Lasergelenkte Rakete

Hintergrund

Raketen unterscheiden sich von Raketen durch ein Leitsystem, das sie auf ein vorgewähltes Ziel lenkt. Ungelenkte oder frei fliegende Raketen erwiesen sich als nützliche, aber häufig ungenaue Waffen, wenn sie während des Zweiten Weltkriegs aus Flugzeugen abgefeuert wurden. Diese Ungenauigkeit, die oft dazu führte, dass viele Raketen abgefeuert werden mussten, um ein einzelnes Ziel zu treffen, führte zur Suche nach einem Mittel, um die Rakete auf ihr Ziel zu lenken. Die gleichzeitige Explosion der Funkwellentechnologie (wie Radar- und Funkdetektoren) bot die erste Lösung für dieses Problem. Mehrere kriegführende Nationen, darunter die Vereinigten Staaten, Deutschland und Großbritannien, kombinierten vorhandene Raketentechnologie mit neuen funk- oder radarbasierten Leitsystemen, um die ersten Lenkflugkörper der Welt zu entwickeln. Obwohl diese Raketen nicht in ausreichender Zahl eingesetzt wurden, um den Verlauf des Zweiten Weltkriegs radikal umzulenken, zeigten die mit ihnen verzeichneten Erfolge Techniken auf, die den Verlauf zukünftiger Kriege verändern würden. Damit brach die Ära der hochtechnologischen Kriegsführung an, eine Ära, die sowohl ihre Probleme als auch ihr Versprechen schnell demonstrieren würde.

Die Probleme konzentrierten sich auf die Unzuverlässigkeit der neuen Funkwellentechnologien. Die Raketen konnten keine Ziele erreichen, die kleiner als Fabriken, Brücken oder Kriegsschiffe waren. Schaltkreise erwiesen sich oft als unbeständig und funktionierten unter widrigen Wetterbedingungen überhaupt nicht. Ein weiterer Fehler trat auf, als Störsendertechnologien als Reaktion auf den Erfolg des Radars florierten. Feindliche Störsender fanden es immer einfacher, die Funk- oder Radarübertragungen von startenden Flugzeugen abzufangen, wodurch diese Stationen widersprüchliche Signale auf derselben Frequenz senden konnten, wodurch die Rakete gestört oder "verwirrt" wurde. Schlachtfeldanwendungen für Lenkflugkörper, insbesondere solche, die Angriffe auf kleinere Ziele vorsahen, erforderten eine zuverlässigere Lenkmethode, die weniger anfällig für Störungen war. Glücklicherweise wurde diese Methode als Ergebnis einer unabhängigen Forschungsarbeit über die Auswirkungen der Lichtverstärkung verfügbar.

Dr. Theodore Maiman baute den ersten Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) in den Hughes Research Laboratories im Jahr 1960. Das Militär erkannte die potenziellen Anwendungen von Lasern fast, als ihre ersten Strahlen die Luft durchtrennten. Lasergelenkte Projektile erfuhren ihre Feuertaufe in der ausgedehnten Serie von Luftangriffen, die die amerikanischen Bemühungen im Vietnamkrieg hervorhoben. Die Genauigkeit dieser Waffen brachte ihnen den bekannten Beinamen "intelligente Waffen" ein. Aber selbst diese neue Generation fortschrittlicher Waffen konnte den US-Streitkräften in diesem erbitterten und kostspieligen Krieg keinen Sieg bringen. Die Kombination aus in Vietnam gewonnener Erfahrung, Verfeinerungen in der Lasertechnologie und ähnlichen Fortschritten in Elektronik und Computern führte jedoch zu ausgeklügelteren und tödlicheren lasergelenkten Raketen. Schließlich fanden sie breite Anwendung bei der Operation Desert Storm, bei der ihre Genauigkeit und Zuverlässigkeit eine entscheidende Rolle bei der entscheidenden Niederlage der irakischen Streitkräfte spielten. Damit hat sich der lasergelenkte Flugkörper als Schlüsselkomponente der heutigen Hightech-Militärtechnik etabliert.

Rohstoffe

Ein lasergelenkter Flugkörper besteht aus vier wichtigen Komponenten, die jeweils unterschiedliche Rohstoffe enthalten. Diese vier Komponenten Der Raketenkörper ist in zwei Hälften druckgegossen:geschmolzenes Metall (entweder Aluminium oder Stahl) wird in ein Metall gegossen sterben und gekühlt werden, um die richtige Form zu bilden. Anschließend werden die beiden Hälften zusammengeschweißt.
Die Hauptkomponenten des Lasers – der Fotodetektor und die optischen Filter – werden in einer Reihe von Vorgängen zusammengebaut, die vom Rest der Konstruktion der Rakete getrennt sind. Schaltungen, die das Lasersystem unterstützen, werden dann auf vorgedruckte Platinen gelötet. Auch die Platinen für die Elektronik-Suite werden unabhängig vom Rest des Flugkörpers montiert. Wenn es das Design erfordert, werden die Platinen zu diesem Zeitpunkt mit Mikrochips versehen. sind der Raketenkörper, das Leitsystem (auch Laser- und Elektronik-Suite genannt), der Treibstoff, und der -Sprengkopf. Der Raketenkörper besteht aus Stahllegierungen oder hochfesten Aluminiumlegierungen, die oft entlang des Hohlraums des Körpers mit Chrom beschichtet sind, um vor übermäßigen Drücken und Hitze zu schützen, die mit einem Raketenstart einhergehen. Das Leitsystem enthält verschiedene Arten von Materialien – einige einfache, andere High-Tech – die darauf ausgelegt sind, maximale Lenkfähigkeiten zu bieten. Zu diesen Materialien gehören ein Fotodetektor und optische Filter, mit denen die Rakete die von einem Mutterflugzeug gesendeten Laserwellenlängen interpretieren kann. Der wichtigste Teil des Fotodetektors ist seine Sensorkuppel, die aus Glas, Quarz und/oder Silizium bestehen kann. Die Elektronik einer Rakete kann Gallium-Arsenid-Halbleiter enthalten, aber einige Suiten basieren immer noch ausschließlich auf Kupfer- oder Silberleitungen. Lenkflugkörper verwenden als Treibstoffquelle stickstoffbasierte Festtreibstoffe. Bestimmte Zusätze (wie Graphit oder Nitroglycerin) können hinzugefügt werden, um die Leistung des Treibmittels zu verändern. Der Sprengkopf der Rakete kann hochexplosive Gemische auf Stickstoffbasis, Treibstoff-Luft-Sprengstoffe (FAE) oder Phosphorverbindungen enthalten. Der Gefechtskopf ist normalerweise mit Stahl ummantelt, aber manchmal werden Aluminiumlegierungen als Ersatz verwendet.

Design

Auf dem modernen Schlachtfeld gibt es zwei Grundtypen von lasergelenkten Raketen. Der erste Typ "liest" das vom startenden Flugzeug/Helikopter emittierte Laserlicht. Die elektronische Suite der Rakete gibt Befehle an die Flossen (die als Steueroberflächen bezeichnet werden) auf seinem Körper, um es mit dem Laserstrahl auf Kurs zu halten. Diese Art von Rakete wird als Beam Rider bezeichnet da es dazu neigt, den Laserstrahl in Richtung seines Ziels zu reiten.

Der zweite Raketentyp verwendet integrierte Sensoren, um vom Ziel reflektiertes Laserlicht aufzunehmen. Der Flugzeug-/Helikopterpilot wählt ein Ziel aus, trifft das Ziel mit einem Laserstrahl, der von einem Zielbezeichner geschossen wird, und startet dann die Rakete. Der Sensor der Rakete misst den Fehler zwischen ihrer Flugbahn und der Bahn des reflektierten Lichts. Korrekturnachrichten werden dann über die Elektronikeinheit an die Steuerflächen der Rakete weitergegeben, die die Rakete auf ihr Ziel lenken.

Unabhängig vom Typ muss der Raketenkonstrukteur als ersten Schritt des Konstruktionsprozesses Computersimulationen durchführen. Diese Simulationen helfen dem Konstrukteur bei der Auswahl des richtigen Lasertyps, der Körperlänge, der Düsenkonfigurationen, der Hohlraumgröße, des Gefechtskopftyps, der Treibmasse und der Steuerflächen. Der Konstrukteur stellt dann ein Paket zusammen, das alle relevanten technischen Berechnungen enthält, auch die durch Computersimulationen generierten. Die Elektronik-Suite wird dann um die Fähigkeiten des Lasers und der Steueroberflächen herum entwickelt. Zeichnungen und Schemata aller Komponenten können jetzt vervollständigt werden; Bei dieser Aufgabe hat sich die CAD/CAM-Technologie (Computer-Aided Design/Manufacture) als hilfreich erwiesen. Elektroniksysteme werden dann um die Fähigkeiten des Lasers des Flugzeugs und der Steueroberflächen der Rakete herum entworfen. Der folgende Schritt besteht darin, die notwendigen schematischen Zeichnungen für das gewählte Elektroniksystem zu erstellen. Eine weitere computergestützte Studie des gesamten Lenkflugkörpersystems bildet den letzten Schritt des Konstruktionsprozesses.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Aufbau des Körpers und Anbringen der Flossen

• 1 Das Gehäuse aus Stahl oder Aluminium ist in zwei Hälften druckgegossen. Beim Druckguss wird geschmolzenes Metall in eine Stahlform der gewünschten Form gegossen und das Metall aushärten lassen. Beim Abkühlen nimmt das Metall die gleiche Form wie die Matrize an. Zu diesem Zeitpunkt kann eine optionale Chrombeschichtung auf die Innenflächen der Hälften aufgebracht werden, die einem fertigen Flugkörperhohlraum entsprechen. Anschließend werden die Hälften zusammengeschweißt und nach dem Schweißen am hinteren Ende der Karosserie Düsen angebracht.
• 2 Bewegliche Flossen werden jetzt an vorbestimmten Punkten entlang des Raketenkörpers hinzugefügt. Die Lamellen können an mechanischen Gelenken befestigt werden, die dann außen an der Karosserie angeschweißt werden, oder sie können in gezielt in die Karosserie gefräste Aussparungen eingesetzt werden.

Treibladung gießen

• 3 Das Treibmittel muss sorgfältig auf den Flugkörperhohlraum aufgetragen werden, um eine gleichmäßige Beschichtung zu gewährleisten, da Unregelmäßigkeiten zu einer unzuverlässigen Brenngeschwindigkeit führen, was wiederum die Leistung des Flugkörpers beeinträchtigt. Eine gleichmäßige Beschichtung lässt sich am besten durch Aufbringen des Treibmittels mittels Fliehkraft erzielen. Diese Anwendung namens Casting erfolgt in einer Industriezentrifuge, die gut abgeschirmt ist und sich als Vorsichtsmaßnahme gegen Feuer oder Explosion an einem isolierten Ort befindet.

Montage des Leitsystems

• 4 Die Hauptkomponenten des Lasers – der Fotodetektor und die optischen Filter – werden in einer Reihe von Vorgängen zusammengebaut, die vom Rest der Konstruktion der Rakete getrennt sind. Schaltungen, die das Lasersystem unterstützen, werden dann auf vorgedruckte Platinen gelötet; Besonderes Augenmerk wird derzeit auf optische Materialien gelegt, um sie vor übermäßiger Hitze zu schützen, da dies die Wellenlänge des Lichts verändern kann, die die Rakete erkennen kann. Das zusammengebaute Laser-Subsystem wird nun bis zur Endmontage beiseite gelegt. Auch die Platinen für die Elektronik-Suite werden unabhängig vom Rest des Flugkörpers montiert. Wenn es das Design erfordert, werden die Platinen zu diesem Zeitpunkt mit Mikrochips versehen.
• 5 Das Leitsystem (Laserkomponenten plus Elektronik-Suite) kann nun integriert werden, indem die erforderlichen Platinen verbunden und die gesamte Baugruppe durch eine Zugangsplatte in den Raketenkörper eingeführt wird. Die Steuerflächen des Flugkörpers sind dann über eine Reihe von Relaisdrähten mit dem Leitsystem verbunden, die ebenfalls über Zugangsplatten in den Flugkörperkörper eingeführt werden. Der Fotoerfassungssensor und sein Gehäuse werden jedoch an dieser Stelle nur für Beam-Riding-Raketen hinzugefügt Flugzeug.

Endmontage

• 6 Das Einsetzen des Gefechtskopfes bildet die letzte Montagephase des Lenkflugkörpers Aktuelle lasergelenkte Raketen funktionieren auf zwei Arten. Der erste Typ, ein "Beam Rider", liest das vom startenden Flugzeug emittierte Laserlicht und leitet den Strahl in Richtung des Ziels. Der zweite Typ verwendet Bordsensoren, um vom Flugzeug gesendetes und vom Ziel reflektiertes Laserlicht aufzunehmen. Die Sensoren messen den Fehler zwischen der Flugbahn des Flugkörpers und dem Weg des reflektierten Lichts, und die Elektronik verändert die Steuerflächen nach Bedarf, um den Flugkörper zum Ziel zu führen zu katastrophalen Unfällen führen Einfache Befestigungstechniken wie Schrauben oder Nieten dienen der Befestigung des Gefechtskopfes ohne Gefährdung der Sicherheit Bei Leitsystemen, die auf reflektiertes Laserlicht zielen, wird der Fotosensor (im Gehäuse) an der Nach Abschluss dieser letzten Montagephase hat der Hersteller erfolgreich eines der kompliziertesten, anspruchsvollsten und potenziell gefährlichsten Teile gebaut der heute verwendeten Hardware.

Qualitätskontrolle

Jede wichtige Komponente wird vor der Montage strengen Qualitätskontrollen unterzogen. Zunächst muss der Treibstoff einen Test bestehen, bei dem Prüfer eine Probe des Treibstoffs unter Bedingungen zünden, die den Flug einer Rakete simulieren. Der nächste Test ist eine Windkanalübung mit einem Modell des Raketenkörpers. Dieser Test bewertet die Luftströmung um die Rakete während ihres Fluges. Außerdem werden einige zu Testzwecken beiseite gelegte Raketen abgefeuert, um die Flugeigenschaften zu testen. Die weitere Arbeit beinhaltet, die Elektronik-Suite einer Reihe von Tests zu unterziehen, um die Geschwindigkeit und Genauigkeit zu bestimmen, mit der Befehle an die Steueroberflächen der Rakete weitergeleitet werden. Dann werden die Laserkomponenten auf Zuverlässigkeit getestet, und ein Teststrahl wird abgefeuert, damit die Prüfer die Fähigkeit des Fotodetektors aufzeichnen können, die richtige Wellenlänge zu "lesen". Schließlich wird eine festgelegte Anzahl fertiger Lenkflugkörper von Flugzeugen oder Hubschraubern auf mit Übungszielen gespickten Schießständen getestet.

Nebenprodukte/Abfälle

Treib- und Sprengstoffe, die in Sprengköpfen verwendet werden, sind giftig, wenn sie in Wasservorräte eingebracht werden. Restmengen dieser Materialien müssen gesammelt und einer dafür vorgesehenen Deponie zur Verbrennung zugeführt werden. Jeder Bundesstaat unterhält seine eigenen Richtlinien zur Entsorgung von Sprengstoffen, und Bundesvorschriften verlangen, dass Deponien regelmäßig inspiziert werden. Abwässer (flüssige Nebenprodukte) aus dem Chrombeschichtungsprozess können ebenfalls gefährlich sein. Dieses Problem wird am besten gelöst, indem die Abwässer in auslaufsicheren Behältern aufbewahrt werden. Als zusätzliche Sicherheitsvorkehrung sollte allen Mitarbeitern, die mit dem Umgang mit gefährlichen Abfällen befasst sind, Schutzkleidung mit Atemschutz, Handschuhen, Stiefeln und Overalls zur Verfügung gestellt werden.

Die Zukunft

Zukünftige lasergelenkte Flugkörpersysteme werden einen eigenen miniaturisierten Laser an Bord haben, wodurch Zielbezeichnerlaser in Flugzeugen überflüssig werden. Diese Raketen, die derzeit in mehreren Ländern entwickelt werden, werden als "Fire-and-Forget" bezeichnet, weil ein Pilot eine dieser Raketen abfeuern und sie vergessen kann, indem er sich auf den internen Laser der Rakete und den Erkennungssensor verlässt, um sie zu ihrem Ziel zu führen. Eine Weiterentwicklung dieses Trends wird zu Raketen führen, die selbstständig Ziele auswählen und angreifen können. Ist ihr Potenzial erst einmal ausgeschöpft, werden die Schlachtfelder der Welt noch jahrelang das tödliche Gift dieser „brillanten Raketen“ spüren. Ein noch fortschrittlicheres Konzept sieht ein Kampfgewehr für die Infanterie vor, das auch kleine lasergelenkte Raketen abfeuert. Die Operation Desert Storm hat klar gezeigt, dass lasergelenkte Präzision erforderlich ist, und als Ergebnis werden militärische Einrichtungen, die sich ihren Missionen widmen, zweifellos immer tödlichere Versionen von lasergelenkten Raketen erfinden und einsetzen.