Таинственные лучи марсиан

В своем романе «Война миров» английский писатель-фантаст Герберт Уэллс вооружил напавших на Землю пришельцев лучевым оружием, хотя, строго говоря, никаких оснований думать, что какие-то там лучи окажутся более разрушительными и страшными, чем ружья и пушки, у него не было. Даже если предположить, что он был в курсе сделанного за три года до выхода романа в свет открытия Вильгельма Рёнтгена (Wilhelm Conrad Röntgen, 1845–1923), вряд ли он мог распознать в них будущие «лучи смерти». О губительных свойствах этих самых «Х-лучей» станет известно только спустя десятилетия.

Герберт Уэллс отождествил «лучи смерти» с тепловыми лучами — его марсиане расхаживали с чем-то вроде мазеров. Алексей Толстой пошел дальше и полностью посвятил свой соцреалистический триллер «Гиперболоид инженера Гарина» (1927) теме создания «тепловых лучей» как мощного оружия и его использования в борьбе за мировое господство. Он даже попытался обрисовать конструкцию и принцип его действия, ошибочно приписав геометрические свойства параболоида вращения гиперболоиду.

Его гиперболоид, по сути, представлял собою модернизированное увеличительное стекло, с помощью которого мальчишки фокусируют солнечные лучи и выжигают ими на досках буквы — чем, возможно, в детстве занимался и сам писатель. Только в качестве источника энергии этот гиперболоид использовал некие термитные свечи, а фокусировала тепловой луч не лупа, а система зеркал. Правда, оружие, построенное по придуманной писателем схеме, не могло бы произвести подобный эффект: «Здания, крепости, дредноуты, воздушные корабли, скалы, горы, земная кора — все пронижет, разрушит, разрежет мой луч…»

Дело не только в том, что КПД этой конструкции был столь низок, что ее луч вряд ли смог бы прожечь даже лист бумаги — ведь большая часть энергии горения термической свечи ушла бы вместе с продуктами горения, а также на нагрев гиперболоида и быстро расплавила бы его. Главная проблема заключалась в том, что излученная энергия рассеивалась бы пропорционально расстоянию. Это нетрудно проверить хотя бы на примере зенитных прожекторов: на расстояние в несколько сот метров их луч ослепляет, но на дистанции в несколько километров вы видите только яркую точку. А ведь там использованы источники света мощностью в несколько киловатт!

Герои фантастических романов уже летали по всей галактике и стреляли друг друга из бластеров, а на Земле ученые тем вренем разочаровались получить устойчивый луч при помощи традиционных источников и систем. Нужно было что-то принципиально новое. И этим новым стало изобретение в 1954–55 годы советскими учеными Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым, одновременно с американцем Ч. Таунсом (Charles Hard Townes), оптического квантового генератора (ОКГ). Созданный ими прибор излучал в инфракрасном диапазоне, и потому его, строго говоря, следовало бы называть мазером (MASER — microwave amplification by stimulated emission of radiation). Тем не менее его сразу стали называть лазером (LASER — light amplification by stimulated emission of radiation), хотя ОКГ в световом диапазоне был создан только в 1960 году американцем Теодором Майманом (Theodore H. Maiman).

Обычный источник света, например лампа накаливания, «работает» за счет нагрева, например высокой температуры нити. Да и наше Солнце «работает» по тому же принципу — ведь температура его поверхности достигает 5800 градусов! При этом спектр излучения оказывается очень широким — в нем присутствуют волны самой разной длины. Такой луч будет рассеиваться, даже если его собрать в узкий пучок с помощью зеркал и линз.

Принцип работы лазера совершенно иной. В основе лежит открытие, принесшее Эйнштейну Нобелевскую премию, — индуцированное излучение атомов. Обычно в веществе большинство атомов находится в невозбужденном состоянии. Возбуждаются они, поглощая свет, но, возбудившись, они быстро переизлучают поглощенные фотоны, возвращаясь в стабильное основное состояние. Если удается каким-то образом их удерживать в возбужденном состоянии, то возникает так называемая инверсная заселенность — состояние, в котором атомов в возбужденном состоянии больше, чем в основном. Тогда излучение одного из них спровоцирует и все остальные. Возникнет нечто вроде оптической цепной реакции, которая и получила название индуцированного излучения.

Среда с инверсной заселенностью создается путем накачки в нее энергии от внешнего источника: электрического разряда, электромагнитного излучения, химической реакции, потока быстрых нейтронов и т.п. Основным элементом первого лазера был квантовый резонатор, состоящий из рубинового стержня, торцы которого закрывали два зеркала — «глухое» заднее и «полупрозрачное» переднее. Стержень помещался внутрь спирали газоразрядной лампы. В результате возбужденные атомы стержня генерировали кванты, которые, отражаясь от двух зеркал, в свою очередь снова возбуждали атомы, поддерживая инверсную заселенность среды.

Такое излучение обладает рядом особенностей. Во-первых, оно почти строго монохроматично — его спектр очень узкий, длина волны почти строго соответствует частоте квантового перехода из возбужденного состояния в основное. Во-вторых, все кванты пучка находятся в одном и том же квантовом состоянии, что невозможно для естественного источника света. Из-за этого, в-третьих, излучение лазера практически не рассеивается, даже распространяясь в атмосфере, — а что уж говорить про безвоздушное космическое пространство! К примеру, пройдя расстояние до Луны (380 000 км), диаметр луча разойдется всего на 1,5 километра. На расстояниях же в сотни километров это расхождение почти незаметно. На расстоянии в десятки километров потери его мощности минимальны. Учитывая, что свет распространяется намного быстрее ракет и артиллерийских снарядов, становится понятным, почему, едва возникнув, новая технология сразу привлекла внимание военных. Даже тех, которые скептически относились к научно-фантастической литературе.

Головокружение от высоты

В своем стремлении держать на прицеле весь мир и убить одним махом сразу всех человеческая мысль поднималась все выше, пока не достигла заоблачных высот. Уже в 1944 году американские ВВС начали разработку проекта боевой космической станции. Хотя тогда еще не существовало ни средств для ее подъема, ни достаточно мощного оружия.

Но спустя всего четыре года появилось ядерное оружие, и в западной прессе началось обсуждение возможности использования Луны в качестве платформы для бомбардировки атомными зарядами земных целей. Вот как описывал эти идеи в своем романе писатель-фантаст Василий Бережной: «Посмотрите — вот Земля! Какая чудесная мишень! Она поворачивается к Луне каждой своей стороной и все города мира видны как на ладони. Поставьте атомную катапульту — и устанавливайте контроль над любым государством!»

Но трезвые умы говорили, что Луна слишком уж далеко находится от Земли, и гораздо проще и эффективней будет запустить на орбиту автоматическую станцию с несколькими бомбами, которая сможет быстро «зайти» над любой точкой земного шара. Отчасти именно эти соображения стали причиной охватившей США паники, когда СССР запустил свой первый искусственный спутник Земли. В Белом доме считали, что следующий «мячик» будет не только мотать витки на орбите и «пипикать», но и нести в себе килотонн пятьдесят тротилового эквивалента. Поэтому они поспешили принять меры.

Отсчет эпохи «звездных войн» ведется с 1959 года, когда американский бомбардировщик B-47 произвел успешный учебный ракетный залп по американскому же космическому спутнику Explorer VI. Именно ракетам, как управляемым, так и самонаводящимся, было суждено стать основным оружием бойцов космического фронта. В зависимости от важности (и опасности) цели, на ракеты могут устанавливаться как обычные шрапнельные, так и ядерные боеголовки.

Сбивать спутники наблюдения и связи противника предполагали также с помощью простых снарядов, в том числе выпущенных из специальных электромагнитных пусковых установок. Они сообщали 20-килограмовой болванке скорость порядка 18 км/с, что было достаточно, чтобы прошить насквозь любой находящийся в космосе аппарат. А вот пилотируемая станция «Алмаз» («Салют-3») была вооружена обычной 30-мм автоматической пушкой, с помощью которой советские космонавты могли бы отбиваться от атак американских «джеддаев».

Однако кинетическое оружие, при всей его дешевизне, все же обладало целым рядом недостатков. Не слишком эффективным, видимо, показались военным начальникам и ракетные системы обороны. Поэтому уже в 1960-х годах в США и СССР начались работы по созданию боевых лазеров, способных поражать как баллистические ракеты и орбитальные спутники противника, так и, после размещения на орбите, уничтожать объекты на Земле.

Квантово-оптический призыв

Желание генералов вывести лазеры на орбиту вполне понятно и теоретически даже реализуемо. В лабораторных условиях совсем нетрудно проделать лазерным лучом отверстие хоть в алмазе. При этом вовсе необязательно дырявить мишень, аккуратно выплавляя вещество. Короткий и мощный импульс производит мгновенное взрывное испарение, вызывающее динамический удар по объекту, — даже если он и не разрушит цель, то существенно изменит направление ее движения. Но реализовать эту идею на практике оказалось настолько сложно, что работы над созданием лазерного оружия находятся в стадии экспериментов до сих пор!

Представьте себе задачу боевого лазера, которому нужно уничтожить или хотя бы серьезно повредить крупную мишень — спутник, боеголовка, самолет и т.д., — находящуюся на расстоянии в десятки и более километров и движется со скоростью от сотен километров в час до нескольких километров в секунду. То есть необходимо решить хотя бы две важнейшие проблемы: во-первых, создать лазер достаточной мощности — а некоторые мишени (баллистические ракеты) к тому же защищены специальными покрытиями. Для их поражения требуются лазеры мощностью в десятки мегаватт.

А во-вторых, нужно же еще умудриться в эту мишень попасть. Нанести на огромном расстоянии высокоточный удар в самое уязвимое место этой мишени — чрезвычайно трудная задача. Она все еще отрабатывается: с помощью маломощных лазеров, не способных ничего разрушить, военные отрабатывают прицельную стрельбу лучом на больших расстояниях по учебным целям.

В поисках лазерного Экскалибура

В 1966 году А. М. Прохоров создал новый тип лазера — газодинамический (gas laser). Он состоит из камеры сгорания, из которой горячий газ поступает в систему сопел, быстро расширяется, охлаждается, из-за чего там возникает инверсная заселенность. Далее, при помощи двух плоских зеркал, одно из которых меньшего диаметра, делается оптический резонатор. Подобные лазеры создавались и в СССР, и в США. Они были первыми мощными лазерами (до нескольких сот КВт), к тому же могли работать в непрерывном (а не импульсном) режиме.

Уже 1973 году в США были проведены наземные испытания такого лазера мощностью около 30–60 кВт; во время испытаний была успешно сбита легкая беспилотная мишень. В 1976 году на авиабазе ВВС Киртланд (Нью-Мексико) появляется первый лазер воздушного базирования — проект получил наименование «Airborne Laser» и существует до сих пор, высосав за это время несколько миллиардов долларов из карманов американских налогоплательщиков.

Еще больший поток энергии в луче удалось достичь при помощи химического лазера. Он похож на газодинамический, но в нем инверсная заселенность создается благодаря химической реакции водорода с фтором. Всего из одного грамма реагентов при этой реакции выделяется около 500 Дж энергии. Если потратить на один импульс около двух тонн, то, исходя их оптимистической оценки в 20% для КПД такого лазера, противнику должно «достаться» 200 мегаджоулей! Если заменить обычный водород на дейтерий, то спектр полученного луча окажется в «окне прозрачности» атмосферы и такую «пушку» можно будет применять даже для поражения наземных объектов.

Однако создать на орбите установку, работающую на такой гремучей смеси (фтор реагирует даже со стеклом, а выделяемый фтороводород является одной из сильнейших кислот), было бы непросто. До сих пор подобные проекты существуют лишь на бумаге. Поэтому когда в 1983 году генсек Андропов лично распорядился запустить в космос первый орбитальный лазер, было решено ограничиться все же обычным газодинамическим лазером на углекислом газе мощностью 1 МВт.

Разработкой этого проекта, получившего название «17Ф19 Скиф», занялось ведущее советское «лазерное» КБ — НПО «Астрофизика» во главе с Н. Д. Устиновым, сыном тогдашнего министра обороны.

Сам лазер уже существовал, и более того — проходил испытания, будучи установленным на борту Ил-76. Однако разместить его в космическом аппарате оказалось совсем не просто. Поэтому первый боевой спутник решили запустить в космос без лазера и отработать на нем ряд систем, а в полном вооружении отправить уже следующий.

Вместе с ним «Астрофизика» готовила к полету и другую лазерную установку — 17Ф19С «Скиф-Стилет». Но она была довольно мирной: десять инфракрасных лазеров должны были лишь «ослеплять» оптические приборы американских спутников, и тем самым выводить их из строя. Однако, как и следовало ожидать, запуск «Скифа» окончился неудачей: он так и не смог выйти на орбиту. А последующие «мирные инициативы» советского руководства при Горбачеве просто перечеркнули развитие отечественного лазерного оружия космического базирования. Утешает одно — американцы в этом направлении пока что продвинулись не дальше нас.