DOW-UAP-D143: ננו-לוויינים מסוג Lightcraft המונעים בלייזר

קובץ: DOW-UAP-D143_AAWSAP-DIRD-Laser-Lightcraft-Nanosatellites-November-1-2010.pdf סוכנות מקור: סוכנות הביון הביטחונית (DIA), המשרד להתרעה ביטחונית (Defense Warning Office), תוכנית AAWSA סוג מסמך: מסמך עזר מודיעיני ביטחוני (Defense Intelligence Reference Document, DIRD), סדרת "Defense Futures"; מספר בקרה DIA-08-1011-001 תאריך: 1 בנובמבר 2010 (מועד חיתוך המידע, ICOD: 30 באוגוסט 2010) סיווג: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY (סימון ה-FOUO מחוק בקו בכל עמוד; שוחרר לציבור ב-2026) מספר עמודים: 77 VIRIN: 260918-D-D0360-1132 שחרור PURSUE: 6

תקציר

מסמך זה שואל אם אפשר להכניס למסלול לוויינים קטנים מאוד בזול, באמצעות כלי שכמעט אינו נושא דלק ונדחף במקום זאת בידי לייזר רב-עוצמה על הקרקע, בים או על מטוס. בשער מופיעים התאריך 1 בנובמבר 2010, מועד חיתוך מידע של 30 באוגוסט 2010 ומספר הבקרה DIA-08-1011-001, תחת הכותרת "Defense Futures". המסמך הוכן ("Prepared by") בידי אגף ההתרעה הטכנולוגית (DWO-4) של המשרד להתרעה ביטחונית, במנהלת הניתוח של ה-DIA, והמחבר מופיע כ"AAP Person 58", אותו כינוי המופיע על DOW-UAP-D142, מסמך ה-DIRD על הוואקום הקוונטי. ההערה המנהלית מגדירה אותו כ"one in a series of advanced technology reports produced in FY 2010" (אחד מסדרת דוחות טכנולוגיה מתקדמת שהופקו בשנת הכספים 2010) במסגרת תוכנית AAWSA, ומפנה שאלות אל "AAP Person 1", מנהל תוכנית AAWSA, בכתובת של ה-DIA בוושינגטון (עמוד 2). מסגרת באותו עמוד מתארת את פורמט ה-DIRD כמספק "non-substantive but authoritative reference information" (מידע עזר מוסמך אך לא מהותי).

למסמך תקציר בן שני עמודים וחמישה פרקים: טכנולוגיות ננו-לוויינים; הנעת Lightcraft; "מחקר בחירת משימות נשק" (weapon mission selection study); סקירה של לייזרים בהספק מגה-ואטים; ומסקנות. יש בו 36 איורים (רבים מהם תצלומים של ניסויי טיסה ושל לייזרים, בקרדיט של מעבדת המחקר של חיל האוויר, של Directed Energy Professional Society, של IPG Photonics ושל בית הספר הימי לתארים מתקדמים), 5 טבלאות ו-35 מקורות. חלק ניכר מפרקים 2 ו-3 מסכם מחקר קודם אחד של חיל האוויר מאת Froning ו-Davis (מקור 26), ורעיונות הנחילים בפרק 3 מיוחסים ל"research notes, lectures, and briefings" (רשימות מחקר, הרצאות ותדריכים) של I. Bekey.

המסמך אינו מזכיר עב"מים, UAP או תופעות אוויריות בלתי מזוהות. הניסוח הקרוב ביותר הוא קביעה בדבר "military need for 1.0 kg to 2.0 kg nanosats with optical sensors for visual inspection of unknown objects in space and on Earth" (צורך צבאי בננו-לוויינים של 1.0 עד 2.0 ק"ג עם חיישנים אופטיים לבחינה חזותית של עצמים לא ידועים בחלל ועל כדור הארץ) (עמוד 34), והוא עוסק בבחינת עצמים באמצעות לוויינים קטנים.

מאמר מחקר

למה לוויינים זעירים

התקציר מגדיר את המחלקות: מיני-לוויינים של 100 עד 500 ק"ג, מיקרו-לוויינים של 10 עד 100 ק"ג, ננו-לוויינים מתחת ל-10 ק"ג ופיקו-לוויינים של 0.1 עד 1.0 ק"ג. "The primary reason for miniaturizing satellites is to reduce cost" (הסיבה העיקרית למזעור לוויינים היא הפחתת עלות), נאמר בו (עמוד 5), והוא מונה משימות שכלים קטנים יכולים לבצע וגדולים אינם יכולים: מערכי תקשורת בקצב נתונים נמוך, מבנים שדוגמים נקודות רבות בבת אחת, ובחינה במסלול של לוויינים גדולים יותר. הוא מדמיין 100 ננו-לוויינים או יותר המשוחררים מ"ספינת אם", שכל אחד מהם נבנה בעלות שאינה עולה על 500 אלף דולר, וחלקם נושאים מכשירי הדמיה ורדיו ל"remote sensing measurements (MASINT) or surveillance and eavesdropping (SIGINT)" (מדידות חישה מרחוק או מעקב והאזנה).

פרק 1 (עמודים 7-14) הוא רשימת דרישות הנדסית. הוא קובע דרישות לדחפים (מתקף כולל של 3,000 עד 7,000 ניוטון-שנייה, דחף סגולי של 280 שניות), מחשב פיקוד ונתונים של 0.25 ק"ג ו-0.5 ואט, ומשדר של 0.5 ק"ג בתדר 8,470 מגה-הרץ. הוא מחשב שננו-לוויין בצורת דיסקה ברוחב 0.3 מטר יפיק מתאי השמש שלו 4.0 ואט בלבד, ושתריסר סוללות ליתיום-יון בגודל AA, במשקל 480 גרם, יחזיקו אותו לאורך ליקוי. הוא משווה שלושה תכנונים תרמיים, שבהם הטמפרטורה הפנימית יורדת בכ-60, 20 ו-6 מעלות צלזיוס במהלך צל של שמונה שעות. חלקים מהפרק נקראים כמו משימה מדעית אזרחית: כלים מיוצבי סחרור במסלולים אליפטיים מאוד, "particles and fields instruments" (מכשירים למדידת חלקיקים ושדות), "science mission attitude" (כיוון משימה מדעית) הניצב למישור המילקה, והתייחסויות חוזרות לנתונים "scientific or intelligence" (מדעיים או מודיעיניים). ההצעה המרכזית שלו היא שהלייזר המשגר ננו-לוויין יספק לו גם את הדחף הדרוש במסלול, כך שהלוויין יישא רק דחפי כיוון קטנים (עמוד 7).

לרכוב על קרן אור

פרק 2 מסביר את ה-Lightcraft. הכלי נראה כמו "a fat acorn" (בלוט שמן): חרטום מחודד, מעטה טבעתי ומראה פרבולית מלוטשת מאוד בתחתיתו. לייזר אינפרא-אדום קרקעי יורה פולסים של קילוג'אול 25 פעמים בשנייה; המראה ממקדת כל פולס בן 18 מיקרו-שניות לטבעת בתוך המעטה, שם האוויר נפרץ לפלזמה של 10,000 עד 30,000 קלווין, וגל ההלם דוחף את הכלי לאורך הקרן (עמודים 16-17). בתכנון שפותח במעבדת המחקר של חיל האוויר (AFRL) בבסיס אדוארדס, הכלי "נושם" אוויר באופן זה עד מאך 5 וגובה 30 ק"מ, ואז עובר למצב של "רקטה תרמית לייזרית", שבו הקרן מחממת כמות קטנה של חומר הנעה על הסיפון. המסמך מייחס את רעיון פיצוץ האוויר הפולסי למנוע של ה-V-1 הגרמני, "Buzz Bomb", ממלחמת העולם השנייה.

פרק ההיסטוריה מביא את רשומת הניסויים בפועל (עמוד 17). התוכנית החלה תחת הארגון ליוזמת ההגנה האסטרטגית (SDIO) בסוף שנות ה-80; בשנות ה-90 הטיסו מרכז מרשל של נאס"א ומנהלת ההנעה של AFRL אבות טיפוס במתקן הניסויים ללייזרים עתירי אנרגיה בטווח הטילים וייט סנדס, באמצעות לייזר הפחמן הדו-חמצני PLVTS של צבא ארה"ב בהספק 10 קילוואט. Lightcraft הגיע לגובה 43 מטר בטיסות אנכיות של 2 שניות, טס 121.9 מטר לאורך תיל הנחיה אופקי, וסדרה מאוחרת יותר הגיעה ל-38.7 מטר; תקשורת פרטית דיווחה על 68 מטר. המחבר משווה זאת לטיל הדלק הנוזלי הראשון של רוברט גודארד, שהגיע ל-12.5 מטר במרץ 1926, ומוסיף: "In sharp contrast with Goddard's rockets, there is absolutely no fuel on board the prototype Lightcraft" (בניגוד חד לטילים של גודארד, אין שום דלק על סיפון אב הטיפוס של ה-Lightcraft), כלי בקוטר 10 ס"מ ובמשקל 20 עד 40 גרם, שעובד מגוש אחיד של אלומיניום 6061-T6. הגעה למסלול תחייב לייזר בהספק מגה-ואטים, חזק פי 100 לפחות מזה ששימש בניסויים.

היתרונות הנטענים גדולים: שלב יחיד למסלול, שימוש חוזר מלא, שבר מטען של כ-50 עד 95 אחוז, דחף סגולי "essentially infinite" (אינסופי למעשה) בזמן נשימת אוויר, עלויות שיגור נמוכות "two to three orders of magnitude" (בשניים עד שלושה סדרי גודל) מהקיימות, "$20/kg to $600/kg of payload" (20 עד 600 דולר לק"ג מטען), ודרישה ל-0.1 עד 1 מגה-ואט של הספק קרן לכל קילוגרם של כלי (עמוד 21).

מה מצא מחקר חיל האוויר

הראיה המרכזית היא מחקר Froning ו-Davis עבור AFRL. עבור מטענים של 10, 5 ו-1 ק"ג, מסות ההמראה של ה-Lightcraft יצאו קטנות פי 45, 80 ו-360 בערך מאלו של טילים, ועלויות ההובלה נמוכות פי 3, 5 ו-15 בערך (עמוד 23). לייזר קרקעי באורך גל 1.62 מיקרומטר, המקרין 10 מגה-ואט דרך צמצם של 10 מטרים, יוכל להרים Lightcraft של 8 ק"ג ולהכניס כ-4 ק"ג למסלול (עמוד 24). המחקר הניח טיסה נושמת אוויר עד מאך 10, כפול ממאך 5 שניתן לרעיון של AFRL כמה עמודים קודם לכן.

המחקר מצא גם שהפיזיקה אינה סלחנית. ככל שהכלי מטפס ומתרחק, הקרן חייבת לחצות יותר אטמוספרה בזווית תלולה יותר, עד כ-83 מעלות מהאנך בטווח של כ-500 ק"מ. התפשטות הקרן והאטמוספרה גורמות יחד להפסד "on the order of 75% to 99%" (בסדר גודל של 75 עד 99 אחוז) מההספק המוקרן (עמודים 25-27). אורך הגל הטוב ביותר, 1.62 מיקרומטר, שייך ללייזר האלקטרונים החופשיים (FEL), שההספק המודגם שלו עמד אז על כ-20 קילוואט, כך שנדרשת "500-fold increase" (הגדלה פי 500) (עמוד 27). טבלה 1 מעריכה תוכנית של 10 שנים עם 1,000 שיגורים בשנה, כל אחד נושא 2.0 ק"ג, ב-741.4 מיליון דולר, מהם 624.8 מיליון דולר ללייזר הקרקעי של 10 מגה-ואט. היא מציינת "$74,141 per flight" (74,141 דולר לטיסה) ו-3,052 דולר לק"ג, אלא שהטבלה עצמה מגדירה את הנתון לק"ג כמבוסס על עלויות תפעול בלבד; כשמחלקים את העלות לטיסה על המטען של 2 ק"ג, מתקבלים כ-37,000 דולר לק"ג (עמוד 29).

בחירת משימה: לוויינים כן, נשק ברובו לא

פרק 3, "מחקר בחירת משימות הנשק", מדווח ש"the most promising Air Force mission" (משימת חיל האוויר המבטיחה ביותר) היא הצבת ננו-לוויינים לתצפית על כדור הארץ ועל החלל, במשקל של עד 3 ק"ג, במסלול נמוך (עמוד 31). הכלי ישמש גם כ-"Lightsat": מראת ההנעה שלו הופכת לטלסקופ ולוחות החרטום נפרשים כמערכי שמש, כך שרק 0.1 ק"ג מתוך 1.0 ק"ג של מסתו היבשה מוקצים לתפקודי הלוויין. טבלאות 2 ו-3 משוות טיל היברידי תלת-שלבי במשקל 715 עד 921 ק"ג ל-Lightcraft של 2 עד 20 ק"ג, ונותנות יחסי עלות של 16.82, 4.67 ו-3.00 לטובת ה-Lightcraft עבור מטענים של 1, 5 ו-10 ק"ג לאורך 100 טיסות. עלויות ה-Lightcraft לטיסה בטבלה 3 כוללות את הספק הלייזר ואת שיפוצו, אך לא שום חלק ממחיר רכישת הלייזר, והמסמך עצמו מזהיר שנדרשות השוואות מפורטות יותר "before a strong argument can be made for either design" (לפני שאפשר יהיה לטעון טענה חזקה בעד אחד התכנונים) (עמוד 34).

שימושי הנשק זוכים לפסק דין מעורב. טבלאות 4 ו-5 מחשבות ש-Lightcraft של 1 ק"ג הטס במהירות 3 ק"מ לשנייה להתנגשות חזיתית בראש קרב של טיל בין-יבשתי הנע במהירות 6 ק"מ לשנייה יפגע באנרגיה של 81 מגה-ג'אול. האנרגיות בטבלה שוות למסה כפול ריבוע מהירות הסגירה; הנוסחה המקובלת לאנרגיה קינטית, מחצית המסה כפול ריבוע המהירות, נותנת חצי מזה, כ-40 מגה-ג'אול במקרה זה. אבל זמני הרכיבה על הקרן ארוכים, עננים מפריעים, והלייזרים והמטוסים יקרים, ולכן "no truly attractive Lightcraft combat mission was found" (לא נמצאה שום משימת לחימה אטרקטיבית באמת ל-Lightcraft) (עמוד 33). כמה עמודים אחר כך אומר אותו פרק ש-Lightcraft המשוגרים מן האוויר "show much promise" (מראים הבטחה רבה) ליירוט טילים מעל האטמוספרה, ויכולים לחסל לווייני שיבוש, בהסתמך על ועדת החלל של רמספלד משנת 2001 (עמודים 37-39). שתי הקביעות עומדות זו לצד זו בלי יישוב.

הפרק נחתם ברעיונות של נחילים שבהם אלפי לוויינים זעירים פועלים כאנטנה או כטלסקופ ענקיים: קולט רדיו בגודל 20 על 40 ק"מ, העשוי 150,000 פיקו-לוויינים של 23 גרם כל אחד, ש"can receive sub-watt signals from individual cell phones" (יכול לקלוט אותות של פחות מוואט מטלפונים ניידים בודדים); שני נחילי רדיומטריה; מכ"ם של 10,000 ננו-לוויינים של קילוגרם אחד המקרין 3 ג'יגה-ואט בשיא ממסלול גיאוסינכרוני; וחיישן היפר-ספקטרלי עם עדשת פרנל של 100 מטר על קשר (tether) באורך 100 ק"מ, המבחין בפרטים של 40 ס"מ ממסלול גיאוסינכרוני (עמודים 41-45). לגבי המכ"ם מודה המסמך ש"specific performance calculations have not been done for this concept" (לא בוצעו חישובי ביצועים מפורטים לרעיון זה). לפי המסמך, את הנחילים "probably can be demonstrated by 2015 and deployed in space by 2020" (ניתן כנראה להדגים עד 2015 ולפרוס בחלל עד 2020). כמעט כל אחד מהם מלווה בהערה שמסתו יכולה לרדת פי מאה "if Buckytubes are used" (אם ישתמשו ב-Buckytubes), כלומר בננו-צינוריות פחמן.

בחיפוש אחר לייזר של מגה-ואטים

פרק 4 סוקר מחקר משנת 2002 של V. Hasson מ-TEXTRON Systems, שהמליץ על לייזר של 10 מגה-ואט המונע בתותח אלקטרונים ופועל על תערובת של חנקן, פחמן דו-חמצני ומימן: ארבעה מודולים של 2.5 מגה-ואט הפועלים בקצב של 125 הרץ, כשהפעלה של 300 שניות צורכת 72 טון גז, בעלות מותקנת של כ-230 מיליון דולר (עמודים 46-50). מתכנון זה מחשב המסמך שמודול יחיד של 2.5 מגה-ואט יוכל לשלוח 5.25 ק"ג למסלול תמורת 2,793 דולר בחשמל ובגזים נוזליים, כלומר 532 דולר לק"ג, "41 times lower" (נמוך פי 41) מה-"$10,000 per pound" (10,000 דולר לליברה) של טילים כימיים. הוא מציין שהחישוב אינו כולל עלויות תפעול, מחזור חיים ותחזוקה (עמוד 51).

שאר הפרק סוקר לייזרים חדשים יותר: לייזר הלוח המוצק של נורת'רופ גראמן, שהפיק כמעט 106 קילוואט בתחילת 2009, ה-HELLADS של DARPA בהספק 150 קילוואט, לייזרי סיבים של 50 עד 70 קילוואט, ותכנון של לייזר אלקטרונים חופשיים של הצי בהספק 2 מגה-ואט. הוא צופה הספק של מגה-ואטים מלייזרי מצב מוצק "within three to five years" (בתוך שלוש עד חמש שנים), ולייזרי סיבים הניתנים להגדלה ל-"1 to 2 MW beam power within 1 to 2 years" (הספק קרן של 1 עד 2 מגה-ואט בתוך שנה עד שנתיים). הוא מודה ש"No detailed Lightcraft nano- or pico-satellite payload launch cost estimates can be performed at this time" (לא ניתן לבצע בשלב זה הערכות עלות מפורטות), ואז מציע הערכה "back-of-the-envelope" (על גב המעטפה) של 100 עד 300 דולר לק"ג, או 800 עד 2,000 דולר כשכל העלויות נכללות (עמוד 66). פרק על בקרת קרן מתאר מערכות הצבעה חדשות של נשק אנרגיה מכוונת, וקובע ששיגור מהקרקע יחייב מראות של כ-10 מטרים.

מסקנות והסתייגויות

המסקנות חוזרות על הטענות ומסתיימות בהמלצה. הן מציינות ש-AFRL סיימה את תוכנית ה-Lightcraft שלה ב-2005 "before launching a Lightcraft test vehicle into LEO was demonstrated" (לפני שהודגם שיגור כלי ניסוי של Lightcraft למסלול נמוך), שהמשרד למחקר מדעי של חיל האוויר (AFOSR) מימן אז מחקר מנהרת הלם של חיל האוויר הברזילאי בשיתוף הקבוצה של Leik Myrabo במכון הפוליטכני רנסלר, וש"this author" (מחבר זה) ממליץ שמשרד ההגנה ונאס"א "return laser Lightcraft propulsion R&D to the United States" (יחזירו את המו"פ בהנעת Lightcraft בלייזר לארצות הברית) (עמודים 73-74).

על הקוראים לזכור כמה הסתייגויות. נתוני עלות השיגור המובאים במסמך משתרעים על פני שני סדרי גודל, מ-20 ליותר מ-3,000 דולר לק"ג, לפי מה שנכלל בחישוב. אבות הטיפוס שהוטסו בפועל שקלו 20 עד 40 גרם, ולייזר הניסוי הגביל את התכנונים לכ-60 גרם, לעומת כלים של 2 עד 20 ק"ג בטבלאות. חלק גדול מהטיעון נשען על מחקר אחד של חיל האוויר ועל רמות הספק לייזר שעדיין לא היו קיימות. המסמך אינו מסביר כיצד תישמר בטיחותם של מטוסים או לוויינים לאורך נתיבה של קרן כה חזקה, מעבר לאזכור "safety systems" (מערכות בטיחות) ולתקצוב תיאום עם ה-FAA ועם NORAD בטבלה 1.

משמעות

מתוך 12 התחומים הטכניים של AAWSAP, מסמך זה שייך בעיקר לתחום ההנעה (propulsion), עם מחקר משימות הנוגע גם בחימוש (armament, מיירטים קינטיים) ובנושאים תומכים כמו מעקב בחלל. זהו אחד המסמכים הקונבנציונליים ביותר בסדרה: שיגור באנרגיה מוקרנת הוא תחום מבוסס, גם אם לא מומש, בהנדסת תעופה וחלל, וניסויי הטיסה שהוא מתאר מגובים בתצלומי AFRL ובמאמרים שפורסמו ברשימת המקורות שלו. הוא מראה שספריית העיון של AAWSAP התפרשה הרבה מעבר לפיזיקה אקזוטית, אל גישה לחלל בטווח הקרוב, ומשתלב מבחינת הנושא עם DOW-UAP-D137 על לייזרים עתירי אנרגיה ועם DOW-UAP-D124 על גישה לחלל באותו שחרור. הכינוי "AAP Person 58" מופיע גם על DOW-UAP-D142, מה שמרמז שתורם אחד כתב הן על הנדסת לייזר מוקרן והן על תורת הוואקום הקוונטי. אין בו דבר על תופעות בלתי מזוהות.

אנשים מרכזיים

מקומות

מושגי מפתח

ציטוטים בולטים

"The primary reason for miniaturizing satellites is to reduce cost." (הסיבה העיקרית למזעור לוויינים היא הפחתת עלות.) -- עמוד 5

"In sharp contrast with Goddard's rockets, there is absolutely no fuel on board the prototype Lightcraft, which has a diameter of 10 cm, mass of 20 to 40 g, and is machined from a solid block of 6061-T6 aluminum." (בניגוד חד לטילים של גודארד, אין שום דלק על סיפון אב הטיפוס של ה-Lightcraft, שקוטרו 10 ס"מ, מסתו 20 עד 40 גרם, והוא עובד מגוש אחיד של אלומיניום 6061-T6.) -- עמוד 17

"Unfortunately the demonstrated laser beam power levels for the attractive 1.62 µm wavelength, which suffered the least propagation losses, are relatively modest." (למרבה הצער, רמות הספק הקרן שהודגמו באורך הגל האטרקטיבי של 1.62 מיקרומטר, שסבל מהפסדי ההתפשטות הקטנים ביותר, צנועות יחסית.) -- עמוד 27

"It was concluded that the most promising Air Force mission for a laser-propelled Lightcraft is the placement of Earth and space observing nanosats of up to 3 kg mass into LEO." (הוסק שמשימת חיל האוויר המבטיחה ביותר ל-Lightcraft המונע בלייזר היא הצבת ננו-לוויינים לתצפית על כדור הארץ ועל החלל, במסה של עד 3 ק"ג, במסלול נמוך סביב כדור הארץ.) -- עמוד 31

"Thus, no truly attractive Lightcraft combat mission was found." (לפיכך, לא נמצאה שום משימת לחימה אטרקטיבית באמת ל-Lightcraft.) -- עמוד 33

"There is a military need for 1.0 kg to 2.0 kg nanosats with optical sensors for visual inspection of unknown objects in space and on Earth." (קיים צורך צבאי בננו-לוויינים של 1.0 עד 2.0 ק"ג עם חיישנים אופטיים לבחינה חזותית של עצמים לא ידועים בחלל ועל כדור הארץ.) -- עמוד 34

"The technologies to produce these swarms and their constituent nanosats or picosats probably can be demonstrated by 2015 and deployed in space by 2020." (את הטכנולוגיות לייצור נחילים אלה ואת הננו-לוויינים או הפיקו-לוויינים המרכיבים אותם ניתן כנראה להדגים עד 2015 ולפרוס בחלל עד 2020.) -- עמוד 41

"No detailed Lightcraft nano- or pico-satellite payload launch cost estimates can be performed at this time because the high-power solid-state and FEL laser devices are emergent technologies still under development and testing; operational deployment is expected to take place within the next two to five years depending on near-future funding and programmatics." (לא ניתן לבצע בשלב זה הערכות מפורטות של עלות שיגור מטעני ננו-לוויינים או פיקו-לוויינים ב-Lightcraft, משום שהתקני הלייזר של מצב מוצק בהספק גבוה ושל ה-FEL הם טכנולוגיות מתהוות שעדיין נמצאות בפיתוח ובניסוי; הפריסה המבצעית צפויה להתרחש בתוך שנתיים עד חמש השנים הבאות, בהתאם למימון ולתכנון התוכניות בעתיד הקרוב.) -- עמוד 66