בדרך לנשק לייזר
המרוץ אחר מערכות יירוט אקטיביות מבוססות לייזר נמצא בעיצומו, והתעשיות הביטחוניות בארה"ב שואפות להגיע לרמת מבצעית כבר בעשור הקרוב. השאלה כיום היא לא 'מתי', אלא איזו טכנולוגיה תנצח – לייזר מצב מוצק או מערכת המשלבת אלומות של לייזרי סיב. ניתוח מרתק של איתמר שושן
הגנה לישראל
| 19/05/2011
ADAM counter rocket demo (התמונה באדיבות חברת לוקהיד מרטין)
במשך עשרות שנים נחשבו הלייזרים הכימיים לטכנולוגיה המועדפת לשילוב במערכות נשק לייזר עתידיות. פיתוח מוצלח של הטכנולוגיות הנדרשות ללייזרים אלה, הניב מערכות לייזר שהפיקו אלומות לייזר בהספק של עד מגאוואט. על אף זאת, תכניות פיתוח של לייזרים כימיים בארה"ב הופסקו בגלל המגבלות הלוגיסטיות של אספקה, איחסון וטיפול בחומרים כימיים בעלי פוטנציאל רעילות ונזק סביבתי.
איתמר שושן מזמין את כל המתעניינים להירשם לכנס אואזיס של תעשיית האלקטרו אופטיקה שיתקיים בתאריכים 20 - 19 לפברואר במלון דויד אינטר קונטיננטל על חוף הים בתל אביב.
פרטים נוספים אפשר למצוא באתר הכנס www.oasis4.org.il
הלייזרים הכימיים גם לא הצליחו לתת מענה הולם לדרישות הצבא האמריקאי למערכת ניידת הניתנת להפעלה חשמלית. סיבה נוספת שתרמה להפסקת הזרמת המשאבים לתכניות הפיתוח של לייזרים כימיים היא ההתפתחות הטכנולוגית המואצת של לייזרי דיודות, ולייזרים שאובי-דיודות בעשרים השנים האחרונות. הפיתוח של לייזרי דיודות הפועלים בנצילות של כ-60 אחוזים המשולבים בלייזרי סיב ולייזרי מצב-מוצק שאובי-דיודות שנצילותם החשמלית הכוללת מגיעה ל- 20‑30 אחוזים, עושה לייזרים אלה למועמדים אפשריים למערכות נשק לייזר עתידיות.
לייזרים בשדה הקרב
הפיתוח הטכנולוגי של לייזרים למערכות נשק-לייזר מכוון למספר יישומים צבאיים: יירוט טילים בליסטיים, רקטות ופצצות מרגמה, יירוט כלי טיס בלתי מאוישים, ופיצוץ מרחוק של מטעני נפץ ומוקשים. ליירוט טילים ממרחק של מספר קילומטרים נדרש הספק של יותר מ-100kW לפרק זמן של מספר שניות בו האלומה צריכה להיות על המטרה ולעקוב אחריה תוך כדי תנועתה. ליישומים האחרים מספיק הספק "צנוע" יותר של 2‑20kW, כתלות בסוג המטרה וטווח הפעולה. כדי לפגוע במטרה קטנה ממרחק של מספר קילומטרים אלומת הלייזר צריכה להיות בעלת זווית התבדרות קטנה של כ- 20-30 מיקרו-רדיאן.
כבר לפני שנים אחדות הודגמו בארה"ב פיצוץ מרחוק של מטעני צד ויירוט מוצלח של מספר כלי טיס קטנים, באמצעות מערכות לייזרי סיב ניידות בהספק 2-3kW שהותקנו על כלי רכב. בחודש נובמבר 2012 הופעלה בהצלחה מערכת נשק לייזר שפותחה על ידי חברת Rheinmetall Defence הגרמנית. המערכת כוללת שני לייזרים המורכבים על מערכת נ"מ תוצרת Oerlikon, שהאלומות שלהם משתלבות על המטרה בהספק כולל של 50kW. בניסוי הודגמו בהצלחה חיתוך לוח פלדה בעובי 15 מ"מ ממרחק 1,000 מטרים, וכן הרס מרחוק תוך כדי מעוף של כדורי פלדה בקוטר 82 מ"מ המדמים פצצות מרגמה.
בתמונות שלהלן נראית אלומה של לייזר סיב בהספק 10kW מפוצצת ממרחק 1,600מטרים רקטת‑מטרה במהלך מעוף במהירות 180 קמ"ש. התמונות צולמו בדצמבר 2012 בהדגמת אב טיפוס של מערכת ADAM (Area Defense Anti‑Munitions) שפותחה על ידי Lockheed‑Martin.
טכנולוגיות לייזר חדשות
תכניות פיתוח של לייזרים למערכות נשק בארה"ב הניבו בשנים האחרונות הדגמות מוצלחות של לייזרי מצב-מוצק בהספק 100kW ומעלה ע"י Northrop‑Grumman (בשילוב קוהרנטי של 7 לייזרי Nd:YAG) ועל ידי Textron (בטכנולוגית Thin‑Zag עם גבישי Nd:YAG קרמיים). ב-General Atomics מתבצע מזה שנים, במסגרת תכנית HELLADS, פיתוח של לייזר נאודימיום חדשני המבוסס כנראה על לוחות גבישיים דקים המוצבים בתוך נוזל זורם בעל מקדם שבירה תואם. בשילוב היתרונות הטכנולוגיים של לייזר מצב מוצק (הפקת אנרגיה גבוהה מנפח קטן) והזרמת הנוזל לפינוי החום הנוצר, מצפים להגיע להספק של 150kW במערכת שמשקלה לא יעלה על 750 ק"ג.
לייזר מצב-מוצק אחר העשוי להחליף לייזרים אלה הוא לייזר איטרביום (Yb:YAG) שנצילותו החשמלית עשויה להגיע ל-30 אחוזים לעומת כ-20 אחוזים בלייזרי נאודימיום. חברתBoeing ביצעה ב-2009 הדגמה של לייזר כזה שהתבססה על טכנולוגית דיסק (Disk Laser) שפותחה בגרמניה תוך שימוש ברכיבים אזרחיים תוצרת Trumpf בהספק 27kW ובנצילות חשמלית של כ-25 אחוזים.
עם זאת, הגדלת ההספק ל‑100kW באלומה בעלת התבדרות צרה היא עדיין אתגר. ב-Raytheon מתבצע כיום במסגרת תכנית RELI פיתוח של לייזר איטרביום בתצורה חדשנית של לוח דק מאוד (Planar Waveguide) שהיא תוצר כלאיים של שתי טכנולוגיות - הלייזר מתנהג במימד אחד כלייזר סיב ובממד השני כלייזר מצב מוצק נפחי.
לייזרי סיב כבר מגיעים היום לנצילות של 30 אחוזים בטיב אלומה מצוין המאפשר זווית התבדרות קטנה, אולם על פי הנראה כיום, לא יגיעו להספק המתקרב ל- 100kWמסיב יחיד בטיב האלומה הנדרש. משום כך מפותחות טכניקות שונות של שילוב אלומות קוהרנטי ולא קוהרנטי שיאפשרו שילוב של מספר לייזרי סיב, כדי שניתן יהיה להפיק את ההספק ואת טיב האלומה הנדרשים למערכות נשק לייזר מתקדמות.
מה צופן העתיד?
לייזרי מצב מוצק אמנם רחוקים עדיין מהספקים המופקים על ידי לייזרים כימיים, אך הם מסוגלים להגיע להספקים מרשימים במערכות ניידות מופעלות חשמלית שנפחן ומשקלן קטן בסדר גודל מזה של הלייזרים הכימיים. קרוב לודאי שנראה עוד לפני תום העשור הנוכחי, מערכות ברמת בשלות מבצעית המבוססות על לייזרי סיב בהספק של עד 30kW ליירוט מזל"טים ורקטות וניטרול מטעני נפץ.
למערכות נשק לייזר המסוגלות ליירט טילים עדיין דרוש המשך פיתוח טכנולוגי. קשה לנבא היום מי תהיה הטכנולוגיה המנצחת - לייזר מצב מוצק בטכנולוגיות חדשניות או מערכת המשלבת אלומות של לייזרי סיב להספק של 100kW לפחות. בכל מקרה, נצטרך להמתין לעשור הבא כדי לראות מערכות כאלה מגיעות לרמת בשלות מבצעית.
סרטון המציג את המערכת של לוקהיד מרטין:
הכותב היה בעבר המדען הראשי של אלביט מערכות אלקטרו-אופטיקה (אלאופ). לפני כן, הוביל באלאופ פיתוח טכנולוגיות לייזר ומוצרי לייזר למערכות צבאיות, וניהל את תחום פיזיקת הלייזרים ומנהל פיזיקה באלאופ. כיום הוא עוסק בפיתוח טכנולוגיות לייזר ובתכנון הנדסי של מוצרי לייזר אזרחיים וצבאיים.
ליצירת קשר עם איתמר שושן [email protected]
במשך עשרות שנים נחשבו הלייזרים הכימיים לטכנולוגיה המועדפת לשילוב במערכות נשק לייזר עתידיות. פיתוח מוצלח של הטכנולוגיות הנדרשות ללייזרים אלה, הניב מערכות לייזר שהפיקו אלומות לייזר בהספק של עד מגאוואט. על אף זאת, תכניות פיתוח של לייזרים כימיים בארה"ב הופסקו בגלל המגבלות הלוגיסטיות של אספקה, איחסון וטיפול בחומרים כימיים בעלי פוטנציאל רעילות ונזק סביבתי.
איתמר שושן מזמין את כל המתעניינים להירשם לכנס אואזיס של תעשיית האלקטרו אופטיקה שיתקיים בתאריכים 20 - 19 לפברואר במלון דויד אינטר קונטיננטל על חוף הים בתל אביב.
פרטים נוספים אפשר למצוא באתר הכנס www.oasis4.org.il
הלייזרים הכימיים גם לא הצליחו לתת מענה הולם לדרישות הצבא האמריקאי למערכת ניידת הניתנת להפעלה חשמלית. סיבה נוספת שתרמה להפסקת הזרמת המשאבים לתכניות הפיתוח של לייזרים כימיים היא ההתפתחות הטכנולוגית המואצת של לייזרי דיודות, ולייזרים שאובי-דיודות בעשרים השנים האחרונות. הפיתוח של לייזרי דיודות הפועלים בנצילות של כ-60 אחוזים המשולבים בלייזרי סיב ולייזרי מצב-מוצק שאובי-דיודות שנצילותם החשמלית הכוללת מגיעה ל- 20‑30 אחוזים, עושה לייזרים אלה למועמדים אפשריים למערכות נשק לייזר עתידיות.
לייזרים בשדה הקרב
הפיתוח הטכנולוגי של לייזרים למערכות נשק-לייזר מכוון למספר יישומים צבאיים: יירוט טילים בליסטיים, רקטות ופצצות מרגמה, יירוט כלי טיס בלתי מאוישים, ופיצוץ מרחוק של מטעני נפץ ומוקשים. ליירוט טילים ממרחק של מספר קילומטרים נדרש הספק של יותר מ-100kW לפרק זמן של מספר שניות בו האלומה צריכה להיות על המטרה ולעקוב אחריה תוך כדי תנועתה. ליישומים האחרים מספיק הספק "צנוע" יותר של 2‑20kW, כתלות בסוג המטרה וטווח הפעולה. כדי לפגוע במטרה קטנה ממרחק של מספר קילומטרים אלומת הלייזר צריכה להיות בעלת זווית התבדרות קטנה של כ- 20-30 מיקרו-רדיאן.
כבר לפני שנים אחדות הודגמו בארה"ב פיצוץ מרחוק של מטעני צד ויירוט מוצלח של מספר כלי טיס קטנים, באמצעות מערכות לייזרי סיב ניידות בהספק 2-3kW שהותקנו על כלי רכב. בחודש נובמבר 2012 הופעלה בהצלחה מערכת נשק לייזר שפותחה על ידי חברת Rheinmetall Defence הגרמנית. המערכת כוללת שני לייזרים המורכבים על מערכת נ"מ תוצרת Oerlikon, שהאלומות שלהם משתלבות על המטרה בהספק כולל של 50kW. בניסוי הודגמו בהצלחה חיתוך לוח פלדה בעובי 15 מ"מ ממרחק 1,000 מטרים, וכן הרס מרחוק תוך כדי מעוף של כדורי פלדה בקוטר 82 מ"מ המדמים פצצות מרגמה.
בתמונות שלהלן נראית אלומה של לייזר סיב בהספק 10kW מפוצצת ממרחק 1,600מטרים רקטת‑מטרה במהלך מעוף במהירות 180 קמ"ש. התמונות צולמו בדצמבר 2012 בהדגמת אב טיפוס של מערכת ADAM (Area Defense Anti‑Munitions) שפותחה על ידי Lockheed‑Martin.
טכנולוגיות לייזר חדשות
תכניות פיתוח של לייזרים למערכות נשק בארה"ב הניבו בשנים האחרונות הדגמות מוצלחות של לייזרי מצב-מוצק בהספק 100kW ומעלה ע"י Northrop‑Grumman (בשילוב קוהרנטי של 7 לייזרי Nd:YAG) ועל ידי Textron (בטכנולוגית Thin‑Zag עם גבישי Nd:YAG קרמיים). ב-General Atomics מתבצע מזה שנים, במסגרת תכנית HELLADS, פיתוח של לייזר נאודימיום חדשני המבוסס כנראה על לוחות גבישיים דקים המוצבים בתוך נוזל זורם בעל מקדם שבירה תואם. בשילוב היתרונות הטכנולוגיים של לייזר מצב מוצק (הפקת אנרגיה גבוהה מנפח קטן) והזרמת הנוזל לפינוי החום הנוצר, מצפים להגיע להספק של 150kW במערכת שמשקלה לא יעלה על 750 ק"ג.
לייזר מצב-מוצק אחר העשוי להחליף לייזרים אלה הוא לייזר איטרביום (Yb:YAG) שנצילותו החשמלית עשויה להגיע ל-30 אחוזים לעומת כ-20 אחוזים בלייזרי נאודימיום. חברתBoeing ביצעה ב-2009 הדגמה של לייזר כזה שהתבססה על טכנולוגית דיסק (Disk Laser) שפותחה בגרמניה תוך שימוש ברכיבים אזרחיים תוצרת Trumpf בהספק 27kW ובנצילות חשמלית של כ-25 אחוזים.
עם זאת, הגדלת ההספק ל‑100kW באלומה בעלת התבדרות צרה היא עדיין אתגר. ב-Raytheon מתבצע כיום במסגרת תכנית RELI פיתוח של לייזר איטרביום בתצורה חדשנית של לוח דק מאוד (Planar Waveguide) שהיא תוצר כלאיים של שתי טכנולוגיות - הלייזר מתנהג במימד אחד כלייזר סיב ובממד השני כלייזר מצב מוצק נפחי.
לייזרי סיב כבר מגיעים היום לנצילות של 30 אחוזים בטיב אלומה מצוין המאפשר זווית התבדרות קטנה, אולם על פי הנראה כיום, לא יגיעו להספק המתקרב ל- 100kWמסיב יחיד בטיב האלומה הנדרש. משום כך מפותחות טכניקות שונות של שילוב אלומות קוהרנטי ולא קוהרנטי שיאפשרו שילוב של מספר לייזרי סיב, כדי שניתן יהיה להפיק את ההספק ואת טיב האלומה הנדרשים למערכות נשק לייזר מתקדמות.
מה צופן העתיד?
לייזרי מצב מוצק אמנם רחוקים עדיין מהספקים המופקים על ידי לייזרים כימיים, אך הם מסוגלים להגיע להספקים מרשימים במערכות ניידות מופעלות חשמלית שנפחן ומשקלן קטן בסדר גודל מזה של הלייזרים הכימיים. קרוב לודאי שנראה עוד לפני תום העשור הנוכחי, מערכות ברמת בשלות מבצעית המבוססות על לייזרי סיב בהספק של עד 30kW ליירוט מזל"טים ורקטות וניטרול מטעני נפץ.
למערכות נשק לייזר המסוגלות ליירט טילים עדיין דרוש המשך פיתוח טכנולוגי. קשה לנבא היום מי תהיה הטכנולוגיה המנצחת - לייזר מצב מוצק בטכנולוגיות חדשניות או מערכת המשלבת אלומות של לייזרי סיב להספק של 100kW לפחות. בכל מקרה, נצטרך להמתין לעשור הבא כדי לראות מערכות כאלה מגיעות לרמת בשלות מבצעית.
סרטון המציג את המערכת של לוקהיד מרטין:
הכותב היה בעבר המדען הראשי של אלביט מערכות אלקטרו-אופטיקה (אלאופ). לפני כן, הוביל באלאופ פיתוח טכנולוגיות לייזר ומוצרי לייזר למערכות צבאיות, וניהל את תחום פיזיקת הלייזרים ומנהל פיזיקה באלאופ. כיום הוא עוסק בפיתוח טכנולוגיות לייזר ובתכנון הנדסי של מוצרי לייזר אזרחיים וצבאיים.
ליצירת קשר עם איתמר שושן [email protected]
