Лазеры реальных пацанов

Начнём с того, что стартовые параметры калькулятора заведомо не реалистичны, а исходят из представлений времён создания странички. Современные лазеры на оптволокне имеют КПД намного выше, чем 0.2, а вот 10-метровые зеркала это сильно. Особенно если учесть, что там, простите, радиус. То есть, в диаметре 20-метровое зеркало. Для сравнения, недавно выведенный телеском Уэбб имеет сегментированное зеркало диаметром 6.5 метров, а самое большое монолитное, выведенное на орбиту, было у Гершеля, — 3.5 м. Даже на Земле зеркала таких размеров это штучные изделия, и система позиционирования (напомним, точного, а не быстрого) обычно в 20 раз тяжелее самого зеркала (общая масса конструкции порядка сотен тонн). Почувствуйте вес(С). Зеркала боевых лазеров должны быть достаточно хороши, чтобы выдерживать поток энергии и не плавится (что скорее всего подразумевает активное охлаждение, а значит подвес в магнитном поле не подойдёт), но при этом существовать в открытом космосе. Единицы метров тут больше похожи на правду.

Теперь к физике. Simulate Laser Fire это просто расчёт по термодинамике, какое количество вещества можно испарить, передав ему указанное количество энергии на сантиметр квадратный. Он исходит из крайне благостного допущения, что энергия лазера выделилась одновременно по всему объему испаряемого вещества и строго с той плотностью, чтобы испарить. Очевидно, что реальные лазеры работают хуже. Значительная часть энергии будет потеряна для прожигания за счёт рассеяния тепла и переизлучения. Из отверстия будет фонтанировать гейзер из расплавленного и испаренного металла, капли которого будут частично отражать и рассеивать луч, увеличивая площадь нагрева. И так далее и тому подобное. Точный учет этих эффектов выходит за рамки маленьких игрушечных вычислений, однако можно заметить, что графит — хорошее модельное вещество, но плохая защита от лазеров. Да, миллионы заклепочников тоже могут ошибаться. Более аккуратное численное моделирование показывает, что против лазеров непрерывного действия лучше использовать нечто вроде кевлара или каучука: вещество со сравнительно низкой теплопроводностью и температурой сублимации. Да, композитных материалов в меню калькулятора от АР нет потому, что для них благостный подход дает заведомо неадекватные результаты, и даже для металлов уже нужны серьезные поправки, если вы задумали проплавить на большую глубину.

К тому же, калькулятор предполагает, что луч идеальный гауссовый. Реальные лучи часто негауссовы, являются многомодовыми и смешанными. Для описания качества луча существует параметр М^2, он же beam propagation ratio или просто beam quality factor. На него буквально домножается идеальное значение, полученное из длины волны. Так вот, это в оптволоконной связи у лазеров M^2 близок к 1. А чем мощнее лазер, тем труднее этого добиться, и уже при лазерной сварке приходится учитывать поправки, вызыванные термическим линзированием в активной среде. Причём плотность энергии это 1/M^4, так что, потерять порядок величины довольно легко.

В прошлом посте была обсуждена и менее очевидная проблема. Хотя в теории десятиметровое зеркало создает на тысяче километров пятно двухсантиметрового радиуса, задача быстрого и точного позиционирования зеркала так, чтобы оно светило на конкретные два сантиметра движущейся и произвольным образом маневрирующей цели хотя бы на протяжении 0.1 с не является тривиальной. Более того, никакой похожей задачи человечеству до сих пор не приходилось решать. 4 см (диаметр) на 1000 км это угловой размер примерно 0.01 (одна сотая) арксекунды. Близкие точности наведения есть у телескопов-рефлекторов, но там не нужно наводиться быстро (выдержки всё равно большие, так что, до 20 минут нормальное время), а угловые скорости целей малы, известны и не меняются. При этом, системы точного наведения бесполезны, если грубые приводы не зафиксированы должным образом, а в бою венерианский крейсер, скорее всего, сам хочет маневрировать. Лазерная турель конструктивно должна быть скорее чем-то вроде прицельного радара ПВО по скорости наведения, но в их задаче нет ни дистанции в тысячи километров, ни необходимости светить в конкретные 4 см цели. Обычно там речь о том, чтобы поймать цель в километровый круг. Реально существовавшие системы наведения артиллерии тоже не имели задачи непрерывно сопровождать цель. Конечно, моделирование из прошлого поста слишком наивное, чтобы воспринимать его как истину в последней инстанции, однако, я воспринимаю его как указание на трудность, если не невозможность, быстро и точно вращать зеркала приводом сравнимой с ними массы, не тратя при этом энергии больше, чем на работу самого лазера.

Да, тяжелые маховики можно заменить тонкими и быстро вращающимися кольцами. Момент инерции пропорционален mR^2, масса пропорциональна плотности и кубу радиуса, всего 5 степень радиуса. Если предположить, что маховик легче, но из того же материала, размер меняется, но нас интересует момент импульса. Который при постоянном моменте инерции пропорционален угловой скорости. То есть, влияние скорости соответствует влиянию радиуса в степени 1/5. Чтобы компенсировать изменение массы в 10 раз при сохранении того же материала, надо вращать в 47 раз быстрее, а затраты энергии на вращение пропорциональны квадрату угловой скорости, и вот наша турель требует уже не пренебрежимые на фоне лазера 120 кВт, а 262 МВт - тот же порядок, что и сам лазер. Превратить тысячу тонн в сто тонн может быть ещё получится, а вот дальше уже кусается. Но когда речь идёт о сверхмощных лазерах, сто тонн относительно десяти килотонн это больше, чем 262 МВт относительно 100 ГВт, так что, на уровне космической шпаны решение плавно перетекает в категорию гипотетически рабочих. Найти бы ещё материал с достаточной прочностью на разрыв, но мы уже искали.

Другой способ компенсировать предложен коллегой fonzeppelin. Если коротко, можно сделать много зеркал и отслеживать системами грубого наведения возможные траектории цели, пытаясь угадать её маневры, а светить только в то зеркало, которое угадало. Тоже будет актуально ближе к уровню космической шпаны, а не к уровню CoaDE, когда стоимость и масса лазера поравняется со стоимостью и массой турели. Это компенсация физики за счёт инженерии и управления. Такие решения в реальности сплошь и рядом прекрасно работают.

Логично, конечно, предположить, что если наши потомки осилили предельный термоядерный реактор, с алгоритмами наведения лазеров они тоже как-нибудь разберутся. И все же, это, скорее всего, потребует больших/энергоёмких маховиков, и лазерных турелей на венерианский крейсер поместится скорее пять, чем пятьдесят пять, что вполне позволяет перегрузить его массированной торпедной атакой. А на большой дальности стрельбы вполне ожидаемо, что вместо методичного бурения конкретной точки луч будет гулять по цели и полосовать её... с понятными последствиями для бронебойности.

Поэтому цифры из калькулятора стоит рассматривать просто как очень первое приближение и границу сверху, а в реальности можно спокойно делить на 10, и это будет оптимистичная оценка. Лазер с входной мощностью 100 ГВт, заявленный для уровня космической шпаны, — далеко не такое ультимативное оружие, как это может показаться на первый взгляд. Хоть и действительно опасное на заявленных дистанциях, но только при соблюдении ряда условий.

Радиус кривизны

На другую проблему указали в комментариях к посту fonzeppelin, на который я чуть выше сослался. В калькуляторе с АР глубина прожигания исходит из допущения, что луч сфокусирован настолько хорошо, насколько позволяют ограничения дифракции. Как же так получилось, остается за скобками. Просто считается, что на вписанном в таблицу расстоянии мы луч как-то сфокусировали. А ведь такой задачи перед нашей цивилизацией тоже никогда не стояло. У помянутых выше оптических телескопов фокусное расстояние — десятки метров. Полировать их при этом приходится с микрометровой точностью. Задача фокусировки луча на расстоянии в тысячи километров тоже нетривиальная. Да, лазерный луч прямо за фокусом не заканчивается, и плюс-минус десять километров роли не играет, но при стрельбе на 2000 км и 3000 км разница уже будет вполне существенная. А как минимум некоторые из штатных целей лазера быстро сближаются с его носителем. На уровне космической шпаны скорости сближения ~10 км/с, на уровне реальных пацанов — ещё выше.