反轨道激光潜艇 (2017)

ToughSF

2017年10月12日，星期四

反轨道激光潜艇

配备激光的核动力潜艇是对抗轨道攻击部队的完美最后防线。

背景

你不可能赢得每一场战斗。最终，在太空战争中，总会有那么一天，敌方太空战舰舰队击败了你所有的机动部队和固定防御。他们将从上方用激光、导弹和动能弹丸向你袭来，你必须找到一种方法来阻止他们强迫你无条件投降。

我们将把对手称为“攻击者”，把你称为“防御者”。设计有效防御的第一步是了解情况。

那么情况是什么？

那是一艘敌舰。

一艘来袭的战舰将从高轨道开始行动。这是一个 2000 公里或以上的高度。无论它是刚从行星际航行抵达，还是最近摧毁了你剩余的战舰，它都会进入高轨道，以最大限度地提高其太空优势的效力。太空优势，借用“空中优势”一词，是指一支部队完全控制了行星周围的所有轨道。没有天基部队可以对抗这种优势，也没有后备部队可以挑战它们而不被迅速摧毁。

失去太空优势对防御者意味着什么？

最重要的后果是敌方战舰可以自由地改变轨道，机动到有利位置并接收补给。它们的机动性不受限制。

高椭圆轨道和来自大型卫星的重力辅助允许各种各样的轨道。

高轨道中的攻击者可以最佳地利用他们的激光武器。他们可以清晰地看到地面上任何地点，物体之间的长距离迫使激光攻击目标的旅行时间延长，从而为激光提供足够的时间来击落目标。激光效力通常取决于它们距离目标的距离以及光束可以在目标上花费多少“停留时间”。从高空轨道抛弃物体在 deltaV 方面成本很低。这有利于从轨道上发射下来的导弹，允许它们仅使用极少的推进剂来打击地面目标，这使得它们重量轻且易于数百个地发射。此外，朝地球坠落使它们在撞击前获得的速度大大提高。

动能弹丸也是如此，“上帝之杖”轨道轰炸概念中也运用了这一事实。

反击

所以你想反击攻击者。

美国陆军的归航覆盖实验

导弹可以完成这项工作。它们是我们目前将武器运送到轨道空间的唯一方法。类似于带有附加级的洲际弹道导弹可以到达近地轨道。到达更高的轨道将需要非常大的火箭、高 Isp 的上级发动机或诸如激光发射或冲压加速器之类的发射系统。然而，当试图击落高轨道中的对手时，这些解决方案中的每一个都存在重大问题。

激光卫星击落缓慢爬升到轨道的导弹。

大型火箭很容易成为目标并被击落。一种需要最大限度地减少其干重以达到必要 deltaV 容量的化学推进剂火箭将具有非常好的加速度，但最终会非常脆弱。核热或核动力火箭可以小得多且更耐用，但从中获得足够的加速度意味着非常高的功率需求，这可能会使它们非常昂贵。

磁悬浮轨道火箭发射系统……易受攻击。

常规发射需要几十分钟，并且无法向攻击者隐瞒。缩短此脆弱窗口可以通过使用为火箭供电或从外部加速火箭的发射系统来完成。然而，发射系统的基础设施反过来将成为攻击者的优先目标。巨大、难以隐藏且无法移动，它们将受到大量火力。有些发射系统实际上不可能屏蔽免受损坏，例如需要数千个暴露的激光光学器件的激光发射系统，而另一些发射系统在发射火箭后立即暴露其位置。考虑到所有工作都可以被单个“掩体克星”式武器所抵消，在地下建造也非常昂贵。针对坐在轨道上的攻击者发射导弹的后勤工作不利于防御者。攻击者可以通过仅消耗每秒几十到几百米的 deltaV 来将导弹抛弃轨道。防御者必须为每枚导弹配备每秒数万米的 deltaV。在战争开始时，在地面上制造更多的导弹和火箭燃料可能更容易，但在攻击者拥有太空优势的轨道轰炸战役之后，情况不太可能如此。可以一路射到高轨道的动能武器需要承受数百到数千 G 的加速度，以每秒数十公里的速度穿过低层大气层，在几分钟内承受激光射击，几乎没有躲避的能力，并利用非常短的拦截窗口干掉目标。这是一个艰巨的任务！

热氢轻气炮发射系统。可以被武器化。

那么，防御者有哪些选择？他们需要用无法被击落的东西进行反击，来自一个可以避免反击的平台，并且可以在基础设施和服务在全球范围内失效后保持功能。一个符合要求的选择是激光潜艇。

激光无法被击落，并且会立即击中目标。只要有电力供应，它们就可以使用。潜艇在水下运行，这种环境可以在它们浮出水面之前隐藏它们，并在潜水时保护它们免受高速弹丸和激光的袭击。它们可以通过这种方式保护自己长达数月之久，如果它们采用与宇宙飞船相同的生命维持系统，那么最长可达数年。

由于今天潜艇舰队被认为是核末日摧毁家园后报复敌人的无与伦比的手段，即使在轨道攻击摧毁所有支持基础设施后，激光潜艇也能够运行并保持危险。现在让我们看看如何使用潜艇来报复轨道上的攻击者。

挑战

潜艇已经配备了高发电量。大型现代核潜艇已经能够持续产生超过 100 兆瓦的电力。在太空旅行和太空战争普遍存在的未来环境中，为行星际旅行开发的发电技术将使潜艇能够产生吉瓦或更高的功率。

下一代水冷核反应堆。

由于其高功率密度，用于太空旅行的最可能的发电机将是核能。从核反应堆发电的最大限制是废热容量：加热反应堆堆芯很容易，但清除热量要困难得多。与具有相同质量和体积的反应堆的宇宙飞船相比，潜艇将拥有整个海洋作为散热器，因此能够产生更多的瓦特。

双模 NTR 是一种既可以作为发电机又可以作为功率发生器的核热火箭发动机。

所有这些电力都可以用来为激光发生器供电。三个要素决定了激光的效力：波长、聚焦光学器件的半径和光束功率。

使用激光引导星的天文台。

我们已经确定激光潜艇很可能能够产生比类似的激光太空战舰更多的电力，因此激光潜艇也将具有光束功率的优势。聚焦光学器件的半径将取决于激光武器组件的具体布置以及它们的部署方式。我们将在下面研究可能的设计。

自由电子激光器。与大多数设计不同，它可以自由切换波长。

然而，波长不是激光设计可以控制的变量。潜艇在水生环境中运行，其顶部是数百公里的地球大气层。在海洋表面的界面处是海雾和悬浮在雾或云中的水滴。海洋表面也不是平坦的，几厘米到几百米的海浪无休止地滚动在其上。潜艇发射的光束必须穿透所有这些环境，并且仍然要穿过将其与高轨道中的目标隔开的数十万公里的距离。因此，水的光学特性是激光应产生哪些波长的决定因素。这是水的吸收光谱：

“相对吸收值”越低，波长能量被吸收得越少。我们可以清楚地看到，最低值对应于 400-700nm 可见光谱的“光学窗口”。最高的吸收率适用于 100nm 的紫外线波长和 3000nm 的红外线波长。这是我们大气层的吸收光谱：

电磁辐射的大气衰减具有与水相似的特征：X 射线等短波长无法穿透，而无线电等长波长则可以轻松穿透。可能更容易将激光束视为从太空发射并到达地面。100nm 的紫外激光束可以轻松穿过真空，但会停止到达高层大气。400nm 的蓝色激光将穿过大气层并穿过 460 米的水，然后降低到初始功率的不到 1%。1000nm 的红外激光将损失 20% 的功率给大气层，并被半米的水完全吸收。100m 的无线电波长只是从电离层反弹回来。虽然较短的波长更适合激光武器，因为它们允许光束在更远的距离上聚焦到破坏性强度，但激光潜艇应使用 400nm 波长的激光穿透水和大气层，而不会损失大量光束功率。光束穿过介质后保留多少能量的公式为：

衰减系数通常以 cm^-1 为单位给出，因此深度应转换为 cm 单位。例如，800nm 波长的近红外光具有 0.01cm^-1 的衰减系数。我们想知道近红外激光通过一米水后还剩下百分之几的能量。一米等于 100 厘米。根据我们的方程，我们发现该百分比约为 e^(-0.01*100)*100：36.8%。只有三分之一的光束通过。这是一个表格，显示了如果蓝色波长激光潜艇使用 0.0001cm^-1 的衰减系数在不同深度发射武器时，光束功率损失多少： [](http://toughsf.blogspot.com/2017/10/<https:/blogger.googleusercontent.com/img/b/R29vZ2xl/AVvXsEgrnMHjH6VcRpbMqlDVKdYJ2bQl3oQP4OjywmeaZFzbqDCGFcWcIluCRlKVjvuhqbaopmjzu57pFcrvoI0UylIQN5-hatt9pHhJ6G_JiaNBhdW0FpymWLVK6ITPM