uçağını kullanan kule sistemi, uçak gövdesine yukarı ve aşağı giren asansör fan boşluğuna yerleştirildi ve test edildi.
Benzer yapılara sahip karmaşık sistemlerin tasarımı ve uygulanması, uçak platformlarının dönüşümünü içerir ve hafif ve ağırlık dengesi, aero-uyumlu tasarım ve alan adaptasyonu gibi teknik sorunların çözülmesi gerekir.
SHiELD projesi, bir dereceye kadar havadaki lazer silahlarının mevcut gelişme yönünü ve eğilimini temsil ediyor. İki kırınım sınırı sınırlama ve odaklanmış fırlatma yöntemine dayanarak, havadan lazer silahının füze hedefine hasar mesafesi simülasyonu gerçekleştirilir ve tutarlı sonuçlar elde edilir, bu da lazer ışınının odaklanmış fırlatmada kırınım sınırı sınırlaması özelliğini izlediği anlamına gelir.
Simülasyon sonuçları, 50-100kW'lık lazer fırlatma gücü seviyesi ve iyi hava koşulları altında ve sistem parametrelerinin doğru bir şekilde ayarlandığını, savaş uçağı kaynaklı lazer silahların dönmeyen füzelere karşı sert hasar kabiliyetinin yaklaşık 5-10 km'ye ulaşabileceğini, ancak havadaki ortam kısıtlamalarının olduğunu göstermektedir. Yüksek dönüşüm verimliliği, yüksek ışın kalitesi, yüksek güçlü lazer çıkışı, yüksek hızlı hedef hassas izleme ve odaklama başlatma, atmosferik iletim efekti bastırma ve bozulma telafisinin yanı sıra kompakt ve hafif, aerodinamik uyumlu, çok yönlü fırlatma yapısı tasarımı ve uygulaması. Ciddi teknik zorluklar.
Emisyon gücü seviyesini artırmak veya daha geniş bir emisyon açıklığı benimsemek, ışın kalitesini iyileştirmek, hedef ışınlama süresini uzatmak, atmosferik distorsiyonu etkili bir şekilde düzeltmek, vb., Hepsi hedef güç yoğunluğunu veya lazer enerjisini arttırmaya ve ışın kalitesini iyileştirmek ve emisyonu artırmak da dahil olmak üzere hasar yeteneğini iyileştirmeye yardımcı olur. Kalibre özellikle etkilidir, ancak birincisinin teknolojide uygulanması zordur ve ikincisi platform kısıtlamalarıyla sınırlandırılmıştır, bu nedenle sistem tasarımına kapsamlı bir şekilde dikkat edilmelidir.
