I droni aerei sono essenzialmente i nuovi ordigni esplosivi improvvisati (IED): sono relativamente economici e facilmente armabili. Sciami armati di droni che lavorano insieme in una missione sono una minaccia asimmetrica che può rapidamente trasformarsi in una brutta situazione. In futuro, i droni dovrebbero diventare più veloci, più autonomi, più difficili da rilevare o disturbare e più letali, con attacchi di sciami più sofisticati.
Una sorta di corsa agli armamenti è tranquillamente in corso per poter contrastare eventuali contromisure contro i droni. Quindi l'esercito americano sta adottando un approccio multistrato contro i droni per occuparsi principalmente di piccoli droni (classificati come Gruppi 1 e 2), compresi quelli commerciali che puoi facilmente acquistare online e quelli con ali fisse che sembrano minuscoli aeroplani. La precisione millimetrica alla velocità della luce rende i laser ad alta energia, una forma di energia diretta, una delle opzioni più promettenti.
I droni possono rappresentare una minaccia in qualsiasi ambiente perché sono difficili da individuare e abbattere. Ecco perché, nel 2018, Raytheon Intelligence and Space ha iniziato a lavorare su un sistema di armi laser ad alta energia per aiutare le forze armate statunitensi e i suoi alleati a difendersi da loro.
"Le nostre armi laser difensive utilizzano il rilevamento automatico del bersaglio e una gamma completa di sensori elettro-ottici/a infrarossi per tracciare, identificare e abbattere rapidamente i droni a distanze tatticamente rilevanti", afferma Justin Martin, ingegnere capo per i laser ad alta energia presso Raytheon Intelligence & Spazio.
Costruire un sistema d'arma laser ad alta energia
Nel 2019, la US Air Force ha dispiegato all'estero il primo sistema di armi laser ad alta energia (HELWS) di Raytheon Intelligence & Space (vedi Fig. 1). È certificato per l'uso in combattimento e più sistemi sono già in teatro.
HELWS è un sistema di armi laser di classe 15 kW che spara un silenzioso raggio di luce nel vicino infrarosso per abbattere un drone o consegnare ciò che è noto come "uccisione dura" all'interno del regno della difesa (vedi Fig. 2). È in grado di eliminare almeno 40 droni e ha una portata abbastanza lunga (ma non rivelata).
"I nostri laser ad alta energia funzionano a terra, in aria e in mare, fornendo una copertura a 360 gradi per proteggere basi, aeroporti, stadi e altre risorse militari o civili di alto valore", afferma Martin. "Questi sistemi rinforzati sono progettati con un'architettura aperta e potenza scalabile per adattarsi facilmente alle esigenze della missione".
HELWS può essere utilizzato come sistema autonomo o essere installato su una varietà di piattaforme. "Si basa su una combinazione di tecnologie Raytheon pronte per il combattimento, tra cui un modulo laser ad alta energia e un sistema di controllo del raggio", afferma.
Il design del modulo laser ad alta energia sfrutta una combinazione di hardware commerciale, inclusi amplificatori laser in fibra commerciali standard, batterie agli ioni di litio e sistemi di gestione termica all'avanguardia. "Ridimensioniamo i nostri progetti di combinatori di fasci spettrali esistenti e la nostra architettura è allineata per ridurre le dimensioni e il peso migliorando al contempo l'efficienza", afferma Martin.
Il sistema di controllo del raggio di HELWS si basa su un sensore elettro-ottico/a infrarossi chiamato sistema di puntamento multispettrale (MTS), che ha rotazioni azimutali di 360 gradi con campo di osservazione emisferico completo. Un'ampia apertura massimizza il campo di rilevamento ottico e la capacità di prestazioni giorno/notte per operazioni 24 ore su 24, 7 giorni su 7.
"Utilizzando un'apertura comune per il sensore di traccia e il laser ad alta energia, eliminiamo qualsiasi parallasse tra l'apertura della fotocamera e l'HEL o gli errori di puntamento", afferma Martin. "Il nostro direttore del raggio può identificare minacce altamente manovrabili e seguirle passivamente, e può anche sparare il raggio laser nel punto esatto su una minaccia che vuoi prendere di mira, come un carico utile, un detonatore o un'ala".
La tecnologia laser in fibra utilizzata dal team Raytheon Intelligence & Space si sta evolvendo rapidamente, grazie alla capacità di sfruttare gli investimenti e le economie di scala del settore del taglio e della saldatura laser commerciale.
Perché i laser ad alta energia?
I laser ad alta energia offrono un numero quasi infinito di colpi, logistica minima e accuratezza di precisione con danni collaterali molto bassi, il che li rende un'alternativa conveniente alle munizioni tradizionali. Non ci sono munizioni da rifornire, inventariare o immagazzinare e l'addestramento è rapido e semplice. Una volta che hai HELWS, il costo per colpo è fondamentalmente il costo dell'elettricità per alimentarlo.
Anche i loro cugini a energia diretta, le microonde ad alta potenza, fanno parte dell'approccio multistrato del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti. Utilizza essenzialmente la stessa tecnologia delle microonde domestiche, ma è milioni di volte più potente per disabilitare tutti i droni brulicanti all'interno della fascia del suo impulso elettromagnetico.
Il dispiegamento della tecnologia a energia diretta offre vantaggi significativi rispetto agli effettori convenzionali, come missili o cannoni (pistole e obici), nonché agli effettori non cinetici come i sistemi di inceppamento elettronico e di distribuzione della rete. "Gli effettori convenzionali di missili e cannoni offrono un'uccisione dura, ma con interruzioni e costi sostanziali", afferma Martin.
È più probabile che gli impegni con i droni in sciame si verifichino vicino a strade, edifici commerciali o industriali o all'interno di aree popolate. "Il danno collaterale creato da missili o cannoni rappresenta un rischio significativo all'interno di questi ambienti", sottolinea. "Gli avversari dei combattenti di guerra comprendono il costo di questi missili e lo usano come tattica chiave per dispiegare intenzionalmente quantità significative di droni a basso costo per creare impegni proibitivi per le forze statunitensi".
Un'altra caratteristica importante dei laser ad alta energia è la loro capacità di collegarsi ai sistemi di difesa aerea esistenti, come il National Advanced Surface-to-Air Missile System, per trovare e far cadere rapidamente i droni. "HELWS migliora le capacità delle tradizionali apparecchiature tattiche di difesa aerea esistenti con sistemi energetici mirati diretti dal laser", afferma Martin. "Rileva, identifica e sconfigge rapidamente le minacce asimmetriche applicando un'energia focalizzata diretta dal laser su un punto preciso su un bersaglio per fornire un'uccisione dura con danni collaterali minimi o nulli".
Sebbene gli effettori non cinetici siano soluzioni meno costose e forniscano meno danni collaterali rispetto a missili o cannoni, semplicemente non forniscono una difesa efficace contro queste minacce. "Le tecniche di disturbo WiFi e GPS sono comunemente comprese dagli avversari e, con semplici aggiustamenti, le minacce dei droni sono resistenti a queste tecniche", afferma Martin. "A causa della manovrabilità unica e dei modelli di volo in continua evoluzione delle piccole minacce dei droni, altre soluzioni come i sistemi di distribuzione della rete si sono dimostrate facilmente evitabili".
Raytheon Intelligence & Space ha già completato l'installazione e il collaudo di laser ad alta energia su una gamma di veicoli terrestri tattici, veicoli commerciali e un elicottero d'attacco Apache.
Ingrandire
Un'arma laser più potente equivale a maggiori funzionalità, come una portata più lunga e capacità di sconfitta più rapide. "Un laser di classe 50 kW, ad esempio, può bruciare un piccolo drone di consumo in un lampo, mentre fa esplodere o deviare un mortaio in pochi secondi", spiega Martin. "In molti casi non è necessaria più potenza e il laser di classe 15 kW è la soluzione giusta."
Quando il team Raytheon Intelligence & Space aveva bisogno di più potenza gestendo i problemi termici e mantenendo la qualità del raggio, voleva passare rapidamente a un laser di classe 50 kW. Invece di utilizzare da quattro a sei moduli amplificatori laser in fibra come fanno per il loro laser di classe 15 kW, l'hanno aumentato fino a 20-25 moduli per creare una versione di classe 50 kW.
"I moduli di amplificazione laser in fibra sono elementi costitutivi robusti che possiamo impilare per ottenere la potenza e la fibra necessarie per la missione", spiega Martin. "Ma il vero trucco è allineare tutti questi fasci di luce separati in un unico raggio di luce con le giuste caratteristiche per un'arma laser."
Il piano è di continuare a ridurre le dimensioni, il peso e la richiesta di energia, che sono fondamentali per le applicazioni militari, aumentando al contempo la potenza del laser per supportare l'utilizzo di laser ad alta energia su quante più missioni e piattaforme possibili.
"Continueremo anche ad automatizzare la kill chain, con miglioramenti dell'intelligenza artificiale (AI) e dell'apprendimento automatico per affrontare il maggior numero di minacce nel più breve tempo possibile", afferma. "Un'altra sfida significativa è costruire un'arma laser in grado di gestire i rigori del campo di battaglia e rendere possibile la loro produzione efficiente all'interno di un ambiente di fabbrica".
HELWS ha anche funzionalità software per fornire una certa automazione per aiutare i soldati durante gli impegni. Ma un essere umano è ancora nel giro per l'identificazione visiva positiva dei bersagli e per prendere la decisione di impegnarsi e sparare con il laser. "L'intelligenza artificiale/l'apprendimento automatico sta svolgendo un ruolo nel continuare a far progredire l'automazione e il coinvolgimento dei sistemi per l'efficacia del ridimensionamento, poiché sempre più sistemi vengono implementati per affrontare una serie sempre crescente di minacce e scenari di minaccia", afferma Martin.
Mettere in campo i sistemi HELWS nel 2022
Il prossimo passo per i laser ad alta energia di Raytheon Intelligence & Space è mettere in campo il sistema di difesa aerea a corto raggio (DE M-SHORAD) da 50 kW con l'esercito degli Stati Uniti e insegnare ai soldati come utilizzarlo.
I soldati addestrati nei simulatori DE M-SHORAD eseguono walkthrough virtuali dell'intero veicolo e del sistema laser. Durante l'addestramento, i soldati apprendono le basi dei laser, la sicurezza dei laser e come utilizzare il nuovo sistema d'arma. Quindi, trascorrono una settimana in un ambiente virtuale prima di partecipare a esercitazioni antincendio.
Il sistema è dotato di una telecamera ad ampia apertura, in modo che i cannonieri con armi laser possano puntare su un bersaglio, monitorarlo e identificarlo positivamente, quindi premere il pulsante per sparargli.
Le troupe di DE M-SHORAD erano entusiaste di testare un'arma nuova di zecca e "lo si vedeva sui loro volti dopo aver sconfitto un drone con il semplice tocco di un dito", afferma Martin. “Erano accettati e pronti ad andare avanti con impegni più impegnativi e difficili. I cannonieri con armi laser sul sedile, che hanno abbattuto un drone dopo l'altro, ci hanno creduto dopo.
Durante le esercitazioni a fuoco vivo nel 2021 a Fort Sill, OK, i soldati hanno gestito il sistema e hanno tracciato, identificato e ingaggiato efficacemente una varietà di obiettivi. "Nel giro di pochi giorni, gli equipaggi di Stryker con tre soldati ciascuno - un autista, un comandante dell'equipaggio e un mitragliere laser - sono passati dall'addestramento al funzionamento del sistema e all'ingaggio dei bersagli", afferma Martin.
E più recentemente, nel 2022, durante quattro settimane di continue esercitazioni a fuoco vivo, un team guidato da Raytheon Intelligence & Space ha sconfitto più colpi di mortaio da 60 mm con un laser ad alta energia di classe 50 kW integrato su un veicolo da combattimento Stryker (vedi figura 3). Hanno anche sconfitto droni piccoli, medi e grandi.
Il primo prototipo operativo viene utilizzato per la caratterizzazione del sistema e le lezioni apprese vengono trasferite in quel sistema e nei restanti tre prototipi operativi in fase di costruzione. I prototipi finali saranno consegnati come plotone nel 2022.