Il laser da 20 kW di Rheinmetall su Boxer 8x8 presentato al DSEI 2015
Il progresso tecnologico ha ora raggiunto una pietra miliare quando i sistemi d'arma laser montati sui veicoli sono diventati una realtà. Diamo un'occhiata a come si stanno evolvendo questi sistemi di potenziamento del combattimento
Le armi montate su veicoli sono uno strumento di potenziamento del combattimento a basso costo utilizzato sia dagli eserciti regolari che dalle formazioni "asimmetriche" irregolari coinvolte in quasi tutti i conflitti del mondo.
Fino a poco tempo fa, le opzioni per l'installazione di armi sui veicoli da combattimento erano limitate a mitragliatrici e sistemi di artiglieria di varie forme. Tuttavia, la situazione qui iniziò a cambiare con l'avvento di sistemi laser o sistemi energetici diretti con potenza sufficiente per bruciare piccoli velivoli e munizioni in aria.
Il posizionamento di ingombranti accumulatori di energia per tali sistemi è sempre stato un problema serio, ma i recenti sviluppi hanno contribuito alla riduzione dei laser a una dimensione che ne consente l'installazione anche in una grande jeep.
Rivoluzione tecnologica
Gli anni '90 hanno visto una rivoluzione tecnologica nelle comunicazioni in fibra ottica, accelerando lo sviluppo di laser a stato solido ad alta potenza, che un decennio dopo hanno trovato applicazioni nella lavorazione industriale come il marchio, il taglio, la saldatura e la fusione.
Questi laser erano estremamente efficaci a distanza ravvicinata, ma era questione di tempo perché l'industria trovasse un modo per scalare questa tecnologia e creare armi futuristiche in grado di tagliare e fondere bersagli a una distanza di diverse centinaia o addirittura migliaia di metri.
Il gigante della difesa americano Lockheed Martin ha fatto proprio questo. Basandosi sulla nuova tecnologia per la produzione di semiconduttori, celle solari e saldatura automobilistica, l'azienda ha sviluppato una macchina laser militare che è centinaia di volte più potente dei suoi predecessori commerciali.
Robert Afzal, ricercatore senior di questa azienda, afferma: “Oggi sta avvenendo una vera rivoluzione in questo settore, preparata da molti anni di gigantesco lavoro di ricercatori. E crediamo che la tecnologia laser sia finalmente pronta, nel senso che ora siamo in grado di creare un laser abbastanza potente e abbastanza piccolo da adattarsi ai veicoli tattici.
“I laser precedenti erano semplicemente troppo grandi: erano intere stazioni. Ma con l'avvento della tecnologia laser in fibra ad alta efficienza con un raggio di alta qualità, abbiamo finalmente l'ultimo pezzo del puzzle che si adatta a queste macchine.
L'industria civile utilizzava laser dell'ordine di diversi kilowatt, ma Afzal ha osservato che i laser militari dovrebbero avere una potenza di 10-100 kW.
"Abbiamo sviluppato una tecnologia che ci consente di scalare la potenza dei laser in fibra, non solo costruendo un laser in fibra più grande, ma combinando diversi moduli di classe kilowatt per ottenere la potenza richiesta dai militari".
Ha affermato che il laser si basa sulla combinazione di raggi, un processo che combina più moduli laser per formare un raggio ad alta potenza e alta qualità che offre maggiore efficienza e letalità rispetto a pochi singoli laser da 10 kW.
Fascio collimato bianco
Descrivendo il processo di far passare un raggio di luce attraverso un prisma, rifrangendolo in molti flussi colorati, ha spiegato: "Se hai diversi raggi laser, ciascuno con un colore leggermente diverso, che entrano in questo prisma esattamente ad angolo retto, usciranno tutti di questo prisma sovrapposto e formerà un cosiddetto fascio collimato bianco."
“Questo è essenzialmente ciò che stiamo facendo, ma invece di un prisma, usiamo un altro elemento ottico chiamato reticolo di diffrazione, che svolge la stessa funzione. Cioè, costruiamo moduli laser ad alta potenza, ciascuno a una lunghezza d'onda leggermente diversa, quindi li combiniamo, riflettendo dal reticolo di diffrazione, e in uscita otteniamo un raggio laser ad alta potenza.
Afzal ha affermato che in effetti tale soluzione è una tecnologia di multiplexing a divisione di lunghezza d'onda del settore delle telecomunicazioni, combinata con laser in fibra ad alta potenza dalla produzione industriale.
"Il laser in fibra è il laser più efficiente e potente mai sviluppato", ha affermato. - Cioè, stiamo parlando di un'efficienza elettrica completa superiore al 30%, che non si sognava nemmeno 10-15 anni fa, quando avevamo un'efficienza del 15-18%. Questo ha molto a che fare con l'alimentazione e il raffreddamento, quindi questi sistemi potrebbero ora diventare più piccoli. Il laser ora viene ridimensionato non costruendo un laser di grandi dimensioni, ma aggiungendo nuovi moduli".
L'esercito degli Stati Uniti ha recentemente reclutato Lockheed Martin per creare un sistema di armi laser ad alta potenza basato sulla sua installazione ATHENA (Advanced Test High Energy Asset), che può essere montato su uno dei veicoli tattici leggeri dell'azienda.
Durante i test dello scorso anno, un prototipo di laser in fibra da 30 kW ha messo fuori uso con successo il motore di un piccolo camioncino, bruciando la griglia in pochi secondi da un miglio di distanza. Al fine di simulare le reali condizioni operative durante il test, il pickup è stato installato sulla piattaforma con il motore acceso e la marcia inserita.
Nuova generazione
Nell'ottobre 2015, Lockheed ha annunciato di aver avviato la produzione di una nuova generazione di laser modulari ad alta potenza, il primo dei quali con una capacità di 60 kW sarà installato su un veicolo tattico dell'esercito americano.
Afzal ha affermato che l'esercito vuole schierare un laser montato su un veicolo per missioni antiaeree, missili di contrasto, proiettili di artiglieria e munizioni per mortai e UAV. "Stiamo guardando al livello tattico della difesa piuttosto che alla difesa missilistica in senso strategico".
Secondo Lockheed, la soluzione modulare consente di regolare la potenza in base alle esigenze di un compito e di una minaccia specifici. L'esercito ha la possibilità di aggiungere più moduli e aumentare la potenza da 60 kW a 120 kW.
Afzal ha continuato: “L'architettura si adatta alle tue esigenze: vuoi 30 kW, 50 kW o 100 kW? È come i moduli server in un rack di server. Riteniamo che questa sia un'architettura flessibile, più adatta per la produzione su vasta scala. Ti permette di avere un modulo che puoi ricreare più e più volte, che ti permette di personalizzare il sistema a tuo piacimento."
“Il sistema si adatta a qualsiasi veicolo tu voglia utilizzare oggi, ed è per questo che questa tecnologia è così impressionante perché consentirà alla flessibilità dell'architettura di adattarsi a diversi veicoli senza modificare molto ciò che decidi di avere. Ciò consente di ottenere un sistema per fornire supporto sia a una brigata da combattimento che a una base operativa avanzata, ad esempio».
Il sistema utilizza laser in fibra commerciali assemblati in moduli altamente riproducibili, il che lo rende altamente conveniente. L'uso di più moduli laser a fibra riduce anche la probabilità di piccoli malfunzionamenti, nonché i costi e la portata della manutenzione e della riparazione.
Quando è stato chiesto quando un laser da combattimento installato su un veicolo tattico potrebbe apparire sul campo di battaglia, Afzal ha suggerito un lasso di tempo approssimativo: "Abbiamo in programma di consegnare il nostro laser alla fine del 2016. Dopodiché l'esercito farà il suo lavoro ancora per un po', poi si vedrà".
L'attrazione del laser
Ci sono diverse caratteristiche delle armi tattiche a energia diretta che le rendono molto attraenti per le moderne forze militari, incluso il basso costo delle "munizioni" e la loro velocità, precisione e facilità d'uso.
"Prima di tutto, queste sono armi molto accurate con danni collaterali potenzialmente molto bassi, il che è importante", ha aggiunto Afzal. "La velocità della luce ti consente di irradiare istantaneamente un bersaglio, e quindi puoi colpire bersagli altamente manovrabili, cioè puoi mantenere il raggio su un bersaglio che le munizioni cinetiche a volte non possono gestire."
Forse il vantaggio più importante è il basso costo di un efficace "colpo".
"A questo punto, non vuoi spendere costose e potenti armi cinetiche difensive per minacce multiple a basso costo", ha continuato Afzal. - Consideriamo le armi laser come un'aggiunta ai sistemi cinetici. Partiamo dal presupposto che utilizzerai il sistema laser contro un gran numero di minacce a bassa intensità a bassa intensità, lasciando il tuo caricatore cinetico per le minacce complesse, corazzate e a lungo raggio d'attacco.
Afzal suggerisce che l'arma laser può essere schierata nello spazio di combattimento nella rete di sensori di controllo operativo, che fornirà la designazione iniziale del bersaglio.
“Prima di tutto, un determinato sistema deve informare sulla comparsa di una minaccia, quindi l'operatore del comando e controllo decide quale contromisura utilizzare, determina il bersaglio, lancia un laser su di esso e blocca il bersaglio secondo i dati radar, dopodiché l'operatore, vedendo il bersaglio sul monitor, decide di portare se il laser è in azione”.
“Molti problemi si sono accumulati in quest'area, dal momento che i militari di tutto il mondo hanno già fantasticato sulle armi laser per se stessi decenni fa, e la domanda è perché non li abbiamo oggi. Penso che il motivo principale sia che non avevamo la tecnologia per creare un componente dell'arma laser che fosse abbastanza piccolo e abbastanza potente da essere posizionato su veicoli tattici.
Fasi finali
Nel frattempo, Boeing ha anche trascorso diversi anni a lavorare su un dimostratore mobile laser ad alta energia (HEL MD) per l'esercito degli Stati Uniti, che è attualmente nelle fasi finali di sviluppo. Montato sul telaio di un camion, un laser dirige un raggio ad alta potenza verso le minacce che l'esercito potrebbe affrontare, agendo come un sistema di intercettazione per missili non guidati, proiettili di artiglieria, mine e UAV. Questo sistema ha finora raggiunto una tale precisione da poter distruggere i sensori sui droni, come è stato dimostrato durante la dimostrazione di un laser da 10 kW al White Sands Proving Ground nel 2013 e di nuovo all'Eglin AFB nel 2014.
Secondo le specifiche militari, il sistema completo HEL MD sarà composto da un laser ad alta potenza efficiente e da sottosistemi per impieghi gravosi da installare su un veicolo militare. Il sistema sarà in grado di svolgere, insieme ad altri mezzi di distruzione, la protezione di determinate zone, siano esse basi avanzate, strutture navali, basi aeree e altre strutture.
Boeing sta sviluppando diversi sistemi da integrare in un prototipo finale che verrà installato su un Heavy Expanded Mobility Tactical Truck (HEMTT) modificato.
Questi sottosistemi includono un laser; controllo del raggio; Alimentazione elettrica; sistema di controllo dello scambio termico e sistema di controllo della battaglia.
Il comando di difesa spaziale dell'esercito americano sta sviluppando l'HEL MD in più fasi. Il sistema laser, di alimentazione e di scambio termico sarà migliorato nei prossimi anni con l'obiettivo di aumentare la potenza e lo sviluppo tecnologico dei sottosistemi.
Con il miglioramento della tecnologia, la natura modulare dei componenti consentirà l'introduzione di laser più potenti, integrati con capacità di puntamento e tracciamento migliorate.
Ciclo completo
Secondo Boeing, la guida del raggio HEL MD fornisce una copertura "tutto il cielo" poiché ruota di 360 ° ed è sollevata sopra il tetto del veicolo per catturare bersagli oltre l'orizzonte. La distruzione continua degli obiettivi è semplificata dallo scambio di calore e dai sistemi di alimentazione.
L'intero sistema funziona a gasolio; cioè, tutto ciò che serve per ricostituire le "munizioni" dell'arma è un rapido rifornimento. Le batterie agli ioni di litio del sistema HEL MD sono ricaricate da un generatore diesel da 60 kW, quindi, finché l'esercito ha carburante, può funzionare indefinitamente.
Il sistema è controllato dall'automobilista e dall'operatore dell'impianto tramite un laptop e un set-top box di tipo Xbox. L'attuale modello dimostrativo utilizza un laser di classe 10 kW. Tuttavia, nel prossimo futuro il laser sarà installato nella classe da 50 kW e in altri due anni la sua potenza aumenterà a 100 kW.
Boeing ha precedentemente sviluppato un'installazione laser più piccola per l'esercito americano e l'ha installata sull'auto blindata AN / TWQ-1 Avenger, soprannominata Boeing Laser Avenger. Un laser a stato solido da 1 kW viene utilizzato per combattere gli UAV e neutralizzare gli ordigni esplosivi improvvisati (IED). Il sistema funziona così: si punta su un IED o ordigno inesploso a lato della strada con un graduale aumento della potenza del raggio laser fino a quando l'esplosivo non si esaurisce nel processo di detonazione a bassa potenza. Durante i test del 2009, il sistema Laser Avenger ha distrutto con successo 50 di questi dispositivi, simili a quelli incontrati in Iraq e in Afghanistan. Inoltre, è stata effettuata un'altra dimostrazione del funzionamento di questo sistema, durante la quale ha distrutto diversi piccoli droni.
Boeing Laser Avenger
Piano triennale
Secondo la società di difesa tedesca Rheinmetall, tra tre anni offrirà sul mercato il proprio High Energy Laser (HEL) ad alta potenza, installato sul veicolo.
Dopo una serie di test effettuati in Svizzera nel 2013, l'azienda ha lavorato all'espansione delle capacità software dei moduli beamforming e della tecnologia del laser stesso, dopodiché ha previsto che il suo sistema laser per il combattimento di bersagli terrestri, nonché per la difesa aerea potrebbe essere già pronta nel 2018.
Sono state selezionate tre macchine per operare come piattaforme HEL mobili. Insieme al veicolo blindato Boxer, il veicolo corazzato M113 modificato con un laser da 1 kW (Mobile HEL Effector Track V) e il camion Tatra 8x8 con due laser da 10 kW (Mobile HEL Effector Wheel XX) hanno dimostrato le loro caratteristiche.
Tutte e tre le piattaforme laser
Il laser da 20 kW installato sul veicolo blindato GTK Boxer si distingue per il modulo esecutivo HEL, il cui vantaggio risiede nel principio di progettazione modulare. Rheinmetall afferma che il Boxer non ha ancora avuto un laser con una potenza superiore a 20 kW, sebbene la combinazione di più laser utilizzando la tecnologia di allineamento del raggio potrebbe aumentare la sua potenza totale. Inoltre, più unità Boxer HEL possono essere combinate per creare un sistema con una potenza effettiva di oltre 100 kW.
Durante i test demo condotti nel 2013, l'equipaggio del veicolo Boxer ha confermato le capacità dell'installazione laser HEL, disabilitando la mitragliatrice pesante installata sul camioncino senza mettere in pericolo il mitragliere stesso (foto sotto). Inoltre, lavorando in tandem con la stazione radar Skyguard, l'installazione su un camion Tatra Mobile Effector Wheel XX ha dimostrato tutte le fasi di neutralizzazione di un UAV di tipo elicottero.
La neutralizzazione degli eliporti è stata effettuata utilizzando il radar SkyGuard, che ha rilevato e identificato l'obiettivo. Inoltre, l'installazione di HEL Boxer ha ricevuto dati da lui, ha eseguito un tracciamento approssimativo e accurato e quindi ha catturato l'obiettivo per la distruzione.
Il sistema laser HEL MD di Boeing è sotto contratto con lo United States Rocket and Space Defense Command
Ricerca marina
L'Amministrazione per la ricerca e lo sviluppo (ONR) della Marina degli Stati Uniti sta testando il proprio laser da combattimento a stato solido montato su un veicolo, designato GBAD OTM (Global-Based Air Defense Directed Energy On-the-Move). In effetti, il sistema è un laser ad alta potenza montato su un veicolo tattico e progettato per proteggere le forze di spedizione dagli UAV nemici.
Data la crescente proliferazione di sistemi aerei senza equipaggio, il Corpo dei Marines degli Stati Uniti suggerisce che le unità da combattimento saranno sempre più costrette a difendersi dagli avversari che conducono la sorveglianza e la ricognizione dall'alto.
Il sistema GBAD OTM è progettato per l'installazione su veicoli tattici leggeri come HMMWV e JLTV (Joint Light Tactical Vehicle). Secondo l'ONR, il programma GBAD OTM mira a creare un'alternativa ai sistemi tradizionali in grado di mantenere i marines dalle ricognizioni nemiche e dai droni d'attacco. I componenti del sistema GBAD OTM, tra cui il laser, il dispositivo di puntamento del raggio, le batterie, il radar, il sistema di raffreddamento e di controllo, sono sviluppati congiuntamente dall'ONR, dal Dahlgren Surface Weapons Development Center della Marina e da diverse imprese industriali.
L'obiettivo del programma è combinare tutti questi componenti in un unico complesso, che sarà abbastanza piccolo da essere installato su veicoli corazzati tattici leggeri, ma abbastanza potente da affrontare le minacce previste.
Ampia applicazione
Durante la conferenza Sea-Air-Space 2015 a Washington, il capo dei programmi per la protezione delle truppe dell'ONR, Lee Mastroiani, in una conversazione con i giornalisti, ha spiegato che i laser possono distruggere efficacemente le minacce nell'intero spettro della difesa aerea, incluso missili, proiettili di artiglieria, munizioni da mortaio, UAV, mezzi di trasporto e IED. "Tuttavia, prima di tutto, il sistema GBAD è progettato per combattere gli UAV di piccole dimensioni che rappresentano una minaccia per le nostre unità di combattimento".
“Il sistema GBAD OTM è costituito da tre componenti principali: una stazione di tracciamento radar a 3 assi che identifica una minaccia; un'unità di comando e controllo che individua e decide come neutralizzare la minaccia in caso di utilizzo di missili o armi di artiglieria; e la piattaforma vera e propria con un laser."
Mastroiani ha osservato che nel caso del programma GBAD, l'accento è posto sullo sviluppo di un laser ad alta potenza per la distruzione di UAV installati su un veicolo da combattimento leggero.
"C'è un argomento significativo a favore di una tale decisione, ovvero che tali minacce sono a basso costo, ovvero l'uso di missili costosi in questo caso non si adatta alla nostra visione del problema. Pertanto, utilizzando un laser che costa un centesimo per impulso, puoi combattere in sicurezza le minacce economiche con un sistema di armi economico. In generale, l'essenza del programma è combattere tali obiettivi anche in movimento per supportare le operazioni di combattimento del Corpo dei Marines".
Secondo Mastroiani, l'ONR ha utilizzato diversi componenti dell'installazione dimostrativa LaWS (Laser Weapon System) che la Marina degli Stati Uniti ha installato a bordo della nave Ponce nel Golfo Persico.
"Utilizziamo il principio dell'elusione prevedibile, alcune delle tecnologie e dei software chiave, ma ci sono anche molti altri problemi", ha aggiunto Mastroiani. - Per quanto riguarda la nave USS Ponce, c'è molto spazio e tutto il resto, mentre ho molti problemi riguardo a peso, dimensioni e caratteristiche di consumo energetico quando il sistema deve essere installato su un veicolo tattico leggero. Ho un dispositivo di guida del raggio, alimentazione, sistemi di raffreddamento, guida e designazione del bersaglio, e tutto questo dovrebbe funzionare di concerto e senza "spine", quindi molti problemi diversi devono essere risolti in questo progetto separato ".
Secondo l'ONR, alcuni componenti del sistema sono stati utilizzati nei test per rilevare e tracciare droni di varie dimensioni e l'intero sistema è stato testato con un laser da 10kW, che è una soluzione intermedia quando si passa a un laser da 30kW. Si prevede che i test sul campo del sistema da 30 kW si svolgeranno nel 2016, quando il programma inizierà test completi con l'obiettivo di passare dal semplice rilevamento e tracciamento allo sparo da veicoli militari leggeri.
