Большинству читателей хорошо известно понятие «лазер», образовавшееся от английского «laser» (light amplification by stimulated emission of radiation – усиление света посредством вынужденного излучения»). Изобретённые в середине XX века лазеры основательно вошли в нашу жизнь, пусть их работа в современной технике зачастую и незаметна обывателям. Основным популяризатором технологии стали книги и фильмы в жанре фантастики, в которых лазеры стали неотъемлемым элементом экипировки бойцов будущего.
В реальности лазеры прошли долгий путь, используясь преимущественно в качестве средств разведки и целеуказания, и лишь сейчас они должны занять своё место в качестве оружия поля боя, возможно, радикально изменив его облик и облик боевых машин.
Менее известно понятие «мазер» – излучатель когерентных электромагнитных волн сантиметрового диапазона (микроволн), чьё появление предшествовало созданию лазеров. И уж совсем мало людей знает, что существует ещё один тип источников когерентного излучения – «сазер».
«Луч» звука
Слово «сазер» образовано аналогично слову «лазер» – Sound Amplification by Stimulated Emission of Radiation (усиление звука за счет вынужденного излучения) и обозначает генератор когерентных звуковых волн определённой частоты – акустический лазер.
Не стоит путать сазер с «аудиопрожектором» – технологией создания направленных звуковых потоков, в качестве примера можно вспомнить разработку Джозефа Помпея из Массачусетсского технологического института «Audio Spotlight». В аудиопрожекторе «Audio Spotlight» испускается пучок волн в ультразвуковом диапазоне, которые, нелинейно взаимодействуя с воздухом, увеличивают свою длину до звуковой. Длина луча аудиопрожектора может достигать 100 метров, впрочем, сила звука в нем быстро убывает.
Если в лазерах происходит генерация квантов света – фотонов, то в сазерах их роль выполняют фононы. В отличие от фотона, фонон является квазичастицей, введённой советским учёным Игорем Таммом. Технически фонон представляет собой квант колебательного движения атомов кристалла или квант энергии, ассоциированный со звуковой волной.
Фонон – квант колебательного движения атомов кристалла
«В кристаллических материалах атомы активно взаимодействуют между собой, и рассматривать в них такие термодинамические явления, как колебания отдельных атомов, затруднительно — получаются огромные системы из триллионов связанных между собой линейных дифференциальных уравнений, аналитическое решение которых невозможно. Колебания атомов кристалла заменяются распространением в веществе системы звуковых волн, квантами которых и являются фононы. Фонон принадлежит к числу бозонов и описывается статистикой Бозе – Эйнштейна. Фононы и их взаимодействие с электронами играют фундаментальную роль в современных представлениях о физике сверхпроводников, процессах теплопроводности, процессах рассеяния в твердых телах».
Первые сазеры были разработаны в 2009-2010 гг. Две группы учёных представили способы получения сазерного излучения – с помощью фононного лазера на оптических резонаторах и фононного лазера на электронных каскадах.
В опытном образце сазера на оптических резонаторах, сконструированном физиками из Калифорнийского технологического института (США), используется пара кремниевых оптических резонаторов в виде торов внешним диаметром около 63 микрометров и внутренним диаметром 12,5 и 8,7 микрометров, в которые подаётся лазерный луч. Изменяя расстояние между резонаторами, можно настроить разницу частот этих уровней так, чтобы она соответствовала акустическому резонансу системы, в результате которого формируется сазерное излучение частотой 21 мегагерц. Изменяя расстояние между резонаторами, можно изменять частоту звукового излучения.
Учёные из Ноттингемского университета (Великобритания) создали опытный образец сазера на электронных каскадах, в котором звук проходит сквозь сверхрешётку, включающую чередующиеся слои полупроводников арсенида галлия и алюминия толщиной в несколько атомов. Фононы лавинообразно накапливаются под воздействием дополнительной энергии и многократно отражаются внутри слоёв сверхрешётки, пока не покидают структуру в виде сазерного излучения частотой порядка 440 гигагерц.
Схема сазера на базе сверхрешётки из чередующихся слоёв арсенида галлия и алюминия
Прототип сазера учёных из Ноттингемского университета
Предполагается что сазеры произведут революцию в микроэлектронике и нанотехнологиях, сравнимую с той, что произвели лазеры. Возможность получения излучения частотой терагерцового диапазона позволит использовать сазеры для высокоточных измерений, получения трёхмерных изображения макро-, микро- и наноструктур, изменения оптических и электрических свойств полупроводников с высокой скоростью.
Применимость сазеров в военной области. Сенсоры
Формат среды ведения боевых действий определяет выбор типа сенсоров, наиболее эффективных в каждом конкретном случае. В авиации основным типом средств разведки являются радиолокационные станции (РЛС), использующие миллиметровые, сантиметровые, дециметровые и даже метровые (для наземных РЛС) длины волн. Наземное поле боя требует повышенной разрешающей способности для точной идентификации целей, что могут дать только средства разведки оптического диапазона. Разумеется, РЛС используются и в наземной технике, равно как и оптические средства разведки используются в авиации, но всё-таки перекос в пользу приоритетного использования определённого диапазона длин волн, в зависимости от типа формата среды ведения боевых действий, вполне очевиден.
Физические свойства воды существенно ограничивают дальность распространения большинства электромагнитных волн оптического и радиолокационного диапазона, при этом вода обеспечивает существенно лучшие условия для прохождения звуковых волн, что и обусловило их использование для разведки и наведения оружия подводных лодок (ПЛ) и надводных кораблей (НК) в случае, если последние борются с подводным противником. Соответственно основным средством разведки подводных лодок стали гидроакустические комплексы (ГАК).
ГАК могут использоваться как в активном, так и с пассивном режиме. В активном режиме ГАК излучает модулированный звуковой сигнал, и принимает сигнал, отражённый от подводной лодки противника. Проблема в том, что противник способен засечь сигнал от ГАК значительно дальше, чем сам ГАК поймает отражённый сигнал.
В пассивном режиме ГАК «слушает» шумы, исходящие от механизмов подводной лодки или корабля противника, и осуществляет обнаружение и классификацию целей на основании их анализа. Недостаток пассивного режима в том, что шумность новейших подводных лодок постоянно уменьшается, и становится сравнима с фоновым шумом моря. Вследствие этого значительно сокращается дальность обнаружения ПЛ противника.
Антенны ГАК представляют собой фазированные дискретные решетки сложной формы, состоящие из нескольких тысяч пьезокерамических или оптоволоконных преобразователей, обеспечивающих прием акустических сигналов.
Слева сферическая приёмная антенна ГАК «Иртыш-Амфора» российских многоцелевых атомных подводных лодок (МЦАПЛ) проекта 885(М), справа подковообразная антенна ГАК с широкой апертурой LAB (Large Aperture Bow) модернизированных американских атомных подводных лодок (АПЛ) типа «Вирджиния»
Образно говоря, современные ГАК можно сравнить с РЛС с пассивными фазированными антенными решётками (ПФАР), применяемыми в боевой авиации.
Можно предположить, что появление сазеров позволит создать перспективные ГАК, которые условно можно сравнить с РЛС с активными фазированными антенными решётками (АФАР), которые стали отличительным признаком новейших боевых самолётов.
В этом случае алгоритм работы перспективных ГАК на базе сазерных излучателей в активном режиме можно сравнить с работой авиационных РЛС с АФАР: появится возможность формирования сигнала с узкой диаграммой направленности, обеспечения провала в диаграмме направленности на источник помех и собственной постановки помех.
Возможно, будет реализовано построение трёхмерных акустических голограмм объектов, которые могут быть преобразованы для получения изображения и даже внутреннего строения исследуемого объекта, что крайне важно для его идентификации. Возможность формирования направленного излучения затруднит обнаружение противником источника звука при работе ГАК в активном режиме для обнаружения естественных и искусственных препятствий при движении ПЛ на мелководье, обнаружении морских мин.
Необходимо понимать, что водная среда будет значительно больше влиять на «звуковой луч» по сравнению с тем, как атмосфера влияет на лазерное излучение, что потребует разработки высокопроизводительных систем наведения и коррекции сазерного излучения, и это в любом случае будет не как «луч лазера» – расходимость сазерного излучения будет значительно больше.
Применимость сазеров в военной области. Оружие
Несмотря на то, что лазеры появились в середине прошлого века, применение их в качестве оружия, обеспечивающего физическое поражение целей, становится реальностью только сейчас. Можно предположить, что и сазеры ожидает та же участь. По крайней мере, «звуковых пушек», аналогичных изображённым в компьютерной игре «Command & Conquer» ждать придётся ещё очень и очень долго (если создание таковых вообще возможно).
Звуковые пушки из компьютерной игры «Command & Conquer»
Проводя аналогию с лазерами, можно предположить, что на базе сазеров в перспективе могут быть созданы комплексы самообороны, аналогичные по концепции российскому авиационному бортовому комплексу обороны Л-370 «Витебск» («Президент-С»), предназначенному для противодействия нацеленным на летательный аппарат ракетам с инфракрасными головками самонаведения с помощью станции оптико-электронного подавления (СОЭП), включающей лазерные излучатели, ослепляющие головку самонаведения ракеты.
Бортовой комплекс обороны Л-370 «Витебск» («Президент-С») с СОЭП
В свою очередь, бортовой комплекс самообороны подводных лодок на базе сазерных излучателей может быть использован для противодействия торпедному и минному вооружению противника с акустическим наведением.
Выводы
Применение сазеров в качестве средств разведки и вооружения перспективных подводных лодок, скорее всего, как минимум среднесрочная, а то и отдалённая перспектива. Тем не менее, основы этой перспективы необходимо формировать уже сейчас, создавая задел для будущих разработчиков перспективной боевой техники.
В XX веке лазеры стали неотъемлемой частью современных комплексов разведки и целеуказания. На стыке XX и XXI веков истребитель без РЛС с АФАР уже не может считаться вершиной технического прогресса и будет уступать своим конкурентам с РЛС с АФАР.
В ближайшее десятилетие боевые лазеры радикально изменят облик поля боя на земле, на воде и в воздухе. Возможно, что сазеры окажут не меньшее влияние на облик подводного поля боя в середине — конце XXI века.
Андрей Митрофанов
Опубликовано: Мировое обозрение Источник
Читайте нас: