Direktenergiewaffen, DEW (Teil 2/3): Laser- und Mikrowellenwaffensysteme

(Di Stefano Avoli)
01/09/21

Betrachtet man die möglichen Typen direkter Energiewaffen und analysiert die weltweit durchgeführten Experimente, so zeigt sich klar, dass die beiden vielversprechendsten Lösungen die von Mikrowellenwaffen (HPM-DEW, High Power Microwave - Directed Energy Weapon) und von die Laserwaffen (HEL - DEW, High Energy Laser - Directed Energy Weapon).

Mikrowelle: HPM - DEW

Das Funktionsprinzip eines Mikrowellenwaffensystems ist ziemlich einfach zu verstehen.

Es beinhaltet das Richten eines Mikrowellenstrahls einer geeigneten Frequenz (normalerweise 10 MHz bis 100 GHz) auf ein Ziel (oder eine Gruppe von Zielen). Oder sogar gegen eine Menschenmenge.

Konzentrieren wir uns auf HPM-Waffen, die auf Vermögenswerte und nicht auf Personen abzielen. Im Folgenden habe ich einige allgemeine Überlegungen aufgeführt, die aus dem Material "zur Veröffentlichung freigegeben" stammen, etwas veraltet, aber für allgemeine Überlegungen nützlich sind1).

Die Wirkung eines Mikrowellenflusses auf ein Ziel, das eine Schadensart der Klasse 4 oder 5 verursacht, hängt von der tatsächlich auf das Ziel abgestrahlten Leistungsdichte und von dem Subsystem ab, an dem Sie den Schaden verursachen möchten (unser Ziel könnte sein, die Kommunikationssystem oder das Leitsystem, oder einen vollständigen Missionsausfall zu verursachen). Nun, unabhängig von der Art des Ziels und des Subsystems ist ersichtlich, dass die Wahrscheinlichkeit von Fehler (daher erfolgreich der Waffe) erreicht bei ca. 100 Watt auf cm2 das Maximum, aber schon bei 10 Watt auf cm2 sind die Auswirkungen deutlich.

Wie viel Leistung müssen wir durch die Antenne abstrahlen, um am Ziel 10 oder 100 W / cm2 zu erreichen? Es hängt natürlich davon ab, wie weit das Ziel entfernt ist (und von den anderen Bedingungen, die die Streuung der Leistung von der strahlenden Antenne zum Ziel selbst bestimmen: Reflexionen, Gebäude usw.), aber es hängt auch von anderen Faktoren ab.

Ein allgemeines Schema zum Verständnis der Kraftausbreitung in einem Waffensystem des Typs HPM - DEW ist in Abbildung 2 dargestellt. Über die Details der Berechnungen hinaus1 Es ist wichtig, einige wichtige qualitative Aspekte auf die Elemente des Systems zu konzentrieren.

Die Probleme des Stromgenerators sind gut bekannt (jedes RADAR ist mit einem Generator geeigneter Größe ausgestattet), der Verluste aufgrund der Wellenleiter und der Verluste aufgrund der Ausbreitung (proportional zum Quadrat der Entfernung zum Ziel). Es ist interessanter, sich stattdessen auf die Mikrowellenquelle zu konzentrieren.

Bezüglich der Mikrowellenquelle können wir auf die folgende Abbildung verweisen, um einen Überblick über die verschiedenen verwendbaren Technologien zu erhalten (Grafik aus "1"und daher ungeeignet, die jüngsten Entwicklungen abzudecken), unterteilt in Vakuum- und Festkörpertechnologien. Bevor Sie die Grafik interpretieren, sollten Sie die folgenden Elemente im Auge behalten:

- Die Frequenz, die der größten Wirksamkeit von Mikrowellen für die DEW-Nutzung entspricht, liegt im Bereich zwischen 300 MHz und 3 GHz

- Für eine DEW-Anwendung ist eine Wiederholung von Pulsen mit einer Dauer von 100 ns bis 1 µs effektiver als eine kontinuierliche Welle

Die Mikrowellenquelle ist eindeutig das kritischste technologische Element eines DEW-Systems, auf dem die Macht der Waffe basiert, dasjenige, in dem die technologische Überlegenheit einer Nation am offensichtlichsten ist. Es ist kein Zufall, dass Mikrowellengeneratoren in die Liste der "sensiblen" Subsysteme aufgenommen werden, deren Entwicklung, Produktion und Export jeder Staat kontrolliert (sie sind in Kategorie 19 der italienischen Militärgüterliste und in Kategorie XVIII der US-Munitionsliste).

Aber es gibt noch eine andere Überlegung, die gemacht werden sollte. Das Diagramm von Abbildung 2 zeigt deutlich starke Überschneidungen mit einem RADAR-System. Ein Radar ist sicherlich komplexer, da es dazu bestimmt ist, mit Mikrowellen den umgebenden Raum zu untersuchen und daher im Vergleich zu einem HPM-DEW-System einen Teil des Empfangs elektromagnetischer Rückstrahlungen und einen wichtigen Teil der Signalverarbeitung hat. Aber auch der "rohe" Teil eines Radars, der sich auf die Hochfrequenzemission bezieht, ist in einem DEW basierend auf HPM vorhanden. Es ist daher leicht zu verstehen, wie eine der Radarentwicklungen der letzten Jahre, nämlich die AESA-Technologie des aktiven Strahlmanagements durch ein Phased Array, ist sicherlich Gegenstand der Studie im Bereich der HPM-DEW-Waffen.

Nur als kleiner Hinweis, die Technologie von phasengesteuertes Array ermöglicht es, die Elemente 2, 3 und 4 von Abbildung 2 durch eine einzelne Antenne zu ersetzen, die aus einer Anordnung von T / R-Modulen (Sender / Empfänger) auf einer Ebene besteht, die jeweils einen Teil des Mikrowellenstrahls übertragen können (und im Fall von Radar, um die Rücksendung zu empfangen), die der Phasenverschiebung des Sendezeitpunkts der einzelnen Module die Möglichkeit delegiert, den aus der kombinierten Emission resultierenden Mikrowellenstrahl zu "modellieren" und ihn sogar außerhalb der Antennenachse zu lenken.

Diese Technologie, die im Prinzip "Vakuum"-Mikrowellengeneratoren ausschließt, ermöglicht eine Reihe von wichtigen Vorteilen, einschließlich: 1) Strahlrichtung und 2) Skalierbarkeit der Leistung (je mehr Strahlungselemente, desto stärker der Strahl).

Sehen wir uns Beispiele von HPM-DEW-Systemen in der Entwicklung oder im Einsatz an. Vorausgesetzt natürlich, dass der Verbreitung sensibler Informationen Grenzen gesetzt sind und andererseits die Möglichkeit der gezielten Verbreitung von Falschmeldungen (Information Warfare) besteht.

Ein Paradebeispiel ist der THOR-Prototyp, der vom USAF-Forschungslabor entwickelt wurde2. Entwickelt, um Drohnenschwärme zu bekämpfen, weckte es die Neugier des US-Militärs, das 2021 eine Entwicklung finanzierte, die darauf abzielt, bis 2024 ein HPM-basiertes System einzusetzen (IFPC, "3").

In Bezug auf die Situation der russischen Entwicklungen stammen die Nachrichten über die Verfügbarkeit des Ranets-E-Systems aus dem Jahr 20017. Es ist eine Art HPM-Kanone, die dazu gedacht ist, feindliche Raketen / Systeme zu neutralisieren (oder deren Wirksamkeit zu verringern). Es ist auch möglich, einige Daten mit allen Vorteilen des Inventars aufgrund der in der Einleitung angegebenen Überlegungen zu finden: Frequenz im X-Band, 10-20 ns-Impulse, 500 MW Leistung, 500 Hz PRF, Wirkungsbereich von 20 Meilen. Es ist nicht bekannt, ob es jemals verwendet wurde oder ob es sich nur um einen Prototyp handelt.

Auf chinesischer Seite scheinen unter Berücksichtigung aller Hindernisse für die Verbreitung sensibler Informationen in Verbindung mit der Möglichkeit der gezielten Verbreitung von Falschmeldungen (Information Warfare) bereits spezifische Entwicklungsaktivitäten für HPM-Systeme gefördert worden zu sein (Projekt 863). Es scheint auch, dass ein Prototyp einer HPM-basierten Waffe auf einem Schiff installiert wurde, um Anti-Schiffs-Raketen abzuwehren4.

Bevor wir die Diskussion über mikrowellenbasierte Waffen beenden, können wir nicht umhin, eine weitere Deklination desselben Konzepts zu erwähnen, die sich auf Mikrowellenbomben (E-Bombe, Elektromagnetische Bombe).

Eine Mikrowellenbombe wurde entwickelt, um feindliche Vermögenswerte mit einem Mikrowellenstrahl zu treffen, wie die DEW-HPM-Waffen, die wir bisher gesehen haben. Diese Mechanismen können nicht nur in der Nähe des zu treffenden Objekts aktiviert werden (da sie auf Bomben oder sogar Raketen montiert sind), sondern können von Natur aus Mikrowellenimpulse mit sehr hoher Energie erzeugen, die derzeit mit . nicht erreichbar sind wiederverwendbare Geräte. . Mehr Details5.

Höchstwahrscheinlich wurden einige E-Bomben von den USA in der frühen Phase des Golfkriegs eingesetzt6.

Laser: HEL - DEW

Der zweite Typ von Direktenergiegeräten, den wir für angemessen halten, sind Hochenergielaser (Hochenergielaser, HEL).

Es ist ziemlich intuitiv zu verstehen, wie ein Laserstrahl verwendet werden kann, um einen feindlichen Gegenstand zu beschädigen, da Laserschneidmaschinen bereits industriell verfügbar sind. Doch die Probleme beim Einsatz eines Lasers als Basis eines Waffensystems sind vielfältig und nicht leicht zu lösen.

Ein erstes Problem, trivial zu verstehen, hängt mit der Verfügbarkeit eines Lasers mit einer ausreichenden Leistung zusammen, um als Waffe verwendet zu werden. Im Gegensatz zu einem HPM-Gerät, das Auswirkungen auf die Schaltkreise und Subsysteme des Assets hat, funktioniert ein Laser durch "Erhitzen" des Teils des betroffenen Assets. Daraus ergibt sich, dass der Energiefluss möglichst hoch sein muss (daher ist eine Impulsversorgung nicht geeignet). Um einen Laser in eine Waffe zu verwandeln, ist es daher notwendig, einen „starken“ Laserstrahl erzeugen zu können.

Das zweite Problem es liegt am Diskurs des Fokus. Wenn wir unseren Laserpointer für ein paar Euro nehmen und ihn in einer bestimmten Entfernung projizieren (nutzen Sie ihn einfach von einem Fenster auf einer Straße aus, wenn natürlich niemand in der Nähe ist!) Raum ist auf der Fläche verschmiert, die einem Tennisball entspricht. Wir leiten ein Konzept ab, das auch sofort verständlich ist: Wenn die Energie auf kurze Distanz ausreichend konzentriert ist, beginnt sie sich mit zunehmender Distanz zu verdünnen.

Die Idee, den Laser weiter zu "fokussieren", ist nicht so unmittelbar. Tatsächlich verhält sich der Lichtstrom des Lasers wie ein "Gaußscher Strom", der seinen sehr genauen und ausführlich untersuchten Regeln folgt.8. Kurz gesagt, trotz eines optischen Systems, das so transparent ist und so funktioniert, dass es nicht vom Laser selbst geschmolzen wird, ist es nicht möglich, einen Laser unterhalb einer bestimmten theoretischen Grenze zu fokussieren.

Das dritte Problem ist das ... von Fata Morganas! Es besteht keine Notwendigkeit, in die Wüste zu gehen, sondern nehmen Sie einfach eine asphaltierte Straße, die im Sommer von der Sonne erhitzt wird, um die illusorischen "Wasserbecken", echte Fata Morganas, zu sehen. Es ist nur die Wirkung des von den aufsteigenden Luftströmungen gekrümmten Lichts, weil sie durch den heißen Asphalt erhitzt werden.

Was hat das mit dem Laser zu tun? Der Laser ist auch „Licht“, und wie Licht wird sein Strahl durch die Bewegungen der Atmosphäre, die sich zwischen der Emissionsquelle und dem Ziel befindet, gestört. Dies ist jedoch ein nicht unlösbares Problem (siehe die von USAF im ABL-System übernommene Lösung, die wir weiter unten beschreiben)

Das vierte Problem ist mit der dritten verwandt und unter dem englischen Begriff "Thermal Blooming" bekannt. Wir haben bereits gesehen, wie atmosphärische Störungen den Strahl eines Lasers beeinflussen können. Was auf den ersten Blick nicht ersichtlich ist, ist, dass der Laser selbst durch die Erwärmung der vom Strahl getroffenen Luft naturgemäß eine Störung des Mediums verursacht, in dem sich der Strahl ausbreitet.

Es gibt auch einen fünften Aspekt bei der Prüfung eines HEL-basierten Systems zu berücksichtigen. Mit den auf dem Spiel stehenden Befugnissen hat man nicht nur ein Phänomen von Thermisches Blühen, aber die vom Laser erhitzte Atmosphäre verwandelt sich in Plasma. Und die Auswirkungen der Plasmawechselwirkung mit dem Laser sind kompliziert, schwer zu modellieren (sie erfordern sogar eine relativistische Behandlung) und beeinträchtigen sicherlich die Wirksamkeit eines HEL-basierten Systems. Die wirtschaftlichen und akademischen Bemühungen, dieses Thema zu modellieren und zu bearbeiten, scheinen unterschiedlich zu sein, oft finanziert (zufällig!) von MoD und DoD9.

Kurzum: Aus dieser Zusammenfassung der Probleme wird klar, dass die Herstellung eines Waffensystems auf Basis einer HEL nicht einfach ist, es besteht nicht nur darin, einen etwas größeren Laserpointer zu bauen, sondern konzentriert sich mehr darauf, die aktuellen technologischen Einschränkungen zu überwinden und Mechanismen zu implementieren die unerwünschte Effekte aufheben oder minimieren. Aber die Fakten zeigen, dass stattdessen die Bemühungen um Waffensysteme vom Typ HEL-DEW vorhanden sind und sich in Zahl und Höhe des investierten Budgets vervielfachen. Sehen wir uns einige Neuigkeiten an, die uns den Trend verstehen lassen.

Ein erwähnenswertes System aus den USA ist der Air Based Laser (ABL) mit der Abkürzung YAL 1A.

Es bestand in der Installation eines Hochenergielasers und der für eine effektive Strahlausrichtung erforderlichen Subsysteme auf einer modifizierten Boeing 747. Der Laser wird mit der COIL-Technologie (Chemical Oxygen Iodine Laser) hergestellt und ist ein Laser der „Megawatt-Klasse“. Der Laser wird am Heck der 747 erzeugt, während am Bug ein Spiegelsystem (1.5 m Durchmesser) montiert ist, das den Strahl lenkt. Es war ein Prototypprojekt, das 1996 vom US-amerikanischen Verteidigungsministerium für 1.1 Milliarden US-Dollar finanziert wurde, bei dem 2007 Flugtests und zwei Tests gestartet wurden, von denen der zweite die Zerstörung einer ballistischen Rakete nach "ein paar Sekunden" beendete Bestrahlung, immer in der Phase von Auftrieb. 2014 wurde das System außer Betrieb genommen10.

Von diesem Projekt sind die getesteten Lösungen zum Umgang mit den oben aufgeführten problematischen Aspekten einer HEL sehr interessant:

- Ein Infrarotsystem zur ersten Zielerkennung

- Ein Mehrstrahl-Laserbeleuchtungssystem mit geringer Leistung (Track Illuminating Laser, TILL). Es dient zur Bestimmung der Entfernung zum Ziel und gibt Auskunft über atmosphärische Bedingungen

- Ein BEACON-Lasersystem (a Laser der Kilowattklasse) soll das Ziel beleuchten und genauere Informationen über atmosphärische Turbulenzen sammeln, um den (von der COIL erzeugten) Fernstrahl angemessen zu verformen und die Auswirkungen der Atmosphäre auszugleichen.

Das ABL-Experiment, das offensichtlich nicht direkt darauf abzielte, ein funktionsfähiges Waffensystem zu erhalten, ermöglichte es, die Probleme eines HEL-DEW-Systems im Detail zu untersuchen, verschiedene technologische Lösungen zu vergleichen und eine Reihe von Lösungen zu bewerten, die zur Minimierung der Probleme im Zusammenhang mit die Verwendung des Lasers in der atmosphärischen Umgebung.

Aus der gleichen Zeit wie die ABL ist die Taktischer Hochenergielaser (THEL), ein 1996 gestartetes gemeinsames Programm von Israel und den USA. Im Vergleich zu ABL handelt es sich um ein Kurzstrecken-HEL-System, bodengebunden, auch in einer mobilen Version (MTHEL) entwickelt. Die Ergebnisse waren akzeptabel, aber stark von atmosphärischen Bedingungen beeinflusst und daher zu einem sehr kurzen Betriebsbereich gezwungen.

Wenn die ABL 2014 von den USA außer Dienst gestellt wurde, arbeitet stattdessen ein Lasersystem der US Navy, das Laserwaffensystem (Gesetze).

Das System wurde vor 2010 in einer experimentellen Abteilung der US Navy (Naval Surface Warfare Center, NSWC) geboren. 2010 wurde ein Zulieferer (Kratos Defense & Security Solutions) eingestellt (11 Mio. USD), um die Entwicklung zu unterstützen.

Das Ergebnis ist 2014 zu sehen, als es auf der Amphibientransporteinheit USS installiert und für betriebsbereit erklärt wurde Ponce11.

Es ist ein Laser mit einer Leistungsklasse von 10-50 KW, der kleine Flugzeuge oder schnelle Boote neutralisieren kann. Der Hauptgrund für den operativen Einsatz sind die geringen Kosten: 59 Cent pro Schuss gegenüber den Kosten von Zehn- oder Hunderttausenden von Dollar für eine Rakete.

Die Benutzereindrücke waren sehr positiv, so dass das System im Vorgriff auf die Stilllegung der USS in eine neue Einheit verlegt wird Ponce.

Als Beweis für das Interesse der Navy erhielt Lockeed Martin 2018 einen Auftrag über 150 Millionen US-Dollar (HELIOS-Programm) für die Produktion von zwei anderen ähnlichen Systemen. Sie sind im Videonetzwerk bei den LaWS-Tests gegen ein kleines Boot und ein UAV (v.link). Angaben zur Entfernung der Ziele gibt es nicht, aber aus den Videos geht hervor, dass sie nur wenige Kilometer entfernt sind und es sich auf jeden Fall um Ziele mit „bescheidener“ Dynamik handelt.

Außerhalb der USA ist eine Laserinstallation auf einer Iljuschin Il-76 (Beriev A-60 Projekt) der Sowjetunion in den fernen 70er Jahren wichtig, von der es außer der angeblichen Leistung (1MW) nicht viel Neues gibt, aber was wichtig ist, weil es dann das Sokol-Eshelon-Projekt hervorbrachte, das darauf abzielt, feindliche Satelliten zu stören (laut einigen Quellen beleuchtete es 2009 einen japanischen Satelliten).12.

Während über russische Systeme wenig bekannt ist, ist über chinesische HEL-DEW-Systeme noch weniger bekannt. Aber er ist sich sicher, dass China schon seit einiger Zeit in diesen Bereich investiert, wenn es stimmt, dass der Jahresbericht 2006 des US-Verteidigungsministeriums das Engagement Chinas zitiert "State-of-the-art Forschung und Entwicklung in Lasertechnologien, einschließlich Niedrig- und Hochenergielaser" (State-of-the-art Forschung und Entwicklung im Bereich Lasertechnologien, einschließlich Niedrig- und Hochenergielaser). Es scheint auch, dass die Chinesen 2013 einen amerikanischen Spionagesatelliten mit Lasern angegriffen haben14.

Lassen Sie uns diese kurze Zusammenfassung mit Israel abschließen. Jüngst ist bekannt, dass Israel auch einen Test an einem Lasersystem durchgeführt hat13. Das auf einem kleinen CESSNA-Flugzeug montierte System konnte ein etwa einen Kilometer entferntes UAV neutralisieren.Es werden auch mehrere andere Tests in verschiedenen Höhen angeführt. Wichtig bei diesem Experiment ist: Ein dass Israel (das einen klaren Bedarf an der Verteidigung seines Territoriums hat) in das Feld investiert und bereits greifbare Ergebnisse erzielt hat, DUE die es geschafft haben, das System in einem kleinen Flugzeug zu installieren (ABL benötigte die Anpassung einer 747) und TRE dass der Verteidigungsminister und der IAF-Entwicklungsmanager einen Entwicklungspfad klar skizziert haben, der als letzte Stufe ein 100 kW HEL-DEW-System sieht, das im Jahr 2024 einsatzbereit ist und entlang der Grenze zum Gazastreifen eingesetzt wird.

Lesen Sie auch:Direktenergiewaffen, DEW (Teil 1/3): Einführung und Klassifizierung"

Lesen Sie auch:Direct Energy Weapons, DEW (Teil 3/3): Überlegungen zu Systemen und Nutzungsaussichten"

1 High Power Microwave Technology and Effects, University of Maryland Kurzkurs für MISC (Missile and Space Intelligence Center) am Redstone Arsenal (https://user.eng.umd.edu/~vlg/MSIC%20lectures.pdf)

2 THOR, https://afresearchlab.com/technology/directed-energy/successstories/coun...

3 Neue HPM-Entwicklung, https://www.defensedaily.com/topic/indirect-fire-protection-capability-i...

4 Chinesische Anti-Schiffs-HPM, https://www.uscc.gov/sites/default/files/Fisher_Combined.pdf

5 E-Bombe, http://www.ausairpower.net/PDF-A/AOC-PACOM-Kopp-Oct-2012-A.pdf

6 E-Bombe im Golfkrieg, https://www.globalsecurity.org/military/systems/munitions/hpm.htm

7 Ranets-E, russische HPM, https://thaimilitaryandasianregion.wordpress.com/2016/01/19/ranets-e-hig...

8 Gaußsche Strahlausbreitung, https://www.edmundoptics.com/knowledge-center/application-notes/lasers/g...

9 Der Vorschlag einer intensiven Laser-Plasma-Wechselwirkung, https://www.osc.edu/sites/default/files/page-files/Major%20Proposal%20Ex...

10 ABL-Programm, https://www.airforce-technology.com/projects/abl

11 Gesetze für funktionsfähig erklärt, https://www.military.com/daily-news/2014/12/10/navy-declares-laser-weapo...

12 Sokol-Eshelon-Test, http://russianforces.org/blog/2011/10/russia_has_been_testing_laser.shtml

13 Israel Lasertest, https://www.jpost.com/israel-news/israel-successfully-downs-targets-usin...

14 Technischer Bericht zu lasergesteuerten Hochenergie-Energiewaffen, http://ausairpower.net/APA-DEW-HEL-Analysis.html#mozTocId698123

Foto: US-DoD / University of Maryland / Internet / US Navy