Il programma LaWS della Marina degli Stati Uniti ha esplorato la possibilità di utilizzare la tecnologia laser a fibra economica come base per armi laser che potrebbero essere integrate nelle installazioni Phalanx esistenti.
Per la prima volta, la Marina degli Stati Uniti è completamente preparata a dimostrare il funzionamento di armi laser ad alta energia e ha recentemente annunciato piani per il lancio in mare di un prototipo di cannone ferroviario elettromagnetico. Considera i progressi nella prossima generazione di armi a impulsi
Per diversi decenni, la Marina degli Stati Uniti ha parlato solo del dispiegamento di laser, sistemi di energia pulsata e armi elettriche sulle navi. Una serie di vantaggi teorici molto interessanti - negozi quasi illimitati, munizioni economiche e impatto rapido e altro - ha contribuito al significativo investimento della comunità scientifica e tecnologica della difesa nella creazione, nello sviluppo e nella dimostrazione di tecnologie pertinenti all'epoca. Questo processo ha portato a una marea di pubblicazioni e brevetti, diversi prototipi e una serie di illustri record mondiali.
Tuttavia, da un punto di vista tecnico, tali armi si sono rivelate troppo difficili da progettare e produrre. La tecnologia ei mezzi tecnici non sempre si adattavano bene ai tempi previsti e alcune soluzioni inizialmente promettenti si sono rivelate poco pratiche o non funzionanti; le leggi della fisica a volte ostacolavano il progresso.
Anche così, la Marina ha mantenuto fede nella scienza di base e l'allocazione prudente delle risorse di ricerca e sviluppo per mitigare i rischi e sviluppare tecnologie avanzate chiave ha recentemente iniziato a dare i suoi frutti. In effetti, la Marina è attualmente sul punto di dispiegare il suo primo laser ad alta energia (HEL) operativo; è inoltre previsto il lancio in mare di un prototipo di cannone ferroviario elettromagnetico nel 2016.
Il contrammiraglio capo della ricerca navale Matthew Klunder descrive quest'arma ad alto rendimento come "il futuro del combattimento navale", aggiungendo che la Marina "è in prima linea in questa tecnologia unica".
Vale la pena ricordare, tuttavia, che armi a energia diretta come laser ad alta potenza e microonde ad alta potenza sono state studiate per oltre quattro decenni. Ad esempio, la Marina ha aperto un dipartimento nell'ambito del programma HEL nel 1971 e ha iniziato lo sviluppo, la produzione e il collaudo di un modello dimostrativo militare di un potente HEL (circa un megawatt) su fluoruro di deuterio.
La storia recente dello sviluppo di armi a energia diretta per la Marina degli Stati Uniti è iniziata davvero con la ricostituzione nel luglio 2004 dell'ufficio programmi (PMS 405) per i sistemi energetici direzionali e le armi elettriche del Comando dei sistemi navali. Questa mossa è servita come un nuovo impulso per gli sviluppi scientifici e tecnici, che sono stati rimandati per circa un decennio in una scatola etichettata come "esotica". Non è che la ricerca sia stata sospesa, piuttosto la tecnologia non ha avuto un chiaro percorso verso il successo.
Nell'ultimo decennio, il PMS 405 è servito da hub per il trasferimento della tecnologia delle armi elettriche e ad energia diretta dai laboratori alla marina. In questo ruolo, ha coordinato la ricerca e sviluppo tra centri di ricerca navale, laboratori governativi e industria.
Vale anche la pena notare qui il contributo dell'ONR (Office of Naval Research) e della Naval Surface Warfare Establishment Dahlgren Division (NSWCDD), il Naval Surface Warfare Development Center di Dahlgren. L'ONR ha supervisionato l'innovazione nella tecnologia dei laser e dei cannoni ferroviari ad alta potenza, mentre NSWCDD è stata fondata come "centro di eccellenza" per la ricerca, lo sviluppo e la simulazione dell'energia direzionale. All'interno del Directed Energy Research Office, il Directed Energy Warfare Office (DEWO) sta spostando la tecnologia HEL dallo spazio scientifico e tecnologico alla linea del fronte navale.
Il fascino del laser
In astratto, i sistemi d'arma con un potente laser HEL offrono molti vantaggi rispetto ai cannoni tradizionali e alle munizioni guidate: consegna di un impatto alla velocità della luce e un breve tempo di irradiazione del bersaglio; impatto scalabile (da letale a non letale); precisione della linea di mira; guida di alta precisione; riacquisizione super veloce del target; una rivista grande e rinnovabile libera dai rischi e dagli oneri logistici associati agli ordigni esplosivi standard.
Tuttavia, soprattutto, la prospettiva di un costo per colpo molto basso - secondo i calcoli dell'ONR, significativamente inferiore a un dollaro per colpo - ha avuto un effetto ipnotizzante sul comando della Marina degli Stati Uniti, che è alla ricerca di modi per continuare a finanziare.
Allo stesso tempo, nonostante parlino molto spesso delle qualità positive dei sistemi HEL, i complessi compiti di finalizzazione delle armi laser schierate sulle navi hanno perseguitato a lungo fisici e ingegneri. Concentrare il potere su un obiettivo è una delle sfide principali. Un'arma laser deve essere in grado di focalizzare un raggio ad alta energia in un punto di mira piccolo e chiaramente definito su un bersaglio per ottenere l'impatto. Tuttavia, dati i molti tipi di potenziali bersagli, la quantità di energia richiesta e la portata a cui sarà garantita la distruzione possono variare in modo significativo.
La potenza non è l'unico problema. La diffusione termica può verificarsi quando un raggio laser emesso per un lungo periodo di tempo lungo la stessa linea di vista riscalda l'aria che attraversa, causando la dispersione e la sfocatura del raggio. Il targeting è inoltre reso più difficile dalle proprietà complesse e dinamiche dell'ambiente marino circostante.
Successivamente, è necessario considerare vari problemi di integrazione con la piattaforma. I dispositivi prototipo ingombranti hanno un fattore di forma ampio e i sistemi standard richiedono un ridimensionamento significativo per integrarsi con piattaforme più piccole. L'integrazione delle armi HEL nelle navi da guerra impone anche nuovi requisiti alla piattaforma del vettore in termini di generazione di energia, distribuzione dell'energia, raffreddamento e dissipazione del calore.
L'ONR ha identificato il laser a elettroni liberi (FEL) a metà degli anni 2000 come la migliore soluzione a lungo termine per il sistema d'arma HEL della nave. Questo perché la lunghezza d'onda del fascio FEL può essere finemente sintonizzata alle condizioni ambientali prevalenti al fine di ottenere la migliore "permeabilità atmosferica".
A questo proposito, sotto la guida di ONR, è stato lanciato il programma Innovative Naval Prototype (INP) con l'obiettivo di sviluppare un dimostratore FEL di classe 100 kW con una lunghezza d'onda operativa nell'intervallo 1,0-2,2 micron. Boeing e Raytheon hanno ricevuto contratti paralleli annuali di Fase IA nell'aprile 2009 per la progettazione preliminare e Boeing è stata selezionata per continuare la Fase IB nel settembre 2010, dopo di che il progetto è stato portato alla fase di revisione critica del progetto.
Dopo aver completato una revisione critica della centrale elettrica FEL, Boeing ha deciso di costruire e testare la prossima demo FEL da 100 kW, progettata per funzionare a tre diverse lunghezze d'onda. Tuttavia, l'ONR ha eliminato l'INP nel 2011 per incanalare le risorse attuali nello sviluppo di un laser a stato solido (SSL). Il lavoro su FEL è attualmente incentrato sul proseguimento del lavoro per ridurre i rischi associati a questo sistema.
Il LaWS, designato AN/SEQ-3, sarà impiegato nel Ponce della Marina degli Stati Uniti nei prossimi mesi come "veicolo di risposta rapida". Il dispositivo di guida LaWS sarà installato sul ponte della nave Ponce
Questo reindirizzamento delle risorse è una conseguenza della maggiore maturità della tecnologia SSL e della prospettiva di un dispiegamento accelerato di armi HEL a prezzi accessibili nella Marina degli Stati Uniti. ONR e PMS 405 hanno riconosciuto questo percorso di sviluppo per il prossimo periodo di tempo a metà degli anni 2000.
Secondo il contrammiraglio Klander, il programma SSL "è tra i nostri programmi scientifici e tecnologici di massima priorità". Ha aggiunto che queste capacità emergenti sono particolarmente interessanti perché offrono “una soluzione conveniente al costoso problema della protezione contro le minacce asimmetriche. I nostri avversari potrebbero anche non presentarsi sapendo che possiamo puntare un laser su un bersaglio per meno di un dollaro a colpo".
Negli ultimi sei anni, l'accento è stato posto sullo sviluppo della tecnologia allo stato solido, come evidenziato dagli sviluppi e dalle dimostrazioni in questo settore. Un esempio è la dimostrazione del laser marittimo (MLD). Nell'aprile 2011, Northrop Grumman ha installato un prototipo di laser SSL su una nave di prova, che ha messo fuori uso una piccola nave bersaglio con il suo raggio. Peter Morrison, responsabile del programma HEL presso l'ONR, ha affermato che è stata "la prima volta che un HEL con tali livelli di potenza è stato installato su una nave da guerra, alimentato da quella nave e dispiegato su un bersaglio remoto in mare".
La dimostrazione MLD è stata il culmine di due anni e mezzo di progettazione, sviluppo, integrazione e test. Sul progetto MLD, insieme a Industry, High Energy Technology Division e Navy Laboratories a Dahlgren, China Lake, Port Huenem e Point Mugu; questo progetto incorpora anche sviluppi presi dal programma generale laser a stato solido ad alta potenza.
Nel frattempo, nel marzo 2007, sono iniziati i lavori su un prototipo di sistema d'arma laser Laser Weapon System (LaWS), concepito come un'aggiunta al complesso esistente Mk 15 Phalanx (CIWS) a corto raggio da 20 mm. LaWS sfrutterà la tecnologia laser commerciale in fibra di vetro per fornire un tipo di arma aggiuntivo per ingaggiare un sottoinsieme di bersagli "asimmetrici" a basso costo, come piccoli UAV e barche da combattimento veloci.
Il programma LaWS è gestito da PMS 405 in collaborazione con l'Integrated Combat Systems Program Execution Office, DEWO Dahlgren e Raytheon Missile Systems (produttore originale di Phalanx). Il programma prevede di mettere la tecnologia laser in fibra di vetro a basso costo al centro di un'arma laser che potrebbe essere potenzialmente integrata in un'installazione Phalanx esistente. Questo requisito per l'integrazione del laser con l'impianto esistente ne determina la massa fino a 1200-1500 kg. Sarebbe anche auspicabile che questo armamento aggiuntivo non influisca sul funzionamento dell'impianto, sugli angoli di azimut ed elevazione, sulla velocità o accelerazione massima di trasferimento.
Limiti di potenza
Date queste limitazioni, la tecnologia laser a fibra commerciale standard è stata identificata come la soluzione più promettente. Sebbene questa tecnologia SSL abbia alcune limitazioni di potenza (vengono gradualmente rimosse man mano che la tecnologia migliora), l'uso di laser in fibra ottica ha permesso di ridurre il costo non solo della tecnologia delle installazioni di armi, ma anche della modifica del sistema su impianti esistenti.
Dopo un periodo iniziale di analisi, valutazioni sulla mortalità delle minacce, revisioni dei componenti critici e compromessi, il team di LaWS ha completato la progettazione e l'implementazione del sistema prototipo. Per ottenere una potenza sufficiente e, di conseguenza, letalità a una certa distanza, questo tipo di tecnologia richiede l'uso di un nuovo combinatore di fasci, che potrebbe combinare sei laser in fibra di vetro separati da 5,4 kW nello spazio libero in modo da ottenere una maggiore intensità di radiazione sul bersaglio.
Al fine di ridurre il costo di questo programma, sono state raccolte molte attrezzature, sviluppate in precedenza e acquistate per altri compiti di ricerca. Ciò include il supporto di tracciamento L-3 Brashear KINETO K433, un telescopio da 500 mm e sensori a infrarossi ad alte prestazioni. Alcuni dei componenti sono stati acquistati immediatamente, come gli stessi laser a fibra.
Nel marzo 2009, un sistema LaWS (con un laser a fibra) ha distrutto i gusci di mortaio presso la gamma White Sands. Nel giugno 2009, sono stati testati presso il Center for Naval Aviation Combat Systems, durante il quale il prototipo ha rintracciato, catturato e distrutto cinque UAV che svolgevano il "ruolo di minaccia" in volo.
La successiva serie di test su vasta scala si è svolta in mare aperto nel maggio 2010, dove il sistema LaWS ha distrutto con successo quattro bersagli UAV in scenari "vicino al combattimento" a una distanza di circa un miglio nautico in quattro tentativi. Questo evento è stato definito significativo in ONR: la prima distruzione di bersagli con un ciclo completo dalla guida allo sparo in un ambiente di superficie.
Tuttavia, la fiducia nella Marina degli Stati Uniti nel loro desiderio di andare avanti su un piano di sviluppo accelerato è stata data dai test in mare sul cacciatorpediniere missilistico DDG-51 USS Dewey (DDG 105) nel luglio 2012. Durante i test sul cacciatorpediniere Dewey, il sistema LaWS (temporaneamente installato sul ponte di volo della nave) ha colpito con successo tre bersagli UAV, stabilendo il record per la cattura di bersagli 12 su 12.
I piani per installare LaWS, designato AN / SEQ-3 (XN-1), a bordo della USS Ponce che funge da base di avanzamento galleggiante (intermedia) nel Golfo Persico, sono stati annunciati dal comandante delle operazioni navali, l'ammiraglio Jonathan Greenert nell'aprile 2013. dell'anno. AN/SEQ-3 viene utilizzato come "capacità di risposta rapida" che consentirà alla Marina degli Stati Uniti di valutare la tecnologia nello spazio operativo. L'esperimento è condotto dalla Direzione di ricerca per le operazioni navali in collaborazione con il Comando centrale della Marina / Quinta flotta.
Rivolgersi ai delegati al simposio della Surface Fleet Association nel gennaio 2014? Il contrammiraglio Klunder ha affermato che è stato "il primo dispiegamento operativo di armi a energia diretta nel mondo". Ha aggiunto che l'assemblaggio finale del LaWS è stato effettuato presso il centro NSWCDD, presso il sito di test di Dahlgren, i test del sistema completo sono stati completati prima di essere inviato nel Golfo Persico per l'installazione sulla nave Ponce. I test offshore sono previsti per il terzo trimestre del 2014.
Le LaWS saranno installate sul ponte in cima al Ponce Bridge. "Il sistema sarà completamente integrato con la nave in termini di raffreddamento, elettricità e potenza", ha affermato Klander. Sarà inoltre completamente integrato con il sistema di combattimento della nave e il sistema a corto raggio Phalanx CIWS".
NSWCDD ha aggiornato il sistema e ha dimostrato la capacità di Phalanx CIWS di tracciare e trasmettere bersagli al sistema LaWS per ulteriori tracciamenti e bersagli. A bordo del Ponce, il comandante della testata missilistica e dell'artiglieria lavorerà sul pannello di controllo LaWS.
I dati raccolti durante la dimostrazione marittima andranno al programma SSL TM (SSL Technology Maturation) dell'ONR. L'obiettivo principale del programma SSL TM, lanciato nel 2012, è allineare le soglie e gli obiettivi del programma scientifico e tecnologico con le future esigenze di ricerca, sviluppo e approvvigionamento.
Secondo l'ONR, il programma SSL TM consiste in "diversi eventi dimostrativi con sistemi prototipali in uno spazio competitivo". Tre gruppi industriali sono stati selezionati per sviluppare progetti SSL TM, guidati da Northrop Grumman, BAE Systems e Raytheon; il completamento dell'analisi delle bozze di progetto è previsto entro la fine del secondo trimestre 2014. L'ONR deciderà il prossimo anno quali sono adatti per una dimostrazione marina.
Cannone ferroviario in mare
Insieme al laser, la Marina degli Stati Uniti sta considerando il cannone ferroviario elettromagnetico come un altro sistema d'arma trasformativo che consente il lancio di proiettili ad altissima velocità a distanze estese con una precisione molto elevata. La flotta prevede di ottenere un'autonomia iniziale di 50-100 miglia nautiche, aumentandola nel tempo a 220 miglia nautiche.
I cannoni elettromagnetici superano i limiti dei cannoni tradizionali (che utilizzano composti chimici pirotecnici per accelerare il proiettile lungo l'intera lunghezza della canna) e offrono gittate estese, tempi di volo brevi e letalità del bersaglio ad alta energia. Utilizzando il passaggio di una corrente elettrica ad altissima tensione, si creano potenti forze elettromagnetiche, ad esempio, in teoria, un cannone elettromagnetico marino potrebbe sparare proiettili a una velocità superiore a Mach 7. Il proiettile raggiungerà molto rapidamente una traiettoria fuori dall'atmosfera (volo senza resistenza aerodinamica), rientrando nell'atmosfera per colpire il bersaglio a una velocità superiore a 5 Mach.
Il programma per il cannone elettromagnetico della nave prototipo è stato lanciato dall'ONR nel 2005 come componente principale del lavoro scientifico e tecnologico, nell'ambito del quale è necessario perfezionare la tecnologia dei cannoni ferroviari in modo da mettere in servizio un sistema completamente finito con la flotta intorno al 2030-2035.
Durante la fase 1 del progetto innovativo INP, l'accento è stato posto sullo sviluppo di una tecnologia di lancio con una durata di vita adeguata, sullo sviluppo della tecnologia a energia pulsata e sulla riduzione del rischio per i componenti del proiettile. BAE Systems e General Atomics hanno consegnato i prototipi dei loro cannoni ferroviari a NSWCDD per i test e la valutazione.
Durante la fase 1 del programma di ricerca e sviluppo dei cannoni elettromagnetici della Marina, l'accento è posto sullo sviluppo di un lanciatore con una durata di vita sufficiente, sullo sviluppo di una potenza pulsata affidabile e sulla riduzione del rischio per il proiettile. BAE Systems e General Atomics consegnano prototipi di cannoni ferroviari al centro di sviluppo di armi per test e valutazione
Nella Fase 1 è stato raggiunto l'obiettivo di dimostrare il setup sperimentale, nel dicembre 2010 è stata ottenuta un'energia iniziale di 32 MJ; un sistema d'arma promettente con questo livello di energia sarà in grado di lanciare un proiettile a una distanza di 100 miglia nautiche.
BAE Systems ha ricevuto un contratto da 34,5 milioni di dollari dall'ONR per completare la Fase 2 dell'INP a metà del 2013, ed è stata selezionata per prima, lasciando indietro il team rivale della General Atomics. Nella fase 2, le tecnologie saranno finalizzate a un livello sufficiente per la transizione al programma di sviluppo. Il lanciatore e la potenza dell'impulso saranno migliorati, consentendo il passaggio da colpi singoli a capacità multi-colpo. Saranno inoltre sviluppate tecniche di termoregolazione per il lanciatore e il sistema di alimentazione pulsata, necessarie per lo sparo prolungato. I primi prototipi verranno consegnati nel corso del 2014; lo sviluppo è svolto da BAE Systems in collaborazione con IAP Research e SAIC.
Alla fine del 2013, l'ONR ha assegnato a BAE Systems un contratto separato del valore di 33,6 milioni di dollari per lo sviluppo e la dimostrazione del proiettile ipersonico Hyper Velocity Projectile (HVP). L'HVP è descritto come il proiettile guidato di nuova generazione. Sarà un proiettile modulare con bassa resistenza aerodinamica, compatibile con un cannone elettromagnetico, così come i sistemi di cannoni esistenti da 127 mm e 155 mm.
La fase iniziale del contratto HVP è stata completata a metà 2014; il loro obiettivo era sviluppare un progetto concettuale e un piano di sviluppo per dimostrare il volo completamente controllato. Lo sviluppo sarà effettuato da BAE Systems in collaborazione con UTC Aerospace Systems e CAES.
Il costo di un proiettile HVP del peso di 10,4 kg per un cannone elettromagnetico è stimato in circa $ 25.000 ciascuno; secondo l'ammiraglio Klander, "il proiettile costa circa 1/100 del costo del sistema missilistico esistente".
Nell'aprile 2014, la Marina ha confermato i suoi piani per dimostrare il cannone ferroviario a bordo della sua nave ad alta velocità Millinocket nel 2016.
Secondo il contrammiraglio Bryant Fuller, ingegnere capo del NAVSEA Naval Systems Command, questa dimostrazione in mare includerà un cannone ferroviario da 20 MJ (la selezione INP di fase 1 sarà effettuata tra i prototipi prodotti da BAE Systems e General Atomics) che spareranno colpi singoli.
"Al centro di armi navali di superficie a Dahlgren, abbiamo sparato centinaia di proiettili da un'installazione costiera", ha affermato. "La tecnologia è abbastanza matura a questo livello, quindi vogliamo portarla in mare, metterla su una nave, condurre test a tutti gli effetti, sparare un certo numero di proiettili e studiarla dall'esperienza acquisita".
"Dal momento che il cannone ferroviario non sarà integrato con la nave Millinocket per la dimostrazione del 2016, questa nave non subirà una modifica estesa per fornire queste capacità", ha affermato il contrammiraglio Fuller.
L'intero cannone a rotaia elettromagnetica è costituito da cinque parti: un acceleratore, un sistema di immagazzinamento e immagazzinamento dell'energia, un formatore di impulsi, un proiettile ad alta velocità e un supporto per pistola rotante.
Per la dimostrazione, il supporto per il cannone e il booster saranno installati sul ponte di volo della nave Millinocket, mentre il caricatore, il sistema di gestione delle munizioni e il sistema di accumulo dell'energia costituito da diverse grandi batterie saranno posizionati sottocoperta, molto probabilmente in container nel carico scomparti.
La US Navy intende tornare in mare nel 2018 con l'obiettivo di sparare raffiche di cannoni elettromagnetici dalla nave. La piena integrazione con la nave potrà essere effettuata nello stesso 2018.
Come parte di uno sviluppo separato, il laboratorio di ricerca della US Navy all'inizio del 2014 ha testato un nuovo cannone ferroviario di piccolo calibro (un pollice di diametro). Il primo colpo è stato sparato il 7 marzo 2014. Sviluppato con il supporto di ONR, questo piccolo cannone ferroviario è un sistema sperimentale che utilizza la tecnologia avanzata della batteria per sparare più lanci al minuto da una piattaforma mobile.
La US Navy prevede di mostrare il funzionamento del cannone ferroviario in mare durante i test sul Millinocket (JHSV 3) nel 2016.
