Автор: Евгений ВЕЛИХОВ, Федор БУНКИН, Павел ПАШИНИН, Евгений СУХАРЕВ

Академик Евгений ВЕЛИХОВ, президент Национального исследовательского центра "Курчатовский институт",

академик Федор БУНКИН, директор Научного центра волновых исследований Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН,

член-корреспондент РАН Павел ПАШИНИН, председатель экспертного совета Российского фонда фундаментальных исследований,

доктор технических наук Евгений СУХАРЕВ, советник генерального конструктора Научно-производственного объединения "Алмаз" им. академика А. А. Расплетина (Москва)

Первые решения по созданию высокоэнергетических лазеров появились в СССР в начале 1960-х годов. "Вероятно, можно создать генераторы с энергией до 106 - 107 Дж, используя в качестве источника энергии взрыв обычного ВВ...", - писал в декабре 1963 г. заместитель директора Физического института им. П. Н. Лебедева АН СССР Николай Басов президенту АН академику Мстиславу Келдышу в ответ на запрос Министерства обороны оценить возможности военных применений лазера. И хотя в то время в лабораториях работоспособность показывали только импульсные источники с энергией -10 Дж, эта задача не казалась ученым фантастической.

Решение о создании мощных лазерных систем принял глава Оборонно-промышленного комплекса СССР Дмитрий Устинов. В 1965 г. он собрал первое совещание на эту тему с участием лауреатов Нобелевской премии 1964 г. Александра Прохорова и Николая Басова (оба академики с 1966 г.). Первый предложил тогда взять за основу разрабатываемые в ФИАНе лазеры на неодимовом стекле, обеспечивающие высокий коэффициент полезного действия (2 - 3%) и хороший съем мощности излучения с единицы длины. Вместе с известным специалистом в области радиотехники, основоположником российского зенитного ракетного оружия академиком (с 1964 г.) Александром Расплетиным они выдвинули идею использовать их в системах противовоздушной обороны для борьбы с низколетящими целями. Это предложе-
стр. 38

ние получило поддержку в оборонном отделе ЦК КПСС и Военно-промышленной комиссии (ВПК) Совета Министров СССР. И в 1967 г. вышло соответствующее постановление Совмина и решение ВПК.

Научное руководство проектом осуществлял Прохоров. Для его практической реализации он привлек Московское конструкторское бюро "Стрела" (в 1971 г. переименовано в Центральное конструкторское бюро, а в 1988 п-в Научно-производственное объединение "Алмаз") Министерства радиопромышленности СССР - специализированное предприятие, расположенное на Ленинградском проспекте столицы, где создавали зенитные ракетные комплексы, составляющие основу отечественных войск противовоздушной обороны. Разработкой лазерных систем здесь занимались в сформированном для этих целей подразделении. Генеральный конструктор КБ Расплетин назначил руководителем работ своего заместителя Бориса Бункина (академик с 1974 г.) - кавалера двух звезд Героя Социалистического Труда (1958, 1982), получившего эти знаки отличия за создание боевых систем вооружения, в том числе на основе мощных лазеров. Именно его практический опыт и привел программу к успеху.

Требуемую для поражения воздушной цели энергию он определил по суммарной кинетической, получаемой от осколков типовой боеголовки ракеты "земля-воздух". Лазер, по его оценкам, должен иметь 10 МДж на цели - это значение его импульсной энергии. Для достижения таких показателей нужно было иметь соответствующую оптику, локаторы, системы точного наведения пучков и т.д. Практические вопросы удалось решить благодаря широкой кооперации исполнителей, и уже в начале 1970-х годов у нас появилась экспериментальная лазерная система на неодимовом стекле с энергией 100 кДж в импульсе, состоящая из четырех модулей (именно столько "выстрелов" требовалось для того, чтобы наверняка поразить цель).

В процессе ее конструирования возникали сложные инженерные проблемы. Одна из них была связана с необходимостью охлаждения неодимового стекла. Задачу не удавалось решить из-за его цилиндрической геометрии. Пришлось изменить форму - в виде "шпалы" большого размера. Технологию изготовления таких изделий предложил руководитель подмосковного Лыткаринского завода оптического стекла доктор технических наук Игорь Бужинский.

Повышенного внимания требовали и лампы накачки: первые образцы взрывались. Дело в том, что они взаимодействуют друг с другом, и в компактных системах нужно было это учитывать. Пришлось в специальном институте создавать их конструкцию и составляющие элементы.

Одна из ключевых научных и инженерных задач - разработка адекватного источника питания. На совещании с участием Расплетина, Прохорова и руководителя программы МГД-генераторов* в СССР академика (с 1962 г.) Михаила Миллионщикова мы рассмотрели ряд вариантов и в конце концов остановились на самовозбуждающемся магнитогидродинамическом генераторе с индуктивным накопителем, удобном для данного типа лазеров, так как он поддерживает ток, а потому наполненный импульс имеет хороший КПД.

Общее научное руководство созданием источника электропитания осуществлял Институт атомной энергии им. И. В. Курчатова (ныне - Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"). Главным конструктором и изготовителем МГД-установки стал Горьковский машиностроительный завод (теперь г. Нижний Новгород).

Специалисты пришли к заключению о возможности использования в подобных системах твердых (пороховых) плазмообразующих топлив. Это предложение заинтересовало академика (с 1974 г.) Бориса Жукова - родоначальника твердотопливного ракетостроения в России. В возглавляемом им Научно-исследовательском химико-технологическом институте в Москве проводили испытания и определяли энергетические, электрофизические характеристики плазменных порохов, генераторов плазмы для МГД-установок.

Магниты, сильноточную аппаратуру, индуктивные накопители изготавливали в Научно-исследовательском институте электрофизической аппаратуры им. Д. В. Ефремова (Санкт-Петербург) под руководством известного специалиста в области магнитной гидродинамики жидких металлов, электрофизики и управляемого термоядерного синтеза (академика с 1987 г.) Василия Глухих**. Сконструированные здесь компоненты генератора - электромагнитная система возбуждения с энергозапасом 100 МДж, индуктивный накопитель энергоемкостью до 600 МДж и коммутирующая аппаратура на 200 кА, 50 кВ - по сей день не имеют аналогов в мире.

К концу 1968 г. у Жукова появились опытные образцы специальных плазмообразующих порохов с элект-

* См.: В. Шафранов. Заглянуть за грань известного. - Наука в России, 2010, N 1 (прим. ред.).

** См.: В. Глухих и др. На пути к термоядерной эре. - Наука в России, 2003, N 3 (прим. ред.).
стр. 39

ропроводностью продуктов сгорания примерно на 4 порядка выше, чем у штатных твердых ракетных топлив. Они и легли в основу автономного самовозбуждающегося импульсного МГД-генератора "Памир" (ИМ-1) с электрической мощностью канала ~10 МВт, созданного в 1969 г. на Горьковском машиностроительном заводе. После испытания на полигоне, подтвердившего проектные параметры установки, стало ясно: основные принципы технологии проектирования и отработки твердотопливных МГД-установок в нашей стране освоены и можно приступать к промышленному изготовлению "большой" техники. В дальнейшем на основе ИМ-1 возникла серия автономных импульсных источников с одним, двумя и тремя каналами электрической мощностью от ~5 до 15 МВт. Самый крупный генератор этой серии (мощность канала до 600 МВт, длительность работы до 10 с) "Сахалин" появился в 1975 г. При его создании использовался опыт эксплуатации установок меньших масштабов. Успешная работа "гиганта" подтвердила техническую возможность кратковременного МГД-генерирования на уровне ~1 ГВт в открытых циклах с ракетными двигателями. На нем получили рекордные значения параметра МГД-взаимодействия (~1) и уникальные удельные характеристики, часть которых до сих пор недостижима для других типов установок. Такие источники открыли возможность энергообеспечения специальных систем на новых физических принципах.

Сконструированная на основе перечисленных компонент лазерная система обеспечивала и требуемую мощность, и поражение цели, однако была чрезвычайно громоздкой, что практически исключало возможность ее использования в фронтовых условиях.

Появление компактных CO2-лазеров с высоким КПД инициировало новый цикл работ по созданию высокоэнергетических установок для ликвидации аэродинамических целей, получивших развитие в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова и его филиале в подмосковном Троицке (ныне Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований). Именно там занимались генераторами на основе однородного разряда в потоке газа. Исследования шли
стр. 40

под руководством Владимира Баранова (член-корреспондент РАН с 1990 г.) - представителя школы профессора физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова доктора физико-математических наук Вениамина Грановского.

Одна из ключевых проблем заключалась в формировании в большом объеме тлеющих разрядов - наиболее распространенного вида газового разряда постоянного тока. Целесообразность его использования для накачки CO2 - лазера состоит в том, что в газах подавляющая часть выделяющейся энергии затрачивается на возбуждение молекулярных колебаний: электрическое поле, поддерживающее плазму, сообщает энергию электронам - носителям тока, а те возбуждают колебания. Особенно эффективен в этом отношении азот - N2, способный первоначально переводить до 95% энергии в колебания молекул. В рабочей смеси присутствует также гелий (Не) для ускорения отвода большого количества выделяющегося тепла. К слову, определение оптимальной пропорции компонент в составе CO2-N2-He - сложная химико-технологическая задача. И все же главная проблема состояла в том, чтобы возбудить и накопить энергию в азоте в условиях, когда на электродах существует одна плотность тока, при которой начинается контракция (сжатие газового разряда), а в объеме - другая. Требовалось правильно их сочетать. Однако решения были получены, и в Троицке в середине 1970-х годов создали первый быстропоточный CO2-лазер с самостоятельным разрядом, в котором энергию накачивали и запасали в азоте, после чего туда впрыскивали углекислый газ. Такой источник мог генерировать непрерывное когерентное излучение, поскольку работал, пока поддерживался поток газа, и имел мощность ~1 МВт.

Другой вариант достижения высоких энергетических характеристик - накачка лазера пучком заряженных частиц. Эту работу мы проводили в кооперации с ФИАНом (академик Александр Прохоров), МГУ им. М. В. Ломоносова (доктор физико-математических наук Александр Рахимов) и филиалом Института атомной энергии им. И. В. Курчатова (член-корреспондент АН СССР с 1984 г. Вячеслав Письменный). Поставленный нами модельный эксперимент по влиянию пучка быстрых протонов на мощность генерации CO2-лазера показал: использование энергии заряженных частиц в этом случае эффективнее, чем применение электрической. Результаты опыта были опубликованы в физическом журнале "Письма в ЖЭТФ" в 1968 г. (В дальнейшем пробовали перейти на накачку лазера осколками деления ядер, однако требования техники безопасности при работе с реактором сделали это направление малоперспекгивным.)

Данные исследования легли в основу лазеров с несамостоятельным разрядом, высокая эффективность которых достигалась за счет разделения функции ионизации быстрыми заряженными частицами и накачки азота (это разные электроны, разные энергии). Разделив их, мы существенно улучшили стабильность, а значит, и качество разряда, его эффективность, что обеспечило появление устройств, в которых электронный пучок создавал ионизацию в потоке газа при давлении ~1 атм, в то время как в самостоятельных лазерах этот показатель составлял ~1/3 атм (дальше у них начиналась контракция).

Параллельно технику развивали и в других институтах. В 1973 г. Прохоров и Бункин инициировали в Центральном конструкторском бюро "Алмаз" работы по созданию мощных газодинамических лазеров, в основе которых лежала идея Бориса Васильевича о возможности получить излучение прямо из МГД-генератора. Кроме того, он поставил и решил чрезвычайно сложную задачу построения оптической системы наведения и прицеливания, обеспечивающей удержание лазерного луча в наиболее уязвимом месте аэродинамической цели. В результате появился видеолокатор, на экране которого формировалось ее изображение, а не отметка.

Заметим, все перечисленные разработки прошли экспериментальную проверку на мобильных системах вооружения. Скажем, на одном из военных самолетов стояла машина, дававшая мегаватт непрерывного излучения, в то время как американцы на такой же летательный аппарат сумели поставить химический лазер небольшой, 300-киловаттной мощности. CO2-установку смонтировали также на корабле как средство защиты от крылатых ракет. Хорошо зарекомендовали себя наземные системы на подвижных машинах с чрезвычайно оригинальным устройством формирования излучения: его синтетическое зеркало могло фокусировать луч на большом расстоянии и компенсировать атмосферные воздействия (данную технологию теперь широко используют в астрономии при изготовлении составных телескопов).

Таким образом, в 1970 - 1980-х годах кооперация отраслевых и академических институтов, сформированная и руководимая Бункиным, успешно решила сложнейшие научные, инженерные и организационные задачи создания ряда систем противовоздушной обороны на базе мощных лазеров различных типов: твердотельных, газовых с самостоятельным разрядом и газодинамических. Ученым, конструкторам, инженерам, военным специалистам удалось продемонстрировать соответствующие системы наведения лазерного луча, обеспечивающие уверенное поражение целей. В США подобные комплексы появились только в последнее десятилетие. Однако распад Советского Союза и процесс разоружения привели в начале 1990-х годов к дезинтеграции сложившейся кооперации и, как следствие, к прекращению работ.

Тем не менее следует подчеркнуть: накопленный опыт пригодился в проектах гражданского назначения. МГД-генераторы практически сразу же стали использовать в крупномасштабных геофизических и геологических электроразведочных исследованиях. На их основе при небольшой перекомпоновке появились МГД-установки "Памир", "Урал", "Хибины" и "Прикаспийский" на шасси автомобиля. В 1973 г. один из таких источников доставили на Гармский геофизический полигон, расположенный в 200 км от г. Душанбе (Таджикистан) в горном районе северного Памира, где Институт физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН вел работы по прогнозированию землетрясений. В
стр. 41

дальнейшем изучение строения земной коры с помощью МГД-установок перевели на полигон Института высоких температур АН СССР в район г. Бишкек (Кыргызстан). Геофизики провели 114 запусков генератора. Статистическая обработка результатов зондирования на указанных полигонах показала: электромагнитный импульс способствует "дроблению" готовящихся крупных землетрясений на серию маломощных, что дает возможность применять такие установки для искусственной разрядки тектонических напряжений.

В 1980 г. под руководством Баранова сконструировали промышленный CO2-лазер импульсно-периодического действия для селективной технологии. Он успешно работал в Научно-исследовательском институте стабильных изотопов в г. Тбилиси (Грузия). В 1997 г. специалисты Российского научного центра "Курчатовский институт" при поддержке ОАО "Газпром" построили и запустили в Калининграде производственный комплекс для массового выпуска фармацевтических препаратов, меченных 13C. Его технология и оборудование не имеют аналогов в мире. Лазерная установка, входящая в его состав, способна нарабатывать до 15 кг изотопа углерода. И его производительность можно наращивать за счет тиражирования лазерных разделительных мощностей, обеспечивая тем самым медицинские учреждения страны довольно дешевым продуктом (в 2 раза ниже мировой цены).

В 1979 г. правительство приняло постановление о развитии работ по технологическим лазерам и создании в г. Шатура Московской области Научно-исследовательского центра АН СССР (в 1998 г. переименован в Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН). Это был крупный шаг руководства страны и Академии наук в направлении конверсионных программ, тем более что оборонные ведомства, выпускавшие лазерную технику, согласно постановлению, должны были обеспечивать выпуск комплектующих изделий (электроники, оптики, механики). Центр начал решать проблемы, которыми комплексно в стра-
стр. 42

не ранее никто не занимался: создание "силовых" лазерных технологий, научный поиск, а затем внедрение новых, перспективных применений установок в обработке материалов, веществ и в биомедицине. Ядро коллектива составляли ученые и специалисты, прошедшие школу в первоклассных научных и технических центрах: в филиале Института атомной энергии им. И. В. Курчатова, МГУ им. М. В. Ломоносова, Московском высшем техническом училище им. Н. Э. Баумана, Институте спектроскопии РАН (г. Троицк, Московская область).

Центр в Шатуре обладает механическим производством, необходимым для получения лазерных комплексов, а также уникальным оптическим "цехом", обеспечивающим в том числе разработку адаптивной оптики, существенно улучшающей качество излучения. К началу 1990-х годов здесь создали промышленные CO2-лазеры второго поколения с высокой мощностью распространения энергии, предложили более 200 различных компьютеризированных комплексов, проверили в реальных производственных условиях несколько десятков технологий обработки материалов, выполнили фундаментальные исследования в области микротехнологии.

Интеграция информационных и лазерных процессов обеспечила возможность войти в сферу медицинского приборостроения. В институте предложили концепцию дистанционного биомоделирования, позволяющую вести по сетям Интернета передачу данных компьютерного томографического предоперационного обследования пациентов из различных клиник в Шатурский стереолитографический центр*. По полученной информации там оперативно (за 10 - 20 ч) создают полимерные копии фрагментов человеческого скелета, отдельных органов, помогающие хирургам планировать сценарий будущей операции и выбирать адекватный инструментарий.

Важнейшее научно-техническое достижение института - создание и производство лазерных стереолитографических установок, позволяющих на основе трехмерных компьютерных моделей быстро, с высокой точностью изготавливать пластиковые копии промышленных деталей. Скажем, здесь могут сделать в натуральную величину пластиковую модель лопатки турбины, включая каналы для подачи охлаждающей жидкости, или в некотором масштабе - продувочную модель самолета.

Наиболее распространенные применения лазеров в промышленности - резка и сварка металлов. Один из впечатляющих примеров - система лазерной сварки карданных валов, установленная в 1980-х годах в Москве на Заводе им. И. А. Лихачева (ЗИЛ) и обеспечивающая существенно более высокое качество шва, чем аргонная сварка. Кроме того, тут внедрили технологию лазерного термоуплотнения головки блока цилиндров грузового автомобиля, что позволило вдвое увеличить срок ее службы.

В атомной промышленности лазеры применяют для сварки и резки топливных каналов (Курская АЭС), в нефтегазовой промышленности - для сварки газовых труб большого диаметра, обеспечивая высокое качество шва.

Сегодня для нас нет актуальнее проблемы, чем модернизация экономики России. Но она должна основываться на каких-то моделях. Создание лазерной технологии - одна из них. Начиная с момента проектирования установок и кончая возникновением производства на их основе - сделано в России, нашими людьми, в значительной степени академическими сотрудниками. Все это показывает: мы способны осуществить модернизацию, просто надо изучать и использовать собственный опыт.

* См.: М. Хализева. Лазеры в науке, технике, медицине. - Наука в России, 2011, N 3 (прим. ред.).