DOW-UAP-D137: מצב הטכנולוגיה והתפתחותם של לייזרים עתירי אנרגיה - דלקים כימיים, פיזור חום והדרך לנשק לייזר חשמלי

קובץ: DOW-UAP-D137_AAWSAP-DIRD-State-of-the-Art-and-Evolution-of-High-Energy-Lasers-March-31-2010.pdf סוכנות מקור: סוכנות הביון הביטחונית (DIA), המשרד להתרעה ביטחונית (Defense Warning Office), תוכנית AAWSAP סוג מסמך: מסמך ייחוס מודיעיני ביטחוני (Defense Intelligence Reference Document, DIRD), סדרת Acquisition Threat Support; מספר בקרה DIA-08-1003-019 תאריך: 31 במרץ 2010 (תאריך סגירת מידע, ICOD: 1 בדצמבר 2009) סיווג: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY (סימון ה-FOUO מחוק בקו; שוחרר לציבור ב-2026) מספר עמודים: 31 VIRIN: 260918-D-D0360-1126 שחרור PURSUE: 6

תקציר

זהו אחד מדוחות הייחוס הטכניים (DIRD) שהפיקה סוכנות הביון הביטחונית (DIA) במסגרת תוכנית AAWSAP, והוא נושא את הכותרת "State of the Art and Evolution of High-Energy Laser Weapons" (מצב הטכנולוגיה והתפתחותם של נשקי לייזר עתירי אנרגיה). הוא מתוארך ל-31 במרץ 2010, והוכן בחטיבת תמיכת הרכש (DWO-3) של המשרד להתרעה ביטחונית, באגף הניתוח של ה-DIA. שם המחבר הושחר והוחלף בכינוי AAP Person 79.

מטרתו המוצהרת של הדוח היא לספק "an overview of the current state-of-the-art and potential evolution of megawatt (MW) class high-energy laser (HEL) weapons" (סקירה של מצב הטכנולוגיה הנוכחי ושל ההתפתחות האפשרית של נשקי לייזר עתירי אנרגיה בדרגת מגה-ואט), תוך התייחסות להשלכות על כלי רכב בחלל, במסלול סביב כדור הארץ ומעבר לו. לשם כך הוא עובר בסדר קבוע על השוואה בין נשק קינטי לנשק לייזר, על משפחות הלייזרים, על בקרת אלומה והתפשטות באטמוספרה, על תולדות מחקר הלייזר במשרד ההגנה, על האינטראקציה בין לייזר לחומר, על פגיעות של חלליות ועל תחזית ליכולות עתידיות, ומסיים בהמלצות ובמקורות להרחבה. בגוף הדוח 18 איורים וטבלה אחת.

השורה התחתונה ברורה: למרות התקדמות ניכרת בטכנולוגיות הלייזר ובקרת האלומה, לא הוצב עד אז אף נשק לייזר עתיר אנרגיה. המכשול הטכני המשמעותי ביותר, לדברי המחבר, היה הכמויות הגדולות של כימיקלים יקרים ומסוכנים שנדרשו ללייזרים היחידים שהגיעו להספק ממוצע גבוה, ומצב זה משתנה עם הבשלתם של לייזרים המונעים בחשמל.

הדוח אינו מזכיר עב"מים, UAP או תופעות אוויריות בלתי מזוהות. הזיקה היחידה שלו לעולם החוצנים היא ספרותית: הפולשים מן המאדים ב"מלחמת העולמות" וסרטי "מלחמת הכוכבים", שבהם המחבר פותח כדי להבחין בין בדיון לבין פיזיקה.

מאמר מחקר

מסמך ייחוס בסדרת AAWSAP

עמוד השער מציג את לוגו ה-DIA, את הכותרת "Acquisition Threat Support", את התאריך 31 במרץ 2010, את תאריך סגירת המידע (ICOD) 1 בדצמבר 2009 ואת מספר הבקרה DIA-08-1003-019. בעמוד השני מופיעה "הערה מנהלית" (Administrative Note) הקובעת שהמוצר הוא "one in a series of advanced technology reports produced in FY 2009" (אחד מסדרה של דוחות טכנולוגיה מתקדמת שהופקו בשנת הכספים 2009) במסגרת תוכנית AAWSA של המשרד להתרעה ביטחונית. שאלות והערות יש להפנות אל AAP Person 1, מנהל תוכנית AAWSA, בכתובת ATTN: CLAR/DWO-3, Bldg 6000, Washington, DC 20340-5100. ההערה כוללת גם אזהרת זכויות יוצרים: הפצה נוספת של התצלומים בפרסום אינה מורשית. גם הטקסט עצמו חושף את מועד כתיבתו: בתקציר נאמר שהלייזר הומצא ב-1960, "only 49 years ago" (רק לפני 49 שנים), כלומר ב-2009.

מבין 12 התחומים הטכניים שהוגדרו בהצהרת היעדים של התוכנית (DOW-UAP-D110), הדוח משרת בראש ובראשונה את תחום החימוש (armament). הוא נוגע גם בייצור הספק (אנרגיה ראשונית וסילוק חום), בחומרים (עמידות ללייזר), בהשפעות על האדם (נזקי עיניים) ובמבנה (חדירה לתא לחץ). הזווית כפולה: מצד אחד הלייזר כנשק עתידי, ומצד שני השאלה עד כמה חלליות עתידיות חשופות לו. הדוח גם מזכיר שוב ושוב את ההקשר הזר: "many open literature reports of similar work in Russia, China, and other countries" (דיווחים רבים בספרות הפתוחה על עבודה דומה ברוסיה, בסין ובמדינות אחרות), ובנוגע ללייזרי לוח נאמר שחלק ניכר מהמחקר הרלוונטי מתרחש מחוץ לארצות הברית.

לייזר מול נשק קינטי: עוצמה, מנה וזמן שהייה

הפרק הפותח מגדיר את ההבדל העקרוני. נשק קינטי (כדורים, פגזים, טילים ופצצות) זקוק לזמן כדי להגיע אל המטרה, אך משמיד אותה מיד. נשק לייזר מתחיל למסור אנרגיה במהירות האור, אך נדרש "זמן שהייה" (dwell time) כדי לצבור חום בנקודת הכיוון, "similar to a blowtorch" (בדומה למבער ריתוך). המחבר מגדיר שני גדלים שילוו את הדוח כולו: עוצמת קרינה (irradiance), הספק ליחידת שטח בוואט לסמ"ר, ומנה (fluence), האנרגיה המצטברת בג'אול לסמ"ר, שהיא פשוט עוצמה כפול זמן.

איור 1 ממפה ארבע קבוצות מטרות על ציר הספק שבין קילו-ואט אחד למגה-ואט אחד. מטרות רכות, קטנות ומהירות (חיישנים אלקטרו-אופטיים, רחפנים קטנים, טילי כתף) "קלות" ללייזר ו"בלתי מעשיות" לנשק קינטי. מטרות טקטיות נעות (כלי רכב, מכ"מים, רשתות חשמל, רקטות, פגזי ארטילריה ומרגמות) דורשות כ-100 קילו-ואט. טילים בליסטיים ולוויינים נחשבים "קשים" ברמת מגה-ואט, ואילו מטרות מוקשחות כמו טנקים, גשרים ובניינים "בלתי מעשיות" ללייזר ו"קלות" לנשק קינטי. המסקנה, ששבה ועולה: הלייזר עשוי להשלים את הנשק הקינטי, "complement (but not replace)", ולא להחליפו. יתרונו הכלכלי הוא שרשרת לוגיסטית קצרה ועלות נמוכה לירייה, כי החומרים המתכלים היחידים הם כימיקלים או חשמל.

ארבע משפחות של לייזרים ומחסום המגה-ואט

לייזרים כימיים. "To-date, every laser which has been scaled to MW-class average power falls in the chemical category" (עד היום, כל לייזר שהוגדל להספק ממוצע בדרגת מגה-ואט שייך לקטגוריה הכימית). לייזר הפחמן הדו-חמצני (10.6 מיקרון) הגיע להספק גבוה סביב 1970, ואחריו לייזר הדאוטריום-פלואוריד (DF, 3.8 מיקרון) ולייזר המימן-פלואוריד (HF, 2.8 מיקרון) באמצע שנות ה-70. לפי הדוח הם "resemble rocket engines" (דומים למנועי רקטה), כי הם שורפים דלק עם מחמצן. לייזר ה-DF נבחר בידי הצי והצבא לפיתוח טקטי, לייזר ה-HF נבחר ללייזר החלל של יוזמת ההגנה האסטרטגית (SDI), ולייזר החמצן-יוד הכימי (COIL, 1.315 מיקרון) נבחר לתוכנית הלייזר המוטס (ABL) של הסוכנות להגנה מפני טילים. רק 10 עד 20 אחוז מאנרגיית התגובה הופכים לאור, והשאר חום שנפלט עם גזי הפליטה. מעל כ-10 מגה-ואט כמות הכימיקלים הופכת את הרעיון ל"highly impractical" בחלל ולמסורבל מאוד על הקרקע.

לייזרי מצב מוצק. לייזרים אלה זקוקים לחשמל בלבד (ולקירור). הדוח מחשב ש"ירייה" של חמש שניות מלייזר של 100 קילו-ואט ביעילות 15 אחוז תצרוך פחות מקילוגרם אחד של בנזין או סולר, ומכאן "an extremely deep magazine" (מחסנית עמוקה ביותר). הבעיה היא החום שמצטבר בזכוכית ועלול לעוות את האלומה או אף לסדוק את התווך. הדוח מציין את JHPSSL של נורת'רופ גראמן, שהפיק 100 קילו-ואט באיכות אלומה טובה, ומעריך שמערכות לוח (slab) בדרגת מגה-ואט, חסונות ובמחיר סביר, יהיו זמינות בתוך 20 שנה.

לייזרי סיבים. לייזר סיב הוא "a rod laser which has been stretched many meters" (לייזר מוט שנמתח לאורך מטרים רבים) לעובי של שערה, כדי לפזר חום. סיב חד-אופני יציב הפיק כמה מאות ואט, וגבול הנזק שלו מוערך בכ-10 קילו-ואט. צירוף קוהרנטי מחייב רוחב פס צר בהרבה מג'יגה-הרץ אחד ותיאום פאזה של כעשירית אורך גל. בצירוף לא-קוהרנטי חוברו 25 עד 50 סיבים לאלומה של 50 קילו-ואט, אך באיכות אלומה של כ-30 (כלומר רחוקה בהרבה מגבול העקיפה). תחזית הדוח: מערכות צבאיות של 50 עד 100 קילו-ואט בתוך 15 שנה, ומערכות מגה-ואט בתוך 20 עד 30 שנה.

לייזרי פולס אולטרה-קצר ולייזרי אלקטרונים חופשיים. לייזרי הפמטו-שנייה מפיקים פולסים קצרים מפיקו-שנייה, בהספק שיא של טרה-ואט עד פטה-ואט אך בהספק ממוצע של פחות מוואט. מלבד פגיעה בחיישנים, "the military potential of these devices is yet to be determined" (הפוטנציאל הצבאי שלהם טרם נקבע). לייזר האלקטרונים החופשיים (FEL) מאיץ צרורות אלקטרונים כמעט למהירות האור ומעביר אותם דרך מערך מגנטים מתחלף ("wiggler"), כך שאורך הגל ניתן לבחירה. איור 9 מציג FEL של 2 קילו-ואט במתקן תומס ג'פרסון, וההספק הממוצע הגבוה ביותר שהושג עד אז היה 10 קילו-ואט.

האטמוספרה כמכשול: בקרת אלומה ו"פריחה תרמית"

שטח הכתם המינימלי על המטרה נקבע בידי העקיפה, בקירוב (Rλ/D) בריבוע, כאשר R הוא הטווח, λ אורך הגל ו-D קוטר טלסקופ הכיוון. לכן ניתן לשפר רק בקיצור הטווח, באורך גל קצר יותר או בטלסקופ גדול יותר. בפועל רק כמחצית מהספק הלייזר מגיעה לכתם, ורעידות, מערבולות ופריחה תרמית מגדילים אותו עוד. הדוח מתאר את מנגנון המעקב (tracker), את יחידת הייחוס האינרציאלית (IRU) ואת הפתרון של מכוון האלומה Sealite (SLBD) משנות ה-80, שבו ה-IRU הותקנה בחופשיות בתוך הטלסקופ ומראות היגוי מהירות ייצבו את האלומה עצמה.

האטמוספרה התחתונה מפזרת ובולעת: "as much as 50 to 75 percent of a laser beam's energy can be lost over a 10 km lower atmosphere path on a fairly clear day" (עד 50 עד 75 אחוז מאנרגיית האלומה עלולים לאבד לאורך 10 ק"מ ביום בהיר למדי). הבליעה תלויה מאוד באורך הגל, וחלונות הבליעה הנמוכה נמצאים סביב 1, 1.2, 1.6 ו-2.2 מיקרון. בהספק גבוה, החימום של האוויר במסלול האלומה מעוות ומפזר אותה (thermal blooming). זו הייתה, לפי הדוח, סיבה מרכזית לכך שהצי זנח את לייזרי ה-DF להגנה עצמית בים, ומאחר שלא היה לייזר מגה-ואט באורכי הגל של החלונות, החל הצי לפתח FEL שניתן לכוונן לכל אורך גל.

חמישה עשורים של ניסויים

הפרק ההיסטורי מסכם את המאמץ האמריקאי. באמצע שנות ה-70 הציב הצבא לייזר פחמן דו-חמצני של 50 קילו-ואט עם מכוון אלומה של 40 ס"מ ברכב זחלי (Mobile Tactical Unit) והפיל מטוסי מטרה קטנים. חיל האוויר התקין לייזר גדול יותר במטוס KC-135 (Airborne Laser Laboratory) ובתחילת שנות ה-80 הפיל טילי אוויר-אוויר כמו AIM-9. במרץ 1978 השמיד לייזר DF של הצי ו-ARPA, בדרגת מאות קילו-ואט, טילי TOW נגד טנקים במעופם. באמצע שנות ה-80 הותקנו הלייזר MIRACL ומכוון ה-SLBD בטווח הטילים וייט סנדס, כמתקן הניסוי הראשון של נשק לייזר בדרגת מגה-ואט, ופגעו ברחפני מטרה תת-קוליים, בטילים רב-קוליים ובמאיצי טילים בליסטיים שהוצמדו לקרקע.

נאום "מלחמת הכוכבים" של הנשיא רייגן ב-1983 הוליד את ה-SDI ותוכניות לייזר שהגיעו לשיא של מיליארד דולר בשנה, אך "did not result in the fielding of any weapons" (לא הובילו להצבת נשק כלשהו). תוכנית הלייזר היחידה של הסוכנות להגנה מפני טילים ששרדה היא הלייזר המוטס, שעלה 200 עד 500 מיליון דולר בשנה בעשור האחרון ונועד להציב לייזר COIL בדרגת מגה-ואט במטוס בואינג 747-400F ליירוט טילים בשלב ההאצה. בזמן הכתיבה פיתחו כל שלושת הזרועות לייזרי מצב מוצק בדרגת 100 קילו-ואט נגד כלי טיס בלתי מאוישים, רקטות, ארטילריה, מרגמות וסירות בנחילים, וחיל האוויר ופיקוד המבצעים המיוחדים (SOCOM) התקינו מתקן ניסוי של לייזר כימי במטוס C-130 (Advanced Tactical Laser), כדי להעריך את התועלת שבהוספת לייזר למטוס התקיפה AC-130J.

חומרים, עיניים וחלליות

עמידות חומר ללייזר נמדדת בפרמטר W, בג'אול לסמ"ק, כלומר האנרגיה הנדרשת להמיס או להסיר סנטימטר מעוקב אחד. הדוח מציין שתוצאות ספציפיות מסווגות בדרך כלל, ולכן מציג תצפיות כלליות בלבד: מתכות תחת עומס אווירודינמי או לחץ נכשלות בסדק הרבה לפני חדירה מלאה; חומרים מרוכבים של סיבי זכוכית ואפוקסי נכשלים באבלציה ובהתפרקות שכבות; קרמיקה, "similar in composition to common Corning Ware" (דומה בהרכבה לכלי Corning Ware רגילים), מתנפצת בהלם תרמי, וחתיכה עבה כמעט באותה עוצמה כמו דקה.

בנושא העיניים הדוח מפריך מיתוס: אין אורכי גל "בטוחים לעין". אורכי גל עד כ-1.2 מיקרון ממוקדים על הרשתית ומשאירים כתמים עיוורים; בין 1 ל-1.5 מיקרון הם נבלעים בנוזל העין; מעל 1.5 מיקרון הם נבלעים בקרנית ויוצרים צלקות. איור 18 מציג את ערכי החשיפה המרבית המותרת (MPE) לפי תקני ANSI.

פרק החלליות מונה שלוש פגיעויות: פגיעה בשיווי המשקל התרמי של החללית כולה, שחייבת לשמור על טמפרטורה קרובה ל-70 מעלות פרנהייט, בשינוי יחס הבליעה-פליטה (α/ε) של פני השטח או ב"הצפה" של מגה-ואטים לכמה דקות במעבר מעל אתר קרקעי; פגיעה ברכיבים חשופים כמו לוחות סולריים, אנטנות וחיישני כוכבים, שמש ואופק; וחדירה לתא הלחץ של חללית מאוישת.

משמעות

בתוך סדרת ה-DIRD של AAWSAP זהו אחד המסמכים הקונבנציונליים ביותר: סקירה הנדסית מבוססת של טכנולוגיה קיימת, ללא הנחות פיזיקליות ספקולטיביות. הוא נכתב ימים ספורים לפני שני מסמכים שכנים בסדרה, DOW-UAP-D138 על הנעת עיוות (2 באפריל 2010) ו-DOW-UAP-D139 על חורי תולעת (6 באפריל 2010), והניגוד ביניהם ממחיש את רוחב היריעה של התוכנית, בין הנדסה בת-השגה לבין פיזיקה תיאורטית רחוקה.

תרומתו הייחודית היא בפרק התחזית. המחבר מעריך שללייזר חשמלי ביעילות "מהשקע" (wall plug) של 25 אחוז, לייזר של מגה-ואט ידרוש לפחות 4 מגה-ואט של הספק חשמלי ויפיק 3 מגה-ואט של חום עודף, ו-FEL ידרוש כמגה-ואט רציף רק לקירור חלל ההאצה העשוי ניוביום בהליום נוזלי ב-2 קלווין. מכאן משפט המפתח של הדוח: סילוק החום עלול להיות קשה יותר מייצור ההספק. טבלה 1 מחשבת עוצמות קרינה בחלל לאורך גל של מיקרון אחד, טלסקופ של מטר אחד ואיכות אלומה של כ-1.5: מ-0.1 קילו-ואט לסמ"ר על כתם של 50,000 סמ"ר (10 מגה-ואט ב-1,000 ק"מ) ועד 10 קילו-ואט לסמ"ר על 5 סמ"ר (100 קילו-ואט ב-10 ק"מ). טלסקופ של 3 מטרים ישלש את הטווח. בבדיקה אריתמטית, שטחי הכתם המודפסים בשתי שורות ה-350 ק"מ (500 ו-50,000 סמ"ר) אינם מתיישבים עם עמודת העוצמה ועם כלל ההתאמה של הדוח עצמו, ונראה שהכוונה בשתיהן ל-5,000 סמ"ר.

מגבלות נוספות: הדוח נשען על מקורות פתוחים וממליץ על כנסי DEPS, SPIE ו-AIAA; הוא מייחס את הפולשים של "מלחמת העולמות" ל-"Orson Wells", ערבוב של שמו של הסופר ה"ג וולס עם שמו של אורסון ולס, שעיבד את הספר לרדיו; באחד המקומות הוא מפנה לאיור 4 במקום לאיור 5; והוא קובע שמדינות אחרות משווקות נשק לייזר מעוור בגלוי "despite a 1980 Geneva Convention" (למרות אמנת ז'נבה מ-1980). האיסור המפורש על נשק לייזר מעוור נוסף לאותה אמנה מ-1980 כפרוטוקול נפרד רק ב-1995, והדוח אינו מבחין בכך. הוא גם מזכיר שנמנע ממשרד ההגנה להציב את מערכת Active Denial לפיזור המונים בגלל שיקולי מדיניות, "(not legal)", ולא משיקולים משפטיים.

אנשים מרכזיים

מקומות

מושגי מפתח

ציטוטים בולטים

"The laser was invented in 1960, only 49 years ago, and (along with the light-emitting diode) has evolved into an essential part of our modern every-day life in ways that could not have been foreseen." (הלייזר הומצא ב-1960, רק לפני 49 שנים, ויחד עם הדיודה פולטת האור הפך לחלק חיוני מחיי היומיום המודרניים בדרכים שלא ניתן היה לצפות.) -- עמוד 5

"On the military side, there have also been incredible advances in laser and beam control technologies but no deployment of any high-energy weapons." (בצד הצבאי חלו גם התקדמויות מדהימות בטכנולוגיות לייזר ובקרת אלומה, אך לא הוצב שום נשק עתיר אנרגיה.) -- עמוד 5

"Initial spacecraft laser weapons are conceivable within the next 20 years, with the potential for follow-on growth in laser power and transmitting telescope size." (נשקי לייזר ראשונים על גבי חלליות נראים אפשריים בתוך 20 השנים הבאות, עם פוטנציאל לגידול בהמשך בהספק הלייזר ובגודל טלסקופ השידור.) -- עמוד 5

"To-date, every laser which has been scaled to MW-class average power falls in the chemical category." (עד היום, כל לייזר שהוגדל להספק ממוצע בדרגת מגה-ואט שייך לקטגוריה הכימית.) -- עמוד 10

"Militarized devices at the 50 kW to 100 kW should be available within the next 15 years and it's not difficult to imagine MW systems within 20 to 30 years." (התקנים צבאיים ברמת 50 עד 100 קילו-ואט אמורים להיות זמינים בתוך 15 השנים הבאות, ולא קשה לדמיין מערכות מגה-ואט בתוך 20 עד 30 שנה.) -- עמוד 15

"There is a popular misconception that there are "eye safe" laser wavelengths in the infrared. The reality is that any wavelength in the UV, visible or infrared can damage the eye or skin." (קיימת תפיסה שגויה נפוצה שיש אורכי גל של לייזר "בטוחים לעין" בתחום האינפרה-אדום. במציאות, כל אורך גל בתחום העל-סגול, הנראה או האינפרה-אדום יכול לפגוע בעין או בעור.) -- עמוד 26

"If the pressure-vessel portion of the spacecraft were penetrated, even in a small area, it could prove fatal." (אם יחדור הלייזר לחלק החללית המשמש כתא לחץ, ולו בשטח קטן, הדבר עלול להיות קטלני.) -- עמוד 28

"The storage and removal of heat from any of these electrically powered lasers may prove to be a more stressing task than generation of the required prime power for lasing." (אגירת החום וסילוקו מכל אחד מהלייזרים המונעים בחשמל האלה עשויים להתגלות כמשימה תובענית יותר מייצור ההספק הראשוני הנדרש להפעלת הלייזר.) -- עמוד 29