Здесь далее по тексту продолжение ранее опубликованного материала.
Технологическая важность применения квантовых технологий в целом видится очевидным моментом. Но потенциал нарушения неуязвимости подводных лодок на ближайшую перспективу остаётся относительно низким. Несмотря на улучшение чувствительности, квантовые датчики не сделают мировой океан полностью «прозрачным». Однако применение квантовых технологий может в какой-то степени помочь в подводной игре субмарин «кошки-мышки».
Несколько потенциальных направлений квантовых технологий обещают, в частности, помощь в плане обнаружения подводных лодок в океане. К этим направлениям относятся:
- магнитометры,
- гравитационные градиентометры,
- квантовые часы,
- квантовая навигация.
Магнитометры под аномалии магнитных полей
Магнитометром обнаруживаются аномалии магнитных полей, например, вызванные массивным куском металла. Военными используются обычные магнитометры для обнаружения магнитных сигнатур подводных лодок. Однако, несмотря на постоянные усилия по миниатюризации и экономической эффективности, такие системы остаются тяжёлыми, дорогими, эффективными только на относительно небольшом расстоянии (не более 10 километров).
Поэтому обычно магнитометры соединяют с другими датчиками, например, гидролокаторами, которые обеспечивают большую дальность обнаружения. Обнаружение магнитных аномалий также требует картографирования окружающей среды магнитного поля Земли. Особенно актуально это там, где вариации магнетизма морского дна и присутствие затонувших кораблей дают множество ложных сигналов.
Квантовый магнитометр обещает увеличение чувствительности по сравнению с традиционными устройствами на несколько порядков. Чувствительность определяет диапазон обнаружения. Чем выше чувствительность квантового магнитометра, тем дальше проникновение в океан, тем больший охват области поиска. Среди множества квантовых магнитометров так называемое сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство (СКВИД) является наиболее передовым и зрелым устройством, обещающим революционную сверхчувствительность.
Китайские специалисты не так давно представили обновлённый вариант СКВИД. Устройство способно обнаруживать подводные лодки на расстоянии нескольких километров. Правда, разведка США скептически воспринимает китайский прорыв, тем более что конкретных условий измерения, подтверждающих эффект, китайцами не представлены. Тем не менее, разные научные центры подтверждают - магнитометры на основе СКВИД способны обнаруживать подводные лодки на предполагаемом расстоянии в шесть километров и более.
Магнитометры на основе СКВИД, однако, сопровождают серьёзные недостатки:
- необходимость эффективного охлаждения,
- сложный процесс настройки приборов.
Вкупе с относительно небольшой дальностью обнаружения, эти факторы пока что делают маловероятным размещение СКВИД на спутниках в ближайшее время. Криогенное охлаждение уже используется на космическом оборудовании, но сопровождается дороговизной производства. Более того, космическое излучение серьёзно влияет на сверхпроводящие технологии, генерируемые сигналами. Ещё одной проблемой является отсутствие проверенных на рынке решений для обработки изображений и идентификации результатов. Кроме того, современные подводные лодки могут иметь магнитное экранирование.
Размещение магнитометров на самолётах, кораблях или беспилотных летательных аппаратах, надводных или подводных аппаратах могло бы обеспечить более прогрессивное развитие противолодочной войны. Но эти платформы также накладывают некоторые ограничения. Для БПЛА требуются лёгкие, небольшие по объёму, обладающие очень низким энергопотреблением устройства. Ограничивающим фактором для БПЛА является время автономной работы, определяемое потребляемой мощностью силовой установки и бортовых систем. Поскольку даже один датчик производит много шума, требуется пространственная корреляция сигнала от большего количества датчиков. Нужен набор детекторов.
Между тем, объединённые в сеть беспилотные летательные аппараты, охватывающие определённый район для поиска подводной лодки, требуют значительного финансирования. В общем, квантовые магнитометры вряд ли изменят правила военной игры на данный момент. Даже если увеличится дальность обнаружения, скажем, до 100 километров, остаётся необходимостью предварительное вычисление местоположения подводной лодки.
Гравиградиометры обнаружение любой массы
Гравиградиометры – устройства, способные обнаруживать всё, что обладает какой-либо массой, искажающей гравитационные поля, характерные для любого места на Земле. Для фильтрации локальных вибраций, однако, требуется по времени несколько минут, а существующие ныне инструменты делают съёмки чрезвычайно медленными и дорогими. Тем не менее, в перспективе квантовые гравитационные градиентометры обещают потенциал уменьшения воздействия вибрации, что позволит проводить более быстрые измерения — потенциально меньше одной секунды по времени. Это обеспечит стабильность в динамических условиях и позволит сканировать землю с движущегося транспортного средства, что является очень ограниченной возможностью по существующим технологическим стандартам.
Квантовые гравитационные градиентометры обещают высокий уровень чувствительности. Это создает две проблемы:
1. Несмотря на возможное размещение приборов в космосе, что решило бы проблему чувствительности к наземным шумам, космическим квантовым гравитационным зондированием или картографированием вряд ли станет возможным обнаруживать подводные лодки. По причине сочетания чувствительности приборов и высоты, спутниковое гравиметрическое зондирование будет иметь ограниченное пространственное разрешение на земле. Даже если предполагаемое в настоящее время достижимое разрешение около 100 км уменьшится до 10 км, это разрешение всё равно будет на несколько порядков больше размера подводной лодки.
2. Даже если пространственное разрешение улучшится, гравиградиометры достаточно много увидят из космоса, поскольку это «многое» фиксируется в воде и над водой. Например, коммерческую подводную инфраструктуру, надводные корабли, самолёты и т. д. Но даже если гравиградиометр будущего будет в состоянии обнаружить и отличить подводную лодку, дальнейшей разведкой придётся определять, чья и какого типа подводная лодка обнаружена. Точная классификация останется усложнённым процессом.
Следует отметить, если подводные лодки имеют защиту от магнитного или акустического обнаружения, способов защиты от гравитационных градиентометров не существует. Однако если квантовые градиентометры появятся, придётся делать всё возможное для усиления эффекта скрытности субмарин. Например, разработать способы уменьшения обнаруживаемой гравитационной сигнатуры путём улучшения распределения массы на корпусе подводной лодки. Это, конечно же, усложнит стадию проектирования подводной лодки. Корректировка распределения массы задним числом может оказаться очень сложной задачей.
Как и магнитометры, градиентометры квантовой гравитации, скорее всего, сначала применят на движущихся платформах:
- самолёты,
- корабли,
- дроны.
Потенциально улучшая обнаружение подводных лодок, градиентометры квантовой гравитации, тем не менее, не сделают мировой океан полностью прозрачным и не поставят под серьёзную угрозу фактор неуязвимости подводных лодок.
Квантовые часы и навигация
Наряду с самым точным измерением времени, учёные предлагают использовать квантовые часы для обнаружения крошечных изменений гравитационного потенциала. В сочетании с гравитационными градиентометрами, квантовые часы обещают дистанционно обнаруживать и точно определять местонахождение небольших гравитационных аномалий или объектов, определяя форму и распределение массы.
Детекторы при этом возможно располагать на буях, охватывающих обширную акваторию. Правда, для этого необходимо значительно уменьшить массу и стоимость квантовых часов, а также провести испытания прототипа для проверки на практичность. Установка часов на спутники также требует миниатюризации и повышения устойчивости в динамических условиях. Таким образом, использование устройства для обнаружения подводных лодок в настоящее время видится надуманным вариантом.
Примерно 50 исследовательских групп по всему миру работают над улучшением:
- чувствительности,
- стабильности,
- точности,
- компактности,
так называемых квантово-инерциальных датчиков. Такого рода сенсоры позволяют непрерывно оценивать положение, направление и скорость движения объектов без необходимости использования внешних ресурсов. Подводные лодки используют встроенные инерциальные навигационные системы для определения местоположения. Но эти системы дают временной дрейф из-за ошибки интеграции. Чтобы с высокой точностью знать, где находится подводная лодка во время дальнего и длительного плавания, требуются повторные калибровки.
Калибровку допустимо провести различными методами, включая, помимо прочего, перекрестную проверку с помощью глобальных навигационных спутниковых систем:
- «Galileo»,
- «GPS»,
- ГЛОНАСС.
Тем не менее, такие системы склонны к глушению, имитации и отказу со стороны противника или природных явлений, таких как солнечные бури. Применение глобальных навигационных спутниковых систем также сопровождается проблемами точности и непрерывности сигнала.
Системы квантового позиционирования обещают повышенную точность, защиту конфиденциальности, защиту от помех и меньшее энергопотребление по сравнению с традиционными устройствами. Для квантового обнаружения в подводной среде учёные ожидают 1000-кратного улучшения производительности по сравнению с существующими инерциальными навигационными датчиками. Благодаря быстрому повторному обнаружению потерянных сигналов и способности сохранять время с точностью до микросекунды или меньше, в течение нескольких часов или дней, обеспечивается дополнительная навигационная избыточность.
Подводные лодки также предлагают стабильную, тихую и контролируемую среду, а также время и пространство для обслуживания тяжелых и громоздких устройств. Прежде чем начнётся миниатюризация, следует ожидать, что подводные лодки станут одними из первых машин, где люди применят квантово-инерциальную навигацию.
Таким образом, точные квантово-инерциальные навигационные системы в сочетании с компонентом сопоставления карт, не требующим обмена информацией с внешним миром, способны повысить точность навигации подводной лодки до беспрецедентных значений. Это позволит использовать сервис навигации длительное время и без необходимости повторной калибровки. Для подводных лодок, работающих в Арктике, квантовая навигация позволит обнаруживать приближение к шельфовому леднику без использования традиционных навигационных устройств.
По материалам: EuropeanLeaderShipNetwork
