CC BY
29
УДК 629.7
ВОЗДЕЙСТВИЕ СВЕРХКОРОТКОГО ИК ЛАЗЕРНОГО ИМПУЛЬСА НА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ
Валерик Сергеевич Айрапетян
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, зав. кафедрой специальных устройств, инноватики и метрологии, тел. (383)361-07-31, e-mail: V.S.Ayrapetyan@ssga.ru
В работе рассмотрены вопросы воздействия сверхкоротких лазерных импульсов высокой мощности на системы управления летательных объектов. Рассчитаны предельные параметры лазерной системы и дальность действия энергии лазерного импульса на исследуемый объект. Разработана оптическая схема ИК параметрического лазерного комплекса с плавной и/или дискретной перестройкой частоты излучения лазера, необходимая для эффективного воздействия лазерного импульса на исследуемый объект.
Ключевые слова: параметрический лазер, беспилотные летательные аппараты, сверхкороткие лазерные импульсы.
INFLUNCE OF AN ULTRASHORT IR LASER PULSE ON THE CONTROL SYSTEMS OF FLYING OBJECTS
Valerik S. Ayrapetyan
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, D. Sc., Head of the Department of Special Devices, Innovation and Metrology, phone: (383)361-07-31, e-mail: V.S.Ayrapetyan@ssga.ru
The paper deals with the effects of ultrashort laser pulses of high power on the control systems of flying objects. The limiting parameters of the laser system and the range of energy of the laser pulse on the object under study are calculated. An optical scheme was developed for an IR parametric laser complex with a smooth and/or discrete laser frequency tuning required for the effective action of a laser pulse on the object under study.
Key words: parametric laser, unmanned aerial vehicles, ultrashort laser pulses.
Возможность создания эффективных и компактных лазерных систем, способных генерировать импульсы предельно короткой длительности и сверхвысокой мощности, открывает замечательные перспективы их применения в области военной техники.
В данной работе рассмотрено одно из многочисленных применений мощных лазерных источников как средство воздействия на беспилотные летательные аппараты(БПЛА), в первую очередь малогабаритные мини - и микро БПЛА.
БПЛА принято делить по таким взаимосвязанным параметрам, как масса, время, дальность и высота полета. Выделяют следующие классы аппаратов [1]:
• «микро» (условное название) массой до 10 кг, временем полета около 1 ч и высотой полета до 1 км;
• «мини» массой до 50 кг, временем полета несколько часов и высотой до 3-5 км;
• средние («миди») до 1000 кг, временем 10-12 ч и высотой до 9-10 км;
• тяжелые с высотами полета до 20 км и временем полета 24 ч и более; Основное требование, предъявляемое к лазерной системе, заключается в
том, что она должна поражать БПЛА малой дальности и снаряды при помощи лазерного луча, нагревая боевую часть боеприпасов до разрушения. Воздействие лазерного излучения на корпус БПЛА определяется длительностью лазерного импульса тимп, и температурнопроводностью материала 0, с помощью которой можно определить, за время прогрева слоя вещества толщиной 5, согласно формуле: тпр0гр. = § /9- Следовательно, глубина прогрева можно вычислить как 5 =*/при известных значениях 0.
Значения температурнопроводности 0 и другие теплофизические свойства некоторых материалов, в том числе конструкционных, применяемых в ракетной технике, приведены в табл. 1.
Таблица 1
Некоторые технические характеристики конструкционных материалов
Материал Плотность 10 , кг/м3 Теплоемкость ср, кДж/ (кг. К) Теплопроводность а, кВт/(м.К) Температур-но- проводность 0, м2/с 10-7
Алюминий 2,70 0,92 0,21 840,0
Титан 4,50 0,53 0,02 93,0
Сталь 7,80 0,50 0,03 120,0
Углерод 2,50 0,75 0,34 2200,0
Магний 1,74 1,00 0,1 1110,0
Медь 8,90 0,38 0,401 -
Фенольформальде-гидные смолы 1,73 0,80 1,6.10-4 1,2
Углепластики 1,3-1,9 0,6-1,5 0,75* 10-3 5,7
Стеклопластики 1,6-2,2 0,7-4,2 0,25* 10-3 0,6
Предварительный расчет порога разрушения лазерным излучением элементов конструкции БПЛА показывает, что для поражения различных летательных объектов на горизонтальных дистанциях от 8 до 20 км интенсивность лазерного импульса должна быть порядка 1014Вт/см2.
С экономической точки зрения и по эффективности воздействия на БПЛА представляется наиболее целесообразным использование ИК лазерное излучение с длительностью импульса менее 10 пс.
Современные лазеры с ультракороткой длительностью импульса обеспечивают пиковую мощность порядка 10 Вт, а при фокусировании пучка - ин-
21 2
тенсивность излучения свыше 10 Вт/см . Это означает, что превышение порога
разрушения элементов конструкции БПЛА можно достигнуть не за счет температурного прогрева, а градиентом давления, т.к. давление светового импульса на корпус БПЛА составляет порядка 300Гбар [2, 3]. Примером служит пробивание спичечной головки ультракоротким лазерным импульсом (рис. 1).
Рис. 1. Излучение наносекундного импульсного лазера зажигает спичечную головку, а сильно сжатый, «гигантский импульс» пробивает ее - горючий состав не успевает вспыхнуть
Немаловажное значение имеет прохождение лазерного излучения через открытую атмосферу.
Классические лазеры с фиксированной частотой излучения, используемые для дистанционного воздействия на системы управления летательных объектов в открытой атмосфере не всегда эффективны, из-за неоднородного пропускания атмосферой электромагнитного излучения (рис. 2). Для решения этой задачи необходимо выполнение двух условий:
1. Ширина спектра излучения лазера должна быть уже диапазона пропускания атмосферы;
2. Длина волны лазерного излучения должна совпадать с максимумом поглощения материала корпуса БПЛА.
Рис. 2. Спектр пропускания атмосферы Земли от вакуумного ультрафиолета до дальней инфракрасной области длин электромагнитных волн [4]
В работе предложен другой подход к решению данной проблемы, а именно: разработка и создание высокомонохроматичного ИК параметрического лазера с эффективным энергосъемом [5,6], позволяющего плавную и/или дискретную перестройку частоты излучения в широком диапазоне длин волн (рис. 3).
Рис. 3. Оптическая схема ИК параметрического лазера с перестройкой частоты
3+
излучения. YAG: Nd - лазер накачки, Mi, M2, M3 - зеркала резонатора, НК - нелинейный кристалл, ЭФП - эталон Фабри-Перо
Плавным сканированием частоты лазерного излучения достигается высокое совпадение области прозрачности атмосферы, максимальное поглощение материала корпуса БПЛА и длины волны лазера. По этому каналу прозрачности атмосферы энергия сверхкороткого лазерного импульса без потерь доставляется на цель, находящаяся на максимальном расстоянии. Основные технические характеристики ИК параметрического лазера:
• выходная энергия в импульсе 50 мДж;
• длительность импульса < 10 нс;
• диапазон перестройки длины волны 1,41 - 4,24 мкм;
• расходимость излучения < 0,5 мрад;
• спектральная ширина излучения < 0,5 см-1;
• диаметр пятна на выходе 5 мм;
С учетом данных приведенных в таблице 1 и основываясь на технических характеристиках ИК параметрического лазера можно оценить максимальную дальность действия лазерного импульса, способного нанести достаточный ущерб микроБПЛА. Для случая ИК параметрического лазера с плотностью мощности 250 МВт/см на выходе такое расстояние составляет от 5 до 10 км, в зависимости от влияния атмосферы и характеристик материала корпуса БПЛА.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Борейшо В. А., Клочков Д. В., Коняев М. А., Никулин Е. Н. Военные применения лазеров, БГТУ, С.-Петербург, 2015, с. 103
2. Diels J.- C., RudolphW. Ultrashort laser pulse phenomena: fundamentals, techniques, and applications femtosecond time scale(Boston, Academic Press, 1996).
3. Femtosecond Laser Pulses (Claude Rulliere, ed.) (Berlin, Heidelberg, Springer-Verlag, 1998).
4. The Infrared and electro-optical systems handbook/J.S.Acceta, D.L.Shumacher/ SPIE Optical Engineering Press, Bellingham, Washington, 1996.
5. Ayrapetyan V.S.,Hakobyan A. V., Apresyan G.M.,Pogosyan E.M., Sargsyan K.A., Sargsyan T.K., IR Lidar Based on OPO //Proc. SPIE. Twelfth Joint International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics/Atmospheric Physics. - 2005. V.6160, 708-713.
6. Айрапетян В. С. Внерезонаторная параметрическая генерация с плавной и (или) дискретной перестройкой частоты излучения, Вестник НГУ, Серия: Физика, 2009, т.4, вып. 3, С. 20-24.
© В. С. Айрапетян, 2018
