Le Armi ad Energia Diretta, DEW (parte 2/3): sistemi d’arma laser e a microonde

(di Stefano Avolio)
01/09/21

Considerando le possibili tipologie di armi ad energia diretta e analizzando le sperimentazioni che nel mondo si sono effettuate, emerge con evidenza come le due soluzioni più promettenti siano quella delle armi a Microonde (HPM-DEW, High Power Microwave – Directed Energy Weapon) e delle armi Laser (HEL – DEW, High energy laser - Directed Energy Weapon).

Microonde: HPM - DEW

Il principio di funzionamento di un sistema d’arma a microonde è abbastanza immediato da comprendere.

Si tratta di dirigere un fascio di microonde, di una frequenza opportuna (solitamente 10Mhz ~ 100Ghz) verso un bersaglio (o un gruppo di bersagli). O addirittura contro una folla.

Concentriamoci sulle armi HPM destinate a colpire gli asset e non le persone. Espongo qui di seguito delle considerazioni generali, desunte da materiale “cleared for public release”, un po' datato ma utile per delle considerazioni di carattere generale1).

L’effetto di un flusso di microonde su un bersaglio tale da produrre un tipo di danno di classe 4 o 5 dipende dalla densità di potenza effettivamente irradiata sul bersaglio e dal sottosistema sul quale si vuole arrecare il danno (il nostro obiettivo potrebbe essere quello di neutralizzare il sistema di comunicazione, o il sistema di guida, o quello di causare un fallimento completo della missione). Ebbene, indipendentemente dal tipo di obiettivo e dal sottosistema si può constatare che la probabilità di failure (quindi di successo dell’arma) raggiunge il massimo per circa 100 Watt su cm2, ma già a 10 Watt su cm2 gli effetti sono significativi.

Per raggiungere, sul bersaglio, 10 o 100 W/cm2 quanta potenza dobbiamo irradiare attraverso l’antenna? Dipende ovviamente da quanto è distante il bersaglio (e dalle altre condizioni che determinano la dispersione di potenza dall’antenna radiante al bersaglio stesso: riflessioni, edifici, etc.), ma dipende anche da altri fattori.

Uno schema di massima per comprendere come si propaga la potenza in un sistema d’arma di tipo HPM – DEW è visualizzato nella figura 2. Al di là dei dettagli dei calcoli1 è importante mettere a fuoco alcuni aspetti qualitativi importanti sugli elementi dello schema.

Sono abbastanza note le problematiche del generatore di potenza (qualsiasi RADAR è dotato di un generatore opportunamente dimensionato), delle perdite dovute alle guide d’onda e delle perdite dovute alla propagazione (proporzionali al quadrato della distanza del bersaglio). È più interessante invece soffermarsi sulla sorgente di microonde.

Circa la sorgente di microonde possiamo far riferimento alla figura seguente per avere una panoramica delle varie tecnologie usabili (grafico ripreso da "1" e quindi inadatto a coprire evoluzioni recenti), divisa in tecnologie a vuoto e a stato solido. Prima di interpretare il grafico, è bene tener presenti i seguenti elementi:

- La frequenza cui corrisponde una maggiore efficacia delle microonde per un uso DEW è nell’intervallo tra 300MHz e 3 GHz

- Per un uso DEW è più efficace una ripetizione di impulsi con una durata da 100 ns a 1 µs piuttosto che un’onda continua

La sorgente di microonde è chiaramente l’elemento tecnologico più critico di un sistema DEW, quello su cui si fonda la potenza dell’arma, quello in cui la superiorità tecnologica di una nazione si manifesta in maniera più evidente. Non è un caso che i generatori di microonde siano inclusi nella lista dei sottosistemi “sensibili” di cui ogni stato controlla lo sviluppo, la produzione e l’esportazione (sono nella categoria 19 della lista dei materiali di armamento italiana e nella e categoria XVIII della U.S. Munition List).

Ma c’è un’altra considerazione che è opportuno fare. Lo schema di Figura 2 lascia chiaramente intravedere delle forti sovrapposizioni con un sistema RADAR. Un Radar è certo più complesso, perché è destinato a usare le microonde per investigare sullo spazio circostante e quindi ha in più, rispetto ad un sistema HPM-DEW, una parte di ricezione dei ritorni elettromagnetici ed una parte importante di processamento dei segnali. Ma la parte “bruta” di un Radar, relativa all’emissione di radiofrequenza, è presente anche in una DEW basata su HPM. E quindi facile capire come una delle evoluzioni dei radar di questi ultimi anni, ossia la tecnologia AESA di gestione attiva del fascio tramite un Phased Array, è sicuramente oggetto di studio nel campo delle armi HPM-DEW.

Giusto come rapido accenno, la tecnologia dei phased array consente di sostituire gli elementi 2, 3 e 4 della Figura 2 con una unica antenna costituita da una disposizione su un piano di moduli T/R (Transmitter/Receiver) ciascuno capace di trasmettere una porzione di fascio di microonde (e, nel caso dei radar, di ricevere il ritorno) delegando allo sfasamento dell’istante di trasmissione dei singoli moduli la possibilità di “modellare” il fascio di microonde risultante dalla emissione combinata e di indirizzarlo anche fuori dell’asse dell’antenna.

Tale tecnologia, pur precludendo in linea di principio i generatori di microonde “a vuoto”, consente una serie importante di vantaggi, tra tutti: 1) direzionalità del fascio e 2) scalabilità della potenza (più sono gli elementi radianti e più potente diventa il fascio).

Passiamo a vedere esempi di sistemi HPM-DEW in sviluppo o in uso. Premettendo, ovviamente, che sono presenti barriere alla diffusione di informazioni sensibili e che, d’altro canto, esiste la possibilità di diffusione mirata di false notizie (Information Warfare).

Un primo esempio è il prototipo THOR sviluppato dal laboratorio di ricerca della USAF2. Pensato per combattere sciame di droni, ha destato la curiosità dell’esercito USA che ha finanziato nel 2021 uno sviluppo che ha come obiettivo di dispiegare un sistema basato su HPM entro il 2024 (IFPC, "3").

Circa la situazione degli sviluppi russi, risale al 2001 la notizia della disponibilità del sistema Ranets-E7. È una sorta di cannone HPM destinato a neutralizzare (o diminuire l’efficacia) di missili/sistemi nemici. Si riesce a trovare anche qualche dato, con tutto il beneficio di inventario dovuto alle considerazioni riportate in premessa: frequenza in banda X, impulsi da 10-20 ns, 500 MW di potenza, 500 Hz di PRF, raggio di azione di 20 miglia. Non è dato sapere se sia mai stato usato o se sia semplicemente un prototipo.

Lato Cinese, pur considerando tutte le barriere alla diffusione di informazioni sensibili unite alla possibilità di diffusione mirata di false notizie (Information Warfare), parrebbe siano già state finanziate attività apposite di sviluppo per sistemi HPM (progetto 863). Sembra anche che un prototipo di arma basata su HPM sia stato installato su una nave per contrastare missili antinave4.

Prima di terminare la trattazione delle armi basate su microonde, non possiamo non citare una ulteriore declinazione dello stesso concetto, quella relativa alle bombe a microonde (E-Bomb, Electromagnetic bomb).

Una bomba a microonde è progettata per colpire asset nemici con un fascio di microonde, come le armi DEW-HPM che abbiamo visto finora, ma invece di usare un dispositivo di generazione riutilizzabile ne usa altri di tipo “one shot”, quindi non riutilizzabili. Tali meccanismi, oltre a poter essere attivati in prossimità dell’asset da colpire (in quanto montati su bombe, o anche missili), sono in grado per loro natura di generare impulsi di microonde di energia elevatissima, ad oggi non raggiungibile con i dispositivi riutilizzabili. Maggiori dettagli5.

Molto probabilmente alcune E-Bomb sono state usate dagli U.S. durante le prime fasi della guerra del Golfo6.

Laser: HEL – DEW

La seconda tipologia di dispositivi ad energia diretta che riteniamo opportuno approfondire è quella dei Laser ad alta energia (High Energy Laser, HEL).

È abbastanza intuitivo capire come un fascio laser possa essere usato per danneggiare un asset nemico, visto che a livello industriale sono già disponibili dei macchinari a taglio laser. Ma le problematiche per l’uso di un Laser come base di un sistema d’arma sono tante e di non semplice soluzione.

Un primo problema, banale da comprendere, è relativo alla disponibilità di un laser ad una potenza sufficiente per poter essere usato come arma. A differenza di un dispositivo HPM, che infligge effetti ai circuiti e sottosistemi dell’asset, un Laser lavora “riscaldando” la porzione dell’asset colpito. Ne deriva il fatto che il flusso di energia deve essere il più elevato possibile (poco adatta quindi una erogazione ad impulsi). Per poter trasformare un laser in un’arma serve quindi riuscire a generare un fascio laser “potente”.

Il secondo problema è dovuto al discorso della focalizzazione. Se prendiamo il nostro puntatorino laser da pochi euro e lo proiettiamo ad una certa distanza (basta usarlo da una finestra su una strada, quando non c’è nessuno in giro, ovviamente!) per verificare come il “puntino” che vedevamo dentro la nostra stanza risulti spalmato sull’area corrispondete ad una pallina da tennis. Ne deriviamo un concetto anch’esso immediato da comprendere: se l’energia è sufficientemente concentrata a breve distanza, comincia a diluirsi con l’aumentare della distanza.

L’idea di “focalizzare” ulteriormente il laser non è di così immediata realizzazione. Infatti il flusso luminoso del laser si comporta come un “flusso gaussiano” che segue delle sue regole ben precise ed abbondantemente studiate8. In poche parole, pur disponendo di un sistema ottico così trasparente e performante da non essere fuso dal laser stesso, non si riesce a focalizzare un laser al di sotto di un certo limite teorico.

Il terzo problema è quello… dei miraggi! Non serve andare nel deserto, basta percorrere d’estate una strada asfaltata e riscaldata dal sole per vedere le “pozze d’acqua” illusorie, dei veri e propri miraggi. È solo l’effetto della luce curvata dalle correnti d’aria ascendenti perché riscaldate dall’asfalto rovente.

Cosa c’entra con il Laser? Anche il laser è “luce”, e come la luce il suo fascio è perturbato dai movimenti dell’atmosfera che si trova tra la sorgente di emissione ed il bersaglio. Questa è una problematica comunque non irresolubile (si veda la soluzione adottata da USAF nel sistema ABL, che descriveremo nel seguito)

Il quarto problema è legato al terzo, ed è noto con il termine inglese di “Thermal Blooming”. Già abbiamo visto come le perturbazioni atmosferiche possano influenzare il fascio di un laser. Quello che a prima vista può non essere evidente è che il laser stesso, riscaldando l’aria investita dal fascio, causa per sua natura una perturbazione del mezzo in cui il fascio si propaga.

Esiste anche un quinto aspetto di cui tenere conto nell’esame di un sistema basato su HEL. Con le potenze in gioco, non solo si ha un fenomeno di Thermal Blooming, ma l’atmosfera riscaldata dal Laser è soggetta a trasformarsi in plasma. E gli effetti dell’interazione del plasma con il laser sono complicati, difficili da modellare (richiedono addirittura una trattazione a livello relativistico) e sicuramente influiscono sull’efficacia di un sistema basato su HEL. Gli sforzi economici ed accademici per modellare e trattare questa problematica appaiono essere diversi, spesso finanziati (guarda caso!) da MoD e DoD9.

Insomma: da questa carrellata di problematiche appare evidente come produrre un sistema d’arma basato su un HEL non sia semplice, non consista semplicemente nel costruire un puntatore laser un poco più grosso, ma sia centrato più nel superare le correnti limitazioni tecnologiche e ad implementare meccanismi che annullino o minimizzino gli effetti indesiderati. Ma i fatti dimostrano che invece gli sforzi su sistemi d’arma di tipo HEL-DEW ci sono e si stanno moltiplicando in numero e nell’entità del budget investito. Vediamo qualche notizia che ci possa far capire la tendenza.

Un sistema sviluppato dagli USA che è utile menzionare è l’Air Based Laser (ABL) identificato dalla sigla YAL 1A.

È consistito nell’installazione, su un Boeing 747 modificato, di un Laser ad alta energia e dei sottosistemi necessari ad un puntamento efficace del fascio. Il Laser è creato con la tecnologia COIL (Chemical Oxygen Iodine Laser) ed è un “Megawatt Class Laser”. Il Laser è generato in coda al 747 mentre sulla prua è montato un sistema di specchi (1.5 m di diametro) che direziona il raggio. Si è trattato di un progetto prototipale che è stato finanziato nel 1996, dal DoD U.S. per 1.1 miliardi di $, che ha visto l’inizio dei Flight test nel 2007 e due test, il secondo dei quali concluso la distruzione di un missile balistico dopo “qualche secondo” di irraggiamento sempre in fase di boost. Nel 2014 il sistema è stato dismesso10.

Di questo progetto sono molto interessanti le soluzioni sperimentate per far fronte agli aspetti problematici di un HEL che sono stati elencati precedentemente:

- Un sistema ad infrarossi per la scoperta iniziale del bersaglio

- Un sistema laser di illuminazione, a bassa potenza e fasci multipli (Track Illuminating Laser, TILL). Serve a determinare la distanza del bersaglio e fornire informazioni sulle condizioni atmosferiche

- Un sistema laser BEACON (un kilowatt class laser) destinato ad illuminare il target e raccogliere informazioni più accurate sulla turbolenza atmosferica onde deformare opportunamente il fascio principale (generato dal COIL) e controbilanciare gli effetti dell’atmosfera.

L’esperimento dell’ABL, ovviamente non direttamente mirato ad ottenere un sistema d’arma operativo, ha consentito di esplorare in dettaglio le problematiche di un sistema HEL-DEW, a confrontare varie soluzioni tecnologiche e a valutare una serie di soluzioni capaci di minimizzare i problemi connessi all’uso del Laser in ambito atmosferico.

Dello stesso periodo dell’ABL è il Tactical High Energy Laser (THEL), programma congiunto di Israele e USA iniziato nel 1996. Rispetto all’ABL è un sistema HEL a corto raggio, ground based, pensato anche in versione mobile (MTHEL). I risultati sono stati accettabili, ma fortemente influenzati dalle condizioni atmosferiche e quindi costrette ad un raggio operativo molto ridotto.

Se l’ABL è stato dismesso dagli USA nel 2014, è invece operativo un sistema Laser della U.S. Navy, il Laser Weapon System (LaWS).

Il Sistema nasce in una sezione sperimentale della U.S. Navy (Naval Surface Warfare Center, NSWC) prima del 2010. Nel 2010 viene ingaggiato (11M$) un fornitore (Kratos Defense & Security Solutions) per supportare lo sviluppo.

Il risultato si vede nel 2014, quando viene installato e dichiarato operativo sull’unità di trasporto anfibio USS Ponce11.

Si tratta di un laser con una classe di potenza 10-50 KW capace di neutralizzare piccoli aerei o imbarcazioni veloci. Il motivo principale del suo uso operativo è il basso costo: 59 centesimi di dollaro per tiro contro la spesa di decine o centinaia di migliaia di dollari per un missile.

Le impressioni degli utilizzatori sono state molto positive, tanto è vero che il sistema verrà spostato su una nuova unità in previsione della dismissione della USS Ponce.

A testimoniare l’interesse della Navy, nel 2018 Lockeed Martin si è aggiudicata un contratto di 150M$ (programma HELIOS) per la produzione di altri due sistemi simili. Sono facilmente rintracciabili in rete video sui test del LaWS contro una piccola imbarcazione ed un UAV (v.link). Non ci sono dati sulla distanza dei target, tuttavia appare dai video che non siano più distanti di qualche Km. E comunque sono target con dinamiche “modeste”.

Fuori dagli USA è importante citare una installazione di un laser su un Ilyushin Il-76 (progetto Beriev A-60) da parte della Unione Sovietica nei lontani anni 70, della quale non si hanno molte notizie a parte la presunta potenza (1MW), ma che è importante perché ha dato poi origine al progetto Sokol-Eshelon che sembra sia mirato a disturbare i satelliti nemici (secondo qualche fonte, ha illuminato un satellite giapponese nel 200912.

Se poco si sa dei sistemi russi, ancora di meno si sa dei sistemi HEL-DEW cinesi. Ma è sicuro che la Cina sta investendo da tempo nel campo, se è vero che il report annuale del 2006 del DoD U.S. cita come la Cina sia impegnata in “state-of-the-art research and development in laser technologies, including both low- and high-energy lasers” (ricerche allo stato dell’arte e sviluppo su tecnologie Laser, inclusi laser a bassa ed alta energia). Sembra anche che nel 2013 i cinesi abbiano attaccato un satellite spia americano con i laser14.

Chiudiamo questa veloce carrellata con Israele. È recente la notizia che anche Israele ha effettuato un test su un sistema Laser13. Il sistema, montato su un piccolo aereo CESSNA, è riuscito a neutralizzare un UAV distante circa un Km. Sono anche citati diversi altri test a varie altitudini. Quello che è importante in questo esperimento è: UNO che Israele (che ha esigenze evidenti di difesa del proprio territorio) sta investendo nel campo ed ha già raggiunto risultati tangibili, DUE che è riuscito ad installare il sistema su un piccolo aereo (l’ABL ha richiesto l’adattamento di un 747) e TRE che il Ministro della Difesa ed il responsabile dello sviluppo di IAF hanno delineato chiaramente un percorso di sviluppo che vede come tappa finale un Sistema HEL-DEW da 100Kw operativo nel 2024 e schierato lungo la frontiera di Gaza.

Leggi anche: "Le Armi ad Energia Diretta, DEW (parte 1/3): introduzione e classificazione"

Leggi anche: "Le Armi ad Energia Diretta, DEW (parte 3/3): considerazioni sui sistemi e prospettive d’uso"

1 High Power Microwave Technology and Effects, University of Maryland short course for MISC (Missile and Space Intelligence Center) at Redstone Arsenal (https://user.eng.umd.edu/~vlg/MSIC%20lectures.pdf)

2 THOR, https://afresearchlab.com/technology/directed-energy/successstories/coun...

3 Nuovo sviluppo HPM, https://www.defensedaily.com/topic/indirect-fire-protection-capability-i...

4 HPM antinave cinese, https://www.uscc.gov/sites/default/files/Fisher_Combined.pdf

5 E-Bomb, http://www.ausairpower.net/PDF-A/AOC-PACOM-Kopp-Oct-2012-A.pdf

6 E-bomb nella guerra del golfo, https://www.globalsecurity.org/military/systems/munitions/hpm.htm

7 Ranets-E, HPM russo, https://thaimilitaryandasianregion.wordpress.com/2016/01/19/ranets-e-hig...

8 Gaussian Beam Propagation, https://www.edmundoptics.com/knowledge-center/application-notes/lasers/g...

9 The intense laser-plasma interaction proposal, https://www.osc.edu/sites/default/files/page-files/Major%20Proposal%20Ex...

10 ABL program, https://www.airforce-technology.com/projects/abl

11 Laws declared operational, https://www.military.com/daily-news/2014/12/10/navy-declares-laser-weapo...

12 Sokol-Eshelon Test, http://russianforces.org/blog/2011/10/russia_has_been_testing_laser.shtml

13 Israel Laser test, https://www.jpost.com/israel-news/israel-successfully-downs-targets-usin...

14 High Energy Laser Directed Energy Weapons technical report, http://ausairpower.net/APA-DEW-HEL-Analysis.html#mozTocId698123

Foto: U.S. DoD / University of Maryland / web / U.S. Navy

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