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Freitag, 1. November 2013

Welcome to HEL - Hochenergielasereffektoren, eine Technologie mit Strahlkraft


Bonn/Studen, Schweiz (ww) Sie sind hochpräzise, geräuschlos, verfügen über eine enorme Reichweite, starke Wirkung und lassen sich hinsichtlich ihrer Intensität skalieren. Damit eignen sich Laserstrahlen hervorragend zur Abwehr gegen eine Vielzahl der in heutigen konventionellen und asymmetrischen Konflikten vorkommenden Bedrohungen.
HEL on wheels: Mobile HEL Effector Wheel XX
Foto: Jan-P. Weisswange

Wie vielseitig sich Hochenergielaser (HEL)-Effektoren in heutigen Einsatzszenarien einsetzen lassen, führte Rheinmetall Ende Oktober 2013 bei seiner 4. HEL Live Firing Demonstration vor. Anlass genug für den S&T-Blog, sich einmal grundsätzlich dieses Themas anzunehmen.

Fakten, Fakten, Fakten - und immer an die LASER denken
Die Raumschiffe „Searcher“, „Millenium Falcon“ oder „Comet“ führen sie als Standardausstattung, für die Fans der Science-Fiction-Helden Buck Rogers, Han Solo und Captain Future (bürgerlich: Curtis Newton) hingegen sind sie noch ferne Zukunftsmusik: Laserwaffen. Doch spätestens seit den frühen 1980er Jahren hat die Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung, oder englisch „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER)“ erhebliche Fortschritte gemacht. Die Lasertechnologie erlaubt etliche Anwendungen: Optische Messgeräte oder Schweiß- und Schneidwerkzeuge in der Industrie nutzen dieses von dem US-Physiker Gordon Gould (1920 - 2005) erstmals 1957erwähnte Verfahren bereits.
Kein Wunder, daß seit Jahrzehnten für militärische Laser-Anwendungen geforscht wird, auch in Deutschland. Die Bundesrepublik ist aufgrund ihrer leistungsfähigen Industrie – gerade im Bereich der Optik, Optronik oder Elektronik – das Laserland überhaupt. Zu den Firmen, die hierzulande im militärischen Anwendungsbereich sehr aktiv sind und über deren Aktivitäten der S&T-Blog bereits wiederholt berichtet hat, gehört neben Rheinmetall noch MBDA.
Rheinmetall befasst sich seit den frühen 1980er Jahren mit den möglichen Waffenanwendungen der Laser-Technologie. Der Schwerpunkt der folgenden Betrachtungen liegt daher auf den Aktivitäten des Düsseldorfer Systemhauses.

Wirkung, Aufbau und Funktion von Laserwaffen
Ein wenig Theorie vorweg: Seine Wirkung erreicht der Laser durch die Konzentration der Laserleistung auf kleinste Flächen im Ziel. Ähnlich wie bei vielen zivilen Anwendungen lösen inzwischen vor allem Hochenergie-Festkörperlaser die früher verbreiteten Gaslaser, etwa CO2 Laser ab.
Zu den Schlüsselkomponenten einer HEL-Waffe gehören zunächst die Laserquelle und das Strahlführungssystem, in dem die Unterbaugruppen Feinimagingsystem (FIS), Feintrackingsystem (FTS) und falls notwendig adaptive Optik (AO) untergebracht sind. Die Energieversorgungs- und Kühlungsanlage runden das System ab.
Air Defence HEL-Effector 30 kW in einem Skyshield-Geschützturm eingerüstet.
Foto: Jan-P. Weisswange


Im Air Defence Szenario erfolgt die Detektion des Zieles durch ein übergeordnetes Radarsystem. Aufgrund der ermittelten Daten wird das Strahlführungssystem auf das Ziel grob ausgerichtet.  Das Feinimagingsystem (FIS) klärt das Ziel sodann genauer auf und identifiziert verwundbare Punkte für die Bekämpfung. Das Feintracking-System stellt nun sicher, daß der Laserstrahl trotz der Bewegungen des Zieles immer auf den ausgesuchten verwundbaren Punkt im Ziel konzentriert wird. Die Adaptive Optik kompensiert falls notwendig den negativen Einfluss der Atmosphäre auf die Fleckgröße im Ziel.

Vorteile der Laserwaffen
Laser- und besonders Hochenergielaser (HEL)-Waffen bieten gegenüber konventionellen Effektoren etliche Vorteile. An erster Stelle stehen die hohe Treffgenauigkeit und verzögerungsfreie Wirkung. Da sich die Photonen mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, ist die „Geschossflugzeit“ selbst gegen schnelle Ziele auf großen Entfernungen vernachlässigbar. Ein Vorhalterechner ist daher ebenso nicht notwendig, vielmehr gilt: „Wohin man sieht trifft man auch hin“. Anders als in Science-Fiction-Filmen dargestellt, schießen Laserwaffen zudem lautlos. Es gibt keine Mündungsblitze oder Abschußsignaturen. Ebenso entsteht kein Rückstoß. Insofern wirken – wenn überhaupt – nur geringe Kräfte auf die Struktur der Waffenplattform. Die Positionierung des Lasers kann nahezu unabhängig von der Masseverteilung auf der Trägerplattform erfolgen. Für das Feinpointing – das punktgenaue Wirken des Strahls auf eine genau definierte Stelle – müssen nur geringe Massen – meist nur ein kleiner Spiegel  – bewegt werden. Die elektrische Anregung der Festkörperlaser macht schließlich die Munitionslogistik obsolet. Die Waffen verfügen über einen nahezu unbegrenzten Schußvorrat. So lange das Aggregat Strom liefert, kann der Laser bekämpfen. Pro Schuss entstehen nur geringe Kosten.
Die Intensität der Strahlen lässt sich innerhalb von Millisekunden in der Stärke anpassen. So ist ein skalierbares Eskalationspotential gegeben – ein nicht zu unterschätzender Vorteil gerade in asymmetrischen Konflikten. Zudem vermeidet die hohe Präzision Kollateralschäden. Weiterhin ergeben sich Dual-Use-Möglichkeiten. So steht etwa mit dem Strahlführungssystem des Lasers eine sehr leistungsstarke Optik für weitere Beobachtungs- und Aufklärungsaufgaben zur Verfügung. 
Ebenso nicht zu unterschätzen ist der heute mögliche Rückgriff auf handelsübliche (Commercial off the Shelf/COTS) Komponenten aus dem industriellen Bereich, die bereits per se auf lange Leistungsdauer und Stabilität ausgelegt sind. Doch auch konstruktionsbedingt gibt es bei Laserwaffen kaum Verschleißkomponenten, was sich in einer hohen Lebenserwartung der Systeme, geringer Wartung sowie einer wenig aufwendigen Materialerhaltung widerspiegelt.
Rheinmetall baut seine Laserwaffen modular auf, wobei der Hochenergielaser und das Strahlführungssystem die Hauptbestandteile bilden. Dieses Konzept ermöglicht es, Laserwaffensysteme mit variablen Gesamtleistungen zu realisieren. Auch die Adaption an unterschiedliche, bereits bestehende und zukünftige Waffenplattformen unter Verwendung nahezu identischer Komponenten der Laserwaffenmodule ist möglich. So lässt sich die Lasertechnologie in bereits vorhandene Komponenten integrieren, teure Einzelanfertigungen unterbleiben. Zudem lassen sich HEL-Waffen in ein Wirksystem mit anderen Effektoren einbinden.
Trotz aller Skalierbarkeit kann bereits das Blenden durch schwache Laserstrahlen schädliche Auswirkungen auf den menschlichen Organismus haben. Rheinmetall hat daher früh die Entscheidung getroffen, Lasertechnologie ausschließlich zum Wirken gegen Materie zu beschränken. Mögliche Einsatzzwecke sind daher die Zerstörung von Raketen, Artillerie- Mörsergranaten und Missiles (Counter-RAMM), das Bekämpfen von Drohnen und Unmanned Aerial Vehicles (UAV) oder die Speedbootabwehr. Auch die Räumung nicht explodierter Kampfmittel (Unexploded Ordnance/UXO) oder improvisierter Sprengladungen (Improvised Explosive Devices/IED’s) gehört zu den derzeit angestrebten Verwendungen.

HEL on Wheels – mobile Hochenergielaser-Effektoren
Welche Einsätze von Laserwaffen bereits heute möglich erscheinen, stellte Rheinmetall zuletzt Mitte Oktober 2013 bei seiner 4. HEL Live Firing Demonstration im firmeneigenen Erprobungszentrum Ochsenboden einem nationalen und internationalen Fachpublikum vor. Dazu hatte das Systemhaus erstmalig in Europa drei unterschiedliche Fahrzeug-Plattformen mit Hochenergielasereffektoren ausgestattet, die vielseitige taktische Einsatzmöglichkeiten dieser mobilen zukunftsträchtigen Effektoren vorstellten.
Als Plattformen für die mobilen HEL-Effektoren dienten ein modifizierter Transportpanzer M113 mit einem 1kW-HEL-Effektor („Mobile HEL Effector Track V“), ein geschützter Container-Tieflader Tatra/Drehtainer mit containerisiertem 20kW-HEL-Effektor (Mobile HEL Effector Container L“) sowie ein Gepanzertes Transportkraftfahrzeug GTK Boxer mit einem (verfügbarkeitsbedingt nicht 10kW sondern) 5kW HEL-Effektor (Mobile HEL Effector Wheel XX). Die römischen Ziffern V, L und XX bezogen sich auf die jeweiligen Laserklassen 5kW, 50kW und 20kW. Der in einen Skyshield-Geschützturm eingerüstete Air Defence HEL-Effektor verfügte über eine Leistung von 30kW.

Kampfmittelräumung
In der 5kW-Laserklasse demonstrierte der M113 Mobile HEL Effector Track V Einsatzmöglichkeiten bei der Kampfmittelräumung und Beseitigung von Sperren.
Mobile HEL Effector Track V mit eingerüstetem 1kW-Laser.
Foto: Jan-P. Weisswange
 Aus sicherer Entfernung und aus dem geschützten Fahrzeug heraus detektierte die Besatzung Minen und unkonventionelle Sprengladungen, bestrahlte sie mit dem Laser und deflagrierte sie in Sekundenschnelle. Anschließend durchtrennte sie aus rund 70 Meter Entfernung Stacheldrähte.

Eskalations- und Deeskalationspotential
Ein großer Vorteil der Lasereffektoren ist – wie erwähnt – ihre hohe Flexibilität bezüglich Eskalations- und Deeskalationspotential. Das folgt zum einen aus der skalierbaren Wirksamkeit der Laserstrahlen. Zum anderen können HEL-Effektoren durch Bekämpfung von Optiken, Funkantennen oder Radaren, Munition oder Energieversorgung ganze Waffensysteme lähmen, ohne diese zu zerstören. Dies demonstrierte der Mobile HEL Effector Container L in der 50kW-Laserklasse.
Mobile HEL Effector L mit eingerüstetem 20 kW-Laser.
Foto: Jan-P. Weisswange
Aus bis zu 2000 Metern aufgeklärte Optiken wie etwa Waffenoptiken oder ferngesteuerte Kameras wurden in Sekundenschnelle detektiert, verfolgt („getracked“) und anschließend durch Laserstrahlen zerstört. Ebenso konnte der HEL-Effektor in kürzester Zeit das Stromversorgungskabel eines Radarmastes durchtrennen. Als weitere Eskalationsstufe folgte dann der Mast selbst. Etwas Gefechtslärm verursachte dann der Laserschuss auf eine Munitionskiste, wobei deren Inhalt deflagriert wurde. Damit endete diese Vorführungsphase.

Mobile HEL Effector XX mit eingerüstetem 5 kW-Laser.
Foto: Jan-P. Weisswange
Auch der auf dem GTK Boxer basierende Mobile HEL Effector Wheel XX in der 20kW-Klasse wirkte zunächst gegen ein statisches Ziel. Per Laserschuss setzte er zunächst einen Benzinkanister in Brand. Phantasievoll gestaltete sich das folgende Szenario. Hier bauten die Rheinmetall-Konstrukteure ein in heutigen Krisengebieten oft genutztes Gefechtsfahrzeug nach: Ein „Technical“, bestehend aus einem Pickup-Geländewagen mit einem Oerlikon-Flak auf der Ladefläche.
Ein "Technical", stilecht mit "Klingone" an der Oerlikon-Flak.
Foto: Jan-P. Weisswange
Ferngesteuert fuhr dieses „Technical“ quer zum in Stellung befindlichen HEL-Boxer. Der bestrahlte gezielt eine im Munitionsgurt befindliche Patrone, woraufhin sie deflagrierte.
Die per HEL-Effector deflagrierte Patrone. Foto: Jan-P. Weisswange

Somit war die Waffe lahmgelegt, ohne daß der Bediener dabei ernsthaft gefährdet gewesen wäre.

VTUAV-Abwehr
Gemeinsam mit dem Skyguard-Radar des Air Defence HEL-Effektors demonstrierte der Mobile HEL Effector Wheel XX darüber hinaus die komplette Wirkungskette gegen Drehflügler-Drohnen. Diese „Vertical Takeoff Unmanned Aerial Vehicles(VTUAV) gehören zum neuartigen Bedrohungsspektrum „low, slow, small“ innerhalb der bodengebundenen Luftverteidigung. So lassen sich VTUAV durchaus mit Aufklärungsoptiken oder gar Waffen bestücken und auch für terroristische Aktivitäten nutzen - wie etwa in diesem FPS Russia youtube-Video zu sehen. Auf dem Ochsenboden simulierte ein Octocopter mit einer Kamera eine gegnerische Aufklärungsdrohne in einem „low, slow, small“-Szenario. Nach schneller Aufklärung und Identifizierung durch das Skyguard-Radar lähmte zunächst die HEL-Waffenstation die VTUAV-Aufklärungsdrohne, indem sie deren Optronik zerstörte.
Die verschmorende Optronik hinterlässt eine deutlich sichtbare Rauchwolke
unter dem Octocopter. Foto: Jan-P. Weisswange




Einen zweiten Anflug beendete dann der HEL-Boxer. Während das Skyguard-Radar wiederum Detektion und Identifikation übernahm, führte der HEL-Boxer Grob- und Feintracking durch und brachte den Octocopter per Laserstrahl zum Absturz.

C-RAMM
Darüber hinaus demonstrierte auch der Air Defence HEL-Effektor die Leistungsfähigkeit von HEL-Wirkverbunden im Bereich der Flugabwehr. Keine große Herausforderung stellte es für den 30kW-Laser dar, eine 82-mm-Mörsergranate auf 1000 Meter Entfernung in rund vier Sekunden zu deflagrieren. Im anschließenden C-RAMM-Szenario galt es, ballistisch verschossene Kleinstziele zu bekämpfen.
C-RAMM-Ziele. Foto: Jan-P. Weisswange
In zwei Vorführungen entdeckte, identifizierte, verfolgte und bekämpfte der Demonstrator einmal fünf von fünf und einmal vier von fünf kurz hintereinander per Luftdruck verschossenen Stahlkugeln mit 82 mm Durchmesser. Die mit Sprengstoff gefüllten Kleinstziele hinterließen lediglich ein Rauchwölkchen im Luftraum.

Abwehr strahlgetriebener UAV‘s
Den Höhepunkt der 4. Rheinmetall HEL Live Firing Demo bildete schließlich der erfolgreiche Abschuss dreier kurz hintereinander ins Zielgebiet einfliegender Zieldrohnen mit Düsenantrieb.

Trefferblitz! Foto: Jan-P. Weisswange
Von den Laserstrahlen unsichtbar und lautlos beleuchtet, rauchten die Fluggeräte des Typs JT240 kurz auf, es folgte jeweils eine kleine Explosion und anschließend schmierten sie ab. Mit diesem Szenario endete zugleich die beeindruckende Vorführung.

Weitere Anwendungen: Duale Rohr- und Laserwaffen
Auf mittlere bis weitere Sicht erscheint es durchaus wahrscheinlich, daß HEL-Effektoren konventionelle Effektoren in einem Waffensystemverbund ergänzen. Doch auch duale Anwendungen, also Waffenplattformen mit integrierten herkömmlichen und Laserwaffen, lassen sich realisieren. So kombinierte Rheinmetall ein Marine-Leichtgeschütz (MLG) 27 mit einem HEL-Laserwaffentechnologiedemonstrator – und realisierte damit erstmals eine duale Rohr-Laserwaffe. Weiterhin bildet das MLG 27 nach einem Industrieroboter (2010) und dem Oerlikon-Revolvergun-Waffenturm (2011/12) nunmehr die dritte Plattform, die Rheinmetall erfolgreich mit einer HEL-Waffe ausgerüstet hat
Rheinmetall verwendete bei diesem Vorhaben ein 5 kW Laserwaffenmodul, das mit den 20kW- und 30kW-Laserwaffenstationen eine sehr große Ähnlichkeit besitzt. Die bewährte Technologie des Strahlführungsmoduls wurde auf die MLG-Waffenplattform adaptiert. Für die Versuche wurde es mit einem 5 kW-Hochenergielaser betrieben. Aufgrund des modularen Aufbaus der Laserwaffenmoduls  lässt sich das Strahlführungsmodul mit unterschiedlich starken Lasern zwischen drei und zehn Kilowatt Laserleistung bestücken.
In zahlreichen Tests in seinem Erprobungszentrum Unterlüß (EZU) in der Lüneburger Heide wies der Rohr-Laserwaffen-Technologiedemonstrator seine Fähigkeiten bezüglich Tracken und Bekämpfen nach. Schwerpunkt der Untersuchungen war das Zusammenspiel zwischen dem Grobtracking der MLG-Waffenplattform und dem Feintracking des Strahlführungsmoduls des Laserwaffen-Technologiedemonstrators. Hierzu wurden unterschiedliche Land- und Luftziele erfolgreich getrackt. Dabei wurde mit der Originalsteuerung des MLGs mit dem Joystick das optisch detektierte Ziel und das mechanische Tracking aufgeschaltet, das Ziel wurde dann mechanisch grob von der Waffenplattform verfolgt. Auf das mechanisch verfolgte Ziel wurde dann das optische Tracking des Strahlführungsmoduls aufgeschaltet und die Trackgenauigkeit so um zwei Größenordnungen auf die Anforderungen der Laserwaffe gesteigert.
Nachdem das MLG 27 nun zur Familie der potentiellen zukünftigen Plattformen für eine HEL-Waffe gehört, untersucht Rheinmetall derzeit weitere seiner Waffentürme und -plattformen im Hinblick auf Kompatibilität mit HEL-Waffen.

Maritime Anwendungen
Unabhängig von der dualen Anwendung mit dem MLG 27 entwickelt Rheinmetall weitere Konzepte, Hochenergielaserwaffen an Bord von Marineeinheiten einzusetzen. Solche Effektoren ließen sich in das Führungs- und Waffeneinsatzsystem (FüWES) der Einheit einbinden, um mit der Sensorik, der Zielbewertungshard- und software und dem Grobtracking der übrigen Bewaffnung zu korrespondieren. Aufgrund der unproblematischeren Energieversorgung auf Schiffen erscheinen Stärken von 100kW realistisch. Bei einem Gesamtgewicht von unter drei Tonnen und einem Platzbedarf von etwa 12,5 Kubikmetern insgesamt könnte eine Hochenergie-Laserwaffe auf Wirkreichweiten von bis zu zehn Kilometern kommen. Das erlaubt im maritimen Bereich eine angemessene Reaktion auf eine Vielzahl heutiger Bedrohungen – von der ungeräumten Ankertaumine über das Speedboat bis hin zum Lenkflugkörper.

Ausblick
Trotz ihrer vielen Vorteile werden HEL-Effektoren konventionelle Waffen selbst auf längere Sicht nicht ersetzen, sondern ergänzen. Aber selbst Buck Rogers, Han Solo und Captain Future greifen in ihren Abenteuern auch zu konventionellen und unkonventionellen Mitteln und Methoden, um zum Ziel zu kommen.

Text und Bilder: Copyright by Dr. phil. Jan-Phillipp Weisswange 2013

Kommentare:

  1. Auf dem "Technical" steht eine Oerlikon KAB Kanone und nicht ein 14.5mm MG.

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  2. Der Kommentar wurde von einem Blog-Administrator entfernt.

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