Den amerikanska marinens LaWS -program undersökte möjligheten att använda billig fiberlasarteknik som grund för laservapen som kunde integreras i befintliga Phalanx -installationer.
För första gången är den amerikanska marinen fullt förberedd att demonstrera driften av laser med hög energi och tillkännagav nyligen planer på att lansera en prototyp elektromagnetisk järnvägspistol till sjöss. Tänk på framstegen i nästa generation av pulsvapen
I flera decennier har den amerikanska marinen bara pratat om utplacering av lasrar, pulserande energisystem och elektriska vapen på fartyg. Ett antal mycket attraktiva teoretiska fördelar - nästan obegränsade butiker, billig ammunition och snabb inverkan med mera - bidrog till försvarsvetenskapliga och tekniska samhällets betydande investeringar i skapandet, utvecklingen och demonstrationen av relevant teknik vid den tiden. Denna process har resulterat i en översvämning av publikationer och patent, flera prototyper och en mängd berömda världsrekord.
Från en teknisk synvinkel visade sig dock sådana vapen vara för svåra att designa och tillverka. Tekniken och de tekniska medlen passade inte alltid väl in i den förväntade tidsramen, och några inledningsvis lovande lösningar visade sig vara opraktiska eller inte fungerade; fysikens lagar kom ibland i vägen för framsteg.
Trots det behöll marinen tro på grundvetenskap, och den försiktiga fördelningen av FoU -resurser för att minska risken och utveckla nyckel avancerad teknik har nyligen börjat ge utdelning. I själva verket är marinen just nu på väg att sätta in sin första operativa högenergilaser (HEL); Det planeras också att lansera en prototyp av en elektromagnetisk järnvägspistol i havet 2016.
Naval Research Chief Rear Admiral Matthew Klunder beskriver detta högavkastande vapen som "marinstridens framtid" och tillägger att marinen "ligger i framkant i denna unika teknik."
Det är dock värt att erinra om att riktade energivapen som högeffektslasrar och mikrovågor med hög effekt har studerats i över fyra decennier. Till exempel öppnade marinen en avdelning under HEL -programmet redan 1971 och började utveckla, tillverka och testa en militär demonstrationsmodell av en kraftfull (cirka megawatt) HEL på deuteriumfluorid.
Den senaste historien om utvecklingen av riktade energivapen för den amerikanska flottan började verkligen med att programkontoret (PMS 405) i juli 2004 återupprättades för riktade energisystem och elektriska vapen från Naval Systems Command. Detta drag tjänade som en ny drivkraft för vetenskaplig och teknisk utveckling, som avbröts i ungefär ett decennium i en låda märkt "exotisk". Det är inte så att forskning har stoppats, snarare har tekniken inte haft en tydlig väg till framgång.
Under det senaste decenniet har PMS 405 fungerat som ett nav för överföring av elektrisk och riktad energi vapen teknik från laboratorier till flottan. I denna roll samordnade han FoU mellan marina forskningscentra, statliga laboratorier och industri.
Det är också värt att notera här bidraget från ONR (Office of Naval Research) och Naval Surface Warfare Establishment Dahlgren Division (NSWCDD), Naval Surface Warfare Development Center i Dahlgren. ONR har övervakat innovation inom högeffekts laser- och järnvägsteknologi, medan NSWCDD grundades som ett "excellenscentrum" för forskning, utveckling, riktad energisimulering. Inom Directed Energy Research Office flyttar Directed Energy Warfare Office (DEWO) HEL -teknik från vetenskaps- och teknikutrymmet till marinfronten.
Charmen med lasern
I det abstrakta erbjuder vapensystem med en kraftfull HEL -laser många fördelar jämfört med traditionella kanoner och styrd ammunition: leverans av en påverkan med ljusets hastighet och en kort målbestrålningstid; skalbar inverkan (allt från dödlig till icke-dödlig); siktlinje noggrannhet; vägledning med hög precision; supersnabb förvärv av målet; en stor och förnybar tidning fri från risker och logistiska bördor som är förknippade med vanliga sprängämnen.
Men framför allt hade utsikterna till en mycket låg kostnad per skott - enligt ONR: s beräkningar, betydligt mindre än en dollar per skott - en fascinerande effekt på kommandot från US Navy, som letar efter sätt att fortsätta finansieringen.
Samtidigt, trots att de ofta talar om de positiva egenskaperna hos HEL -system, har de komplexa uppgifterna att slutföra laservapen som används på fartyg spökat fysiker och ingenjörer länge. Att fokusera kraften på ett mål är en av de största utmaningarna. Ett laservapen måste kunna fokusera en högenergistråle vid en liten och tydligt definierad siktpunkt på ett mål för att få effekt. Men med tanke på de många typerna av potentiella mål kan den erforderliga mängden energi och räckvidd vid vilket förstörelse garanteras variera betydligt.
Ström är inte det enda problemet. Termisk spridning kan uppstå när en laserstråle som utsänds under en längre tid längs samma siktlinje värmer luften den passerar genom, vilket får strålen att spridas och defokusera. Inriktningen försvåras också av de komplexa och dynamiska egenskaperna hos den omgivande marina miljön.
Därefter måste du överväga olika frågor om integration med plattformen. Skrymmande prototypenheter har en stor formfaktor, och off-the-shelf-system kräver betydande neddragningar för att integreras med mindre plattformar. Integrationen av HEL -vapen i krigsfartyg ställer också nya krav på bärarplattformen när det gäller elproduktion, energidistribution, kylning och värmeavledning.
ONR identifierade Free Electron Laser (FEL) i mitten av 2000-talet som den bästa långsiktiga lösningen för fartygets HEL-vapensystem. Detta beror på att FEL -strålens våglängd kan finjusteras till rådande miljöförhållanden för att uppnå bästa "atmosfäriska permeabilitet".
I detta avseende, under ledning av ONR, lanserades programmet Innovative Naval Prototype (INP) i syfte att utveckla en 100 kW-klass FEL-demonstrator med en driftsvåglängd i intervallet 1,0-2,2 mikron. Boeing och Raytheon tilldelades parallella årliga fas IA -kontrakt i april 2009 för preliminär design, och Boeing valdes att fortsätta fas IB i september 2010, varefter projektet gick vidare till den designkritiska granskningsfasen.
Efter att ha genomfört en kritisk granskning av FEL -kraftverket, satte Boeing sig för att bygga och testa nästa 100 kW FEL -demo, utformad för att fungera vid tre olika våglängder. ONR slopade dock INP 2011 för att kanalisera nuvarande resurser till utvecklingen av en solid state laser (SSL). Arbetet med FEL är för närvarande inriktat på att fortsätta arbetet med att minska riskerna med detta system.
LaWS, betecknat AN / SEQ-3, kommer att distribueras till US Navy Ponce under de närmaste månaderna som ett "snabbt svarande fordon". LaWS -styrenhet kommer att installeras över bron på Ponce -fartyget
Denna omdirigering av resurser är en följd av SSL -teknikens större mognad och utsikterna till snabbare distribution av prisvärda HEL -vapen i US Navy. ONR och PMS 405 kände igen denna utvecklingsväg för nästa tidsperiod tillbaka i mitten av 2000-talet.
Enligt kontreadmiral Klander är SSL -programmet "bland våra högsta prioriterade vetenskapliga och tekniska program." Han tillade att dessa framväxande funktioner är särskilt övertygande eftersom de erbjuder”en prisvärd lösning på det kostsamma problemet att skydda mot asymmetriska hot. Våra motståndare kanske inte ens dyker upp med vetskap om att vi kan rikta en laser mot ett mål för mindre än en dollar per skott.”
Under de senaste sex åren har tyngdpunkten legat på utvecklingen av solid state -teknik, vilket framgår av utvecklingen och demonstrationerna inom detta område. Ett exempel är Maritime Laser Demonstration (MLD). I april 2011 installerade Northrop Grumman en prototyp SSL -laser på ett testfartyg, som slog ut ett litet målfartyg med sin stråle. Peter Morrison, HEL -programchef på ONR, sa att det var "första gången en HEL med sådana effektnivåer har installerats på ett krigsfartyg, drivs av det fartyget och distribuerats vid ett avlägset mål i havet."
MLD -demonstrationen var kulmen på två och ett halvt års design, utveckling, integration och testning. På MLD -projektet, tillsammans med Industry, High Energy Technology Division och Navy Laboratories vid Dahlgren, China Lake, Port Huenem och Point Mugu; detta projekt förkroppsligar också utvecklingen från det allmänna högeffekts solid-state laserprogrammet.
Samtidigt, i mars 2007, började arbetet med ett prototyp laservapensystem Laser Weapon System (LaWS), tänkt som ett tillägg till det befintliga 20 mm korta avståndet Mk 15 Phalanx (CIWS) komplex. LaWS kommer att dra nytta av kommersiell glasfiberlasarteknik för att tillhandahålla en ytterligare vapentyp för att engagera en delmängd av låga "asymmetriska" mål, till exempel små UAV: er och snabba stridsbåtar.
LaWS -programmet hanteras av PMS 405 i samarbete med Integrated Combat Systems Program Execution Office, DEWO Dahlgren och Raytheon Missile Systems (originaltillverkare av Phalanx). Programmet föreställer sig att sätta låg kostnad glasfiberlasarteknik i centrum för ett laservapen som potentiellt kan integreras i en befintlig Phalanx-installation. Detta krav för integrering av lasern med den befintliga installationen bestämmer dess massa upp till 1200-1500 kg. Det skulle också vara önskvärt att denna ytterligare beväpning inte påverkar installationens funktion, azimut och höjdvinklar, maximal överföringshastighet eller acceleration.
Effektgränser
Med tanke på dessa begränsningar har kommersiell fiberlasersteknik på hyllan identifierats som den mest lovande lösningen. Även om denna SSL-teknik har vissa strömbegränsningar (de tas gradvis bort när tekniken förbättras), har användningen av fiberoptiska lasrar gjort det möjligt att sänka kostnaden för inte bara tekniken för vapeninstallationer, utan också modifieringen av system på befintliga installationer.
Efter en första analysperiod, bedömningar av hotdödligheter, kritiska komponentgranskningar och avvägningar slutförde LaWS -teamet designen och implementeringen av prototypsystemet. För att uppnå tillräcklig effekt och följaktligen dödlighet på ett visst avstånd kräver denna typ av teknik användning av en ny strålkombinator, som kan kombinera sex separata 5,4 kW glasfiberlasrar i ledigt utrymme för att få en högre strålningsintensitet på målet.
För att minska kostnaden för detta program samlades mycket utrustning in, som tidigare utvecklats och köpts för andra forskningsuppgifter. Detta inkluderar L-3 Brashear KINETO K433 spårningsstöd, ett 500 mm teleskop och högpresterande infraröda sensorer. Några av komponenterna köptes på hyllan, till exempel fiberlasrarna själva.
I mars 2009 förstörde ett LaWS -system (med en fiberlaser) mortelskal vid White Sands -området. I juni 2009 testades de vid Center for Naval Aviation Combat Systems, under vilken prototypen spårade, fångade och förstörde fem UAV: er som utförde "hotrollen" under flygning.
Nästa serie fullskaliga tester ägde rum på öppet hav i maj 2010, där LaWS-systemet framgångsrikt förstörde fyra UAV-mål i "nära att bekämpa" -scenarier på ett avstånd av ungefär en nautisk mil under fyra försök. Denna händelse kallades signifikant i ONR - den första förstörelsen av mål med en hel cykel från vägledning till ett skott i en ytmiljö.
Men förtroendet för den amerikanska marinen i deras önskan att gå vidare med en accelererad utvecklingsplan gavs av sjöprov på missilförstöraren DDG-51 USS Dewey (DDG 105) i juli 2012. Under tester på förstöraren Dewey träffade LaWS -systemet (tillfälligt installerat på fartygets flygdäck) tre UAV -mål och satte rekord för att fånga mål 12 av 12.
Planer att installera LaWS, betecknad AN / SEQ-3 (XN-1), ombord på USS Ponce som fungerar som en flytande framåtbas (mellanliggande) i Persiska viken, tillkännagavs av befälhavaren för marinoperationer, admiral Jonathan Greenert i april 2013. årets. AN / SEQ-3 distribueras som en "snabb svarskapacitet" som gör det möjligt för den amerikanska marinen att bedöma teknik i operativt utrymme. Experimentet leds av Naval Operations Research Directorate i samarbete med Central Command of the Navy / Fifth Fleet.
Talar du delegater till Surface Fleet Association Symposium i januari 2014? Kontreadmiral Klunder sa att det var "den första operativa utplaceringen av riktade energivapen i världen." Han tillade att den slutliga monteringen av LaWS utfördes på NSWCDD -centret, på Dahlgren -testplatsen, tester av hela systemet slutfördes innan de skickades till Persiska viken för installation på Ponce -fartyget. Offshore -tester är planerade till det tredje kvartalet 2014.
LaWS kommer att installeras på däcket på toppen av Ponce Bridge. "Systemet kommer att integreras fullt ut med fartyget när det gäller kylning, el och kraft," sade Klander. Det kommer också att vara helt integrerat med fartygets stridsystem och Phalanx CIWS kortdistanssystem."
NSWCDD uppgraderade systemet och demonstrerade Phalanx CIWS förmåga att spåra och överföra mål till LaWS -systemet för ytterligare spårning och inriktning. Ombord på Ponce kommer befälhavaren för missil- och artilleri -stridsspetsen att arbeta på LaWS -kontrollpanelen.
Data som samlats in under den marina demonstrationen går till ONR: s SSL TM (SSL Technology Maturation) -program. Huvudmålet med SSL TM -programmet, som lanserades 2012, är att anpassa trösklarna och målen för vetenskaps- och teknikprogrammet med framtida behov av forskning, utveckling och upphandling.
Enligt ONR består SSL TM -programmet av "flera demonstrationshändelser med prototypsystem i ett konkurrenskraftigt utrymme."Tre branschgrupper valdes ut för att utveckla SSL TM -projekt, ledda av Northrop Grumman, BAE Systems och Raytheon; analysen av utkastskonstruktioner beräknas vara klar i slutet av andra kvartalet 2014. ONR beslutar nästa år vilka som är lämpliga för en marin demonstration.
Rälspistol i havet
Tillsammans med lasern betraktar den amerikanska marinen den elektromagnetiska järnvägskanonen som ett annat transformationsvapensystem som möjliggör leverans av ultrahöghastighetsprojektiler på utökade områden med mycket hög noggrannhet. Flottan planerar att få en initial räckvidd på 50-100 nautiska mil, vilket ökar den över tiden till 220 nautiska mil.
Elektromagnetiska kanoner övervinner begränsningarna hos traditionella kanoner (som använder kemiska pyrotekniska föreningar för att påskynda projektilen längs hela pipans längd) och erbjuder utökade räckvidd, korta flygtider och högenergimålsdödlighet. Genom att använda passagen av en mycket högspännings elektrisk ström skapas kraftfulla elektromagnetiska krafter, till exempel teoretiskt kan en marin elektromagnetisk kanon skjuta projektiler med en hastighet av mer än Mach 7. Projektilen kommer mycket snabbt att nå en out-of-atmosfærisk bana (flygning utan aerodynamiskt drag), som åter kommer in i atmosfären för att träffa målet med en hastighet som överstiger 5 Mach-nummer.
Programmet för prototypfartygets elektromagnetiska pistol lanserades av ONR 2005 som huvudkomponenten i vetenskapligt och tekniskt arbete, inom vilket det är nödvändigt att förfina tekniken för järnvägspistoler för att ta ett helt färdigt system i drift med flottan runt 2030-2035.
Under fas 1 -fasen av det innovativa projektet INP låg tyngdpunkten på att utveckla lanseringsteknologi med en lämplig livslängd, utveckla pulserad kraftteknik och minska risken för projektilkomponenter. BAE Systems och General Atomics har levererat prototyper av sina järnvägskanoner till NSWCDD för testning och utvärdering.
Under fas 1 -fasen av marinens elektromagnetiska kanons FoU -program ligger tyngdpunkten på att utveckla en bärraket med tillräcklig livslängd, utveckla tillförlitlig pulserad effekt och minska risken för projektilen. BAE Systems och General Atomics levererar prototypbanor till vapenutvecklingscentrum för test och utvärdering
I fas 1 uppnåddes målet att demonstrera den experimentella inställningen, i december 2010 erhölls en initial energi på 32 MJ; ett lovande vapensystem med denna energinivå kommer att kunna skjuta upp en projektil med en räckvidd på 100 nautiska mil.
BAE Systems fick ett kontrakt på 34,5 miljoner dollar från ONR för att slutföra fas 2 av INP i mitten av 2013 och valdes först och lämnade det rivaliserande General Atomics-teamet bakom sig. I fas 2 -fasen kommer teknologierna att slutföras till en nivå som är tillräcklig för övergången till utvecklingsprogrammet. Start- och pulsförmågan kommer att förbättras, vilket gör det möjligt att övergå från enstaka bilder till flerfotografering. Termisk regleringsteknik kommer också att utvecklas för bärraketen och det pulserade kraftsystemet, som är nödvändiga för långvarig avfyrning. De första prototyperna kommer att levereras under 2014; utvecklingen utförs av BAE Systems i samarbete med IAP Research och SAIC.
I slutet av 2013 tilldelade ONR BAE Systems ett separat kontrakt värt 33,6 miljoner dollar för utveckling och demonstration av Hyper Velocity Projectile (HVP) hypersonisk projektil. HVP beskrivs som nästa generations guidade projektil. Det kommer att vara en modulär projektil med lågt aerodynamiskt motstånd, kompatibel med en elektromagnetisk kanon, samt befintliga 127 mm och 155 mm kanonsystem.
Den inledande fasen av HVP-kontraktet slutfördes i mitten av 2014; deras mål var att utveckla en konceptuell design- och utvecklingsplan för att demonstrera fullt kontrollerad flygning. Utvecklingen kommer att utföras av BAE Systems i samarbete med UTC Aerospace Systems och CAES.
Kostnaden för en HVP -projektil som väger 10,4 kg för en elektromagnetisk kanon uppskattas till cirka 25 000 dollar styck; enligt admiral Klander "kostar projektilen cirka 1/100 av kostnaden för det befintliga missilsystemet."
I april 2014 bekräftade marinen sina planer på att demonstrera järnvägspistolen ombord på sitt höghastighetsfartyg Millinocket 2016.
Enligt kontreadmiral Bryant Fuller, chefsingenjör för NAVSEA Naval Systems Command, kommer denna demonstration till sjöss att inkludera en 20 MJ järnvägspistol (fas 1 INP -val kommer att göras mellan prototyper tillverkade av BAE Systems och General Atomics)..
"På marinvapencentret i Dahlgren har vi skjutit hundratals skal från en kustinstallation", sa han. "Tekniken är tillräckligt mogen på den här nivån, så vi vill ta den till sjöss, lägga den på ett fartyg, genomföra fullvärdiga tester, skjuta ett antal skal och studera den från de erfarenheter som gjorts."
"Eftersom järnvägspistolen inte kommer att integreras med Millinocket -fartyget för demonstrationen 2016, kommer detta fartyg inte att genomgå en utökad modifiering för att tillhandahålla dessa möjligheter," sade kontreadmiral Fuller.
Hela den elektromagnetiska järnvägspistolen består av fem delar: en accelerator, ett energilagrings- och lagringssystem, en pulsformare, en höghastighetsprojektil och ett roterande pistolfäste.
För demonstrationen kommer pistolmonteringen och förstärkaren att installeras på flygdäcket på Millinocket -fartyget, medan magasinet, ammunitionshanteringssystemet och energilagringssystemet som består av flera stora batterier kommer att placeras under däck, troligen i containrar i lasten fack.
Den amerikanska marinen har för avsikt att återvända till havet 2018 med syftet att avfyra utbrott av elektromagnetiska vapen från fartyget. Full integration med fartyget kan genomföras samma 2018.
Som en del av en separat utveckling testade US Navy forskningslaboratorium i början av 2014 en ny järnvägspistol med liten kaliber (en tum i diameter). Det första skottet avlossades den 7 mars 2014. Denna lilla järnvägspistol är utvecklad med stöd från ONR och är ett experimentellt system som använder avancerad batteriteknik för att skjuta flera lanseringar per minut från en mobil plattform.
US Navy planerar att visa hur järnvägspistolen fungerar till sjöss under tester på Millinocket (JHSV 3) 2016.
