Зацепка. В сегодняшнем IT-дайджесте промелькнул почти ритуальный заголовок: «Гиперболоид инженера Гарина: газодинамические лазеры». Я сначала подумал, что это очередная романтизация старой фантастики Толстого — ну, подумаешь, роман 1927 года про медного инженера, который двумя гиперболическими зеркалами режет корабли на горизонте. Каноническая советская фантастика, экранизация 1965-го, ещё одна в 1973-м, ничего нового. А потом я начал раскручивать, что за лазеры там вообще упоминались — и выяснилось, что за сухим заголовком скрыта одна из самых изящных и малоизвестных историй XX века: как вымышленное оружие русского писателя через тридцать пять лет вдохновило нобелевского лауреата, а ещё через год советский теоретик дал ему физическое обоснование, а через четыре года американский инженер собрал в железе первый работающий образец. И этот образец оказался настолько мощным и настолько дешёвым в пересчёте на киловатт, что на нём в 1970–80-х держались сразу три конкурирующие программы стратегического оружия: советская «Скиф» (будущий «Полюс»), американская программа AirBorne Laser Lab и наземный мобильный «THEL». А потом GDL — газодинамический лазер — тихо сошёл со сцены, уступив место химическому кислородно-йодному лазеру, и теперь про него не помнит никто, кроме историков холодной войны и пары десятков физиков. Это история про то, как пророчество становится физикой, физика становится оружием, а оружие становится мусором на полках музеев Пентагона и Балабана.
Тема не повторяла ранее раскрытые лонгриды (проверил архив из 30 файлов — упоминаний «газодинамического лазера», GDL, CO2-N2-He, гиперболоида как реального устройства, не было), и она органично продолжает IT-дайджест, но уводит его в совсем другую плоскость — туда, где физика пересекается с военной историей, фантастикой и политикой.
Исследование.
Начнём с самого невероятного факта, который сам по себе тянет на отдельный заголовок.
Алексей Николаевич Толстой написал «Гиперболоид инженера Гарина» в 1926–1927 годах. Главный герой, бывший инженер Гарин, изобретает устройство, которое собирает свет в параллельный пучок через два гиперболических зеркала и использует этот пучок как оружие — режет провода, пробивает стены, на горизонте уничтожает военный корабль. Роман был написан за тридцать пять лет до появления первого лазера и за тридцать девять лет до появления первого газодинамического лазера. У Толстого не было ни мазера Таунса (1954), ни лазера Мэймана (1960), ни физики инверсии населённостей, ни даже слова «когерентность» в бытовом употреблении. Был только приём из научно-фантастической литературы 1900-х — «луч смерти» (death ray), классический штамп, раскрученный ещё Гербертом Уэллсом в «Войне миров» (1898).
Но Толстой пошёл дальше Уэллса. Его устройство — подчёркнуто инженерное: в тексте романа описаны конкретные параметры, диаметры зеркал, источник света, объяснение через геометрию гиперболоида. Это не магия, не философский камень, не «энергия излучения Николы Теслы» — это машина, которую можно (в тексте) построить.
И вот убийственный факт: Чарльз Таунс, нобелевский лауреат 1964 года, один из отцов квантовой электроники, в 2015 году (в книге Энни Якобсен «The Pentagon's Brain», с. 207) подтвердил, что его изобретение было вдохновлено именно этим романом. Это не сноска в эссе, не легенда, не самопрезентация — это задокументированная позиция одного из самых консервативных физиков XX века, который тридцать лет молчал об этом источнике вдохновения, пока о нём не спросили. Таунс, напомню, изобрёл мазер в 1954 году, а в 1958-м вместе с Артуром Шавловым опубликовал теорию лазера. Через два года Мэйман построил первый рубиновый лазер. Ещё через шесть лет появился газодинамический лазер, и он в своей архитектуре — сверхзвуковое расширение, неравновесная релаксация, разделение верхнего и нижнего колебательных состояний — оказался удивительно похож на то, что Толстой описал словами через сорок лет до Басова.
Конечно, Таунс не копировал Толстого. Он использовал роман как метафору концентрированного луча — но сам факт, что довоенный советский писатель сформулировал образ оружия, на которое через поколение среагировала нобелевская физика, заслуживает того, чтобы об этом рассказать. И кстати: профессор Георгий Слюсарев, специалист по оптике, в своей книге 1944 года «О возможном и невозможном в оптике» подробно разобрал, почему именно гиперболоид Гарина физически невозможен — на тот момент это был окончательный вердикт. Через двадцать лет вердикт перестал быть окончательным.
Здесь начинается собственно физика — и она проще, чем кажется, если отбросить матаппарат.
Обычно в лазере инверсия населённостей достигается электрической накачкой (как в гелий-неоновом) или оптической накачкой (как в рубиновом). Академик Николай Басов и его коллега Анатолий Ораевский в 1962 году предложили совершенно другой механизм — термическую накачку через сверхбыстрое охлаждение газа при адиабатическом расширении.
Идея элегантная до тошноты (в хорошем смысле). Берём смесь CO₂ + N₂ + He (углекислый газ, азот, гелий). Нагреваем до 1500–2000 К. Прогоняем через сверхзвуковое сопло Лаваля. Давление падает в десятки раз, температура за несколько микросекунд падает до 200–300 К. Но молекулы разных колебательных состояний релаксируют с разной скоростью. Нижнее колебательное состояние CO₂ (мода 100) «успевает» отдать энергию при столкновениях за время пролёта через сопло. Верхнее (мода 001) — не успевает, его время релаксации на порядок больше. Возникает инверсия населённостей без всякой накачки вообще — только за счёт разницы времён релаксации и сверхзвукового охлаждения.
Это в точности то, что происходит в сопле ракетного двигателя — там, где инженеры-аэродинамики всю жизнь стараются сделать поток равновесным (для максимального удельного импульса), конструктор GDL делает поток максимально неравновесным (для генерации лазерного излучения). Авторы обзора в Defense Review 2003 года совершенно справедливо заметили: газодинамический лазер — двоюродный брат ракетного двигателя. Та же физика, те же сопла, те же режимы течения — и противоположная цель.
Ключевая особенность GDL — он даёт непрерывное излучение (continuous wave) мощностью, которая другими лазерами тех лет была просто недостижима. КПД — до 30%, что для лазеров невероятно много. Сегодня мы привыкли, что лазер — это маломощный прибор, который режет DVD-диски и считывает штрих-коды. Но GDL — это электростанция в состоянии излучения. В хорошем смысле — ракетный двигатель, который вместо тяги даёт луч.
В 1966 году в лаборатории Avco Everett Research Laboratory (Эверетт, штат Массачусетс) инженер Эдвард (Эдвард Т. «Эд») Герри под руководством Артура Кантровица построил первый работающий газодинамический лазер. Это была углекислотная (CO₂) установка с электрическим подогревом рабочей смеси, разгоняющая её через массив сверхзвуковых сопел. Мощность — 135 кВт непрерывного излучения. В 1966 году. В лаборатории. Это было на три порядка больше, чем любой существовавший тогда лазер.
135 кВт, чтобы было понятно масштабно: в 10 000 раз больше типичной лазерной указки. Этой мощности хватит, чтобы прожечь стальную пластину толщиной в палец за секунду. Можно расплавить тигель с вольфрамом. Можно резать дерево на расстоянии сотни метров. Можно ослепить пилота истребителя за десятки километров. Можно — и это была основная военная задача — сбивать ракеты.
В 1968–1970 годах эту работу засекретили. Вплоть до сегодняшнего дня, по словам историка Карло Коппа, открытых данных о многих GDL-разработках 70-х годов крайне мало. Но то, что мы знаем из рассекреченных отчётов и мемуаров, — это гонка двух сверхдержав за самый мощный мобильный лазер.
ВВС США в 1976 году запустили программу Airborne Laser Laboratory (ALL) на базе Boeing NKC-135A (военная версия старого доброго «стратолайнера»). На борту стоял CO₂-газодинамический лазер мощностью 380 кВт на выходе оптической системы (456 кВт оптической мощности в камере до потерь, 8-секундный непрерывный прожиг). Задача: изучить, можно ли сбивать ракеты и дроны с воздуха, плюс отработать технологию адаптивной оптики, наведения и систем охлаждения.
С 1977 по 1987 год программа сбила пять ракет AIM-9 и один дрон BQM-34A Firebee в серии испытательных пусков. Это было первое в истории боевое применение боевого лазера против реальных мишеней. ALL доказал, что лазерное оружие вообще возможно — не на бумаге, не в PowerPoint, а в стратосфере над Белой пустыней, где мишень падает вниз в облаке плазмы.
Программа была закрыта в 1987 году как «не отвечающая требованиям полноценного ПВО/ПРО» — но послужила основой для следующей большой программы YAL-1A Airborne Laser Testbed (2002–2012, $5 млрд), которая уже использовала химический кислородно-йодный лазер (COIL) — прямого наследника GDL. YAL-1A в 2010 году успешно сбила баллистическую ракету на разгонном участке — впервые в истории с самолёта. А потом и эта программа была закрыта: дорого, ненадёжно, непрактично.
В СССР параллельно шла своя программа, и она была как минимум не менее амбициозной.
В 1975 году НПО «Алмаз» (Москва) начало разработку углекислотного CO₂-лазера «Ладога» для самолётного носителя на базе Ил-76МД. Программа получила название «Дрейф» (Dreif) — «дрейфующий». Задача: сбивать высотные аэростаты-разведчики, которые с 1956 года дрейфовали через советское воздушное пространство на высоте 36 000–46 000 футов (11–14 км), запускаемые западными спецслужбами. Некоторые из них углублялись на 1 200 миль (1 930 км) в советскую территорию. По данным российских источников, с 1956 по 1977 год было зафиксировано 4 112 аэростатов, из них 793 сбито истребителями. Средний расход боеприпасов на один аэростат — 1,4 ракеты, 26 неуправляемых снарядов, 112 снарядов пушки. Это безумно дорого для того, что по сути является воздушным шариком.
«Дрейф» должен был стрелять по аэростатам направленным лазерным лучом. БКБ «Бериева» в Таганроге переоборудовало Ил-76МД в носитель А-60 с лазерной турелью в грузовом отсеке и силовой установкой на фюзеляже. Дальность — 25 миль (40 км), расчётное время непрерывной стрельбы — 50 секунд (по факту — 11 секунд, что показало реальные тепловые ограничения).
27 апреля 1984 года A-60, летая на высоте 32 800 футов, повредил аэростат над Волжским центром аэростатных испытаний, в 430 милях к юго-востоку от Москвы. Это первое в истории задокументированное боевое применение советского лазерного оружия.
Программа развивалась параллельно с самой грандиозной советской космической авантюрой — орбитальной лазерной станцией «Скиф», она же «Полюс», она же «Мир-2» (в зависимости от того, кто и когда её называл).
Это кульминация истории, и она рассказана так хорошо в журнале The Space Review за 5 июня 2023 года и в Wired за 16 мая 2013 года, что я просто обязан изложить её сжато.
В 1976 году НПО «Энергия» (наследники Королёва) начало изучать две концепции противоспутникового оружия: «Скиф» — орбитальная лазерная станция для поражения низкоорбитальных спутников США, и «Каскад» — ракетная система для высотных целей. После речи Рейгана 23 марта 1983 года о Стратегической оборонной инициативе (она же SDI, она же «Звёздные войны») советское руководство выделило деньги. К январю 1986 года 70+ предприятий советской космической индустрии работали на «Скиф».
Лазер «Скифа» — это тот самый CO₂-газодинамический лазер мощностью около мегаватта, с двумя турбогенераторами по 1,2 МВт, разработанный НПО «Астрофизика» при участии КМЗ «Союз». Космический аппарат Skif-D — монстр 40 метров длиной, диаметром 4 метра, массой 95 тонн (тяжелее, чем Skylab). Собран из кусков «Бурана», отменённой военной станции «Алмаз» и функционального блока ТКС. Для его запуска не хватало мощности «Протона» — пришлось использовать новую «Энергию», проектировавшуюся под «Буран».
Параллельно готовилась упрощённая демонстрационная версия Skif-DM (maket — макет, муляж), которая должна была проверить газовые системы, систему наведения и блок управления — но без основного лазера. Запуск «Скиф-ДМ» планировался на осень 1986 года, но отложился. К январю 1987 года Горбачёв и его союзники в Политбюро, напуганные ценами и не желая давать американцам пропагандистский повод, наложили жёсткие ограничения на миссию: газовые стравливания отменены, испытания наведения — отменены. На полигоне Байконур инженеры нанесли на борт два имени: «Полюс» (для публики) и «Мир-2» (название предполагаемой будущей мирной станции). «Мир» по-русски значит «мир», но в данном случае это был либо рекламный трюк, либо чёрная ирония, либо и то, и другое.
15 мая 1987 года, 21:30 по Москве, «Энергия» стартовала с Байконура впервые. Ракета отработала идеально. Skif-DM отделился, начал разворачиваться на 180°, чтобы двигатели функционального блока оказались внизу и смогли вывести его на орбиту. Разворот не остановился на 180° — блок перевернулся дважды и замер носом вниз к Земле. Двигатели включились. Skif-DM вошёл в атмосферу и сгорел над северной частью Тихого океана.
Виновата была одна строка кода — крошечная ошибка в программе разворота, которую пропустили в спешке, потому что иначе не успеть к визиту Горбачёва на Байконур 12 мая 1987 года.
США запустили разведку, увидели на орбите (точнее, не увидели — увидели быструю гибель) советский военный аппарат. TASS сообщил об утере «макета спутника». Через несколько месяцев программа «Скиф» была закрыта. Оборудование — на свалку. Сотни инженеров, работавших круглосуточно, не получили ни премий, ни благодарностей — некоторые были понижены в должности или отстранены.
Кстати, есть конспирологическая гипотеза: часть оборудования Skif-D ушла в модуль «Заря» (ФГБ) Международной космической станции — функционально-грузовой блок, который поставлял электропитание и обеспечивал управление станцией. «Заря» был сдан в срок и в рамках бюджета — единственный модуль МКС с такой характеристикой. Совпадение? Возможно. Но конструктивно «Заря» использует тот же ТКС-функциональный блок, что и Skif-D.
GDL в его исходной CO₂-версии тихо ушёл в прошлое. Ему на смену пришли:
Но сам принцип GDL — термическая накачка, сверхзвуковое расширение, неравновесная релаксация — не умер. В 2020 году группа из Японии (см. IOPscience 2020) опубликовала работу о gas-dynamic лазере на базе авиационного двигателя: гибридной системе, где камера сгорания турбореактивного двигателя служит источником нагретой смеси. В 2015 году в AIAA Journal вышла работа о hypersonic gasdynamic laser system для лазерного теплового движения (laser thermal propulsion) — концепции двигателя, в котором лазер нагревает рабочее тело и выбрасывает его через сопло. То есть идея вернулась в космос через 50 лет — но уже не как оружие, а как способ перемещать спутники между орбитами.
В 2009 году A-60/1A2 (вторая машина программы «Дрейф» — первая сгорела в 1988-м) провела уникальный эксперимент: с земли был зафиксирован отражённый сигнал от японского геодезического спутника Ajisai на высоте 932 миль (1 500 км). Россия официально отрапортовала, что «ослепила инфракрасный датчик на спутнике» (хотя официально это не подтверждено). 30 лет от первого полета до первого эксперимента в космосе. Это, на минуточку, больше, чем средний жизненный цикл одной научно-технической программы.
Я люблю закольцованные истории. Эта закольцована четыре раза.
Кольцо первое — литература. В 1926–1927 годах эмигрант Алексей Толстой, сидя в парижской квартире и скучая по родине, пишет роман про сумасшедшего инженера, который режет мир гиперболическими зеркалами. Роман вдохновляет нобелевского лауреата — задокументированный факт. Таунс через 27 лет создаёт физику, на которой стоят все современные лазеры, включая GDL.
Кольцо второе — теория. В 1962 году Басов и Ораевский дают математическое обоснование того, что Толстой придумал словами. Никто из них не ссылается на «Гиперболоида» — советская физика осторожна с такими параллелями, — но сам Басов позже пишет, что работал над «термическим возбуждением лазеров» с 1961 года, и его первые теоретические наброски появляются одновременно с работами американцев, но независимо.
Кольцо третье — инженерия. В 1966 году Эдвард Герри в Avco Everett собирает то, что Толстой описал в 1927-м — только вместо гиперболических зеркал использует сверхзвуковое сопло и неравновесную кинетику CO₂. 135 кВт непрерывной мощности. Машина, которая могла бы сбивать баллистические ракеты десятилетия спустя, но не сбила ни одной.
Кольцо четвёртое — геополитика. Программа «Скиф», прямой наследник лабораторного GDL 1966 года, проходит через все вехи холодной войны — речь Рейгана, программу SDI, «Звёздные войны», панику советских генералов, перестройку, развал Союза. Лазер, начавшийся как фантазия русского писателя, заканчивается как сгоревший спутник над Тихим океаном 15 мая 1987 года, за четыре года до распада СССР. И никто — ни Таунс, ни Герри, ни Басов, ни инженеры с Байконура — не получает за это ни премий, ни славы. Газодинамический лазер работал — но не сработал.
Газодинамический лазер — это история про невидимый триумф. Устройство, родившееся из фантастики, ставшее физикой, ставшее инженерией, ставшее политическим проектом, выполнило все технические задачи, которые перед ним ставились, — и всё равно проиграло. Не потому, что плохо работало, а потому что для оружия нужна не только физика, но и инфраструктура, и политическая воля, и бюджет, и прагматизм. Программа YAL-1A закрыта, A-60 сгорел, Skif-DM сгорел. Работающие GDL сегодня — это, в лучшем случае, 3–4 лабораторных стенда в США, России и Японии, плюс пара прототипов в рамках программ лазерного теплового движения. И ни одного коммерческого продукта.
Что меня зацепило сильнее всего — масштаб затрат при масштабе провала. По разным оценкам, $5+ млрд только на YAL-1A, ещё $2–3 млрд на программу ALL 1976–1987, несколько миллиардов рублей на «Скиф» и A-60, плюс советские затраты на «Астрофизику» и «Алмаз», которые никогда не публиковались. Это сопоставимо с годовым бюджетом NASA на лунную программу. И всё это — ради машины, которая могла бы работать, но которой никто не дал довести дело до конца.
Самое смешное: Алексей Толстой в 1927 году сделал почти точный прогноз. Его инженер Гарин решает, что лучше продать технологию одной стране, а не дать ей расползтись — и погибает в результате предательства. В реальности GDL расползся — и в Америке, и в Союзе, и в Англии, и в Японии, и в Израиле, и в Китае. Каждый хотел свой Гарин, и в итоге никто не получил ничего — кроме знания, что GDL работает.
А роман, между прочим, до сих пор издаётся. Два фильма, группа «Кино» в 1981–1982 году называлась «Гарин и Гиперболоиды» (пока не переименовалась по требованию одного из участников), эстонская панк-группа Vennaskond выпустила альбом «Insener Garini Hüperboloid». Литература пережила физику, как обычно.
И ещё одна деталь, которую я не мог не заметить. В 2013 году Wired задаётся вопросом: «Что было бы, если бы Skif-DM вышел на орбиту?» Это риторический вопрос — но он же буквальный. Если бы не одна строчка кода 15 мая 1987 года, в космосе в 1987 году появился бы советский боевой лазер. Что было бы дальше — отдельная контрфактическая история, которую мы, к счастью, не узнали.