Из истории создания лазеров
1954 год: Ч. Таунс, Н.Г. Басов и А.М. Прохоров создали первый микроволновой генератор – мазер на аммиаке, за что получили Нобелевскую премию по физике в 1964 году.
16 мая 1960 года: Т. Мейман продемонстрировал работу первого оптического квантового генератора – лазера.
Виктор Викторович Аполлонов – доктор физико-математических наук, профессор, лауреат Государственных премий СССР (1982) и РФ (2001), действительный член Академии военных наук, АИН и РАЕН, член Президиума РАЕН. В.В. Аполлонов – ведущий в мире ученый в области высокоэнергетических лазерных систем и взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом, автор более 2000 научных докладов и публикаций, в том числе 34 монографий, 105 глав в международных сборниках и 148 авторских свидетельств и патентов. Под его руководством подготовлены 35 докторов и кандидатов физико-математических наук. Общий стаж работы в области высокоэнергетических лазеров превышает 50 лет.
В беседе с Елизаветой Абрамовой профессор Виктор Аполлонов поделился своим мнением о современном состоянии лазерных систем и перспективах их использования для обороны страны.
– Виктор Викторович, вас без преувеличения можно назвать человеком, который знает о лазерах все и даже больше. Тем более вам посчастливилось работать под началом знаменитых советских ученых-физиков, Нобелевских лауреатов Н.Г. Басова и А.М. Прохорова, которые вошли в историю науки как изобретатели лазера…
– Да, мне выпало великое счастье учиться и работать в тесном контакте с этими выдающимися учеными. В Московском инженерно-физическом институте (МИФИ), где я учился, академик Басов часто бывал на кафедре, вел семинары. Многие преподаватели в институте были из его научного коллектива. По логике событий после защиты диплома я должен был идти работать в его лабораторию, но по совету другого выдающегося ученого, вице-президента Академии наук Михаила Дмитриевича Миллионщикова, на кафедре которого я делал диплом, пошел к другому Нобелевскому лауреату – Александру Михайловичу Прохорову. Узнав о результатах моей дипломной работы, связанной с использованием мощных лазеров для генерации многозарядных ионов из лазерной плазмы, Прохоров пригласил меня на работу в советскую Мекку лазерной физики того времени – ФИАН.
Вспоминаю мою первую встречу с ним. Осмотрев меня со всех сторон, он изрек: «Наш калибр». Дело в том, что я с детства был высокого роста и всегда стеснялся этого. Многие сотрудники лаборатории колебаний ФИАН были ростом под два метра, как и Александр Михайлович. Этот факт был предметом многих шуток и даже анекдотов.
Так волей судьбы мне выпало оказаться в гуще событий, связанных с созданием высокоэнергетических лазеров. Научные подразделения ФИАН вели много исследований в интересах промышленности и оборонного комплекса страны. Часто по поручению А.М. Прохорова приходилось принимать участие в обсуждениях научно-технических вопросов на заседаниях различных советов по разработке, созданию и применению мощных и высокоэнергетических лазеров в промышленности и оборонной сфере.
Дело в том, что мне посчастливилось совместно с А.М. Прохоровым и А.И. Барчуковым сформулировать основы открытой нами силовой статической и адаптивной оптики, без которой не может работать ни один высокоэнергетический лазер. Именно поэтому встречи с Николаем Геннадьевичем Басовым стали более частыми.
Мы в России были первыми, кто благодаря эффективному охлаждению, взятому из технологии силовой оптики, достиг уровня в 100 Вт с одной линейки. Именно этого не было у Н.Г. Басова и его сотрудников при создании первого дискового лазера, и накачку диска пришлось проводить с помощью другого лазера с соответствующей длиной волны. Это вызывало улыбки и даже иронию у многих известных ученых ФИАН. Но в том и величие великих, что они видят гораздо дальше современников и каждым своим шагом создают будущее. Сегодня дисковый лазер является единственным кандидатом, позволяющим создание стратегических лазерных комплексов лазерного оружия (ЛО) с минимальным весом и габаритами.
– Прошло почти 65 лет с того дня, как был сконструирован первый оптический лазер американским физиком Теодором Мейманом на основании работ Н. Басова, А. Прохорова и Ч. Таунса – третьего Нобелевского лауреата по этой тематике. За это время появилось огромное разнообразие лазеров, применяемых практически во всех областях деятельности человека: промышленность, медицина, экология, космос, театр, сфера развлечений и т. д. Появились они и в военной практике. В какой степени в настоящий момент осуществлен фантастический прообраз мощного ЛО, описанного в романе Алексея Толстого «Гиперболоид инженера Гарина»?
– Давайте оставим фантазии фантастам. Если же говорить о современных разработках ЛО большой мощности, то приходится констатировать, что пока в арсенале военных сил стран мира такого компактного и мобильного мощного стратегического ЛО нет.
Сегодня ученые, отказавшись от неэффективных технологий и громоздких образцов времен СОИ – Стратегической Оборонной Инициативы Рональда Рейгана, начинают работать на новом уровне, позволяющем создание значимого средства поражения противника. Стратегическое и тактическое твердотельное ЛО – иная парадигма развития вооружений, тактики и стратегии его применения. В верхних слоях атмосферы и тем более в космосе, где практически нет поглощения и рассеяния излучения, высокоэнергетическое ЛО будет определять очень многое, если не все, в стратегии и тактике вооруженной борьбы. Так что к хорошо исследованным сферам применения – земля и приземные слои атмосферы – добавляются ее верхние слои и космос. Мы об этом успехе твердотельного ЛО нового поколения узнаем уже очень скоро, когда ведущие страны оснастят свои ВС компактными и легкими тактическими комплексами ЛО мощностью до 500 кВт, способными решать обширный спектр задач в силовом и функциональном режимах соответственно на дальностях в многие десятки и сотни километров.
– Насколько сильно в мире меняются подходы к созданию боевого ЛО?
– В ведущих странах Запада уже отказались от старых научных идей, основанных на газоразрядных, газодинамических, на парах щелочных металлов и химических технологиях, не позволяющих даже в перспективе создание легкого и малогабаритного ЛО. Весовой фактор этих уходящих в небытие «лазерных монстров» превышает 200 кг/кВт. Это значит, что ЛО мощностью даже в 100 кВт на их основе неприемлемо для современных задач, стоящих перед вооруженными силами этих стран. Как известно, основными недостатками ушедших из активного использования лазерных систем прошлого являются экологическая опасность, большой вес и громоздкость конструкции. Исходя из этого, сегодня ставка делается на твердотельные системы, поскольку они гораздо надежнее, компактнее, проще в обслуживании и безопаснее в эксплуатации, чем упомянутые выше лазеры.
– Кто лидирует в создании комплексов ЛО нового поколения?
– В США, Германии, Израиле, Великобритании, Франции, Китае создано тактическое ЛО нового поколения на твердом теле с весовым фактором 5 кг/кВт на основе волоконных и дисковых технологий. Оно представляется компактным, эффективным оружием с малыми весом и габаритами. Это значит, что ЛО мощностью в 100 кВт весит всего полтонны! Создана, и это очень важно, его элементная база.
Ставка делается на силовое поражение объектов военной техники (ОВТ), функциональное поражение (засветка оптико-электронных приборов и создание различных помех) этим же силовым ЛО обеспечивается автоматически на значительно большей дальности. Военные хорошо понимают разницу в возможностях физических подходов и стремятся к созданию ЛО для силового поражения ОВТ, функциональному поражению они доверяют много меньше.
Сегодня в мире параллельно с доводкой твердотельного тактического ЛО идет и поиск научных идей и технологий создания стратегического ЛО с дальностью более 1000 километров в силовом режиме и весовым фактором менее 2 кг/кВт. Это позволит обеспечить создание силового стратегического ЛО мощностью более 10 МВт весом менее 20 тонн, что приемлемо для современной ракетной техники.
– Насколько вероятно размещение ЛО в космосе?
– Усилиями США оно неминуемо будет выведено на орбиту. После не совсем успешного окончания программы СОИ продолжение работ по высокоэнергетическим лазерам в США кокетливо велось под лозунгом борьбы с космическим мусором. Сегодня, когда наши «американские друзья» резко отбросили все фиговые листки, вывод комплексов ЛО в космос уже не будет связан с необходимостью какого-либо контроля Северной Кореи и Ирана.
Сегодня президент США предлагает мегапроект, который более чем в 400 раз превосходит «Железный купол», защищающий небо Израиля. Так, «Железный купол» предназначен для защиты более 22 000 км² еврейской территории, что чуть меньше Валенсийской общины. Идея же, которую задумал Д. Трамп, грандиозна: он намерен широкомасштабно воспроизвести небольшую израильскую сеть ПВО, чтобы покрыть более 9 миллионов квадратных километров Соединенных Штатов.
Этот проект назвали «Золотой купол», и он призван стать гиперзвуковым противоракетным щитом для США. В едином маркетинговом пакете Д. Трамп стремится создать большой многослойный оборонительный щит, который охватит огромные территории США и сделает их неприступными для атак гиперзвуковых, межконтинентальных, баллистических и крылатых ракет последнего поколения и других потенциальных угроз. Указ Белого дома также направлен на расширение всех оборонных проектов за счет новых, которые расширяют возможности ракет-перехватчиков с различными системами вооружений, размещенными на орбите или на земле…
Новый защитный экран включает в себя комбинацию ракет, размещенных в космосе и на земле, дополненных мощными микроволновыми системами направленной энергии и высокоэнергетическими лазерами.
18 февраля директор Агентства противоракетной обороны генерал-лейтенант Хит Коллинз пригласил сотни менеджеров и руководителей высшего звена аэрокосмической и оборонной промышленности США в свою штаб-квартиру в Хантсвилле, штат Алабама. Там он проинформировал их о мерах и действиях, которые уже инициировал, сказав, что «Золотой купол» представляет собой «возможность сделать эффективными технологии, которые и сегодня являются разрушительными», а также уведомил их, что «технологические демонстрации должны начаться в конце 2026 года и завершиться в 2030 году».
Если все это правда, то впору говорить об уникальной революции в военном деле и построении противовоздушной и противоракетной обороны США на новых физических принципах. Их боевое ЛО будет разделывать ракеты и самолеты противника так же легко, как обыватели режут острым ножом докторскую колбасу. Может быть, американцы блефуют? За ними ведь и такое водится. Тем не менее, ученые той же исследовательской лаборатории, эксперты США вполне серьезно утверждают, что «достигли переломного момента в технологиях направленной энергии, которые позволят приблизить к реальности многие концепции научной фантастики». Более того, утверждается, что еще в апреле 2020 года США впервые отправили за границу на испытания оружие направленной энергии. То есть использование такого высокотехнологичного оборудования уже поставлено на поток.
– Как вы прокомментируете заложенные в эту программу новые возможности?
Читая комментарии экспертов США, так и хочется сказать: друг Дональд, не говори красиво! Ученые любят и умеют говорить проще и точнее. Название программы «Звездные войны» изобретено не в научной среде. Красивое определение «Золотой купол» – из той же романтической военно-политической американской лирики.
На самом деле речь идет о воздействии на ОВТ не только ракетного, но и лазерного и микроволнового излучений на разных стадиях развития сценария их защиты. При этом совсем не значит, что механизм воздействия будет только силовым. Скорее всего, здесь говорится и о функциональном воздействии (smart interaction). Вообще говоря, данная технология должна позволить защищать военные базы, ракетные шахты, штабы управления войсками путем отражения атаки, формируя так называемый зонт противоракетной обороны.
Однако имеющиеся возможности позволяют разработать систему, состоящую пока только из ЛО мощностью до 500 кВт, которая может создавать необходимые эффекты поражения ОВТ на тактических расстояниях всего лишь в несколько десятков километров в условиях плотной атмосферы для силового механизма (поджечь, отрезать, продырявить) или до сотен километров – для функционального (засветка оптических приемников, нарушение режима работы электроники). Именно поэтому на существующем этапе технологического развития ЛО можно реализовать идею защиты значительного масштаба на основе ЛО только при условии вовлечения в нее значительного числа (многие тысячи) лазерных комплексов, управляемых искусственным интеллектом (ИИ).
Слишком малы дистанции для принятия решений, велики скорости движения большого количества потенциальных угроз. Очевидно, что решение проблемы создания «зонта противоракетной обороны» находится на путях и дальнейшего увеличения мощности ЛО, и, соответственно, дальности поражающего фактора, что являлось основным тормозом для успеха идеи СОИ. В случае космического эшелона необходимо говорить о выводе в космическое пространство сопоставимого числа комплексов ЛО. Достижение конечного научно-технического результата планируется уже к 2030 году.
– Что новое вкладывается в эту модернизированную программу Д. Трампа?
– Планируемую многоуровневую систему обороны следует рассматривать как начало решения реальной задачи с реальными средствами, уже разработанными, проверенными на практике в рамках «Железного купола» Израиля и успешно тиражируемыми. В эту многоуровневую систему вполне вписываются и средства РЭБ, они сегодня эффективно используются в мире, и комплексы ЛО, которые на различных стадиях тестирования США испытывают уже во многих странах. Входят сюда и тактические ракетные комплексы.
Можно вспомнить и испытания созданных в США лазерных систем в Персидском заливе и иных акваториях. У каждой свой радиус поражения, и он постоянно растет в зависимости от уровня прогресса в конкретной области развития вооружений или нахождения путей снятия физических и технологических ограничений. Так, например, в приземных слоях атмосферы потери мощности излучения на рассеяние и поглощение велики. В Персидском заливе луч непрерывного лазера терял до 60 процентов энергии на милю трассы. Таким образом, не все в этой программе выглядит благостно, есть еще над чем работать.
Тем не менее, 2030 год в программе «Золотой купол» США вполне оправдан, так как решение проблемы стратегического ЛО пока в США не найдено. И это, надо сказать, радует.
– Расскажите о критериях успеха в поражении ОВТ противника.
– В наши дни в мире активно используются два режима лазерного воздействия на цель: силовое воздействие и функциональное. При силовом механизме, как уже говорилось ранее, в ОВТ прожигается отверстие или отрезается какая-либо часть конструкции. Это приводит, например, к взрыву топливного бака или к невозможности дальнейшего функционирования ОВТ как единой системы. Для реализации силового поражения на больших дальностях нужны огромные мощности. Так, в случае СОИ обсуждалось достижение мощности 10-25 МВт.
Но есть и другой механизм – функциональное поражение, или, как его называют в США, «умное воздействие». В этом случае речь идет о тонких эффектах, мешающих противнику выполнить поставленную задачу: ослепление оптико-электронных систем военного оборудования, организация сбоев в работе электроники бортовых компьютеров и навигационных систем, наведение оптических помех в работе операторов и пилотов.
– Космос, по оценке американских военных специалистов, является высшим приоритетом и передним рубежом в уже происходящих в мире конфликтных ситуациях. Как вы можете это прокомментировать?
– Да, космос рассматривается американцами в качестве потенциального театра военных действий, на котором должно быть обеспечено безоговорочное преимущество США над любым противником. Американские специалисты считают приоритетными работы по созданию средств контроля космического пространства, перехвата, инспекции и вывода из строя искусственных спутников Земли (ИСЗ) противника, а также работы по созданию систем обнаружения воздействия на собственные ИСЗ и их защиты от такого воздействия.
В недалеком будущем стратеги США допускают возможность появления разнообразных противоспутников, выводимых на орбиты скрытно или под видом ИСЗ иного назначения. Вот поэтому одной из важнейших задач, решаемых при создании новых образцов вооружения, в настоящее время является противодействие средствам воздушно-космического нападения (ВКН) противника, непрерывное развитие и совершенствование которых делает задачу разработки средств борьбы с ними чрезвычайно важной.
Здесь во главе угла стоит подлетное время, в этом ключ к пониманию ситуации. С приближением к нашим границам ракетных комплексов потенциального противника это критически важное время резко уменьшается. Помощь в восстановлении паритета можно искать в реализации локальной защиты особо важных для обороноспособности страны ОВТ на основе тактических лазерных комплексов, способных к мгновенному ответу.
Эта тенденция находится, как сейчас модно говорить, в тренде, и важно учитывать, что в США и других странах в настоящее время интенсивно ведутся масштабные работы по созданию стратегических комплексов ЛО для поражения (подавления) ВКЦ. Израильское правительство, в частности, очень заинтересовано в обладании таким средством для борьбы с ракетами, которые используют соседствующие с ним исламские группировки для обстрела территории Израиля.
Таким образом, на сегодняшний день ЛО представляется одним из самых перспективных и наиболее быстро развивающихся оружейных видов в мире. Объектами поражения для ЛО могут быть высокотехнологичная техника, военная инфраструктура противника и даже его экономический потенциал. И все же боевое предназначение существующего ЛО на данный момент пока только тактическое.
Но наращивание мощности тактических лазеров, происходящее у нас и за рубежами Отечества, и появление новых идей в его использовании – например, совмещение мощных лазерных комплексов с возможностями геофизики – может привести к качественному скачку: превращению ЛО и в грозное геофизическое оружие.
– Россия неоднократно оказывалась в ситуации, когда нужно было «пролезать в игольное ушко». Вот и сейчас обстановка вокруг России складывается довольно скверным образом. Что поможет нам вывести развитие современного твердотельного ЛО на должный уровень?
– Мировая лазерная наука начала свое восхождение с твердого тела и, похоже, закончит именно твердым телом при поиске конструкций с минимальным отношением веса к мощности системы. Достижение этим весовым фактором величины 5 кг/кВт и меньше позволяет уверенно говорить о быстром оснащении практически всей боевой авиации, всего подвижного состава поля боя и средств морского базирования тактическим, а в перспективе и стратегическим ЛО!
Нужно стремиться к большему уровню мощностей ЛО, разрабатывать и другие временные режимы генерации излучения. Так, например, перевод непрерывного режима генерации в высокочастотный И-П позволяет на порядок величины увеличить дальность поражающего фактора при увеличении пиковой мощности серии импульсов на несколько порядков величины в сравнении с мощностью изначально непрерывного режима.
Есть и совершенно другие военные задачи, помимо уничтожения дронов и мелких катеров. Это использование ЛО в верхних слоях атмосферы и в космосе. На высотах 8-9 км воздушная среда гораздо более прозрачная, и прицельные дальности для уничтожения ОВТ даже для уровня мощности в 100-150 кВт могут составить многие десятки километров. А если речь идет о мегаваттном уровне мощностей, то уже историческими работами специалистов из США и СССР экспериментально доказана реальность диапазона активного оперирования «лазерными монстрами» воздушного базирования до 100 км.
Другое дело, что все это опять же тактический диапазон дальностей, и надо продолжать наращивать мощность ЛО для достижения стратегического уровня дальности в 1000 км при значительном снижении веса и габаритов комплексов ЛО.
– Можем ли мы сегодня говорить о гонке лазерных вооружений в мире?
– Уже очевидно, что в мире снова развернулась «лазерная идейная и технологическая гонка». Наиболее развитые страны, опираясь на свое технологическое преимущество, направляют многомиллиардные средства на разработку высокотехнологичных лазерных систем следующих поколений. О необходимости ускоренного развития высоких технологий говорил президент России В.В. Путин.
В этой связи важно отметить и мнение американских специалистов, заключающееся в том, что сегодня одним из наиболее эффективных средств завоевания технологического превосходства в мире по-прежнему являются лазерные технологии. Россия усилиями Нобелевских лауреатов А.М. Прохорова, Н.Г. Басова всегда была мировым лидером в этой области и, надеюсь, вновь скоро вернется на лидирующие позиции.
– Возникает вопрос, а куда же делось наследство наших великих ученых?
– Оно никуда не делось, оно здесь, с нами. Высокочастотный И-П режим был разработан в соавторстве с академиком А.М. Прохоровым. Прошло почти 24 года со дня его ухода, а мы так и не продвинулись в плане дальнейшего масштабирования энергетики этого режима генерации. Нужны средства и большее внимание государства к этому направлению научно-технической деятельности.
Другой пример. С момента предложения академиком Н.Г. Басовым дисковой геометрии лазера прошло более 60 лет. Его «дисковый лазер» представляет собой революционный шаг в развитии физико-технических основ и технологии лазеров и открывает новые перспективы их дальнейшего развития и эффективного применения для решения нового класса задач. Прошло полвека, а государственная поддержка развития этой уникальной технологии по-прежнему недостаточна.
Представляется также ошибочной и политика концентрации материальных ресурсов в одном, находящемся на периферии Лазерном центре. Известно, что кадры решают все, а исторически наиболее квалифицированные в области лазерных технологий кадры страны всегда располагались в Москве и Санкт-Петербурге. В подобной ситуации они оказываются лишенными возможности эффективно участвовать в создании новых образцов лазерной техники. А создание новой плеяды инженерно-технических умельцев есть процесс длительный, времени на обучение нет.
– У России есть все возможности быть мировым лидером в области лазерного оружия. Что сегодня для этого, на ваш взгляд, надо делать?
– Очевидно, что нужно идти к главной цели – цели надежного обеспечения обороны страны, но своим путем. Россия не один раз доказывала, что умеет «прыгать через красные флажки» и достигать уникальных результатов за счет таланта и фантастической работоспособности ученых РАН и инженерно-технического персонала предприятий ВПК.
Лазеры – это далеко не игрушки! А именно обратное было заявлено у нас в стране после волюнтаристского завершения работ по СОИ. Но в США и других развитых странах быстро опомнились и продолжили работы с удвоенным темпом с целью создания эффективного твердотельного тактического и стратегического ЛО.
Уже к концу XX века в США была создана мощная накачка твердотельного лазера на основе лазерных диодных линеек и матриц, высококачественная лазерная керамика, высокоэффективные источники питания лазерных комплексов и продемонстрированы твердотельные лазеры с выходной средней мощностью.
Совершенно очевидно также и то, что мировая авиация и космонавтика сделали свой выбор в пользу твердотельного ЛО с волоконной и дисковой геометриями рабочего тела. Чрезвычайно важным также представляется и более пристальное отношение к новым временным режимам генерации лазерного излучения для мощных систем и разработка новых физических механизмов воздействия на ОВТ, определяемых этими новыми режимами.
Дроны – первый серьезный этап проверки нашей готовности к борьбе с ними с помощью ЛО. Растут размеры дронов, начинают применяться более устойчивые к лазерному излучению материалы, увеличиваются необходимые дальности поражения.
Важно понимать, что именно в этих новых условиях технологического прорыва в области ЛО на больших высотах в воздушной среде и непосредственно в космосе развернутся главные события военного противостояния с Западом. ЛО в мире вышло на совершенно новый уровень своего развития – уровень зрелости. Проблема требует очень серьезного внимания российского ВПК.