Визуальные эффекты выстрелов лазерного оружия
Лазерное оружие, изображённое в играх, книгах и рисунках по Warhammerимеет следующие основные особенности: при выстреле наблюдается хорошо заметная однородная трасса луча и дульная вспышка. Наблюдается отдача (по крайней мере, её тщательно прорисовали в «DoW»). Луч разгорается по всей длине одновременно (а не летит к цели со скоростью 200 км/ч J), длительность выстрела, наблюдаемая зрительно, по моим оценкам составляет примерно от 0.1 до 1 секунды. Цвет луча может быть разным, но об этом будет отдельный разговор.
Итак, во-первых, трасса луча. Все, кто хоть раз в жизни играл с лазерной указкой, знают, что увидеть её луч возможно только направив указку в дым или туман. В обычных условиях луч остаётся невидимым. Дело в том, что трасса проявляется только тогда, когда лазерное излучение рассеивается на чём-то. Дым или пар, мелкая пыль хорошо рассеивают свет, а чистый воздух пропускает луч почти без рассеивания. Почти. Мощность лазерной указки очень редко превышает 100 мВт (для мощных указок), а брелоки для игры с котятами и вовсе излучают 1-10 мВт. Соответственно и рассеянное излучение оказывается слабым, его не видно. Однако если повысить мощность излучения, то окажется, что вроде бы чистый воздух насыщен пылью. Никогда не доводилось летним утром наблюдать танец пылинок в солнечном луче, пробивающемся из-за неплотно прикрытых штор? Существует немало физических механизмов поглощения, отражения и рассеяния света, но нам сейчас больше интересен результат. По собственному опыту могу сказать, что для синего (450 нм) лазера мощностью 1 Вт трасса луча хорошо видна в полутёмной комнате. Зелёный луч той же мощности будет виден в помещении с хорошим искусственным освещением. Проверять эти факты на личном опыте крайне не рекомендую, поскольку даже такие сравнительно маломощные лазеры могут повредить зрение, в том числе необратимо. Настоящие боевые лазеры имеют мощность на много порядков выше (точнее, большую энергию импульса). Так что трасса такого луча даже при ярком солнечном свете и даже в чистом воздухе будет наблюдаться очень хорошо. Наблюдаться… «Не смотрите на электросварку и боевые лазеры, это вредно для здоровья» (С.Лукьяненко). Без специальной защиты трассы лучей могут быть видны даже с закрытыми глазами.
"Вокруг них все стало ослепительно фиолетовым.
- Закрой глаза! - приказал Ганс. - Ты ослепнешь! Это огонь бластера!
Пятница кивнул, сдерживая дрожь и судорожно хватая воздух, и осторожно ощупал то место, где разряд опалил кожу. На шее вздулись волдыри. Он в последний раз выглянул из люка и усмехнулся далекой земле.
Сюзан сидела в полном оцепенении, не в силах оторваться от лица Ганса, одна половина которого была бледной и белой, а другая красной от лучей бластера."
Перевод отрывка из "Пути Паука" просто отвратительный - в Сети, увы, другого нет. Но тут отлично показано, что бывает, когда человек находится рядом с местом, куда попадает выстрел корабельного бластера...
Разумеется, чтобы трассу было видно, длина волны излучения должна лежать в видимом диапазоне спектра (длина волны примерно 400-700 нм). Трасса ближнего ИК излучения (например, для современных экспериментальных боевых лазеров) не может наблюдаться человеческим глазом практически ни при каких условиях. Что касается более коротковолнового излучения (УФ, затем рентген и, наконец, гамма), то тут всё непросто. Само по себе рассеянное коротковолновое излучение человеческий глаз, конечно, не увидит, но с другой стороны, большая энергия фотона позволяет вызывать фотолюминесценцию (флуоресценцию) частиц пыли или газа на пути луча. В этом случае пыль или газ могут излучать в видимом диапазоне, причём с достаточной интенсивностью, чтобы опять-таки проявлялась яркая трасса луча. Тут всё зависит от вещества, которое попадёт в луч. Если фотолюминесценция вообще проявится, то скорее всего, её цвет будет белым, возможно с каким-то лёгким оттенком. Наконец, если говорить про рассеянное излучение рентгеновских лазеров, то при достаточной интенсивности даже с закрытыми глазами будет наблюдаться свечение, вызванное ионизирующим излучением, проходящим сквозь глаз. Этим интересным свечением можно спокойно и уже безбоязненно наслаждаться всю оставшуюся жизнь. То есть, пару минут.
На самом деле красивые визуальные эффекты сильно вредят лазерному оружию. Дело не только в том, что трасса луча демаскирует стрелка. Рассеяние излучения – это, во-первых, потери мощности (в дыму и тумане – значительные потери, вплоть до невозможности применения), а во-вторых дополнительный риск для своих же войск – даже рассеянное излучение может ослепить глаза и приборы, обжечь незащищённые участки тела, поджечь что-то легковоспламеняющееся.
Кстати, тут я могу предположить, что бойцы Гвардии должны иметь какую-нибудь защиту для глаз. Хотя бы какие-нибудь визоры. Как мне кажется, сделать их и снабдить ими ВСЮ Гвардию вполне себе реально. Да, наверное, будет дорого - но всё равно оно того стоит. Кроме того, это всё равно дешевле, чем заново набирать полки после первой же тренировке по стрельбе...
Впрочем, избавиться от этого вредного эффекта несложно – достаточно подняться повыше. В верхних слоях атмосферы и тем более в вакууме пыли практически нет, да и газа тоже, рассеивать там нечему, так что лазерный луч будет виден только в точке попадания в противника. Получается, все лучи лэнс-батарей в игре «Battle Fleet Gothic» показаны совершенно не верно? Для сравнительно маломощных лазеров – так и есть. Однако на Флоте с очевидностью необходимы очень высокие энергии и при этом короткие длительности импульса. Стремление обеспечить и то и другое одновременно неизбежно приводит к повышению пиковой мощности излучения. А для сверхмощных лазеров начинается очень интересная физика. Например, в соответствии с теорией, при определённой интенсивности луча напряжённость электрического поля в нём становится достаточна для прямого рождения электрон-позитронных пар. На настоящий момент такой процесс ещё не наблюдался экспериментально, однако, думаю, что современные фемтосекундные лазеры помогут подтвердить эту гипотезу максимум в ближайшие десять лет. В этом случае прямо в вакууме за счёт частичного поглощения энергии луча будет постоянно рождаться и аннигилировать вещество-антивещество. Электроны и позитроны будут так или иначе рассеивать лазерное излучение, а при аннигиляции – испускать собственное. Электрон-позитронная плазма, тянущаяся вдоль всей трассы луча, находится в постоянном динамическом равновесии, которое определяется мгновенной оптической мощностью. Определить цвет свечения этой плазмы сейчас малореально, рискну предположить, что он будет белым – из-за широкого спектра. Страшное дело – луч, разрывающий на части пустоту J. Всякие «Планетоубийцы» и прочие Звёзды Смерти, стреляя главным калибром, совершенно точно должны терять немалую долю энергии луча просто из-за фундаментальной физики. Так сказать, проблема на пустом месте. Кстати, если говорить о каком бы то ни было гравитационном оружии, то теоретически при достаточной величине гравитационного поля могут наблюдаться аналогичные эффекты. Например, вблизи горизонта событий микроскопической чёрной дыры (массой с Землю и диаметром примерно 1.5 см).
Следующая особенность лазерного оружия в Warhammer – это дульная вспышка. Она привычна для огнестрельного оружия почти всех типов и подсознательно приписывается лазерам. Скажем прямо, многие люди (в том числе и специалисты), рисуя лазер, не поленятся изобразить какое-то дополнительное излучение вблизи его выходной апертуры. Это просто красиво. Более того, на некоторых фотографиях такие вспышки и правда могут наблюдаться (как правило, при нужном ракурсе съёмки – под небольшим углом к лучу). Конечно же, я могу придумать ряд технически обоснованных причин, которые могут обосновать наличие этой самой дульной вспышки, но… не стану. Я уверен, что грамотно разработанный и технически исправный боевой лазер никаких дульных вспышек давать не должен. Ни сейчас, ни в 41 тысячелетии. На мой взгляд, художники и дизайнеры рисуют такие вещи скорее ради того, чтобы показать динамику и передать эмоциональную составляющую битвы. На самом деле этого не нужно – реальный луч боевого лазера настолько яркий, обжигающий и «злой», что никакие дополнительные эффекты уже не нужны.
Кстати, про дульную вспышку и отдачу я тоже писал - и с примерно такими же аргументами. Но не так шикарно, как мне кажется...
Ровно то же самое можно сказать и про отдачу. Понятно, что для зрителя сильная отдача подсознательно ассоциируется с мощностью оружия, стойкостью бойца, жестокостью сражения и т.д. Но при чём тут лазеры? Довольно интересно описал отдачу лазерного оружия всё тот же Сергей Лукьяненко, причём в той же книге:
«Я вдруг заметил, как вздрагивает в подвеске излучатель, выбрасывая очередной импульс. Этакое доказательство факта, что фотоны имеют массу».
Действительно, фотоны массу имеют, и формально отдача от лазерного оружия существует, она прямо пропорциональна энергии выстрела. Однако лазерный импульс с энергией 100 МДж (для сравнения, современные танковые боеприпасы имеют кинетическую энергию в единицы мегаджоулей) будет давать отдачу примерно в 4 раза слабее, чем одиночный выстрел автомата Калашникова. Да, танковая лазерная пушка, наверное, может слегка «вздрагивать в подвеске», если окажется достаточно мощной и при этом лёгкой. Не более того. Тут разработчики «DoW» явно перестарались.
Длительность импульсов – выстрелов. Многие реальные образцы лазерного оружия на самом деле работают в непрерывном режиме – единицы-десятки секунд и более. И это не совсем правильно (для общевойскового применения). За десяток секунд даже не слишком быстрая цель успеет проделать длинный путь и самая совершенная система наведения не сможет отследить этот путь с миллиметровой точностью. Энергия луча «размажется» по площади. Работать таким лучом по скоростным самолётам или ракетам как минимум сложно. Именно поэтому полноценный боевой лазер должен стрелять короткими импульсами длительностью 1-10 мкс, то есть время, за которое даже снаряд, летящий со скоростью 1 км/с, преодолеет считанные миллиметры. В космосе, где стрельба ведётся на большие расстояния по скоростным маневрирующим целям, длительность импульса должна быть ещё меньше (единицы наносекунд). Но как я уже писал выше, по ощущениям, выстрелы лазеров в Warhammer длятся от 0.1 до 1 секунды. Дело в том, что глаз человека – «прибор» очень инерционный, его полоса пропускания составляет всего 15-20 Гц. Соответственно, маломощные вспышки любой длительности (хоть наносекунды, хоть микросекунды) менее 0.1 секунды воспринимаются примерно одинаково (эту особенность я неоднократно наблюдал лично) и выглядят как вспышка длительностью около 0.1 секунды. Более того, для человеческого зрения наблюдаемая длительность импульса будет определяться и его интенсивностью. Именно поэтому в «DoW» выстрелы лазганов Имперской Гвардии выглядят более краткими, чем выстрелы мощных танковых лазеров, которые по ощущениям светят около 1 секунды. Сетчатка глаза имеет порог насыщения, и если этот порог превышен, то вспышка кажется долгой. Оружие в Warhammer скорее всего действительно стреляет очень короткими мощными импульсами, как и полагается боевым лазерам, но особенности человеческого зрения не позволяют отследить этот факт. Выстрелы танковых пушек и ручных лазганов могут иметь ровно одну и ту же длительность, однако более мощный луч выглядит как более длительный. Тут визуальные эффекты вполне достоверны J. На самом деле, если человек посмотрит на интенсивный лазерный луч незащищёнными глазами, то видеть этот луч он сможет ещё очень-очень долго после выключения лазера. Возможно, правда, он не увидит ничего другого …
Цвет лучей. Какая длина волны эффективнее для лазерного оружия? Факторов здесь множество, но я назову лишь два наиболее фундаментальных. Во-первых, дифракционный предел. Луч боевого лазера направляется на очень удалённый (по сравнению с размерами лазера) объект. При таких условиях лазерный луч должен быть в идеале параллельным, однако на практике он сохраняет небольшую расходимость, которая определяется соотношением длины волны и апертуры (грубо - диаметр выходного окна) лазера. Это соотношение является прямым следствием дифракционного предела – фундаментального физического ограничения и одного из главных законов оптики. Понятно, что в районе цели луч должен быть узким, чтобы сохранить высокую плотность мощности и, следовательно, свои поражающие свойства. Так что если хочется стрелять на большие дистанции, то выхода только два – либо делать широкую апертуру и широкий параллельный луч (при этом, разумеется, автоматически падает плотность мощности), либо уменьшать длину волны. С этой точки зрения видимое излучение эффективнее, чем ИК, а УФ – эффективнее, чем видимое. Второй фактор касается поглощения излучения. Большинство металлов хорошо отражают в ИК и видимой области (особенно если их отполировать до зеркального состояния). Однако начиная с синей части видимого спектра, поглощение нарастает и растёт примерно до плазменной частоты металла, которая обычно находится в жёстком УФ диапазоне. Для боевого лазера большое поглощение на цели это очень приятно. С уменьшением длины волны также сильно возрастают требования к качеству поверхности, при которой она является хорошим зеркалом. Если луч дальнего ИК диапазона можно очень эффективно отразить мутной шлифованной поверхностью, то против УФ лазеров броню техники пришлось бы полировать очень сложными методами, а потом пылинки с неё сдувать – в буквальном смысле. С такой точки зрения УФ лазеры окажутся самыми эффективными, но только в безвоздушном пространстве. Потому что в атмосфере поглощение УФ части спектра тоже сильно возрастает и луч теряет много энергии на ионизацию воздуха и синтез озона. Рентгеновские и гамма-лазеры я пока рассматривать не буду (о них расскажу в конце). Получается, что для планетарной техники наиболее эффективными являются синий и мягкий УФ диапазоны. А в условиях космоса лучше использовать более жёсткое УФ излучение.
В реальности нам уже сейчас доступны почти все спектральные диапазоны. От квантово-каскадных терагерцовых лазеров (длина волны около 100 мкм), и до рентгеновских (длина волны до 0.05 нм) лазеров на свободных электронах. Казалось бы, надо просто выбрать наилучшую для военных длину волны и… Не всё так просто.
В общем, я плавно подвожу к тому, что видимый диапазон – это не так уж плохо, если удаётся обеспечить достаточную энергетику и КПД. Современные околобоевые лазеры до этого уровня ещё не доросли. По-видимому, в Империуме техножрецы массово производят дешёвые активные элементы с высоким КПД (например, синтезируют в термоядерных реакторах для лазерных кристаллов редкоземельные легирующие примеси, которые нам пока недоступны). И если в силу случая (или глубокой физики) эти элементы имеют наиболее эффективный лазерный переход в красной части видимого спектра, то это вовсе не перечёркивает возможность их использования на поле боя. Особенно, если синие или УФ лазеры не получается производить массово.
От себя я могу добавить, что большая часть всех этих видимых эффектов видна нам, как игроку - если брать игры - благодаря, своего рода, "системе дополненной реальности", что "дорисовывает" нам их. Кстати, вполне себе могут быть её аналоги и в самой "Вахе". Понятно, что авторы об этом не пишут - но они про это могут просто не знать...
