¿Atenuación de un láser en el espacio?

La ecuación de la potencia emitida por un rayo láser a una distancia en un círculo de radio$r$A una distancia$z$donde el diámetro del haz es$w(z)$es

$$P(r,z)=\frac{1}{2}\pi I_0w_0^2\left(1-e^{-2r^2/w^2(z)}\right)$$ dónde $I_0$es la intensidad inicial y $w_0$es el diámetro inicial del haz (consulte estas notas del curso ). Si asumimos que todo el diámetro del haz incide en el objetivo, entonces podemos establecer $r=w(z)$y obten $$P=\frac{1}{2}\pi I_0w_0^2\left(1-e^{-2}\right)$$ Podríamos escribir $I_0$en función de la amplitud del campo eléctrico $E$y la impedancia característica $\eta$(vea esta presentación ), pero podría ser mejor simplemente trabajar con números. En cualquier caso, esta ecuación supone que todo el haz da en el blanco, lo que no es necesariamente el caso. Si usáramos el láser más poderoso del mundo , podríamos obtener alrededor de 1.3 $\times$10 ¹⁵ vatios de potencia - durante la mitad de una billonésima de segundo.

Pensemos en la divergencia del haz y la longitud de Rayleigh . Este es el valor de$z$para cual$w(z)=2w_0$. esta dado por

$$z_R=\frac{\pi w_0^2}{\lambda}$$ El láser NIF opera a una longitud de onda de 351 nm ( Haynam et al. (2007) ), y los 192 haces se enfocan a través de un orificio de menos de 1 mm de diámetro. Suponiendo que nuestros láseres tienen anchos de haz de esta cantidad, entonces tenemos un $z_R$de ~22 metros. Eso no es bueno.

Sin embargo, esto se debe a que los rayos deben ser muy pequeños. El Boeing YAL-1 podría haber sido efectivo hasta a 300 kilómetros (ver resumen de un informe ). Entonces, si aumentamos la potencia, entonces, en teoría, podríamos obtener resultados más parecidos a los que se ven en NIF: realmente explosivos. Un par de cientos de kilómetros deberían ser alcanzables.

El blindaje láser es un problema completamente diferente. A estas energías, no hay mucho que pueda detener estos láseres. La mayoría de las cosas se incendiarán o explotarán (o ambas cosas). ¡Diablos, es por eso que el NIF los usa!

Una opción es usar un escudo de "basura", básicamente, carne de cañón láser. Gradualmente es devorado por ataques láser.

Problemas:

1. Bloquea la nave para que no haga nada (ver al oponente, lanzar misiles, etc.).
2. Es temporal, debe ser reemplazado y puede no durar mucho.

Una segunda solución podría ser utilizar un gas de protección . Esto se usa comúnmente en la soldadura industrial para absorber algo de calor de los láseres de soldadura. No tengo ni idea de si podría funcionar. Es probable que necesite montar un campo magnético para contenerlo (si es posible), y oscurecería la luz visible. Pero podría ser mejor que nada.

La respuesta de Hde solo se puede ampliar realmente en el sitio de cohetes atómicos ( http://www.projectrho.com/public_html/rocket/spacegunconvent.php ) que tiene enlaces a muchos otros sitios, tablas de cálculo y ejemplos resueltos, así que hablaré sobre defensa

La respuesta corta es que la mayoría de las ideas de defensa contra las armas láser son basura. Un casco espejado podría reflejar el 99 % del haz entrante, pero el impulso de energía será tan corto y agudo que el 1 % restante dañará el espejo y permitirá que los disparos subsiguientes atraviesen el casco. Los materiales ablativos se quemarán rápidamente e incluso la rotación de la nave espacial solo causará que una loca capa de líneas quemadas cubra la nave antes de que algo falle (y una nave espacial giratoria ya estará bajo una gran cantidad de estrés).

Si tiene algo que puede detener un láser en particular, el enemigo estará trabajando en un arma láser más potente (espejo más grande, longitudes de onda más cortas, la misma salida empaquetada en emisiones de haz más cortas, etc.) y el arma definitiva es el RBoD (Ravening Beam). de la muerte); un láser de electrones libres con un acelerador de un kilómetro de diámetro capaz de emitir un haz de rayos X a un segundo luz (casi la distancia de la Tierra a la Luna). Una descripción completa se encuentra al final de la sección de láser en Atomic Rockets (arriba).

Entonces, si puede vaporizarte desde un segundo luz de distancia y causar un daño considerable en un minuto luz, ¿cómo respondes?

Defensivamente, tendrías que llevar una gran cantidad de material para absorber la energía entrante. Un enorme escudo de hielo absorberá gran parte de la energía entrante y el calor se disipará en la masa de hielo. La ventaja de esto es que la alta energía del rayo probablemente vaporizará e ionizará el agua, creando un plasma que tenderá a absorber aún más energía y viajará "hacia arriba del rayo", bloqueando el golpe del láser (aunque si el RBoD es una luz segundo de distancia, esto no te hace mucho bien a la larga). La desventaja de esto es que se vuelve extremadamente intensivo en energía para mover tu nave, y mucho menos para hacer maniobras de combate, por lo que el RBod puede cortar gradualmente tu nave en pedazos. Se puede construir un barco de forma relativamente económica y fácil a partir de hielo de agua (ver http://neofuel.com/iceship/index.html), por lo que podría intentar abrumar al RBoD con el peso de los números.

Esto lleva al otro enfoque, que es la defensa activa o combatir el fuego con fuego. El sitio Rocketpunk Manifesto de Rick Robinson ( http://www.rocketpunk-manifesto.com ) a menudo hablaba de "concursos de fritura de globos oculares", donde los láseres intentan disparar por las trayectorias ópticas de los láseres enemigos y destruir el tren óptico. Esto hace un gran número de suposiciones que pueden ser cuestionadas, pero es una idea razonable en principio. Los contadores de eso incluyen el uso de láseres bombeados por bombas externas como ojivas en drones y misiles, o dirigir aleatoriamente el tren óptico a diferentes espejos de combate entre disparos.

El otro enfoque es intentar abrumar al RBoD con miles de ojivas de energía cinética entrantes. A estos se les ha dado el sobrenombre de "Latas de refresco de la muerte" (SCoD), lo que indica que tienen aproximadamente el tamaño de una lata de refresco que se entrega en cantidades masivas. Dado que incluso los objetos pequeños que se mueven a velocidad orbital e interplanetaria tienen cantidades masivas de energía cinética, el impacto de uno solo podría causar un daño considerable, por lo que el sistema de control de incendios debería programar el RBoD para tratar de despejar el cielo de SCoD entrantes, en lugar de disparar. en ti En algún momento, hay más objetivos de los que RBoD puede manejar (tiempos de ciclo, sobrecalentamiento, reposicionamiento del espejo, etc.), por lo que cae bajo una lluvia de golpes de KE. (Lástima que también estaban disparando autobuses llenos de SCoD al mismo tiempo...).

La guerra espacial será muy complicada e implicará llenar el cielo con miles de sensores, armas y sistemas de apoyo mutuo (realmente no crees que solo haya un RBoD, ¿verdad?). Sospecho que el gran costo de todo esto hará que cualquier guerra espacial real sea más teórica, al igual que los acorazados de la Primera Guerra Mundial pasaron gran parte de la guerra en bases fuertemente protegidas, frunciéndose el ceño unos a otros en el Mar del Norte porque el riesgo de perder una batalla era tan grande. en comparación con las ganancias potenciales de ganar.