DOW-UAP-D143, AAWSAP DIRD, ננו-לוויינים מסוג Lightcraft בהנעת לייזר, נובמבר 2010

מסמך עזר מודיעיני ביטחוני (DIRD) בן 77 עמודים, שהוכן בחטיבת אזהרת הטכנולוגיה של משרד האזהרה הביטחונית בסוכנות המודיעין הביטחוני (DIA), נושא את התאריך 1 בנובמבר 2010 ואת הכותרת "Laser Lightcraft Nanosatellites". המחבר מופיע רק בכינוי "AAP Person 58". המסמך בוחן אם כלי טיס זעירים המונעים באלומת לייזר מן הקרקע, מן הים או מן האוויר, הקרויים Lightcraft, יכולים לשגר ננו-לוויינים ופיקו-לוויינים למסלול נמוך בעלות נמוכה בהרבה מרקטות רגילות. לצד ההנעה עצמה הוא סוקר את טכנולוגיות הלוויינים הזעירים, משימות צבאיות אפשריות, נחילי לוויינים, לייזרים רבי-הספק ומערכות לשליטה באלומה.

רקע

המסמך הוא חלק מסדרת דוחות טכנולוגיה מתקדמת שהופקו בשנת הכספים 2010 במסגרת תוכנית יישומי מערכות נשק תעופתיות-חלליות מתקדמות (AAWSAP) של משרד האזהרה הביטחונית. בשער ובהערות המנהליות שם התוכנית מופיע בצורה "AAWSA". מסמכי DIRD הם תוצרי עזר וסינתזה, שנועדו לרכז ידע קיים בנושא מסוים לשימוש אנליטי, ולא מחקר מקורי. המסמך מסווג UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY, מועד סגירת המידע שלו (ICOD) הוא 30 באוגוסט 2010, והוא כולל אזהרת זכויות יוצרים שאוסרת הפצה נוספת של התצלומים שבו.

רעיון ה-Lightcraft, כפי שהמסמך מציג אותו, הוא שהכלי אינו נושא את מקור האנרגיה שלו: לייזר מרוחק משדר אליו פולסים, והאוויר הסביבתי משמש חומר עבודה. המחבר טוען שזו עשויה להיות "השיטה החדשה הראשונה להגיע למסלול מאז סוף שנות ה-50".

מה כתוב במסמך

המסמך בנוי מסיכום פותח, חמישה פרקים ורשימת מקורות. הסיכום הפותח מגדיר את קטגוריות הלוויינים הממוזערים: לוויין ממוזער הוא בדרך כלל מתחת ל-500 ק"ג; מיני-לוויין שוקל 100 עד 500 ק"ג (מסה רטובה, כולל דלק), מיקרו-לוויין 10 עד 100 ק"ג, ננו-לוויין פחות מ-10 ק"ג ופיקו-לוויין 0.1 עד 1.0 ק"ג. לפי המסמך הסיבה העיקרית למזעור היא עלות: משגר קטן וזול, שיגור "על הגב" של משגר גדול וייצור המוני, אף שבפועל כמעט רק קבוצות לווייני תקשורת יוצרו כך. הוא מונה משימות שרק לוויינים קטנים מאפשרים, כמו 100 ננו-לוויינים או יותר המשוחררים מ"ספינת אם", ודורש עמידות בקרינה של 100 קילוראד לפחות בשנתיים ועלות חוזרת של עד 500 אלף דולר ליחידה. הסיכום נקטע באמצע משפט, כי העמוד שאחריו חסר.

פרק 1 - טכנולוגיות ננו-לוויין

הפרק סוקר את מערכות המשנה של ננו-לוויין, אחת אחת:

• הנעה: לשני תפקידים, הגבהת אפוגיאה ושינוי כיוון ציר הסחרור. המסמך מפרט דרישות למנוע שינוי מהירות (מתקף כולל 3,000 עד 7,000 ניוטון-שנייה, דחף מרבי 445 ניוטון, מתקף סגולי 280 שניות) ולמנועי בקרת הכיוון (מתקף מינימלי 0.044 ניוטון-שנייה, זמן תגובה מתחת ל-0.005 שנייה). ההצעה שהמחבר מכנה חדשנית היא להשתמש באותה מערכת לייזר ששיגרה את הלוויין גם לתמרונים במסלול. מוזכרים מחוללי גז מוצקים ממוזערים של MOOG ושל Lockheed-Martin Space Systems, רכיבי MEMS ומנועים חשמליים מסוג פלזמה פולסית ו-MEMS FEEP.
• הנחיה ובקרה: חיישן שמש ממוזער מתחת ל-0.25 ק"ג ברזולוציה של 0.1 מעלה, מחוון אופק בדיוק של 0.05 מעלה, ו-GPS על הלוויין כדי לוותר על חישובי מסלול בקרקע.
• פיקוד וטיפול בנתונים: יחידה של 0.5 ואט ו-0.25 ק"ג עם אחסון של 2 ג'יגה-ביט ועמידות מעל 100 קילוראד, באריזה של 6 על 6 ס"מ; מוזכרים מודול רב-שבבי של Pico Systems Inc. ושבב CULPRiT.
• הספק: לוויין בצורת דיסקה של 0.3 על 0.1 מטר יפיק רק כ-4.0 ואט ביעילות 15%, או 6.2 ואט עם תאי GaAs. 12 סוללות ליתיום-יון בגודל AA (480 גרם) מספקות כ-2 אמפר-שעה ב-3.3 וולט.
• תרמי: שלוש תצורות נבחנו לליקוי של עד שמונה שעות. בתצורה הראשונה הטמפרטורה הפנימית יורדת בכ-60 מעלות, ובשלישית, עם לולאה דו-פאזית, ב-6 מעלות בלבד.
• תקשורת: משדר של 0.5 ק"ג ו-0.5 ואט, עד 100 קילוביט לשנייה, בתדר 8,470 מגה-הרץ, בטווח של 3 עד 5 רדיוסי כדור הארץ.
• מבנה וחומרים: מבנה מקשה אחת, לוחות חלת דבש בציפוי יהלום, "סוללה מבנית", ובין החומרים סגסוגת אלומיניום-בריליום וננו-צינוריות פחמן, שהמסמך מכנה Buckytubes. למשימות של 100 עד 1,000 לוויינים מוצעות בדיקות על מדגם.
• תחנות קרקע ואוטונומיה: שתי תחנות בצדדים מנוגדים של כדור הארץ מספיקות, ומאחר שלוויינים במסלולים רחוקים יהיו מחוץ לקשר כמעט שבוע, "סוכן" תוכנה על הלוויין יזהה ויתקן תקלות.

פרק 2 - הנעת Lightcraft בלייזר

הפרק מתאר את גרסת מעבדת המחקר של חיל האוויר (AFRL) בבסיס אדוארדס, קליפורניה, שפועלת בשני מצבים: נשימת אוויר עד מאך 5 וגובה 30 ק"מ, ורקטה תרמית בלייזר מעל האטמוספרה, עם חומר עבודה נוזלי, גזי או אבלציה של Delrin. איור 1 מציג את ה-X-25LR של חיל האוויר בקוטר 25 ס"מ; דגם המשך, ה-X-50LR (קריאה לא ודאית), כפול בקוטרו. הצילומים באדיבות F. Mead מ-AFRL.

הכלי נראה מהצד כמו "בלוט שמן", ובתחתיתו מראה פרבולית מלוטשת. הוא קולט 25 פעם בשנייה פולסים של קילו-ג'ול מלייזר אינפרה-אדום קרקעי, כל פולס באורך 18 מיקרו-שניות, והאוויר שבמוקד הופך לפלזמה של 10,000 עד 30,000 קלווין בלחצים של עשרות אטמוספרות. המסמך משווה את מנוע הפולסים לזה של הפצצה המעופפת הגרמנית V-1.

בפרק ההיסטוריה נכתב שהרעיון נולד בתוכנית SDIO בסוף שנות ה-80, ובשנות ה-90 פותח בתוכנית משותפת של מרכז מרשל של NASA ושל AFRL. בניסויים במתקן HELSTF שבטווח הטילים White Sands, עם לייזר CO2 של 10 קילוואט של צבא ארצות הברית, הגיע הכלי לגובה 43 מטר בטיסות של 2 שניות, טס על כבל הנחיה אופקי של 121.9 מטר במשך 10 עד 20 שניות, ובהמשך מוזכר גם גובה של 38.7 מטר. לייק מיירבו (Leik Myrabo) מ-Rensselaer Polytechnic Institute דיווח ב-2009, בתקשורת פרטית, על 68 מטר. המחבר משווה זאת לרקטה של Goddard ממרץ 1926, שעלתה 12.5 מטר. אב הטיפוס בקוטר 10 ס"מ ובמשקל 20 עד 40 גרם, עשוי אלומיניום 6061-T6 וללא דלק; חמישה דגמים נוסו.

לפי המסמך, Lightcraft הוא כלי חד-שלבי ורב-פעמי עם מתקף סגולי "כמעט אינסופי", שבר מטען של 50% עד 95% ועלות שיגור של 20 עד 600 דולר לק"ג, בדרישת הספק של 0.1 עד 1 מגה-ואט לכל ק"ג של כלי. מחקר של Froning ו-Davis עבור AFRL מצא מסות המראה קטנות פי 45, 80 ו-360 מרקטות רגילות למטענים של 10, 5 ו-1 ק"ג, ועלויות קטנות פי 3, 5 ו-15. התצורה שנבחרה שם היא לייזר של 10 מגה-ואט באורך גל של 1.62 מיקרון עם מפתח של 10 מטר, המאפשר מסת המראה של 8 ק"ג ומסה של כ-4 ק"ג במסלול.

המסמך מדגיש שאורך הגל קריטי: אובדני ההספק באטמוספרה הם 75% עד 99%, וזווית ההצבעה הסופית מגיעה ל-83 מעלות מהאנך בטווח של כ-500 ק"מ. לייזר אלקטרונים חופשיים ב-1.62 מיקרון מגיע כיום לכ-20 קילוואט בלבד, ולכן נדרשת הגדלה פי 500. טבלת עלות מחזור החיים (טבלה 1) מניחה 1,000 שיגורים בשנה של מטען של 2.0 ק"ג: עלות התוכנית 741.41 מיליון דולר, כלומר 74,141 דולר לשיגור, מתוכם רכש לייזר של 10 מגה-ואט ב-624.762 מיליון. הלייזר הקרקעי הוא כ-80% מעלות מחזור החיים, והעלויות הקשורות ללייזר בכלל כ-92%. בין הסעיפים השנתיים מופיע תיאום עם NORAD ועם ה-FAA.

פרק 3 - מחקר בחירת משימות

הפרק נקרא "Laser Lightcraft Weapon Mission Selection Study". מסקנתו המרכזית היא שהמשימה המבטיחה ביותר היא הצבת ננו-לוויינים של עד 3 ק"ג לתצפית על כדור הארץ ועל החלל במסלול נמוך. הכלי עצמו יכול לשמש "Lightsat": אופטיקת ההנעה הופכת לטלסקופ, ולוחות הגוף נפרשים כקולטים סולאריים. העלות מוערכת בחמישית עד עשירית מזו של רקטה רב-שלבית, ורק 0.1 ק"ג מתוך מסה יבשה של 1.0 ק"ג מוקצים לתפקידי הלוויין. המסמך מציין "צורך צבאי" בננו-לוויינים של 1 עד 2 ק"ג עם חיישנים אופטיים "לבדיקה חזותית של עצמים לא ידועים בחלל ועל כדור הארץ".

המגבלות שהונחו: עד 10 מגה-ואט ללייזר קרקעי או ימי, עד 2 מגה-ואט ללייזר מוטס (בואינג 747, B-1 או C-130), ומסת המראה של עד 20 ק"ג. בתרחיש של יירוט טילים בליסטיים, מטוס בגובה כ-12 ק"מ מנחה את הכלי להתנגשות כמעט חזיתית, והלייזר משמש גם להבחנה בין ראשי קרב לפיתיונות; אנרגיית הפגיעה של כלי של 1 ק"ג נעה בין 16 ל-100 מגה-ג'ול. מוזכרים דוח ועדת החלל של רמספלד (2001) ואיום שיבוש במיקרוגל מלוויני אויב זולים. אם מחקר ההנעה המגנטו-הידרודינמית (MHD) יצליח, אפשר יהיה לשגר כלים של עד 100 ק"ג ממטוס במאך 10 עד 12 בגובה 30 ק"מ, בלייזר של עד 100 מגה-ואט.

מסקנת הפרק היא ש"לא נמצאה משימת לחימה אטרקטיבית באמת", וש-Lightcraft משתלם לשיגור לוויינים רק כשהמסה היבשה מתחת לכ-5 ק"ג. השוואת העלויות מבוססת על נתוני טילים של H. D. Froning בדולרי 1982, מוכפלים ב-1.62 לדולרי 2000, ל-100 שיגורים בעשר שנים. עם זאת, המסמך ממליץ על משימות הגנה מפני טילים בליסטיים מחוץ לאטמוספרה ועל שיגור מוטס, אם יימצא מימון.

רעיונות משימה עתידיים - נחילי לוויינים

הסעיף האחרון של פרק 3 עוסק בנחילים של לוויינים זעירים רבים שמשלבים אותות בפאזה ויוצרים מפתח RF או אופטי וירטואלי "כמעט בלתי מוגבל בגודלו", בלי שהלוויינים יסודרו על פני פרבולה או מישור. המיקום היחסי נשמר בהנעת MEMS FEEP, בכבלים או במסלולים מתאימים. לפי המסמך הטכנולוגיות "probably" ניתנות להדגמה עד 2015 ולהצבה עד 2020, ואפשר לשגר את הנחילים גם במשגרים רגילים. הרעיונות נלקחו, כלשון המסמך, מרשימות, הרצאות ותדריכים באדיבות I. Bekey. חמישה רעיונות מפורטים:

• אוסף RF מנחיל פיקו-לוויינים מסתובב במסלול גאוסינכרוני: אנטנה של 20 על 40 ק"מ מ-150,000 פיקו-לוויינים של 23 גרם, שכל אחד קולט, משהה ומשדר מחדש את האות. המפתח האפקטיבי שקול לאנטנה בקוטר 80 מטר, עם כתם כיסוי של 30 מטר ב-10 GHz, ולפי המסמך הוא יוכל לקלוט אותות חלשים מטלפונים סלולריים בודדים. משקל כולל 3,500 ק"ג, או 35 ק"ג אם ייבנה מננו-צינוריות פחמן.
• רדיומטריה בדגימה ברזולוציה גבוהה, למיפוי לחות קרקע: 12,000 פיקו-לוויינים בגובה 4,000 ק"מ, כתם של 100 מטר ב-1 GHz; חמישה מערכים ייתנו ביקור חוזר גלובלי בתוך 5 שעות.
• רדיומטריה במיפוי מלא: מערך קליטה של 2 ק"מ עם 12,000 דיפולים בסריקת "pushbroom" לכיסוי מלא של פני כדור הארץ.
• מכ"ם מבוזר: 10,000 ננו-לוויינים של כ-1 ק"ג במסלול גאוסינכרוני, עם הספק מוקרן אפקטיבי של 3 GW בשיא. המסמך מציין במפורש שלא נעשו חישובי ביצועים, אך טוען שהמכ"ם יגלה רוב מטרות החמקנות, שתוכננו להיות חמקניות בעיקר בכיוונים אופקיים. משקל כ-11,000 ק"ג.
• חיישן היפרספקטרלי מבוזר: לוח אזורי פרנל בקוטר 100 מטר תלוי על כבל של 100 ק"מ, ולאורכו 1,000 ננו-לוויינים של 0.1 ק"ג, כל אחד מסונן לאורך גל אחר. רזולוציה של עד 40 ס"מ על הקרקע ממסלול גאוסינכרוני.

פרק 4 - לייזרים רבי-מגה-ואט ושליטה באלומה

הפרק פותח במחקר של V. Hasson מ-TEXTRON Systems Corporation משנת 2002, שבחן חמישה סוגי לייזר: CO2, CO, HF/DF, COIL ולייזר מוצק בלוח. המחקר המליץ על תכנון חדש של לייזר CO2/תערובת גזים של 10 מגה-ואט המונע בתותח אלקטרונים, משום שאינו דורש פיתוח נוסף. בתכנון ארבעה משדרים של 2.5 מגה-ואט שאלומותיהם מאוחדות, 125 פולסים בשנייה, חלל תהודה באורך 36.5 מטר ומערכת זרימה שצורכת 240 ק"ג גז בשנייה, כ-72 טון גז לריצה של 300 שניות. העלות: כ-230 מיליון דולר, ועוד כ-25 מיליון לתצורת MOPA ולבדיקות. לפי TEXTRON, הפעלה על פסגת הר וכוונון ספקטרלי יאפשרו העברה סבירה דרך האטמוספרה.

לפי חישוב Froning ו-Davis, לייזר של 2.5 מגה-ואט במשך 300 שניות ישגר 5.25 ק"ג למסלול נמוך. עלות החשמל והגזים מגיעה ל-2,633 דולר, כלומר 501 דולר לק"ג, ובתוספת האנרגיה להכנת הגזים 2,793 דולר, או 532 דולר לק"ג. המסמך משווה זאת ל-10,000 דולר לליברה המקובלים בתעשייה, ומציין שהאומדן אינו כולל עלויות תפעול ותחזוקה.

הסקירה של טכנולוגיות מתפתחות כוללת את הלייזר המוצק של Northrop Grumman בתוכנית JHPSSL, שבתחילת 2009 עבר את רף 100 הקילוואט (כמעט 106 קילוואט, יותר מחמש דקות רצופות, יעילות 19.3%); את מערכת HELLADS של DARPA (150 קילוואט ו-600 ק"ג); התקן אגירת חום של General Atomics שמבוסס על חומר דמוי שעווה; לייזרי סיב עתירי הספק של IPG Photonics, שהספקם עלה פי 10 בין 2006 ל-2009; ולייזר אלקטרונים חופשיים שהצי מפתח לספינות מלחמה במסגרת תוכנית של NAVSEA, ביעד של 2 מגה-ואט. לטכנולוגיות אלה המחבר נותן אומדן "גס" של 100 עד 300 דולר לק"ג מטען, ו-800 עד 2,000 דולר לק"ג כולל כל העלויות, ובהערת שוליים עד 20 דולר לק"ג אם הכלי ייבנה מננו-צינוריות פחמן.

הסעיף על שליטה באלומה מתאר ארכיטקטורה חדשה מתוכניות נשק אנרגיה מכוונת: עוקב בדיוק של 0.1 מיקרו-רדיאן ב-10 קילו-הרץ, ללא לייזר תאורה נלווה, ומראה ראשית שמשמשת גם מראה מתעוותת וגם מראת היגוי, עם שש מראות בלבד בנתיב ההספק הגבוה. המקור הוא קורס של D. Kiel ב-Naval Post-Graduate School במונטריי ב-2010. לשיגור מהקרקע או מהים יידרש מפתח יציאה של כ-10 מטר, ומכלי טיס כ-1 מטר.

פרק 5 - מסקנות והמלצה

פרק המסקנות חוזר על התמונה: מערכת חד-שלבית ורב-פעמית שמשתמשת באוויר בתוך האטמוספרה ועוברת למצב רקטה מעליה, מסוגלת לרחף ולנחות, ומורידה את עלות השיגור בשניים עד שלושה סדרי גודל. לייזר TEXTRON זמין כבר, אך גדול, צורך כמויות גז גדולות ועולה יותר מ-200 מיליון דולר; הלייזרים המתפתחים זולים ממנו "בכמה מונים עד סדר גודל". המחבר מציין ש-AFRL סיימה את תוכנית ה-Lightcraft ב-2005 לפני שהודגם שיגור למסלול, ושה-AFOSR מממנת מחקר של חיל האוויר הברזילאי במנהרת הלם היפרסונית בשיתוף קבוצתו של מיירבו. ההמלצה: שמשרד ההגנה, יחד עם NASA, יחזיר את המחקר לארצות הברית ויחדש את טיסות הניסוי של ה-X-50LR שהציע ד"ר פרנק מיד (Frank Mead).

רשימת המקורות כוללת עבודות מ-1962 ועד 2009, בהן של Myrabo, Kare ו-Mead, דוח ועדת רמספלד, ודוח Froning ו-Davis משנת 2006 (AFRL-PR-ED-TR-2003-0033).

פרטים בולטים

• לפי המסמך, Lightcraft מקבל 25 פולסים בשנייה מלייזר קרקעי והופך את האוויר במוקד לפלזמה של 10,000 עד 30,000 קלווין.
• שיא הגובה שהמסמך מצטט הוא 68 מטר, לפי דיווח של מיירבו מ-2009, לעומת 12.5 מטר ברקטה של Goddard ב-1926.
• בטבלת מחזור החיים, הלייזר לבדו אחראי לכ-80% מהעלות של תוכנית בת 1,000 שיגורים בשנה.
• המסמך מזכיר צורך צבאי בננו-לוויינים "לבדיקה חזותית של עצמים לא ידועים בחלל ועל כדור הארץ", ובכך מתמצה הקשר הישיר שלו לנושא ה-UAP.
• פרק בחירת המשימות קובע ש"לא נמצאה משימת לחימה אטרקטיבית באמת", ובכל זאת ממליץ על משימות יירוט טילים אם יימצא מימון.
• רעיון המכ"ם המבוזר מבוסס על 10,000 ננו-לוויינים במסלול גאוסינכרוני, אך המסמך מודה שלא נעשו חישובי ביצועים.
• האומדנים לעלות השיגור נעים מ-20 עד 3,052 דולר לק"ג, לפי ההנחות של כל חישוב.
• AFRL סיימה את תוכנית ה-Lightcraft ב-2005, והמחבר ממליץ לחדש אותה.

מה לא נמצא במסמך

• שם מנהל התוכנית ופרטי הפנייה אליו הושחרו, והמחבר מזוהה רק ככינוי. לא נמצאו השחרות אחרות.
• עמוד 2 (המשך הסיכום הפותח) חסר, וגם עמודים 14, 16 ו-25 חסרים או ריקים ב-OCR. טבלאות 2 ו-3 קריאות רק בחלקן, והגרפים והאיורים (בהם איורים 9 עד 13 ו-16 עד 36) כמעט אינם קריאים.
• הקריאה X-50LR אינה ודאית (ב-OCR "X-SOLR"), אך מתאימה לרשימת המקורות.
• במקור יש כמה אי-התאמות: נכתב שמבנה החרטום "חייב להצטמצם מ-2 שכבות ל-3 שכבות"; פרק 2 מפנה "לפרק 2"; גובהי הניסויים (43, 38.7 ו-68 מטר) מופיעים בלי הסבר להבדל; וחלקו של הלייזר בעלות מופיע פעם כ-80% ופעם כ-92%, ככל הנראה כשני מדדים שונים.
• רשימת המקורות נקטעת, ומקור 35, שמתואר בו מחקר ברזיל ו-RPI, אינו מופיע בה.
• התיאור הרשמי באתר war.gov אינו מזכיר את פרק טכנולוגיות הלוויין או את תרחישי יירוט הטילים, אך אינו סותר את המסמך.

מונחים

• DIRD - מסמך עזר מודיעיני ביטחוני של ה-DIA.
• AFRL - מעבדת המחקר של חיל האוויר האמריקאי; AFOSR - המשרד למחקר מדעי של חיל האוויר.
• SDIO - הארגון של יוזמת ההגנה האסטרטגית, תוכנית ההגנה מפני טילים של שנות ה-80.
• MEMS FEEP - מנוע הנעה חשמלי זעיר על בסיס מערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות.
• MASINT ו-SIGINT - מודיעין מדידות וחתימות, ומודיעין אותות.
• FEL - לייזר אלקטרונים חופשיים; COIL - לייזר כימי חמצן-יוד.
• JHPSSL ו-HELLADS - תוכניות פיתוח של לייזרים מוצקים רבי-הספק.