Автор лого - Belaya_ber
Ширина страницы: 100%| 3/4| Размер шрифта: 9 pt| 10 pt| 12 pt| 14 pt

Только зарегистрированные участники
могут голосовать
Примечания к фанфику:
Первая часть посвящена принципу действия и устройству боевых лазеров, вторая - особенностям их применения, третья - то, как было показано оружие в мультфильмах и фильмах. Наконец, четвёртая, дополнительная,- энергетическому оружию, устанавливаемому на космолёты.
Фотоматериалы.
Примерный внешний вид земного лазерного ружья: http://www.projectrho.com/public_html/rocket/images/sidearmenergy/AssaultLaser.jpg
Последовательность формирования кратера:
http://panoptesv.com/SciFi/LaserDeathRay/BlastSequence0.jpg
http://panoptesv.com/SciFi/LaserDeathRay/BlastSequence1.jpg
http://panoptesv.com/SciFi/LaserDeathRay/BlastSequence2.jpg
http://panoptesv.com/SciFi/LaserDeathRay/BlastSequence3.jpg
http://panoptesv.com/SciFi/LaserDeathRay/BlastSequence4.jpg
Вступление


Лазерное оружие, пожалуй, самое известное и самое популярное оружие, встречающееся в научно-фантастических произведениях. Первым их образцом можно считать знаменитые «лучи смерти» из «Войны миров» Уэллса. Присутствует оно и в Мультивселенной Трансформеров: официальная энциклопедия, находящаяся по адресу tfwiki.net, сообщает нам о существовании 19 (!) лазеров, поражающих цели различными эффектами (включая соляную кислоту – именно этим (!!!) стреляет мушкетный лазер). Не менее бредово выглядят и другие образцы вооружения из этого списка.

Так или иначе, эта работа - очередная из цикла «Оружейные технологии Трансформеров». Как и предшественники, она посвящена описанию функционирования на этот раз лазерного оружия и его применению в бою.

Рази врагов своих лучом света когерентного!


Собственно, заглавие указывает на принцип действия лазера – он генерирует когерентное электромагнитное излучение (когерентное – все фотоны, выпущенные лазером, имеют практически одну и ту же длину волну). Здесь нужно заметить, что термин «лазер» приемлем лишь только к ограниченному числу генераторов когерентного электромагнинтного излучения: сами лазеры излучают в инфракрасном, оптическом и ультрафиолетовом диапазонах, на более коротких рентгеновском и гамма-диапазонах работают гразеры, в более длиноволновом - разеры (радиоволновый диапазон).

Внутренне боевые лазеры состоят из двух компонентов – квантового генератора, излучающего направленное электромагнитное излучение (оптическое, ИК или УФ) и оптической системы, фокусирующей его. Внешние части этой системы – защитный корпус, предотвращающий повреждения хрупких элементов оружия, система управления огнём, дальномер и система охлаждения.

Для того чтобы понять, как работает квантовый генератор, нужно обратиться к физике атома. Электроны, окружающие ядро атома, могут находиться только на определённых орбитах, и при переходе на более дальнюю орбиту поглощают энергию, а при переходе на более низкую – выделяют её в виде электромагнитного излучения («волночастицы» - фотона). В стабильном состоянии атом находится на наименьшем возможном энергетическом уровне. Но под воздействием внешнего электромагнитного излучения электрон перебрасываются на возбуждённый уровень, после чего спустя какое-то время возвращается назад, излучая фотон.

Однако этот процесс становится более интересным, если мы имеем дело с группой одинаковых возбуждённых атомов (т.е. квантовой системой). Если один из атомов высвободит фотон, то это увеличит вероятность того, что другие атомы тоже высвободят фотоны. Причём эти фотоны будут с наибольшей вероятностью двигаться в одном и том же направлении – получается эффект лавины.

Внесём следующие изменения в нашу квантовую схему. Вытянем её в трубку, чтобы максимальная плотность излучения приходилась на её концы, а также добьёмся максимизации количества атомов, находящихся в возбуждённом состоянии. Для этого осуществим их переход на так называемый «метастабильный» энергетический уровень косвенным путём. Сначала электроны перемещаются на высокий возбуждённый уровень, затем с него соскакивают на промежуточный «метастабильный». Но так как метастабильный уровень неустойчив, то в какой-то момент электроны соскакивают и с него, порождая вышеупомянутое лавинное излучение.

И наконец, ещё одно изменение: поместим квантовую систему между двумя зеркалами: частично прозрачным и непрозрачным. В таком случае мы добьёмся того, чтобы излучение выходило из квантовой системы не сразу, не достигнув максимальной мощности, а задерживалось в ней, накапливаясь и покидая в виде последовательности импульсов с высокой пиковой мощностью. Первый импульс будет самым слабым, но второй и последующие будут по мере увеличения количества фотонов становиться всё более и более мощными, пока не достигнут максимально возможной величины. После чего начнётся обратный процесс - количество атомов ограничено, а большая их часть уже высвободила энергию.

Важные замечания по генерации когерентного излучения: лазеры не обладают идеальным КПД (так как часть энергии теряется, например, в ходе её закачки в квантовую систему). Более того, современные лазеры излучают в среднем одну восьмую долю энергии от её начального числа – вся остальная энергии рассеивается в форме тепла. Это приводит к тому, что для стабильной работы лазера его необходимо непрерывно охлаждать. Однако можно предположить, что высокоразвитая цивилизация может добиться от своих лазеров того, чтобы они расходовали впустую лишь половину энергии.

Разобравшись с генерацией когерентного излучения, перейдём к оптической системе. Дело в том, что боевому лазеру необходимо не просто засветить цель, но ещё и прожечь в ней дырку. Кроме этого, когерентное излучение подвержено расхождению по мере удаления от генератора – и оно тем меньше, чем короче длина волны. Логично, что нам нужно для этого применить приспособление, фокусирующее всё излучение на небольшой точке. Такое приспособление есть и называется собирающей линзой. Она соберёт практически всё излучение лазера в точке, именуемой фокусом линзы (от того и пошло слово «фокусировка»).

Правда, использовать лишь одну неподвижную линзу в боевом лазере невыгодно - не получится менять фокус и, следовательно, дальность стрельбы. Поэтому реальный боевой лазер оснащается оптической системой, состоящей из группы линз и (при необходимости) стекол. Причём расстояние между этими линзами может меняться, тем самым меняя и дальность стрельбы. Также можно использовать адаптивную оптику для повышения эффективности оружия.

Корпус, в который помещён боевой лазер, выполняет две функции: не позволяет грязи попасть в оптическую систему, тем самым снизив огневую мощность оружия, и защитит внутренние компоненты от повреждений. Система охлаждений – крайне важное устройство, отбирающее избыточное тепло от генератора квантового излучения. Ну, а система управления огнём (СУО) позволяет стрелку выбирать режим стрельбы, скорострельность и энергию за один выстрел, регулирует дальность стрельбы, а также выключает оружие при перегреве. Дальномер же передаёт СУО информацию о расстоянии до цели. Важно: чем выше скорострельность, тем меньше энергия одного выстрела.

Замечу, что вышеприведённая система генерации лазерного излучения не единственная. Тот пример с квантовой многоуровневой системой наиболее характерен для большинства лазеров. Но возможны и другие варианты – например, химический лазер (генерация излучения осуществляется за счёт химических реакций в газовой смеси, закачка энергии – с помощью электрического разряда). Или лазер на свободных электронах (аббревиатура ЛСЭ; генерация когерентного излучения осуществляется за счёт пропускания сверхбыстрого пучка электронов через ундулятор – набор электромагнитов).

Внешний вид лазерного оружия зависит от габаритов. Лазпистолет будет выглядеть как гибрид пистолета и лазерной указки размером с фонарь, лазружьё – как гибрид автомата и видеокамеры, а лазпушка – как труба телескопа размером с короткоствольную гаубицу, к которой подключаются электрические кабеля и шланги, закачивающие охлаждающую жидкость.

Ещё один способ оптимизировать лазерное оружие – заменить один большой генератор на несколько одинаковых. В этом случае, хотя оптическая система и усложнится, зато оружие станет более надёжным – вышел из строя один генератор, но остальные – то работают. Да и скорострельность тоже будет выше – можно по очерёдности включать генераторы, а оптическая система сфокусирует излучение на одной области.

«Здания, крепости, дредноуты, воздушные корабли, скалы, горы, кора земли — всё пронижет, разрушит, разрежет мой луч.» - инженер П.П.Гарин


Из всех видов оружия, доступных Трансформерам, лазеры выделяются вышеупомянутым свойством – они могут прожечь отверстие в любом материале, лишь бы достаточно энергии закачивалось в генератор когерентного излучения да избыточное тепло вовремя отводилось. Пётр Петрович Гарин был прав, когда говорил, что его электрохимический лазер-«параболид» (а не «гиперболоид») может справиться с чем угодно, да вот только сомнительно, что сконструировать его лазпушку, как описано в романе, можно было бы – иначе бы уже эту систему кто-нибудь реализовал.

Уникальные пробивные качества лазера обусловлены взаимодействием когерентного излучения с веществом. Известен эксперимент, что, если сфокусировать солнечное излучение с помощью лупы на чём-нибудь легковоспламеняющемся, можно этот объект поджечь. Но когерентное излучение на много порядков интенсивнее солнечного, а потому последствия будут хуже. Для начала в зоне нагрева вещество разогреется, затем расплавится, и, наконец, закипит и испарится. Но мощность излучения будет столь большой, что вслед за этим испарившийся материал ещё и перейдёт в состояние высокотемпературной плазмы. Так как никакие магнитные поля эту плазму не удерживают, то она тут же начнёт расширяться во все стороны с большой скоростью – произойдёт небольшой плазменный взрыв.

А вот дальше начинаются интересные вещи. Во-первых, расширяющаяся плазма образует кратер на поверхности объекта. Во-вторых, образовавшаяся плазма будет непрозрачной для лазерного излучения. И если генерировать непрерывный лазерный луч, то это только передаст энергию продуктам взрыва и увеличит размер кратера, но не позволит добиться максимальной бронебойности.

А ещё из описанного выше процесса можно сделать вывод о том, что наносимые лазером повреждения зависят от следующих основных параметров вещества: отражательной способности, удельных теплот нагрева, плавления и кипения, температур плавления, кипения и ионизации. Второй вывод, более забавный, заключается в том, что боевой лазер – это фактически дезинтегратор: он электромагнитным излучением разрушает внутри- и межмолекулярные связи (правда, косвенно).

Логично, что в большинстве случаев нам нужно сквозное отверстие, а не кратер в броне/корпусе/теле врага. Как быть? Избавимся от плазмы: подождём, пока она не рассеется, а затем снова произведём. Временной промежуток между выстрелами должен быть не менее 10 микросекунд.

Если сравнить стрельбу из лазера с другими известными нам устройствами, то получится, что непрерывный луч будет действовать как плазменный резак. Импульсный луч можно сравнить с большим молотком, забивающим очень острый гвоздь последовательными ударами в корпус/тело противника.

Глубина, на которую лазер прожжёт полость, зависит от режима стрельбы. Если принять диаметр кратера как K, то глубина составит от 10 до 20K для непрерывного луча. А для импульсных лазеров 20K уже будет минимальной величиной. Чтобы улучшить пробивные качества, можно фокусировать лазер не на поверхности цели, а в воображаемой точке за ней.

Впрочем, радоваться подобной разрушительной силе лазеров не стоит – всю эту энергию ещё нужно доставить к цели, и вот тут возникают неприятности. Во-первых, пускай когерентное излучение и сфокусировано на цели, оно всё равно подвержено радиальному рассеиванию, а потому часть фотонов так и не долетит до цели. Во-вторых, при стрельбе в атмосфере часть лазерного излучения рассеется на воздухе. И, в-третьих, невозможно сфокусировать лазер на бесконечно малой точке: диаметр круга S, на который будет сфокусирован лазер, равен:

S=1,2*R*L/D


Где R – расстояние до цели, L – длина волны лазера, D – диаметр выходной линзы лазера. Из это следует вывод о том, что бронебойные свойства лазера тем выше, чем меньше расстояние до цели и чем короче длина волны.

И ещё не стоит забывать о том, что лазеры на короткой длине волны (УФ-лазеры) «славятся» тем, что их фотоны крайне хорошо поглощаются атомами атмосферы. В итоге энергия лазерного импульса, призванного прожечь в цели дырку, частично уйдёт на образование ионизированного канала. Не то что бы это было бесполезно – во второй части будет описано оружие, это использующее….

Чем светить будем?


Для боевых лазеров практичнее всего использовать оптический диапазон. Также ещё подлежит применению и гразер, выпускающий мягкое рентгеновское излучение – но об этом оружии пойдёт речь лишь в четвёртой части работы, ибо гразеры наиболее эффективны в космическом бою.

Эффективность лазеров, работающих в оптическом диапазоне, обусловлена вышеприведённым соотношением – они обладают большей достижимой плотностью энергии на квадратный метр, чем инфракрасные, и менее склонны к ионизации атмосферы на своём пути, чем ультрафиолетовые. Оптимальным вариантом является длина волны в 450-550 нанометров – если вы намерены вести бой в атмосфере. Ну, а в вакууме можно уже использовать УФ-лазеры – там плотность окружающей среды незначительна, чтобы на неё можно было обращать внимание.

Что же касается звука стрельбы из лазера, то само оружие будет лишь гудеть. Если идёт процесс ионизации атмосферы, вы услышите резкий, свистящий треск. В точке попадания прогремит хлопок от небольшого взрыва и, если длина волны лежит в оптическом диапазоне, будет вспышка такого же цвета, как у лазера. У УФ-лазеров вспышка будет ярко-белой.