Рентгеновский лазер с накачкой ядерным взрывом

    История проекта рентгеновского меча, мгновенно поражающего космические цели на расстояниях в тысячи километров, полна драматизма, надежд и разочарований. Простая и красивая идея, которая родилась в конце 70-х годов прошлого века, заключалась в том, чтобы взорвать ядерную боеголовку в непосредственной близости (~1 м) от пучка натянутых металлических струн длиной несколько метров, и превратить их в плазменные нити. По мере остывания полностью ионизированной плазмы, т.е. через ~10 нс (наносекунд) начнется рекомбинация, в результате которой часть ионов окажется в возбужденных квантовых состояниях. Это сделает возможной лазерную генерацию рентгеновских пучков, которая начнется со спонтанного излучения квантов отдельными ионами. По мере прохождения через плазменную нить каждый импульс экспоненциально усилится, достигая большой интенсивности излучения вдоль исходной (и уже исчезнувшей) струны. Если каждую из струн перед подрывом боеголовки ориентировать в направлении цели, то мощный пучок рентгеновских фотонов мгновенно уничтожит ее, и таких целей может быть много! 

    При этом временной масштаб событий настолько мал, что деформацией струн и плазменных нитей, а также изменением их пространственного положения можно пренебречь. С момента включения цепей детонации имплозивного заряда и до начала цепной реакции деления пройдут микросекунды. За это время продукты обычного (химического) взрыва пролетят лишь сантиметры пространства, отделяющего боеголовку от пучка струн. Около пол-микросекунды займет цепная реакция до затухания, которое наступит из-за раздувания делящегося ядра. При этом высвободится вся энергия ядерного взрыва, большая часть которой трансформируется в поток рентгеновских квантов, испускаемых атомами материала бомбы. Фотоны первыми достигнут струн, обрушивая на них чудовищный ливень электромагнитной энергии, и через десятки наносекунд начнется лазерное излучение плазменных нитей. Оно продлится недолго, всего ~1 нс, но этого хватит, чтобы направить точно к целям экстремально мощные и узко сфокусированные рентгеновские импульсы.
     

    Таким образом одно устройство «типа Экскалибур», способное разом уничтожить десятки боеголовок, могло быть упаковано в достаточно узкий цилиндр длиной несколько метров и выведено в космос всего одной ракетой. Помимо ядерной бомбы, которая используется для накачки энергией, существенную стоимость имеет лишь система наведения струн на цели. С этой мехатроникой не все было ясно, однако стремительный прогресс микропроцессорной техники давал уверенность в том, что если удастся сгенерировать разящие импульсы от струн, то нацелить их куда нужно как-нибудь получится. Стоимость такого одноразового лазера, вместе с системой выведения на боевой рубеж, не шла бы ни в какое сравнение с ценой миллионов спасенных жизней в обреченных городах, которым предназначались его мишени — боеголовки. На деле все оказалось настолько сложнее, что Экскалибур так и остался призрачной тенью прошлого, ушедшей эпохи Великого Противостояния. Однако, до сих пор в открытых источниках нет никакой надежной информации о деталях этого проекта !  

  В далеком 1975г. на IV международной Вавиловской конференции, проходившей в Новосибирском Академгородке, молодые американские физики Джордж Чэплайн и Лоуэлл Вуд представили обзорный доклад о проблеме создания лазеров, генерирующих излучение в рентгеновском или гамма диапазоне (с длиной волны порядка нанометра и меньше).  Экспериментатор Вуд возглавлял «группу О», созданную в Ливерморской лаборатории для работы над рентгеновским лазером с потенциалом боевого применения. Теоретик  Чэплайн был автором идеи накачки ядерным взрывом и разработчиком первого дизайна такого устройства. Разумеется, на конференции в Академгородке обсуждались исключительно мирные применения рентгеновских и гамма лазеров, такие как молекулярная биология и кристаллография. Понятно также, что обзор Чэплайна с Вудом не содержал и намека на  возможность использовать энергию ядерного взрыва, которую уже в 1978 «группа О» попыталась проверить в ходе неудачного испытания Diablo Hawk на полигоне в Неваде.

   Отправной точкой программы «Звездных войн», как журналисты окрестили Стратегическую Оборонную Инициативу Рейгана, является его речь от 23 марта 1983г: «…Я призываю научное сообщество, которое дало нам ядерное оружие, обратить свои великие таланты к достижению мира для всего человечества, и дать нам средства сделать ядерное оружие беспомощным и устаревшим». Перспективным средством против грозной армады из сотен советских МБР и БРПЛ, оснащенных тысячами ядерных боеголовок с индивидуальным наведением, а также ключевым элементом СОИ на тот момент считался рентгеновский лазер с накачкой ядерным взрывом. Проект с неофициальным названием «Экскалибур» активно лоббировал друг Л. Вуда, отец термоядерной бомбы Э. Теллер.

     После первого неудачного испытания последовал обнадеживающий результат теста Dauphin, в ходе которого 11 ноября 1980г. на глубине 1 306 метров под поверхностью полигона в Неваде было взорвано ядерное устройство. Его мощность не превышала 20 килотонн, и более точной информации об этом взрыве нет. Принято думать, что в ходе испытания был проверен новый дизайн Экскалибура, теоретически просчитанный молодым сотрудником «группы О» Питером Хэгелстейном. Однако наверняка мы не знаем даже того, что тест Dauphin действительно имел отношение к боевому рентгеновскому лазеру ! При этом информация о результатах испытания является единственным, хотя и скудным источником оценок, которые считаются экспериментально подтвержденными. А именно, излучение с длиной волны 1.4 нм продолжалось ~1 нс при средней мощности ~100 Тераватт. Таким образом, из струны было получено ~100 кДж направленной энергии — как от автоматной очереди, если не учитывать расхождение луча на пути к цели.

    Для начала это можно было считать успехом, подтверждающим идею Экскалибура. Современные боевые системы на основе газодинамического лазера, например, излучают всего на порядок больше энергии за целую секунду, … работая впрочем в непрерывном режиме и имея намного лучшую фокусировку. Однако единственным, никем не подтвержденным источником сведений об испытании Dauphin была статья Кларенс Робинсон в журнале Aviation Week & Space Technology от 23 февраля 1981г., где не было точных ссылок. И все же пелена секретности, мгновенно сгустившаяся вокруг публикации, в какой-то мере свидетельствует о правдивости этих данных. 

     Спустя 16 лет еще одно косвенное свидетельство поступило от российских ученых из Челябинска-70, опубликовавших статью в  № 15 за 1997г. журнала Laser and Particle Beams. В ней Аврорин Е.Н., Лыков В.А., Лобода П.А. и Политов В.Ю. сообщили, что в СССР проводились аналогичные исследования рентгеновского лазера с ядерной накачкой, в ходе которых в 1987г. были получены 20 кДж в импульсе с длиной волны 3.9 нм, и 100 кДж на 2.8 нм. Хотя общий термин «ядерная накачка» не всегда означает использование ядерного взрыва, эти результаты близки к тем, что описаны в статье из Aviation Week & Space Technology (130 кДж на волне 1.4 нм).                               

   И это — практически все, что известно об Экскалибуре ! Помимо испытаний Diablo Hawk (1978) и Dauphin (1980), с ним также связывают ядерные тесты Cabra  и  Romano (1983), Сorreo (1984), Cottage и  Goldstone (1985), Labquark (1986). Для проверки надежности этих сведений недостаточно информации об испытательных взрывах http://www.nv.doe.gov/library/publications/historical/DOENV_209_REV15.pdf . В многочисленных статьях-клонах, опубликованных в рунете, содержится стандартный набор безапелляционных утверждений, среди которых упоминаются ядерные тесты Экскалибур и Супер-Экскалибур. По указанной выше ссылке легко проверить, что их никогда не было. 

Источник изображения  https://www.llnl.gov/etr/pdfs/11_94.2.pdf

   К середине 80-х стало окончательно ясно, что потенциальные возможности Экскалибура сильно преувеличены. Вместо залпового поражения десятков космических целей стояла задача уничтожить хотя бы одну, нацелив на нее сотни струн одного устройства. При этом накачивающая боеголовка находилась бы внутри «цилиндра», образованного параллельными струнами, и это радикально упрощало систему прицеливания. Однако расчеты неумолимо показывали, что мощность по-прежнему недостаточна для поражения целей с дистанции ~1 000 км. Ядерные испытания в Неваде, часть которых оказалась неудачной из-за проблем с регистрирующими приборами, больше не внушали оптимизма. Недоступной для Экскалибура мишенью казались не только термически защищенные боеголовки МБР и БРПЛ, но даже ракеты с «голыми» алюминиевыми баками, стартующие из глубины территории СССР. При самых оптимистичных физических предположениях, потребовался бы накачивающий взрыв мегатонного класса, чтобы с расстояния 1 000 км доставить 1 кДж энергии на 1 кв.см поверхности мишени. Согласно оценкам американских специалистов, для поражения умеренно защищенных целей нужно в 20 раз больше (советская оценка была еще в 1.5 раза выше). С дистанции 100 км поток энергии возрастал бы до 100 кДж/кв.см, однако возникал резонный вопрос: не проще ли запустить антиракету Спартанец http://www.designation-systems.net/dusrm/m-49.html с ядерной боеголовкой в 5 Мт ?

   Экологически-чистые, кинетические перехватчики, время которых пришло вместе с 32-разрядными микропроцессорами, казались намного более дешевым и эффективным решением.  От прямого механического удара никакие теплозащитные покрытия не спасали, а задача попасть в боеголовку, летящую со скоростью 6 — 7 км/cек, уже не казалась особенно сложной. Свою роль, очевидно, сыграла сильная оппозиция СОИ в американском научном сообществе, значительная часть которого была напугана риторикой Рейгана и его планами решительно изменить стратегическое равновесие в пользу США. Поэтому критиков проекта Эскалибур было в избытке. В 1992г. его финансирование прекратилось. Основные проблемы Экскалибура заключались в следующем.

1. Не существует материалов, которые отражали бы рентгеновские лучи. Поэтому Экскалибур не мог иметь фокусирующую оптику и оптический резонатор, будучи простым однопроходным усилителем. Все это, мягко говоря, не способствовало приемлемой расходимости луча. При длине струны L и диаметре D угол расходимости оценивается отношением D/L, а в N — проходном резонаторе он был бы в N раз меньше. Поток энергии на поверхности мишени обратно пропорционален квадрату D/L. При L=2 м и D = 0.2 мм это означало бы, что на дистанции 1 000 км рентгеновский пучок «размажется» до поперечного размера 100 м ! Чтобы сжать его хотя бы до 10 м, пришлось бы увеличить длину струны до 20 м или уменьшить ее диаметр до 20 микрон. Первый вариант принуждает использовать для накачки термоядерный заряд мегатонного класса …, чтобы струны целиком оказались в зоне рентгеновской диффузии и как следует искупались в фотонном душе до того момента, как до них доберутся частицы (ядра, ионы и атомы) материала бомбы. Второй вариант еще хуже, потому что он «активирует» дифракционные ограничения на расходимость. В самом деле, характерное отношение l/D длины волны излучения l~1 нм к диаметру апертуры D=20 мкм имеет тот же порядок 0.0001, что и первоначальный угол D/L (где L=2 м и D = 0.2 мм). Таким образом, дифракция сведет на нет все усилия по уменьшению диаметра струны.

2. Слишком тонкие струны содержат слишком мало атомов, чтобы обеспечить необходимый выход энергии из одной струны, даже если все ее атомы + ионы после рекомбинации окажутся в нужном возбужденном состоянии. В то же время делать струну толстой бесполезно, потому что телесный угол расходимости рентгеновского пучка увеличится пропорционально количеству атомов, так что мишени достанется то же самое число джоулей на квадратный сантиметр. Таким образом, метод создания инверсной населенности через рекомбинацию плазмы, работающий в тонких лабораторных экспериментах, сам по себе недостаточен для генерации излучения необходимой интенсивности. Но для многократного возбуждения лазерных уровней в этих условия нет подходяшего квантового механизма. В самом деле, в «остывшей» до нескольких сотен тысяч градусов, рекомбинирующей плазме осталось слишком мало горячих фотонов, которые могли бы вторично ионизировать атомы (ионы). Свободные электроны пока еще могут проделывать такие фокусы в тесноте и давке плотной плазмы. Но еще лучше у них получится выбивать верхние электроны из возбужденных атомов (ионов), поэтому достаточная инверсная населенность после вторичной  «ионизации-рекомбинации» уже не получится.

3. Плазменная нить расширяется со скоростью ~100 км/сек, многократно увеличиваясь в диаметре за то время, пока нарастающая лавина фотонов проходит по ее длине (~10 м). Так возникает еще один источник проблем с расходимостью луча. Кроме того, нить будет испытывать поперечные смещения и изгибы на отдельных своих участках, что сильно не способствует нормальной лазерной генерации.

4. Свободные электроны плазмы, в которую превратилась струна, а также внешние электроны в атомах (ионах) будут по Комптону рассеивать рентгеновские кванты, что дополнительно снизит и без того не слишком высокую интенсивность излучения. Для уменьшения рассеяния можно было бы уменьшить плотность плазмы, т.е. дать ей расшириться, но тогда резко обостряется проблема расходимости. Куда ни кинь, всюду клин !

5. Боеголовки МБР или БРПЛ легко спасти от (не слишком мощного !) рентгеновского импульса теплозащитными покрытиями из углепластиков, металлокерамики и т.п., а также специальными защитными «юбками», которые отделены от корпуса. Дополнительно к этому можно окружить боеголовку облаком из металлического мусора (опилок), металлизированных баллонов и прочих легких ловушек, которые бы рассеяли рентгеновский импульс. Не стоит обсуждать популярные глупости о быстром вращении вокруг продольной оси, как народном средстве против коротких лазерных импульсов, учитывая наносекундный масштаб времени, в течении которого мишень подвергается фотонной бомбардировке.

   Таким образом, традиционная парадигма рекомбинационного лазера является тупиком. Но если выйти из этого тупика и радикально пересмотреть механизм образования активной среды в плазменных нитях, то возможно, что первые четыре из пяти указанных проблем будут решены. Пятая останется в любом случае …, если планировать боевое применение такого лазера по классическим разделяющимся боеголовкам. Но не следует сбрасывать со счетов возможность поражения БРПЛ на активном участке, а также ступеней разведения МБР.

    Задача отражения массированного ядерного удара сотнями или тысячами боеголовок, по-видимому, уже не является актуальной. Великое Противостояние давно закончилось вместе с кошмарной доктриной гарантированного взаимного суицида. Вместе с тем стало больше неопределенности в отношении того, с какой стороны и когда можно получить разящий ядерный удар http://extremal-mechanics.org/?p=160#more-160 . Одного маневрирующего моноблока, который увернется от противоракет, может оказаться достаточно, чтобы отрубить руководящую-направляющую «голову» и парализовать управление территорией противника с вытекающими для обороны последствиями. Стоит впрочем заметить, что орбитальные маневры моноблоков имеют плохую оборотную сторону, о которой  скромно умалчивает пропаганда их неуязвимости для ПРО. А именно, при любом маневре боеголовки экранирующее облако из помех и металлического мусора останется в стороне, продолжая движение по заданной траектории. Моноблок как бы вынырнет из защитного облака и останется голым, что снимет задачу селекции цели для ПРО. 

   И все же, виляющий из стороны в сторону, низкоорбитальный аппарат с термоядерной бомбой внутри является проблемой для кинетического перехватчика, потому что в него труднее попасть. Вот здесь-то как раз и может сработать главное, по-сути единственное преимущество лазера – способность почти мгновенно нанести удар с дистанции в сотни километров. От потока фотонов не увернешься !

    Но предположим, что с большого расстояния поток энергии рентгеновского импульса будет недостаточен для того, чтобы пробить тепловую защиту моноблока. Если лазер запущен для перехвата моноблока на среднем участке   траектории, то для начала он может попытаться уничтожить цель взрывом своей накачивающей боеголовки. Умеренная мощность которой (~10 кт) не вызовет опасного для собственной ПРО электромагнитного импульса ! В случае промаха удачливый моноблок будет уничтожен рентгеновским пучком с настолько малой дистанции (< 10 км), что никакая теплозащита его не спасет. В случае значительного промаха найдутся более изощренные сценарии исправления ошибок ПРО с помощью боевого лазера. Например, он может на несколько десятков секунд «отключить» маневровые двигатели моноблока, поскольку даже с дистанции ~1 000 км рентгеновский удар в открытые сопла (практически под любым острым углом) приведет к ионизации газа в камере сгорания и такому скачку давления, который разрушит двигатель или просто столкнет моноблок с орбиты. За эту минуту, пока испарившийся лазер и лишенная маневра мишень удаляются друг от друга, страхующий кинетический перехватчик собьет ее.

    При условии конечно, что глубокие физические проблемы, связанные с боевым рентгеновским лазером, все-таки удастся преодолеть. 

Лоуэлл  Вуд

Эдвард Теллер

Главные герои легенды об Экскалибуре, кроме покойного Эдварда Теллера, живы и до сих пор активно работают. Нынешние научные интересы Джорджа Чэплайна связаны с квантовой теорией информации и квантовой гравитацией. Это очень далеко от рентгеновского лазера, хотя … квантовой теорией сплошной среды профессор Чэплайн тоже занимается. Астрофизик Лоуэлл Вуд еще много чего придумал и изобрел, в том числе в области ПРО. В конце 80-х начале 90-х он работал над политически радикальным проектом Brilliant Pebbles (бриллиантовая галька), а позднее разработал лазер для борьбы с малярийными комарами в Африке.

 Питер Хэгелстейн, единственный из этой четверки расстался с Ливерморской лабораторией. Он занимается полупроводниковой электроникой в Массачусетском технологическом институте. Один из лучших в мире специалистов по лазерной генерации в рентгеновском диапазоне.

Джордж Чэплайн и Ричард Фейнман, 1966 г.

Дмитрий Зотьев

Рентгеновский лазер с накачкой ядерным взрывом: Один комментарий

  1. Наивный ролик начала 80-х, рекламирующий программу СОИ («Звездные войны»). На интервале 45 — 50 сек показано действие рентгеновского лазера с накачкой от ядерного взрыва (NEPXL). Компьютерная графика крутая по тем временам ))

    .

    Красивая картинка, изображающая действие NEPXL http://extremal-mechanics.org/wp-content/uploads/2017/06/NEPXL.jpg.