우주에서 레이저 무기. 작동 및 기술 문제의 특징
레이저를 사용하기위한 최고의 매체라고 널리 알려져 있습니다. оружия (LO)는 우주 공간입니다. 한편, 이것은 논리적입니다. 우주에서 레이저 방사선은 대기, 기상 조건, 자연 및 인공 장애물로 인한 간섭없이 거의 전파 될 수 있습니다. 다른 한편으로, 우주에서 레이저 무기의 사용을 상당히 복잡하게 만드는 요소가 있습니다.
우주에서 레이저 작동의 특징
우주 공간에서 고출력 레이저를 사용하는 데있어 첫 번째 장애물은 효율성이며, 이는 최고의 제품의 경우 최대 50 %이며, 나머지 50 %는 레이저와 주변 장비를 가열하는 데 사용됩니다.
지구의 분위기, 지구, 물, 수중 및 대기에서도 강력한 레이저 냉각에 문제가 있습니다. 그럼에도 불구하고, 지구상에서 장비를 냉각시키는 능력은 우주보다 훨씬 높습니다. 진공 상태에서 대량 손실없이 과도한 열을 전달하는 것은 전자기 방사선의 도움을 통해서만 가능하기 때문입니다.
수중과 수 중에서 LO 냉각은 구성하기가 가장 쉽습니다. 선외 수로도 가능합니다. 지상에서는 대기로 열을 제거하는 거대한 라디에이터를 사용할 수 있습니다. 비행 냉각을 위해 LO는 자유로운 공기 흐름을 사용할 수 있습니다.
공간에서 방열판은 냉각수가 순환되는 원통형 또는 원뿔형 패널에 연결된 핀 튜브 형태의 냉장고 이미 터를 사용합니다. 레이저 무기의 힘이 증가함에 따라 냉각, 증가에 필요한 냉장고 이미 터의 크기와 질량, 특히 냉장고 이미 터의 질량 및 크기는 레이저 무기 자체의 질량과 크기를 크게 초과 할 수 있습니다.
소련의 궤도 전투 레이저 "Skif"에서 초중형 로켓에 의해 궤도에 발사될 예정이었습니다. 로켓- 캐리어 "에너지"는 가스 역학 레이저를 사용하기로 되어 있었는데, 냉각은 작동 유체의 방출에 의해 수행될 가능성이 높습니다. 게다가, 선상에 제한된 작동유체 공급으로 인해 레이저의 장기간 작동 가능성이 거의 보장되지 않았습니다.
제품 17F19DM Polyus (Skif-DM)-Skif 전투 레이저 궤도 플랫폼의 동적 모델
에너지 원
두 번째 장애물은 레이저 무기에 강력한 에너지 원을 제공해야한다는 것입니다. 우주에 가스 터빈이나 디젤 엔진을 배치하지 않으면 많은 연료와 더 많은 산화제가 필요합니다. 작업 유체가 한정된 화학 레이저는 우주에 배치하기에 최선의 선택이 아닙니다. 버퍼 배터리 또는 NPP (원자력 발전소)가있는 태양 전지를 사용하거나 사용할 수있는 고체 / 섬유 / 액체 레이저에 전원을 공급하기위한 두 가지 옵션이 남아 있습니다. 핵분열 파편에 의해 직접 펌핑되는 레이저 (핵 펌핑 레이저).
레이저 리액터 회로
Boing YAL-1 프로그램에 따라 미국에서 수행되는 작업의 일부로, 600 킬로미터 거리에서 대륙간 탄도 미사일 (ICBM)을 파괴하기 위해 14 메가 와트 레이저를 사용할 계획이었습니다. 실제로, 약 1 메가 와트의 전력이 달성되었고, 훈련 목표는 약 250 킬로미터의 거리에서 타격을 받았다. 따라서, 1 메가 와트 정도의 힘은 우주 레이저 무기의 기본으로 지향 될 수 있는데, 예를 들어 지구 표면의 표적 또는 우주의 상대적으로 먼 표적을위한 낮은 기준 궤도에서 작동 할 수 있습니다 (우리는“노출을 위해 설계된 LO는 고려하지 않습니다 "센서".
레이저 효율이 50 % 인 경우 1MW의 레이저 방사선을 얻으려면 레이저에 2MW의 전기 에너지를 가져와야합니다 (실제로 보조 장비 및 냉각 시스템의 작동을 보장해야하기 때문에 더 많음). 태양 전지판의 도움으로 그러한 에너지를 얻을 수 있습니까? 예를 들어, 국제 우주 정거장 (ISS)에 설치된 태양 전지판은 84 ~ 120kW의 전기를 생산합니다. 지시 된 전력을 얻기 위해 필요한 태양 전지판의 치수는 ISS 사진 이미지로부터 쉽게 추정된다. 1MW 레이저에 전력을 공급할 수있는 설계는 크기가 크며 이동성이 최소화됩니다.
국제 우주 정거장
배터리 조립품은 이동 통신사에서 강력한 레이저의 전원으로 간주 할 수 있습니다 (어쨌든 태양 전지용 버퍼로 필요함). 리튬 배터리의 에너지 밀도는 300 W * h / kg에 도달 할 수 있습니다. 즉, 1 %의 효율로 50 MW 레이저를 제공하려면 약 1 톤의 배터리 전력이 7 시간 연속 작동에 필요합니다. 그렇게 많지 않은 것 같습니까? 그러나지지 구조, 관련 전자 장치, 배터리 온도를 유지하기위한 장치를 북마크해야 할 필요성을 고려할 때 버퍼 배터리의 질량은 약 14-15 톤입니다. 또한 온도 변화 및 공간 진공 상태에서 배터리 작동에 문제가있을 수 있습니다. 배터리 자체의 수명을 보장하기 위해 에너지의 상당 부분이 "소비"됩니다. 무엇보다도, 하나의 배터리 셀의 고장은 레이저 및 우주선 캐리어와 동시에 배터리의 전체 배터리의 고장 또는 폭발로 이어질 수 있습니다.
우주에서의 작업 관점에서 편리한보다 안정적인 에너지 저장 장치의 사용은 W * h / kg의 계산에서 낮은 에너지 밀도로 인해 구조물의 질량 및 치수가 훨씬 더 크게 증가 할 수 있습니다.
그럼에도 불구하고 작업 시간 동안 레이저 무기에 대한 요구 사항을 부과하지 않고 LO를 사용하여 며칠에 한 번 발생하는 특별한 문제를 해결하고 XNUMX 분 이하의 레이저 작동 시간이 필요한 경우 배터리의 단순화가 수반됩니다. . 충전식 배터리는 태양 전지 패널에서 수행 할 수 있으며, 그 크기는 레이저 무기 사용 빈도를 제한하는 요소 중 하나입니다.
보다 근본적인 해결책은 원자력 발전소를 사용하는 것입니다. 현재 우주선은 방사성 동위 원소 열전 발전기 (RTG)를 사용합니다. 그들의 장점은 설계의 상대적 단순성, 저전력의 단점이며, 가장 좋은 경우 수백 와트입니다.
GPHS-RTG RTG는 Ulysses 솔라 프로브, Galileo, Cassini-Huygens, New Horizons 프로브에 사용되었으며 7,8kg의 플루토늄 -238을 포함하고 4400W의 화력과 300W의 전력을 생산합니다.
유망한 Kilopower RTG의 프로토 타입은 미국에서 테스트되고 있으며, Uranium-235가 연료로 사용되고 나트륨 열 파이프가 열을 제거하는 데 사용되고 열은 스털링 엔진을 사용하여 전기로 변환됩니다. 1 킬로와트의 전력을 가진 킬로 파워 원자로의 프로토 타입에서, 약 30 %의 다소 높은 효율이 달성되었으며 킬로 파워 원자로의 최종 샘플은 10 년간 10 킬로와트의 전기를 지속적으로 생산해야한다.
킬로 파워 원자로 설계
킬로 파워 1 kW 원자로 시제품
1 개 또는 XNUMX 개의 킬로 파워 리액터 및 버퍼 에너지 저장 장치를 갖춘 전원 공급 회로는 이미 작동 중일 수 있으며, 버퍼 배터리를 통해 며칠에 한 번 빈도로 약 XNUMX 분 동안 전투 모드에서 XNUMXMW 레이저의주기적인 작동을 제공합니다.
러시아에서는 TEM (Transport and Energy Module)을 위해 약 1MW의 전기 용량을 갖춘 원자력 발전소와 5-10MW의 전력을 가진 Hercules 프로젝트를 기반으로 한 열 이온 원자력 발전소가 만들어지고 있습니다. 이 유형의 원자력 발전소는 버퍼 배터리 형태의 중개자없이 레이저 무기를 공급할 수 있지만, 기술 솔루션의 참신함, 운영 환경의 특성 및 집중적 인 테스트를 수행 할 수 없다는 점을 감안할 때 원칙적으로 놀라운 것은 아니지만 큰 문제에 직면합니다. 우주 NPS는 우리가 확실히 돌아올 별도의 주제입니다.
원자력 발전소와 운송 및 에너지 모듈의 개념. 원자력 발전소를 식히고 선원 / 장비를 방사능 방사선으로부터 보호해야 할 필요성은 구조물의 크기에 대한 요구 사항을 나타냅니다.
강력한 레이저 무기의 냉각을 보장하는 경우와 마찬가지로, 한 가지 유형의 원자력 발전소를 사용하면 냉각 요구 사항이 증가합니다. 이미 터 냉장고는 무게와 크기 측면에서 발전소의 가장 중요한 요소 중 하나이며, 원자력 발전소의 유형과 전력에 따라 질량 비율은 30 %에서 70 %까지 다양합니다.
레이저 무기의 주파수와 지속 시간을 줄이고 버퍼 에너지 저장 장치를 재충전하는 비교적 저전력 RTU 유형의 원자력 발전소를 사용함으로써 냉각 요구 사항을 줄일 수 있습니다.
레이저가 핵 반응의 생성물에 의해 직접 펌핑되기 때문에 외부 전기 공급원을 필요로하지 않는 핵 펌프 식 레이저를 궤도에 배치하는 것이 별개이다. 한편으로, 핵 펌프 식 레이저는 또한 대규모 냉각 시스템을 필요로하며, 반면에 원자로에서 생성 된 열을 전기 에너지로 중간 변환하는 것보다 원자력을 레이저 방사선으로 직접 변환하는 것이 더 간단 할 수 있으며, 이에 따라 크기와 질량이 감소됩니다. 제품.
따라서 지구에 레이저 방사선의 전파를 방해하는 대기가 없으면 주로 냉각 시스템 측면에서 우주 레이저 무기의 설계가 상당히 복잡해집니다. 약간 더 작은 문제는 우주 레이저 무기에 전기를 공급하는 것입니다.
대략 XXI 세기의 XNUMX 대에 이르는 첫 번째 단계에서, 레이저 무기는 몇 년간 일정 기간 동안 에너지 저장 장치를 재충전해야 할 필요가있는 제한된 시간 동안 수 분의 시간 동안 작동 할 수있는 공간에 나타날 것이라고 가정 할 수 있습니다.
따라서 단기적으로“수백 개의 탄도 미사일에 대한”레이저 무기의 대량 사용에 대해 이야기 할 필요가 없습니다. 고급 기능을 갖춘 레이저 무기는 메가 와트 급 원자력 발전소가 만들어지고 개발 될 것입니다. 그리고이 클래스의 우주선 비용은 예측하기 어렵습니다. 또한 우주에서의 군사 작전에 대해 이야기하면 우주에서 레이저 무기의 효과를 크게 줄일 수있는 기술 및 전술 솔루션이 있습니다.
그럼에도 불구하고, 연속 작동 시간과 사용 빈도에 제한이있는 레이저 무기는 우주와 우주에서 전투 작전을 수행하는 데 중요한 도구가 될 수 있습니다.
정보