Один из главных козырей СОИ – новые виды оружия, использующие в качестве поражающего фактора электромагнитное излучение различных диапазонов спектра: от радиоволн до гамма-излучения (Ануреев, 1985).
Важнейшим преимуществом такого оружия перед всеми иными служит максимально возможная скорость достижения цели – скорость света. Это позволяет наносить удар неожиданно и быстро с большого расстояния. Появляется принципиальная возможность уничтожать взлетающие МБР на активном участке их траектории в течение первых пяти минут после старта. Именно поэтому лазерным оружием предполагается оснастить первый эшелон системы ПРО.
Идея использовать мощный луч света в качестве оружия восходит ещё к Архимеду и неоднократно встречается в более поздней научной и художественной литературе. Но реальную почву эта идея обрела лишь в 1961 году с появлением первых лазеров. А уверенность в том, что квантовый генератор света можно использовать в качестве оружия, появилась в 1967 году, когда был создан первый газодинамический лазер.
Основными его элементами служат: камера сгорания, в которой образуется горячий газ; система сверхзвуковых сопел, после прохождения которых газ, быстро расширяясь, охлаждается и переходит в состояние с инверсной населенностью энергетических уровней; оптическая полость, где и происходит генерация лазерного излучения. В этой полости перпендикулярно потоку газа расположены два плоских зеркала, образующих оптический резонатор. Для вывода излучения из полости одно из зеркал делают чуть меньшего диаметра.
Близки по конструкции к газодинамическому лазеру химический и электроразрядный: в них также через объём резонатора с большой скоростью прокачивается возбужденная рабочая смесь, только источником возбуждения является соответственно химическая реакция или электрический разряд.
Наиболее перспективным для целей ПРО считается химический лазер на реакции водорода с фтором (Н2 + F2 = 2НF + γ2,7 мкм). Если в этом лазере вместо водорода использовать его тяжелый изотоп дейтерий, то излучение будет иметь длину волны не 2,7 мкм, а 3,8 мкм, то есть попадет в окно прозрачности земной атмосферы (3,6–4 мкм) и может почти беспрепятственно достигать земной поверхности.
Энерговыделение химических лазеров достаточно велико: на 1 г газовой смеси оно составляет около 500 Дж. Важно, что химическому лазеру для инициирования реакции требуется сравнительно маломощный посторонний источник энергии. После начала реакции она приобретает цепной характер и идет с выделением химической энергии. Оценки показывают, что для разрушения стенки топливного бака взлетающей МБР нужна плотность энергии от 1 до 20 кДж/см2 в зависимости от того, защищена металлическая стенка абляционным покрытием или нет (Велихов, 1986).
Рис. 3.4. Орбитальная боевая станция на основе химического лазера
Считая, что лазерное излучение сфокусировано в пятно диаметром около 1 м, получим требуемую энергию лазерного импульса: 10–200 МДж. Боеголовка ракеты защищена толстым слоем абляционного покрытия и для ее поражения необходима энергия ~103 МДж. Приняв КПД лазера равным 20 % и энергию поражения ракеты 200 МДж, можно оценить расход рабочей смеси: 200 МДж/(20 % × 500 Дж/г) = 2 т. Это очень важная величина – на ней основаны оценки минимального веса боевых космических станций. Например, для поражения 1000 МБР (по 2 импульса на каждую) необходимо ≈ 104 т одной только рабочей смеси для химических лазеров.
Непростую задачу представляет фокусировка лазерного луча на цель.
За счет дифракции на выходном зеркале луч имеет угловую расходимость α ≈ λ/D, где λ – длина волны излучения, а D – диаметр зеркала. Значит, размер пятна на расстоянии L будет λL/D. Для эффективного действия лазерного оружия размер пятна не должен превышать 1 м. Принимая дальность до цели L = 1000 км, получим ограничение на расходимость луча: α ≤ 10-6 рад. Если используется ИК-лазер на молекулах CO2 (λ = 10,6 мкм), то для фокусировки его луча необходимо зеркало диаметром D ≥ 11 м. Для химического лазера на молекуле HF эта величина снижается до 4 м, что выглядит уже более реальным с точки зрения технологии изготовления зеркал и габаритов космических транспортных кораблей.
С точки зрения фокусировки луча более привлекательны оптические и ультрафиолетовые (УФ) лазеры. Наиболее перспективными среди них считают эксимерные лазеры на молекулах фтористого аргона (ArF) и фтористого криптона (KrF). Эти молекулы-эксимеры могут существовать только в возбужденном состоянии: излучая фотон, они разрушаются, и таким образом в среде поддерживается инверсная населенность. Излучение этих лазеров лежит в диапазоне от 200 до 300 нм. Следовательно, земная атмосфера для него непрозрачна. У эксимерных лазеров внешний источник энергии – электрический разряд, пучок ускоренных электронов, поток нейтронов от ядерного реактора или, возможно, от ядерного взрыва.
Принципиальный недостаток газовых лазеров всех типов – выделение тепла в их рабочем объеме. Это ограничивает повышение мощности на единицу массы таких лазеров. Перспективным в этом отношении считается лазер на свободных электронах, в котором усиление излучения происходит за счет его взаимодействия с пучком электронов, движущимся в периодическом магнитном поле. Поскольку электроны летят в вакуумном объеме, не происходит разогрева прибора, как у обычных лазеров.
Важно, что частота генерации у лазера на свободных электронах может перестраиваться в широком спектральном диапазоне от миллиметровой до УФ-области, что затрудняет противнику защиту от излучения.
Стремление использовать в лазерном оружии коротковолновое излучение связано также и с тем, что оно хорошо поглощается любыми материалами. Например, титановое покрытие почти полностью отражает ИК-излучение, но поглощает ультрафиолет. Однако УФ-лазеры очень тяжелы и требуют громоздких источников энергии. Поэтому рассматривается возможность монтировать такие лазеры на стационарных наземных установках, а в космосе развернуть систему зеркал для трансконтинентальной передачи лазерного луча и наведения его на цель
Рис. 3.5. Лазерная система с космическим зеркалом
Эта идея требует непременного использования адаптивной оптики, с большой скоростью реагирующей на изменение структуры атмосферы и соответствующим образом перестраивающей форму волнового фронта лазерного луча так, чтобы за пределом атмосферы луч всё время имел минимальную расходимость.
Рис. 3.6. Принцип действия адаптивной оптической системы
Для астрономических наблюдений такие оптические системы уже созданы, но лазерный луч в них используется пока лишь как средство контроля за атмосферой.
Особую роль в планах «звездных войн» играет несуществующий пока рентгеновский лазер с накачкой энергией от ядерного взрыва.
Вообще, идея рентгеновских и гамма-лазеров давно привлекает внимание ученых (Молчанов, 1972; Бушуев, Кузьмин, 1974; Гольданский, Кузьмин, 1976). Применение таких лазеров сулит большие перспективы: как источники когерентных волн, они приведут к рождению рентгеновской и гамма-голографии (молекулярной голографии), позволят создать рентгеновский микроскоп и расшифровать объемную структуру молекул и атомов.
Возможность воздействовать на атомы и их ядра строго дозированными порциями энергии – квантами – даст возможность изучать и направленным образом изменять структуру атомных ядер. Специально подобрав частоту излучения, можно раскачивать и разрывать определенные связи в ядре и стимулировать этим самые экзотические ядерные превращения.
Ту роль, которую играют сейчас оптические лазеры в области управления химическими реакциями, рентгеновские и гамма-лазеры будут играть в сфере ядерных превращений. Впрочем, они найдут применение и в хирургии, и в спутниковой связи, и в других областях народного хозяйства. Поэтому уже более 50 лет продолжаются попытки создать рентгеновский лазер, используя, разумеется, не разрушительную энергию ядерного взрыва, а «прирученную» энергию. Например, обычных оптических лазеров.
При создании коротковолновых лазеров необходимо преодолеть некоторые принципиальные трудности. Чтобы осуществлялся эффект усиления электромагнитного излучения при его прохождении через активную среду, необходимо, во-первых, большое количество возбужденных атомов, готовых испустить кванты вынужденного излучения, а во-вторых, большая вероятность взаимодействия между квантами и возбужденными атомами, обеспечивающая это вынужденное излучение. Короче, это можно записать так:
K = Ϭ (Nвоз – Nосн),
где K – коэффициент усиления излучения, Ϭ – сечение взаимодействия квантов с атомами, Nвоз и Nосн– число атомов в возбужденном и основном состояниях.
В нормальных условиях термодинамического равновесия выполняется соотношение Nвоз<Nосн, поэтому поглощение преобладает над вынужденным излучением. Для получения лазерного эффекта необходимо создать среду с инверсной заселенностью атомов по энергетическим состояниям (Nвоз>Nосн), в чём и состоит одна из основных проблем.
Кроме этого, из фундаментальных законов квантовой физики следует, что Ϭ ~ λ2. Значит, чем короче длина волны излучения, тем труднее осуществить его квантовое усиление.
Поэтому первые такие усилители были созданы в радиодиапазоне (мазеры) в конце 1950-х годов. В 1961 году был построен первый оптический генератор непрерывного действия (гелиево-неоновый лазер). Методы нелинейной оптики позволили в 1970 году создать лазеры, работающие в области вакуумного ультрафиолета (λ ~ 100 нм). К началу 1978 года стало ясно, что наиболее вероятная схема лазера в области λ ≥ 1 нм – это рентгеновский лазер на многозарядных ионах с накачкой мощным лазером оптического диапазона. А для λ ≤ 0,1 нм должны быть использованы ядерные переходы и эффект Мёссбауэра (излучение квантов в кристаллах без «отдачи» атома, а значит, без смещёния частоты излучения вследствие Доплер-эффекта).
Как уже говорилось, для того чтобы происходило квантовое усиление, необходима инверсная заселенность. Для ее поддержания мощность, вводимая извне, должна быть больше мощности, которая рассеивается средой в виде спонтанного излучения. Как известно, энергия кванта, возбуждающего атом, пропорциональна частоте излучения (E = hν). К тому же вероятность спонтанного излучения, бесполезно уносящего энергию внешнего источника накачки, пропорциональна третьей степени частоты излучения (ν3).
Учитывая всё это, получим, что мощность W, необходимая для поддержания инверсии заселенности, W~ν4~λ–4. Если для лазеров видимого диапазона (λ = 500 нм) достаточно обеспечить мощность, вводимую в кубический сантиметр среды, порядка 102–104 Вт/см3, то для рентгеновского лазера, длина волны излучения которого на три порядка меньше (λ = 0,5 нм), необходима плотность мощности W = 1014 – 1016 Вт/см3. Столь мощный энерговвод может быть обеспечен в настоящее время при ядерном взрыве в объеме заряда, либо в фокусе лазерного излучения достаточно высокой мощности, которая может быть реализована только в импульсном режиме (Слабко, 1997).
В 1984 году в США осуществили генерацию лазерного рентгеновского излучения в газовой среде с использованием в качестве источника накачки мощного двухлучевого оптического лазера «Новетт» (Ливерморская национальная лаборатория), каждый луч которого имел плотность мощности 5 × 1013 Вт/см2 в импульсе длительностью 450 пс на волне 532 нм.
В фокусе лазера помещалась мишень – тончайшая пленка размером 0,1 × 1,1 см из селена или иттрия. Луч испарял мишень, создавая плазму из неоноподобных ионов этих металлов. Столкновения с электронами в плазме вызывали возбуждение ионов, которое заканчивалось вынужденным излучением на волне 20,6 и 21,0 нм для селена и 15,5 нм для иттрия. Наличие лазерного эффекта подтверждалось тем, что излучение, скажем, селеновой плазмы было примерно в 700 раз более интенсивным, чем ожидаемое ее спонтанное излучение. В Ливерморской лаборатории планировалось дальнейшее продвижение в область жёсткого рентгена: излучение неоноподобных ионов молибдена даёт лазерный эффект на 10 нм, а использование новых лазеров накачки позволит продвинуться до 5 нм.
В том же 1984 году сотрудникам Принстонской лаборатории физики плазмы (США) с помощью мощного ИК-лазера на молекулах CO2 удалось получить лазерный эффект в углеродной плазме на волне 18,2 нм. Их лазер накачки имел импульсную мощность 10–20 ГВт. Его пучок фокусировался в пятно диаметром 0,2–0,4 мм, что позволяло достигать плотности мощности 1013 Вт/см2. Принстонская группа также надеялась продвинуться в область более коротких волн, используя литиеподобные ионы неона.
Интересно, что в этих экспериментах впервые для увеличения коэффициента лазерного усиления применялось рентгеновское зеркало, изготовленное Т. Барби в Стэнфордском университете (США). Это сферическое зеркало с радиусом кривизны 2 м состоит из чередующихся слоев молибдена толщиной 3,5 нм и кремния толщиной 6,0 нм. Каждый молибденовый слой слабо отражает рентгеновские лучи, но отраженные от последовательных слоев лучи складываются, интерферируют и усиливаются, так что полный коэффициент отражения такого многослойного зеркала достигает 70 %.
В 1986 году, полностью ионизовав в фокусе мощного лазера атомы фтора, исследователи получили лазерное излучение с длиной волны 8,0 нм. Дальнейшее существенное уменьшение длины волны (а оно необходимо для уменьшения расходимости пучка у боевого лазера) требует таких гигантских плотностей энергии накачки, которые достигаются только при взрывах ядерных зарядов.
Работы в этом направлении с целью создать боевой рентгеновский лазер велись в Ливерморской лаборатории под руководством «отца американской водородной бомбы» Эдварда Теллера. Испытания проводились во время подземных ядерных взрывов на полигоне в штате Невада.
В 1981 году было опубликовано неофициальное сообщение об измеренных во время эксперимента характеристиках лазерного излучения: длина волны 1,4 нм, длительность импульса ~10-9 с, энергия в импульсе ~100 кДж. Детально конструкция лазера не описана, но известно, что его рабочим телом являются тонкие металлические стержни (в описанном эксперименте, вероятно, использовался цинк, поскольку на одном из переходов водородоподобного иона цинка излучается квант с λ = 1,42 нм).
Рис. 3.7. Схема действия боевого рентгеновского лазера
После взрыва ядерного заряда под действием его мощного рентгеновского потока вещёство стержней превращается в полностью ионизированную плазму. Когда температура электронов несколько понизится, они начинают рекомбинировать преимущественно на нижние уровни, излучая рентген. Поскольку время высвечивания плазмы измеряется пикосекундами, горячее облако не успевает существенно изменить свою геометрию – оно сохраняет форму и направление стержня.
Так как зеркал для излучения с λ ~ 1 нм не существует, рентгеновский лазер, вероятно, должен работать без резонатора. Поэтому расходимость пучка будет определяться двумя факторами: дифракцией (α ≈ λ/D) и геометрией стержня (α ≈ D/L), где D и L – диаметр и длина стержня). Точнее говоря, наибольшим из них.
Минимизируя значение расходимости, получим оптимальную величину диаметра: . Для λ = 1,4 нм и L = 7 м это дает D = 0,1 мм. Даже если в процессе ионизации и рекомбинации вещёства его геометрия изменится незначительно, расходимость луча достигает ~10-5 рад. Однако более детальный расчет показывает (Велихов и другие, 1986), что к моменту высвечивания плазменный сгусток может расшириться до 1 мм. Тогда расходимость луча станет ~10-4.
Для поражения МБР, то есть для получения плотности энергии, скажем, 10 кДж/см2 на расстоянии 1000 км при расходимости луча 10-5, в импульсе такого лазера должна быть энергия ~1010 Дж. При внутреннем КПД рентгеновского лазера 10 % (это оптимистическая оценка) и при расстоянии стержня (точнее было бы называть его струной) от ядерного заряда ~1 м мощность заряда должна быть ~1015 Дж, или ~200 кт ТНТ. При этом мы предполагали, что большая часть энергии взрыва идет на ионизацию струны, и сама струна ориентирована к заряду не торцом, а боком.
Рис. 3.8. Боевой рентгеновский лазер со множеством стержней индивидуального наведения (возможная схема)
Однако в публикациях на эту тему упоминаются заряды на порядок менее мощные. Возможно, предполагается использовать не одну, а десятки или сотни параллельно ориентированных струн. Не исключено также, что американские инженеры пытаются создать некий концентратор энергии взрыва на одной струне, используя эффект отражения рентгеновских лучей от кристаллов при косом падении
По-видимому, принципиальных ограничений на создание рентгеновского лазера с ядерной накачкой нет. Он обещает стать очень компактным прибором (с вероятной массой ~1 т), доступным для вывода в космос одной ракетой, что сделает его мало уязвимым оружием. Если эффективность преобразования энергии взрыва окажется высокой, то на одном заряде можно будет разместить десятки лазерных стержней с индивидуальным наведением для поражения сразу многих ракет противника.
Программа «звёздных войн» активно исследовала возможности оружия, использующего электромагнитное излучение – от инфракрасного до рентгеновского. Химические и оптические лазеры позволяют поражать цели на орбите мгновенно, а рентгеновские лазеры с ядерной накачкой обещают компактность и высокую точность воздействия. Основные технические трудности связаны с фокусировкой луча на большие расстояния и созданием необходимой инверсной заселенности активной среды. Эти системы потенциально способны уничтожать МБР на начальном участке траектории и существенно влиять на стратегический баланс.
Известно, что ядерные взрывы сопровождаются мощным импульсом электромагнитного излучения. Источником излучения служат рожденные взрывом заряженные частицы, движущиеся в магнитном поле Земли. Особенно эффективен в этом смысле взрыв в верхних слоях атмосферы.
При мегатонном взрыве в электромагнитное излучение (ЭМИ) переходит энергия 1011 Дж (т. е. 0,0025 %). Такой импульс наводит токи и вызывает пробой в электронных устройствах на расстоянии в 1000 км. Поэтому вполне правомерно применять понятие «ЭМИ-оружие».
Однако это оружие ненаправленного действия: оно поражает и ослепляет не только электронные средства противника, но и свои собственные. Естественным шагом в его развитии явилось использование генераторов микроволновых колебаний, которые американские специалисты считают одним из перспективных видов космического оружия. Обычно микроволновое излучение подразделяют на четыре диапазона.
В небольших дозах микроволновое излучение используется медиками в лечебных целях для местного разогрева человеческого тела (УВЧ-терапия) или для разогрева пищи в «микроволновках». Мощные дозы микроволнового излучения могут поражать как человека, так и технику. Уже разработаны генераторы микроволнового излучения мощностью в сотни мегаватт.
Проблема в том, как сконцентрировать радиоволны в узкий пучок: явление дифракции приводит к тому, что даже у параболической антенны диаметром 15 м пучок миллиметровых волн имеет расходимость 10-4 рад. На расстоянии 1000 км такой пучок образует пятно диаметром 100 м. Плотность потока мощности при этом даже от генератора в 1000 МВт падает до 10 Вт/см2, что не может причинить серьезного ущерба ракете. Чтобы использовать микроволновое излучение как оружие ПРО, видимо, придется продвигаться в область субмиллиметровых волн (ГВЧ) и создавать более мощные генераторы.
Однако микроволновое излучение можно использовать и для поражения наземных целей. Атмосфера Земли имеет несколько окон прозрачности в радиодиапазоне: кроме основного окна (λ от 20 м до 1 см) есть ещё полупрозрачные окна на λ = 8 и 4 мм. Волны короче 1 мм поглощаются парами воды. Посылая на Землю пучок миллиметровых волн мощностью около 1000 МВт, можно создать поток тепла, достаточный для воспламенения горючих предметов.
Особую опасность представляет микроволновое излучение для человека. В состоянии ненапряженной деятельности наше тело выделяет около 100 Вт тепла. Опасным для живого организма считается, если поглощенная извне мощность превышает его собственное энерговыделение. Мощное микроволновое излучение способно вызвать у человека ожог или тепловой удар. Тепловое поражение нашего организма происходит при интенсивности падающего излучения порядка 1 кВт/м2 (Фостер, Гай, 1986). Вообще говоря, такой уровень достижим уже сейчас.
Как известно, электромагнитные волны – это колебания электрического и магнитного полей, векторы которых перпендикулярны друг другу и направлению распространения волн. Если тело человека ориентировано своей длинной осью параллельно вектору электрического поля, а фронтальной плоскостью – перпендикулярно вектору магнитного поля (то есть человек стоит боком к приходящему излучению), то тело будет эффективно поглощать излучение с частотой 70–100 МГц (λ = 3–4 м), для которого оно является полуволновым диполем и активно резонирует с падающей волной. На более высоких частотах человеческое тело поглощает излучение в 5–10 раз менее эффективно, чем на резонансной частоте. На более низких частотах поглощение пренебрежимо мало.
Таким образом, возможность создания космического микроволнового оружия, способного поражать космические, воздушные и наземные цели, вполне реальна.
Как мы увидим ниже, практически каждая новая система оружия, предложенная для «звездных войн», может найти важное применение в народном хозяйстве. Не составляют исключения и микроволновые излучатели: их предполагается использовать для передачи из космоса на Землю энергии орбитальных солнечных электростанций. Вероятно, станет возможным снабжать энергией и мобильные средства: специалисты НАСА конструируют самолет, который будет питаться электроэнергией от наземных станций с помощью микроволновых лучей мощностью 2 МВт. Этот беспилотный самолет с размахом крыла 45 м и двигателем 40 л. с. сможет находиться в воздухе до трех месяцев без посадки. Он должен летать по замкнутому маршруту на высоте 22,5 км и может использоваться для контроля воздушной среды. Он способен также выполнять задачи в качестве элемента воздушной системы раннего оповещёния более дешевого, чем ИСЗ, и более надёжного, чем дирижабль или привязной аэростат. Дневной прототип такого самолёта уже создан и летает, используя энергию солнечных элементов, размещённых на крыльях. Создание космических микроволновых станций сделает такие аппараты круглосуточными.
Новейшие виды вооружения не ограничиваются источниками электромагнитного излучения. Космический вакуум дает возможность использовать в качестве оружия и вещёственные носители энергии, движущиеся с большой скоростью: ракеты-перехватчики, самонаводящиеся высокоскоростные снаряды (m ≈ 1 кг, v ≈ 10–40 км/с), разгоняемые в электромагнитных ускорителях, и микроскопические частицы (атомы водорода, дейтерия; v ≈ c), также ускоренные электромагнитным полем. Все эти виды оружия рассматриваются в связи с программой «звездных войн».
Их называют также оружием высокой кинетической энергии и электродинамическими ускорителями массы. Заметим сразу, что они интересуют не только военных.
С помощью ЭП предполагается осуществлять выброс радиоактивных отходов с Земли за пределы Солнечной системы, транспортировку с поверхности Луны материалов для космического строительства, запуск межпланетных и межзвездных зондов. Предварительные подсчеты показывают, что доставка грузов в космос с помощью ЭП обойдется в 10 раз дешевле, чем с помощью шаттлов (300 долларов за 1 кг, а не 3000 долларов, как у шаттлов, или 25 000 долларов, как у одноразовых ракет; многоразовые ракеты пока не значительно снизили эти затраты).
В рамках СОИ предполагается использовать ЭП для запуска баллистических (неуправляемых) или самонаводящихся снарядов для поражения взлетающих МБР (возможно, ещё в верхних слоях атмосферы) и боеголовок вдоль всей траектории их полета.
Идея использования ЭП восходит ещё к началу прошлого века. В 1916 году была первая попытка создать ЭП, надевая на ствол орудия обмотки из провода, по которым пропускался ток. Снаряд под действием магнитного поля последовательно втягивался в катушки, получал ускорение и вылетал из ствола. В этих экспериментах снаряды массой 50 г удавалось разогнать до скорости только 200 м/с. С 1978 года в США была начата программа создания ЭП в качестве тактического оружия, а в 1983 году она была переориентирована для создания стратегических средств ПРО.
Рис. 3.9. Космическая электромагнитная пушка – «рельсотрон»
Обычно в качестве космической ЭП рассматривается «рельсотрон» – две токопроводящие шины («рельсы»), между которыми создается разность потенциалов. Токопроводящий снаряд (или его часть, например, облачко плазмы в хвостовой части снаряда) располагается между рельсами и замыкает электрическую цепь. Ток создает магнитное поле, взаимодействуя с которым снаряд ускоряется силой Ампера. При токе в несколько миллионов ампер можно создать поле в сотни килогаусс (то есть в десятки тесла), которое способно разгонять снаряды с ускорением до 105g.
Чтобы снаряд приобрёл необходимую скорость 10–40 км/с, потребуется ЭП длиной 100–300 м. Снаряды таких орудий будут снабжены полуактивной системой самонаведения и, вероятно, будут иметь массу около 1 кг. При скорости 20 км/с кинетическая энергия такого снаряда будет около 100 МДж, что эквивалентно взрыву 20 кг тротила. Прототипы этих снарядов уже созданы: они имеют ИК-датчики, реагирующие на факел ракеты или на излучение подсвечивающего лазера, отраженное от боеголовки. Эти датчики управляют реактивными двигателями, обеспечивающими снаряду боковой маневр. Вся система выдерживает перегрузки до 105g.
Созданные американскими фирмами опытные образцы ЭП стреляют снарядами массой от 2 до 10 граммов со скоростью 5–10 км/с. Пока инженеры работают над ЭП в качестве корабельных орудий. Уже было проведено успешное испытание рельсотрона с дульной энергией 33 МДж. Масса используемых в тестах снарядов варьировалась между 2 и 3,2 кг. Но скорость выстрела небольшая, около 3 км/с, что для космического оружия маловато.
Одной из важнейших проблем при создании ЭП является разработка мощного импульсного источника тока, в качестве которого обычно рассматривается униполярный генератор (ротор, разгоняемый турбиной до нескольких тысяч оборотов в минуту, с которого путем короткого замыкания снимается огромная пиковая мощность). Сейчас созданы униполярные генераторы с энергоемкостью до 10 Дж на 1 г собственной массы. При их использовании в составе ЭП масса энергоблока будет достигать сотни тонн. Как и для газовых лазеров, большую проблему для ЭП представляет рассеяние тепловой энергии в элементах самого устройства. При современной технике исполнения КПД ЭП вряд ли будет превышать 20 %, а значит, большая часть энергии выстрела будет уходить на разогрев орудия. Можно не сомневаться, что прекрасные перспективы для разработчиков ЭП открывают высокотемпературные сверхпроводники. Использование этих материалов, вероятно, приведет к значительному улучшению характеристик ЭП.
Может показаться, что стратегия «звездных войн» полностью основана на новых технических принципах, но это не так.
Значительная доля усилий (примерно 1/3 всех ассигнований) тратится на развитие традиционных средств ПРО, то есть на разработку ракет-перехватчиков, или, как их ещё называют, противоракет, антиракет. В связи с прогрессом электроники и улучшением системы управления ПРО антиракеты теперь всё чаще снабжаются не ядерными боеголовками, поражающими ракету противника путем прямого соударения с ней. Для надёжного поражения цели такие ракеты снабжены специальным поражающим элементом зонтичного типа, который представляет собой раскрывающуюся конструкцию диаметром 5–10 м из сетки или упругих металлических лент.
Для защиты важных наземных объектов создаются противоракетные комплексы, способные уничтожать боеголовки на конечном участке траектории, в верхних слоях атмосферы. Иногда их боеголовки снабжают взрывчатым зарядом осколочного типа, рассеивающим в пространстве поражающие элементы наподобие картечи. Не отказываются и от применения ядерных зарядов в связи с появлением боеголовок, способных маневрировать в атмосфере.
Для защиты шахтных пусковых установок МБР существуют артиллерийские и ракетные системы залпового огня, создающие на высоте несколько километров над землей плотную завесу из стальных кубиков или шариков, которые поражают боеголовку при столкновении с ней.
Предполагается разместить ракеты-перехватчики и на орбитальных платформах для борьбы с ракетами и боеголовками вдоль всей надатмосферной части их траектории. Не исключено, что именно антиракеты космического базирования станут первым реально развернутым в космосе элементом стратегической ПРО.
Рис. 3.10. Бесконечная эскалация противоспутникового оружия. Шутка
Администрация США хорошо понимала, что не успеет в полном объёме осуществить свои планы СОИ. Но чтобы следующей администрации не было пути назад, важно уже сейчас сделать что-то реальное и перейти от слов к делу. Поэтому в срочном порядке обсуждалась возможность в ближайшие годы развернуть в космосе примитивную систему ПРО на основе самонаводящихся антиракет, неспособную в полном объеме выполнить задачу «космического зонтика над страной», но дающую некоторые преимущества в случае глобального ядерного конфликта. Но пока эти планы не осуществились.
Мощный пучок заряженных частиц (электронов, протонов, ионов), или пучок нейтральных атомов, также может быть использован в качестве оружия.
Исследования по пучковому оружию начались более 40 лет назад с целью создать морскую боевую станцию для борьбы с противокорабельными ракетами.
При этом предполагалось использовать пучок заряженных частиц, которые активно взаимодействуют с молекулами воздуха, ионизуют и нагревают их. Расширяясь, нагретый воздух существенно уменьшает свою плотность, что дает возможность заряженным частицам распространяться дальше.
Серия коротких импульсов может сформировать своеобразный канал в атмосфере, сквозь который заряженные частицы будут распространяться почти беспрепятственно (для пробивания канала можно использовать и луч УФ-лазера). Импульсный пучок электронов с энергией частиц ~1 ГэВ и силой тока в несколько тысяч ампер, распространяясь через атмосферный канал, может поразить ракету на расстоянии 1–5 км. При энергии выстрела 1–10 МДж ракета получит механические повреждения, при энергии ~0,1 МДж может произойти подрыв боезаряда, а при энергии 0,01 МДж может быть повреждена электронная аппаратура ракеты.
Однако использовать пучки заряженных частиц в космосе для целей ПРО считается бесперспективным. Во-первых, такие пучки имеют заметную расходимость из-за кулоновского отталкивания одноименно заряженных частиц, а во-вторых, траектория заряженного пучка искривляется при взаимодействии с магнитным полем Земли. При ведении морского боя это незаметно, но на расстояниях в тысячи километров оба эти эффекта становятся весьма существенными. Для создания космической ПРО считается целесообразным использовать пучки нейтральных атомов (водорода, дейтерия), которые в виде ионов предварительно разгоняются в обычных ускорителях.
Быстро летящий атом водорода – достаточно слабо связанная система: он теряет свой электрон при соударении с атомами на поверхности мишени. Но образующийся при этом быстрый протон обладает большой проникающей способностью: он может поразить электронную начинку ракеты, а при определенных условиях даже расплавить ядерную начинку боеголовки.
Поскольку в основе своей пучковое оружие связано с электромагнитными ускорителями и концентраторами электрической энергии, можно предположить, что создание промышленных высокотемпературных сверхпроводников ускорит разработку и улучшит характеристики этого оружия.
Как видим, для стратегической ПРО создается оружие различного типа, основанное как на новых, так и на известных ранее принципах. Можно не сомневаться, что при определенном упорстве и финансовых затратах по крайней мере некоторые из этих устройств могут быть доведены до такого состояния, что действительно смогут поразить в космосе ракету или боеголовку.
Но мы пока не касались двух важных вопросов:
1) можно ли создать надежные средства поиска и распознавания целей, а также средства управления огнем противоракетного оружия, и
2) как изменятся возможности стратегической ПРО в случае целенаправленного противодействия ей со стороны противника? (Было бы наивным считать, что такого противодействия не будет.)
Последний вопрос мы обсудим отдельно, а сейчас рассмотрим возможности средств поиска и управления.
Рис. 3.11. Схемы полёта баллистических ракет
В чём их задача? Им необходимо:
• держать под постоянным контролем всю территорию потенциального противника, акваторию Мирового океана и околоземное космическое пространство;
• обнаруживать, распознавать и следить за всеми потенциально опасными объектами (баллистическими и крылатыми ракетами, самолетами, спутниками и т. д.), а после применения оружия оценить степень поражения цели;
• управлять системой ПРО, то есть распределять имеющиеся боевые ресурсы по целям, следить за работоспособностью всех элементов системы и при необходимости вводить в действие резервные элементы, решать задачу степени опасности и необходимости применения оружия;
• точно наводить оружие на цели.
В этом и состоит задача средств поиска и управления. По мнению многих специалистов, эти, так сказать, сервисные средства являются наиболее сложным, а значит, наименее надежным компонентом системы космической ПРО. Ведь эта система должна будет обеспечить борьбу с тысячами МБР, десятками тысяч боеголовок и сотнями тысяч ложных целей, которые необходимо сопровождать от точки их пуска до точки перехвата.
Считается, что такую задачу способны решить ИК-мозаичные фотоприемники, содержащие до 20 мегапикселей. Они обладают существенно лучшими характеристиками, чем сканирующие ИК-приемники (типа телевизионных трубок): мозаичные приемники обладают коротким временем получения изображения (~100 мс) и высокой помехозащищенностью, информацию с них легко вводить в компьютер.
Министерство обороны США создало спутник AFP-888 массой 2160 кг, главным компонентом которого служит ИК-телескоп «Тил Руби» для обнаружения наземных военных целей (ракет, самолетов). Приемниками изображения в этом телескопе служат ИК-матрицы, охлаждаемые жидким неоном и метаном. Для обнаружения стартующих МБР нужны охлажденные до сверхнизких температур матрицы из теллурида ртути и кадмия. Для точного сопровождения цели матрица должна содержать, по крайней мере, 4000 × 4000 пикселей.
Большую проблему представляет обнаружение боеголовок после их разделения с носителем: в отличие от ракеты, у боеголовки нет горячих частей. Для решения этой задачи нужны длинноволновые ИК-приемники, способные обнаруживать объекты комнатной температуры, но они сильно страдают от теплового фона земной поверхности. Поэтому они могут успешно обнаруживать свою цель только на фоне холодного космоса. А это означает, что спутник обнаружения должен находиться на низкой орбите между поверхностью Земли и пролетающими над ним боеголовками, и его следящая аппаратура должна иметь большое поле зрения.
Сейчас разрабатываются новые широкоугольные оптические системы, использующие принцип устройства глаз насекомых и некоторых ракообразных. Они состоят из большого количества стерженьковых линз – омматидий – и создают неискаженное изображение большого поля зрения вплоть до полусферы. Это существенно упрощает компьютерную обработку изображения, захват и распознавание цели.
Тем не менее обработка сигнала, поступающего с приемника изображения, представляет большую проблему. Пусть ИК-матрица имеет 1 млн элементов (скромный размер) и обеспечивает съемку с частотой 30 кадров в секунду. Поскольку для обеспечения достаточного диапазона шкалы яркости считываемые с детекторов сигналы нужно преобразовывать в цифровой код с разрядностью не менее 6 бит, создаваемый такой матрицей поток информации будет достигать 200 Мбит/с. С таким потоком справится не каждый компьютер (ведь его надо не просто записывать в память, а обрабатывать в реальном времени), поэтому первичную обработку сигнала – подавление фоновых помех, выделение ложных целей и тому подобное – необходимо делать аналоговыми средствами ещё в системе детектирования. А в компьютер посылать наиболее информативную часть данных (между прочим, именно так работает глаз многих животных, имеющий примерно те же параметры, что и обсуждаемая матрица).
Для обнаружения целей используются не только спутники с ИК-телескопами, но и традиционные радиолокаторы наземного и воздушного базирования: самолеты системы АВАКС и гигантские радиолокационные станции с фазированными антенными решетками.
Для борьбы с тактическим ядерным оружием (крылатыми ракетами и т. п.) американские инженеры предлагают использовать даже… дирижабли.
Патрульный дирижабль объемом 70–90 тыс. м3 и длиной 120–130 м способен брать полезную нагрузку до 27 т и развивать скорость до 235 км/ч. Такой дирижабль может находиться в воздухе по несколько месяцев, еженедельно заправляясь топливом с надводных кораблей. Внутри его оболочки должна быть установлена антенна РЛС с дальностью действия около 300 км. На базе модифицированного самолета «Боинг-767» предполагается создать оптический комплекс обнаружения и целеуказания. Снабженный длинноволновыми ИК-датчиками и лазерными дальномерами, он будет способен обнаруживать цель и определять ее координаты с расстояния до 1600 км, даже если размер цели составляет не более 50 см.
После обнаружения цели встает задача ее распознавания (то есть определения ее природы) и селекции (то есть отделения ложных целей от истинных ракет и боеголовок).
Пассивные системы селекции исследуют излучение самой цели, а активные системы воздействуют на цель потоками квантов или частиц и изучают её реакцию. Главное отличие истинных боеголовок от ложных – в их массе: истинные значительно массивнее. Но по своей форме и свойствам поверхности они могут быть почти неразличимы. Поэтому считается более перспективным использовать для селекции целей не радиолокаторы и тепловые датчики, а пучки нейтральных частиц. Под действием такого пучка облучаемый объект испускает нейтроны и гамма-лучи в количестве, пропорциональном его массе. Боеголовка в надувной оболочке из пластика с металлическим покрытием будет восприниматься радиолокатором как надувная ложная цель, а при облучении этой боеголовки пучком нейтральных частиц такая ошибка исключена.
Правда, противник может дезориентировать средства распознавания целей, снабдив свои ложные цели устройством, которое при облучении пучком частиц испускает нейтроны. В начале 1990-х годов ВВС США были намерены провести летные испытания по селекции целей с помощью пучка частиц. На орбиту высотой около 300 км с помощью шаттла предполагалось вывести в сложенном виде ускоритель длиной 35 м и массой 20 т, а также спутник-мишень и спутник с приборами, регистрирующими нейтроны и гамма-лучи. Ускоритель должен был создавать пучок атомов водорода или дейтерия с энергией 50 МэВ и мощностью пучка до 2,5 МВт. Его электропитание обеспечивали кислородно-водородные топливные элементы. О результатах этого проекта не сообщалось.
Работоспособность всей системы ПРО в огромной степени зависит от надежности управляющих компьютеров. Но хорошо известно, что электронная память не обладает абсолютной надежностью: время от времени в ней возникают непредсказуемые сбои. Как правило, их источником являются быстрые альфа-частицы, испущенные ядром тяжелого атома в результате радиоактивного распада и поражающие основу этой памяти – кремниевые кристаллы. Поскольку радиоактивные ядра в небольших количествах присутствуют почти во всех материалах, с проблемой надежности компьютерной памяти люди столкнулись уже на Земле. В околоземном пространстве вблизи или внутри радиационных поясов фон заряженных частиц значительно выше, чем у поверхности Земли: соответственно уменьшается там и надежность компьютера.
Правда, разработаны специальные математические методы (так называемые корректирующие коды), которые обеспечивают четкую работу памяти, несмотря на сотни возникающих в ней ошибок. Но с тысячами сбоев эти методы уже не справляются. Так, в условиях Земли устройство памяти емкостью 1 Мбайт фиксирует один сбой в среднем за 36 дней, а с использованием корректирующих кодов один неустранимый сбой в нём происходит через 63 года.
Учитывая гигантский объем памяти, требующийся для выполнения задач космической ПРО, а также высокий фон космических лучей, можно заранее быть уверенным в низкой надежности работы компьютеров, в особенности базирующихся на космических аппаратах. Возможны возражения, что, мол, бортовые компьютеры «Вояджеров» успешно работают в космосе уже 48 лет. Однако этот пример нельзя считать убедительным ввиду малого объема памяти бортовых компьютеров упомянутых аппаратов и периодической корректировки её содержимого с Земли.
После того как объект противника обнаружен, идентифицирован, и принято решение о его уничтожении, необходимо прицелиться. Чем лучше сфокусирован луч или пучок оружия направленной энергии, тем сложнее его навести на цель. Для большинства видов космического оружия в качестве прицела придется применять настоящие телескопы с объективами диаметром порядка 1 м.
Не исключено, что при наведении лазерного луча на цель будет использован эффект обращения волнового фронта. Для этого цель необходимо осветить маломощным лазером, а отражённый от неё свет, пройдя оптическую систему мощного боевого лазера, сам запустит поражающий импульс точно в том направлении, откуда он пришел, то есть по направлению к цели. Сейчас такие системы самонаведения создаются для нужд термоядерной энергетики (Зельдович, Шкунов, 1986).
Современные системы противоракетной обороны включают разнообразные типы оружия – от электромагнитного и микроволнового до кинетического и пучкового. Эти технологии позволяют поражать ракеты и боеголовки на разных участках траектории, но требуют сложных средств обнаружения, наведения и управления огнём, а также решений по концентрированию энергии и защите компьютеров от космических помех.
Может показаться, что с передачей функций управления оружием от человека к компьютеру надежность системы в целом возрастает. Это не совсем так.
Возрастает быстродействие и точность системы, но не возрастает её надёжность, поскольку программированием современных компьютеров занимаются люди. К тому же жизненно важные для человека как биологического вида функции нашего мозга зарезервированы в нём с огромной избыточностью (понятие о гуманности или материнский инстинкт не исчезают даже при полной потере памяти), но при программировании компьютера такая избыточность никогда не используется.
Программное обеспечение космической системы ПРО будет содержать от 10 до 100 млн строк (в терминах языка Фортран). В то время как для повышения надёжности материальной части компьютера существуют специальные методы (дублирование элементов, самоконтроль, корректирующие коды), для повышения надежности математического обеспечения есть лишь один способ – полномасштабные испытания во всех возможных ситуациях.
Ясно, что такие испытания для системы ПРО невозможны: чтобы узнать поведение противника, необходимо начать войну. Практически подобные испытания невозможны даже для более скромных систем, поэтому ошибки программирования обходятся иногда очень дорого.
Достаточно вспомнить обстоятельства гибели английского эсминца «Шеффилд» во время фолклендского конфликта. Согласно одному из сообщений об этом случае, установленные на корабле радиолокационные системы обнаружения были запрограммированы таким образом, что ракеты типа «Экзосет» они принимали за свои, поскольку такие ракеты состояли на вооружении в Великобритании.
Не менее поучителен пример гибели межпланетного аппарата Mars Climate Orbiter (NASA, 1999), слишком углубившегося в атмосферу Марса при проведении аэродинамического торможения: причиной этого послужила ошибка интернациональной команды программистов, использовавших в одной части программы в качестве единицы длины километры, в другой – мили. А из последних поучительных событий можно вспомнить жесткое прилунение «Луны-25» (Роскосмос, 2023), которое также объясняется ошибкой программирования.
Ошибочное срабатывание крупных стратегических систем, связанное с неверным программированием, удавалось до сих пор предотвращать.
Например, 3 июня 1980 года система НОРАД выдала ложное сообщение, что на США движутся советские ракеты. В результате были приведены в повышенную готовность стратегические бомбардировщики с ядерным оружием на борту, запущены их двигатели, заняли свои места в кабинах члены экипажа. Виной ошибки была неисправность компьютера, которую не учли разработчики программного обеспечения. Особенно опасно, что такие ошибки происходят все чаще. У той же системы НОРАД число сбоев возросло с 25 за первую половину 1978 года почти до 250 за первую половину 1983 года. Причину этого нетрудно понять.
Если в первые годы ядерной эры средства нападения были однотипными и сравнительно легко отождествимыми (тяжелые бомбардировщики и мощные МБР), то сейчас они стали чрезвычайно разнообразными и изощренными: ракеты различных типов, самолеты любого веса, крылатые ракеты, ядерная артиллерия, наземные мобильные носители, а в перспективе возможны «космические мины» и т. п. Поэтому порог дискриминации, то есть граница между носителями ядерного оружия и всеми иными подвижными объектами, постоянно понижается. И соответственно, уменьшается устойчивость военно-стратегического равновесия. Понижение порога дискриминации выражается в увеличении числа ложных срабатываний в системах раннего обнаружения.
Но ведь предотвращали ошибочные решения компьютеров до сих пор люди, время реакции у которых (минуты) было короче подлётного времени ракет (десятки минут). В случае же перспективной системы космической ПРО перехват ракет должен производиться на активном участке их полета, длительность которого может быть сокращена до 100 секунд. В этом случае вмешательство человека исключается, и ошибочное решение компьютера об ответном ударе в действительности может стать решением о начале Третьей мировой войны.
Передача управления стратегическим оружием от человека к компьютеру повышает скорость и точность реакции, но не надёжность системы. Огромная сложность программного обеспечения и невозможность полноценных испытаний создают риск ошибок, которые могут привести к катастрофическим последствиям, включая случайный запуск вооружений и эскалацию конфликта.
Необходимым компонентом космической ПРО является транспортная система, способная доставить на околоземные орбиты многочисленные боевые платформы, спутники наблюдения и управления и обеспечить профилактику и ремонт этих аппаратов. Одним из самых сложных требований к космической транспортной системе является большой грузооборот.
Действительно, одна боевая платформа с фтор-водородным лазером мощностью 60 МВт, по оценкам специалистов, должна иметь массу около 800 т (из них 700 т – масса топливной смеси). А ведь для целей ПРО на орбиту нужно будет вывести десятки таких платформ – и это только часть всей системы! Ясно, что грузооборот будет исчисляться десятками тысяч тонн. Какими возможностями в связи с этим обладает американская космонавтика?
Эта многоразовая транспортная космическая система базировалась на разновидности воздушно-космического корабля (ВКК), то есть летательного аппарата, предназначенного для полёта в космическом пространстве и в атмосфере. Взлет ВКК может происходить с помощью самолета-носителя, либо по-ракетному – вертикально вверх с помощью стартовых ускорителей (бустеров), либо по-самолетному – с взлетной полосы аэродромов с помощью специальной реактивной тележки. В этом случае, а иногда и в первых двух, ВКК называют воздушно-космическим самолетом (ВКС).
Созданию американского ракетоплана Space Shuttle («Спейс шаттл») предшествовала разработка и испытание нескольких гиперзвуковых самолетов-ракет: Х-15, Х-20, Х-24. Ракетоплан Х-15 (1959–1968 годы) стартовал с борта самолета-носителя Б-52 на высоте 9–12 км, а затем за 90 секунд работы двигателя разгонялся до скорости 2 км/с и достигал в баллистическом полете высоты 108 км. Ракетопланы Х-20 и X-24 были рассчитаны на орбитальные или суборбитальные полеты и использования в качестве носителя самолета Б-52 или ракеты «Титан-1».
Многоразовый транспортный космический корабль (МТКК) Space Shuttle с 1981 года стал первым реализованным ВКК. Размер и масса его ступеней приведены в таблице.
В носовой части шаттла расположены жилые помещёния: кабина пилотов (3 человека) и пассажирская кабина (до 5 человек). Большую часть корпуса занимает негерметичный грузовой отсек: 18,3 м в длину и 4,5 м в диаметре. В этом отсеке корабль может поднять 29,5 т полезной нагрузки (ПН) при запуске с мыса Флорида на низкую круговую орбиту или 15 т при запуске на полярную орбиту. С орбиты на Землю корабль может вернуть 14,5 т груза. Для операций с ПН внутри грузового отсека и вблизи корабля используется дистанционный манипулятор длиной 15,2 м, укрепленный на кромке грузового отсека и управляемый из кабины экипажа.
Этот корабль можно считать двухступенчатым: первую ступень составляют два твердотопливных ускорителя, а вторую, орбитальную, – сам ракетоплан с прикрепленным к нему внешним топливным баком. В хвостовой части шаттла установлены три основных ракетных двигателя, работающих на жидком водороде и жидком кислороде, запасенных в подвесном баке. В основании хвостового оперения корабля в двух отдельных отсеках находятся два двигателя орбитального маневрирования. Они обеспечивают тягу 2,7 т, а их топливо (10,9 т диметилгидразина и азотной кислоты) размещается в самом ракетоплане. Кроме этого, в носовом и хвостовом отсеках шаттла расположены многочисленные двигатели ориентации.
Старт корабля происходит вертикально: включаются три основных двигателя и два твердотопливных ускорителя. Через 2 мин на высоте 45 км ускорители заканчивают работу и отделяются. Продолжая движение по баллистической траектории, они достигают высоты около 70 км, а затем, падая на парашютах, приводняются в океан на расстоянии 260 км от места старта. Через 8 мин после старта на высоте около 113 км отключаются основные двигатели корабля и отделяется внешний топливный бак. Он падает в океан, частично разрушаясь в плотных слоях атмосферы.
Орбитальная ступень продолжает самостоятельный полёт и с помощью двигателей орбитального маневрирования выходит сначала на промежуточную эллиптическую орбиту (перигей 110 км, апогей 280 км), а затем на круговую, высотой около 300 км. Это основная рабочая орбита шаттла. Максимальная высота его полета около 1100 км. Продолжительность работы на орбите обычно составляет неделю, но в аварийном режиме может достигать месяца.
Для схода с орбиты корабль ориентируется хвостовой частью вперед и на 2 мин включает двигатели маневрирования, создающие тормозной импульс. На высоте 150 км корабль разворачивается носом вперед и, используя свои аэродинамические свойства, сначала активно тормозится, а затем планирует в атмосфере. Он может совершать боковой маневр на расстояние до 2000 км от своего начального курса, что необходимо для посадки на запасные аэродромы. Посадка происходит с помощью шасси самолетного типа на взлетно-посадочную полосу со скоростью 330 км/с.
Американский шаттл эксплуатировался с 1981 по 2011 год, совершив более 135 полетов. На орбиту было выведено множество спутников различного назначения, проведены операции по ремонту и дозаправке ИСЗ на орбите (несколько раз ремонтировали телескоп «Хаббл»), осуществлялась сборка на орбите крупногабаритных объектов (например, Международной космической станции). Было предпринято немало операций военного назначения, например, натурные испытания в области динамики полета на гиперзвуковых скоростях в интересах создания военных воздушно-космических аппаратов. В принципе, аппараты типа шаттл можно использовать и как носитель оружия для уничтожения космических объектов, для постановки космических мин, для нанесения ударов по особо важным объектам на Земле.
После катастрофы шаттла «Челленджер» велись поиски возможностей аварийного спасения экипажа, а также рассматривались варианты разгона подвесного топливного бака до первой космической скорости, с тем чтобы использовать его в составе орбитальных комплексов. Для улучшения характеристик шаттла NASA планировало создать аппарат OMV (Orbital Maneuvering Vehicle).
Это беспилотный межорбитальный буксир для перевода спутников с низкой орбиты шаттла на орбиту высотой до 2500 км (именно в этом диапазоне высот предполагается разместить боевые платформы космической ПРО) и для возвращения полезной нагрузки обратно к шаттлу. Аппарат OMV должен иметь цилиндрическую форму диаметром 4,5 м, что как раз соответствует грузовому отсеку шаттла.
В 2011 году один запуск американского шаттла стоил 450 млн долл. Поэтому в NASA разрабатывалась вторая модель шаттла – дешевле, надёжнее и экономичнее первой. Её грузоподъемность предполагалась не более 20 т при стоимости запуска около 100 млн долларов. Переход на новые материалы и, возможно, на кислородно-углеводородное топливо позволил бы приблизить вес ПН к сухому весу конструкции корабля. Схема запуска – вертикальный или горизонтальный старт – не была ясна. До сих пор новая модель не испытана.
В некотором смысле продолжением программы Space Shuttle можно считать создание беспилотного аппарата Boeing X-37, известного также как Orbital Test Vehicle (OTV). Его длина около 9 м. Он принадлежит Министерству обороны, его детальные технические характеристики не публикуются. Первый орбитальный полёт состоялся в 2010 году на ракете Atlas V и длился 8 месяцев. Продолжительность следующих полетов постепенно увеличивалась, достигнув 780 дней на орбите для пятого, впервые запущенного ракетой Falcon 9. Шестой был запущен ракетой Atlas V 17 мая 2020 года и завершился 12 ноября 2022 года, достигнув 908 дней на орбите. Седьмой начался 28 декабря 2023 года с помощью ракеты Falcon Heavy. Выйдя на высокоэллиптическую околоземную орбиту, аппарат приземлился в марте 2025 года после 434 дней полёта.
В СССР был создан и в 1988 году успешно испытан аналог американского шаттла – космическая транспортная система «Энергия—Буран». В некоторых отношениях эта система даже превосходит шаттл. Однако развал СССР привел к тому, что систему «Энергия—Буран» так и не довели до рабочего состояния.
Пытались создать свои шаттлы страны Западной Европы (проект «Гермес») и Япония (проект HOPE), но оба эти проекты были свернуты.
Используя опыт разработки гиперзвуковых самолетов и шаттла, американские инженеры ищут возможность дальнейшего развития концепции воздушно-космического аппарата.
Система Space Shuttle не до конца оправдала возлагавшиеся на нее надежды. Ожидалось, что к началу 1980-х шаттл заменит все одноразовые носители, будет совершать до 50 полетов в год, причем стоимость доставки грузов будет 220 долларов за 1 кг (по курсу 1971 года). Однако в 1985 (последнем безаварийном) году шаттл совершил лишь 10 полетов, причем стоимость подъема 1 кг груза была не менее 11 000 долларов или 4400 долларов по курсу 1971 года, то есть в 20 раз больше первоначальной оценки! Поэтому продолжились поиски более дешевого космического транспорта, который бы снизил затраты на подъем груза как минимум в 10 раз.
Ближайшей задачей стало испытание ВКС Rockwell X-30, способного совершать полеты в атмосфере на высотах 25–46 км и выводить в космос ПН. По габаритам этот аппарат аналогичен пассажирскому авиалайнеру DC-9: длина 32 м, размах крыла 27 м, высота 8 м.
Это автономный одноступенчатый аппарат, способный стартовать и садиться на аэродроме. При экипаже в два человека он должен был иметь грузоподъемность 5 т. Основная проблема заключалась в создании для него комбинированной двигательной установки. При взлете должен работать обыкновенный турбореактивный двигатель. При скоростях от 2 М до 5 М потребуется прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД), а при больших скоростях (от 5 М до орбитальной скорости 25 М) можно использовать проектирующийся гиперзвуковой ПВРД (ГПВРД). Во время полёта в атмосфере в качестве окислителя он будет использовать атмосферный кислород, а за пределами атмосферы – криогенное топливо (Н2 + O2).
Как почти все основные компоненты программы СОИ, ВКС должен найти применение в народном хозяйстве. На базе X-30 решено было создать гражданский гиперзвуковой транспортный самолет «Восточный экспресс» (X-31), который при вместимости 300–500 пассажиров на линиях типа Токио – Вашингтон будет более быстрым и более выгодным, чем сверхзвуковой англо-французский «Конкорд», летавший с 1976 по 2003 год. Испытания Х-30 предполагалось начать в 1993 году, но как раз в том году проект был закрыт.
До сих пор в США продолжается работа над подобными аппаратами. Можно вспомнить NASA X-38, NASA X-43A, Boeing X-51, Darkhorse и Halcyon от компании Hermeus. Но в 2025 году ближе всех к реализации проект LockheedMartin SR-72. Его предшественником был знаменитый сверхзвуковой высотный разведчик SR-71. В ноябре 2018 года компания LockheedMartin сообщила, что прототип SR-72 должен подняться в воздух к 2025 году и будет способен запускать гиперзвуковые ракеты. На вооружение он может поступить в 2030-х годах.
В те годы, когда американцы работали над проектом X-30, в СССР над аналогичным проектом работали в КБ Туполева. Взлётный вес аппарата Ту-2000 предполагался около 300 т. В варианте межконтинентального бомбардировщика с дальностью полета 10 000 км он должен был лететь на высоте 30 км. В варианте ВКС он мог бы выводить 10 т ПН на орбиту высотой 200 км. Проект закрыли в 1993 году.
В других странах также идёт работа над созданием ВКС. В Англии проектировался одноступенчатый аппарат HOTOL с горизонтальными стартом и посадкой (Horizontal Take-Offand Landing). Его длина около 62 м, размах крыла 20 м, взлетный вес 275 т, вес на орбите 43 т. В отсеке полезной нагрузки размером 8 × 4,3 м могло бы разместиться 6 т груза. Комбинированная силовая установка предполагалась из основных кислородно-водородных ЖРД и воздушно-реактивных двигателей, которые на первом этапе полета будут использовать атмосферный кислород. Конструкция аппарата не предполагала подвесных баков: весь запас жидкого топлива размещался внутри фюзеляжа и занимал почти весь его объем. Ожидалось, что стоимость выведения 1 кг груза будет вдвое меньше, чем у системы Space Shuttle. Особенностью аппарата должна была стать быстрая подготовка к полету, что особенно ценно для военного применения. Начало эксплуатации было намечено на 2004 год.
Однако к концу 1980-х проект приостановили, а в 1991 году предложили более дешевую версию, HOTOL-2, который должен был запускаться со спины самолета Ан-225. Предполагался отказ от воздушно-реактивного двигателя в пользу чисто реактивного кислородно-водородного. Но и этот проект «провалился». Последняя его реинкарнация состоялась в виде проекта Skylon, обещавшего вывод на экваториальную низкую околоземную орбиту 17 т ПН по цене около 1000 долл/кг, но в 2024 году этот проект тоже был закрыт. Главная причина – сложности в создании прямоточного воздушно-реактивного двигателя для полета в стратосфере и мезосфере.
Над проектами подобных ВКС работали также в Японии и ФРГ. Самым интересным можно назвать немецкий проект одноступенчатого ВКС «Зенгер» (Saenger). Предполагалось, что этот корабль с экипажем из двух человек сможет доставить на орбиту 4 т груза или 10 пассажиров и 2 т груза, и при этом стоимость доставки 1 кг будет в 5 раз меньше, чем у системы SpaceShuttle.
В состав корабля должны были войти две крылатые пилотируемые ступени. Разгонная ступень должна была обеспечить начальную скорость 6 М. Её стартовая масса 350 т, масса топлива в ней 200 т, соответственно посадочная масса – 150 т. Её длина 50 м, а размах крыльев 25 м. У неё 6 двигателей тягой по 40 т, которые обеспечивали взлетную скорость 500 км/ч. Для взлета «Зенгера» подходило большинство международных аэропортов, поскольку длина его разбега 2500 м, а уровень шума не больше, чем у «Конкорда». В этом смысле ему значительно уступал HOTOL, который требовал более длинной полосы для взлета и производил гораздо больше шума своими кислородно-водородными двигателями. Ещё одним достоинством проекта «Зенгер» считается то, что на базе его разгонной ступени можно было создать гиперзвуковой авиалайнер на 200 пассажиров с дальностью полета 13 000 км.
Орбитальная ступень аппарата «Зенгер» имела стартовую массу 50 т, масса топлива 35 т. Ее длина 30 м, размах крыла 12 м, диаметр отсека полезной нагрузки – 4,5 м. В отличие от аппарата HOTOL, для которого требовалось спроектировать сложный двухрежимный двигатель, для орбитальной ступени «Зенгера» предполагалось использовать один кислородно-водородный ЖРД тягой 30–50 т, разработанный для системы Space Shuttle. По проекту «Зенгер» предполагалось разработать и одноразовую вторую ступень с грузоподъемностью 10 т. Но в 1995 году проект был закрыт в пользу одноразовой европейской ракеты «Ариан-5».
Уместно задуматься: что сулят подобные летательные аппараты для целей милитаризации космоса? Вообще говоря, они не очень заинтересуют военных. Для задач ПВО гиперзвуковой ракетоплан слишком быстро летает и обладает малой маневренностью: самолет-перехватчик, летающий быстрее 2 М, с успехом можно заменить ракетой. Для целей разведки уже существуют спутники и самолет SR-71. Как носитель ядерного оружия ВКС слишком дорог: при стоимости 1 млрд долл. он несет 30 боеголовок, а ракета MX при стоимости 50–100 млн долл. несет 10 боеголовок. К тому же ВКС недостаточно оперативен в случае ядерного нападения: носитель должен быть в воздухе через 15 минут после получения сигнала о нападении. Стратегический бомбардировщик может это сделать, так как у него обычное топливо, которое можно не сливать из баков самолета, а криогенное топливо ВКС необходимо хранить в специальных резервуарах и заправлять им аппарат непосредственно перед стартом. Но для долговременных военных проектов, таких как создание космической системы ПРО, многофункциональные сравнительно дешевые ВКС, несомненно, представляют интерес.
Как мы видели, огромный грузооборот, необходимый для развертывания космической ПРО, вероятно, окажется не по силам системам типа Space Shuttle и «Энергия—Буран», и уж во всяком случае обойдётся с их помощью очень дорого. Перспективные ВКС обладают ещё меньшей грузоподъемностью. Поэтому совершенно естественно мысль конструкторов вернулась к мощным одноразовым и многоразовым носителям с грузоподъемностью более 30 т. Разработка таких носителей резко ускорилась после катастрофы шаттла «Челленджер» в 1986 году.
Несколько фирм предложили министерству обороны США и NASA проекты мощных носителей на базе Space Shuttle, но с грузоподъемностью от 35 до 90 т. Это одноразовые или частично возвращаемые носители. Их грузоподъемность увеличена за счёт отказа от самого ракетоплана-шаттла.
Так, фирма Rockwell International намерена создать беспилотный носитель HLV (Heavy Lift Vehicle – тяжелая ракета-носитель). Вместо орбитальной ступени на нём должна быть установлена крылатая ступень массой 36–41 т с двигателями и системой управления, а ПН будет упакована в контейнер длиной 24 м и диаметром 5 м и закреплена на орбитальной ступени. Масса ПН при этом может быть доведена до 63 т. Соответственно стоимость доставки на орбиту 1 кг груза снизится в 2–3 раза.
Конкурентом этой ракеты стал проект фирмы United Technologies Corporation под названием UPC (Unmanned Payload Carrier – беспилотный носитель ПН). В нём используются твердотопливные ускорители и внешний топливный бак от шаттла. К ним подвешивается отсек ПН длиной 22 м и диаметром 6,7 м. К его задней стенке крепится блок двигателей с системой управления, который рассчитан на сход с орбиты и спуск на парашюте. Масса ПН составляет 52 т, а при некоторой модификации системы – до 68 т.
Фирма «Хьюз эйкрафт» предлагала проект ракеты «Джарвис» (названа в честь погибшего при катастрофе «Челленджера» специалиста этой фирмы астронавта Грегори Джарвиса). Энергетические характеристики этой ракеты в 1,5 раза превосходили возможности шаттла, и она считалась самой перспективной тяжелой ракетой 1990-х годов. В качестве её первой ступени предлагались два твердотопливных ускорителя от шаттла, а второй – модифицированный внешний топливный бак шаттла с одним ЖРД. Верхняя часть этого бака была заменена платформой для полезной нагрузки под обтекателем. Грузоподъемность ракеты «Джарвис» около 40 т.
Таким образом, все упомянутые варианты тяжелого носителя используют элементы системы Space Shuttle. Как известно, твердотопливные ускорители этой системы выделяют огромное количество токсичных газов и наносят большой ущерб атмосфере Земли. Использование их для целей развертывания космической ПРО уже само по себе может привести к экологической катастрофе.
В этом смысле значительно более безопасны тяжёлые носители последнего поколения: Ангара-А5 (Россия), Long March 5 (Китай), Falcon Heavy, New Glenn (США). А на подходе ещё более мощные и частично многоразовые ракеты: Long March 9, SLS Block 2, Starship. В целом можно сделать вывод, что в случае реализации проектов тяжелых носителей и воздушно-космических самолетов проблема транспортировки и обслуживания на орбите элементов космической ПРО может быть решена к середине XXI века.
Для создания космической ПРО необходимы транспортные системы с огромным грузооборотом – для доставки боевых платформ, спутников наблюдения и их обслуживания на орбите. Американский шаттл Space Shuttle и советская «Энергия—Буран» продемонстрировали возможности многоразовых космических кораблей, но их грузоподъемность и стоимость полетов ограничивали масштаб применения. Разработка перспективных воздушно-космических систем (X-30, SR-72, HOTOL, «Зенгер») и тяжёлых ракет-носителей (HLV, Falcon Heavy, Angara-А5, Starship и др.) направлена на повышение грузоподъемности, сокращение стоимости доставки и обеспечение обслуживания космических объектов. К середине XXI века такие системы могут решить транспортную проблему развертывания и эксплуатации элементов космической ПРО.