LES ARMES LASER

Direction Générale de l’Armement

Bagneux, 9 janvier 2015

Bernard FONTAINE

Docteur es Sciences Directeur de Recherche Emérite au CNRS

Laboratoire Lasers, Plasmas et Procédés Photoniques UMR 7341 CNRS-Aix-Marseille Université

Bernard.fontaine@lp3.univ-mrs.fr

PLAN DE LA CONFERENCE

• Généralité sur l’utilisation des lasers de puissance pour la défense

• Situation actuelle des lasers de grande puissance pour la défense et projection pour 2020

• Prospective des Armes laser de grande puissance pour 2030-2040

POURQUOI UN LASER DE

PUISSANCE POUR LA DEFENSE

AVANTAGES (comparés aux armes cinétiques)

Directivité

Monochromaticité

Vitesse de propagation

Densité de puissance et d’énergie concentrée

Capacité de destruction à grande distance

Pas d’effet de recul ou effet très faible

Pas d’effet de gravité

Pas munitions à stocker pour alimenter l’arme

Très faible coût part tir (Comparé à un missile)

Permet d’éviter les dégâts collatéraux

Etc.

POURQUOI DES LASERS DE

PUISSANCE POUR LA DEFENSE (suite)

INCONVENIENTS

Dimensions importantes

Poids élevé (300 tonnes pour le seul laser de COIL de l’ABL)

Qualité optique du faisceau

Rendement relativement faible nécessitant une grande source d’énergie

Evacuation de la chaleur

Coût de construction

Perturbations du faisceau par les turbulences atmosphériques (nécessite une optique

adaptative)

Opérabilité par des militaires non spécialistes sur un théâtre d’opérations

(complexité du laser du contrôle du faisceau et du système de conduite de tir)

Vibrations dans un avion, environnement marin, visée d’un navire ou d’un avion en

mouvement

Interactions avec la cible

Etc.

Atténuation atmosphérique en fonction de la longueur d’onde

Correction de l’effet de la turbulence sur un faisceau laser

par un système d’optique adaptative Exemple de focalisation d’un faisceau idéal (BQ= 1), = = 1 μm, divergence = 0,0002

,

ouverture de l’optique = 50 cm => diamètre du faisceau à 2 km = 7 mm

Système de contrôle de tir d’une arme laser

de grande puissance

Niveau de puissance moyenne ou continue que doit délivrer un laser pour différentes missions

Recherches sur l’opto-électronique de puissance pour la défense en France

• Laboratoires du ministère de la Défense • ONERA • ISL • CILAS • Thales • SAFRAN-SAGEM • NEXTER • Laboratoires CNRS • Laboratoires universitaires • Etc…

SITUATION ACTUELLE DES LASERS DE GRANDE PUISSANCE POUR LA DEFENSE

• Laser chimique oxygène-Iode, =1,315 μm, P=1-2 MW

• Lasers solides (disques, fibres), = 0,8-1,15 μm,

P=10O kW

• Laser HELAD (5 kg/W), = environ 1 μm , P= 50 kW

• Laser à électrons libre, variable, P= 14 kW

Budget de la défense consacré aux USA

aux programmes sur les Lasers à haute énergie:

pour l‘année fiscale 2011: 414 Millions USD

Principe du laser Oxygene-iode (COIL)

Schéma d’un laser Oxygène-iode (COIL)

Vue d’une chaine du laser à iode COIL de l’AirbBorne LASER (ABL)

Principe du laser solide de puissance (SSL)

à plaques de céramique pompées par diodes TEXTON

Principe du laser solide de puissance (SSL)

à plaques de céramique pompées par diodes Northrop

Vue de plaques amplificatrices en céramique

pour laser à solide de grande puissance

Banc d’essai d’un laser solide de grande puissance

à plaques de céramique pompé par diodes

Principe du laser à fibre optique

Principe du laser à fibre optique

Banc d’essai d’un laser à fibres de grande puissance

Caractéristiques du futur Système laser HELLADS développé par la DARPA

• Longueur d’onde : environ 1

• P: 150 kW

• Refroidissement liquide avec accord d’indice

• Masse 5kg/ par kW (un ordre de grandeur inférieur aux lasers solides à plaques)

Système laser HELLADS (High energy liquid laser area defense system)

• Projet DARPA développé à General Atomic Pour l’US Air

Force et l’US Navy

• Principe: laser solide pompé par diodes et refroidi par

liquide avec accord d’indice de réfraction

• Objectif technique:

– Pl= 150 kW en plusieurs modules associés

– 5 kg/kW (750 kg total)

– Volume : 3 m3

– Très bonne qualité de faisceau (BQ ~ 1)

– Performances actuelles: 20 kW en un module et 34 kW

en associant 2 modules

Vue d’artiste du laser HELLADS

développé par General Atomics pour la DARPA

Système laser EXCALIBUR • Programme de mise en forme de faisceaux laser de puissance de la

DARPA: compensation de la turbulence et cohérence de phase

• Recombinaison cohérente de faisceaux laser (optical phase array)(OPA) afin d’obtenir un faisceau laser de très bonne qualité optique (BQ voisin de 1) avec un faible poids, un faible volume et un rendement élevé (SWaP)

• Très récemment : développement réussi d’un système comprenant des amplificateurs à fibre et un OPA à 21 éléments (3 groupes de 7 avec chacun un laser a fibre

• rendement de 35 % et une très bonne qualité de faisceau

• dans des conditions de faible puissance atteinte d’une cible à 7 km

• L’extension d’EXCALIBUR à une grande puissance laser (100 kW) tout en maintenant une très bonne qualité de faisceau et un très faible SWaP, comparé aux lasers à plaque, est en développement

• Utilisation pour des communications large bande à grande distance

Vue partielle d’un prototype de Système EXCALIBUR

développé par la DARPA

Vue d’un prototype d’EXCALIBUR (laser à fibres)

avec cohérence de phase de la DARPA développé par Optonicus

QUELQUES SYSTEMES D’ARME LASER

DE PUISSANCE TESTES RECEMMENT

2009 l’ATL en vol neutralise un véhicule en déplacement au sol au moyen d’un laser oxygène – iode de 150 kW

2010 l’ABL laser détruit un missile à moyenne portée SCUD en vol au moyen d’un laser oxygène - iode de 1 à 2 MW

2013 un laser à fibres: LaWS (P= 5X6 =30 kW) embarqué sur un navire US détruit des drones et de petites embarcations rapides.

2012 Un laser solide (P= 50 kW) développé par le consortium européen coordonné

par MBDA détruit des obus en vol 2013 un laser à fibre (P= 50 kW) développé par RHEINMETALL (Allemagne) détruit

des obus en vol 2014 Installation par l’US Navy sur le destroyer PONCE du laser à fibres LaWS et

essais positifs dans le golfe persique en 2014

Armes laser de grande puissance

actuellement en développement aux USA

• Tactical Laser System (TLS)

• Maritime Laser Demonstrator (MLD)

• Laser Weapon System (LaWS)

• Joint High Power Solid-State Laser (105 kW en laboratoire)

• Area Defense anti munitions (ADAM)

• High Energy Laser Mobile Demonstrator

• Robust Electric Laser initiative

• Excalibur

• High Energy Liquid Laser Area Defense System (HELLADS)

• Electric Laser Large Aircaft (HELLA)

• Free electron Laser

Quelques armes laser de grande puissance

actuellement en développement en Europe

• Un consortium coordonné par MBDA, comprenant des laboratoires français, allemands, portugais et polonais a développé un système laser de puissance entre 2008 et 2011 dans le cadre de l’Agence europeenne de défense

• France: MBDA développe un laser solide de 40 kW (4X10) de très bonne qualité optique (cohérence spatiale?). Essais réussis de neutralisation d’obus

• Allemagne: Rheinmetall développe un laser solide de 50 kW. Essais réussis de neutralisation d’obus

• Grande Bretagne: BAE développe des systèmes laser a solides en collaboration avec les USA

• L’agence de défense anglaise annonce (8/2014) un projet de mise en compétition (MBDA, Lockheed Matin UK, Qinetiq, Thales UK, Raytheon UK, et d’autres sociétés sont concernées) pour développer une arme laser de grande puissance

Armes laser de grande puissance

actuellement en développement

dans d’autres pays

• Chine: neutralisation de drones par laser solide (2014)

• Israël: développement par la Société RAFAEL d’un système « IRON BEAM » basé sur des lasers solides

• Russie ?

Armes laser de grande puissance actuellement en

concurrence et testés en mer par l’US Navy dans le

cadre de la « Solid State Laser Technology

Maturation » (SSL-TM)

• Tactical Laser System (TLS) (BAE System)

-, laser à fibres de 10 kW, essais en mer réussis en 2011

• Maritime Laser Demonstrator (MLD) (Northrop Grumann, Boeing, OshKosh Defense))

- laser solide à plaques de 30 kW environ, portée 10 km, essais réussis en mer en 2012

• Laser Weapon System (LaWS), (Raytheon)

- laser à fibres (5x6 kW soit 30 kW), recombinaison spectrale des faisceaux, essais en mer réussis en 2013 et 2014

Composition de l’Advanced Tactical Laser (ATL): C130 armé d’un laser

Oxygene-iode (COIL)

Vue de l’Advanced Tactical Laser

système laser COIL de l’ABL

Vue du système d’arme laser stratégique ABL

Photographies dans l'infrarouge du tir du laser COIL de l'ABL

du 11 février 2010 détruisant un missile SCUD en vol. (a) tir

du laser, (b-d) séquences de la destruction du missile

Principe de fonctionnement du laser à Fibres de 30 kW (LaWS)

de la Compagnie Lockheed installé sur l’USS DEWEY en 2013

puis sur l’USS PONCE en 2014

Vue du laser à fibres LaWS monté sur le destroyer

lance-missile américain USS DEWEY qui a détruit des drones

et des embarcations rapides en 2013

Destruction d’une vedette en mer par

un laser embarqué sur un navire

Vue du LaWS installé sur l’USS PONCE et testé en 2014

dans le golfe persique

Vue du « Laser Weapon System » (LaWS) développé par Raytheon

Video de démonstration du LaWS à bord du USS PONCE

Vue du Système Laser Tactique (TLS) de BAE et Boeing

Vue du Démonstrateur de Laser Maritime (MLD) de Northrop Grumann

Vue du démonstrateur laser à haute énergie (HELMD) de Boeing

Vue du démonstrateur laser à haute énergie (HELMD) de Boeing

en action dans le brouillard

Vidéo du démonstrateur laser à haute énergie (HELMD)

de Boeing en action

Prototype terrestre de système laser à fibres de 10 kW de Lockheed

pour la défense de zone anti-munitions’ (ADAM)

Vue du prototype de « l’Area Defense Anti-munitions « (ADAM)

de Lockheed Martin (laser à fibre de 10 kW)

Prototype de laser à haute énergie C-RAM (40 kW) du

programme AD-HELW d'un consortium européen conduit par

MBDA pour l’Agence Européenne de Défense (AED)

Vue du laser de 40 kW de MBDA

et du résultat d’un tir laser sur un obus

Optique à 4 miroirs couplant les 4 lasers commerciaux

de 10 kW du laser de 40kW développé par MBDA

Vue du système de recombinaison des 4 faisceaux

du laser de 40 kW de MBDA

Canon Laser tactique de 50 kW de RHEINMETALL

Vue d’artiste d’un nouveau système de défense « Iron Beam » développé

par Raphael Advanced Defense Systems en Israël et utilisant des laser à

fibres pour neutraliser des obus de mortier et d es rockets a courte portée

Système laser d’éblouissement t »Dazzler »

NB: l’aveuglement volontaire par les armes laser est interdit par

l’extension en 1995 de la convention de 1980 du CICR (protocole IV)

Système de défense microonde « Active Denial System » (ADS)

émettant un faisceau de radiations à une fréquence de= 95 GHz

PERSPECTIVES A 15-20 ANS DES LASERS MILITAIRES DE GRANDE PUISSANCE

• Lasers solides (disques, fibres): P=40O kW

• Laser HELAD (5 kg/W) P=: 150 kW

• Laser à électrons libre (Lambda variable) P= 1MW

• Laser chimique COIL moins volumineux, plus sur,

P> 1 MW ?

Canon laser à électrons libres

• Développé par Boeing pour l’US Navy • En principe Puissance extensible jusqu’à la classe « MW » • Longueur d’onde variable (intéressant pour éviter les zones

d’absorption du spectre) • Très grandes dimensions (Probleme sauf pour les très

grands navires et les systèmes statiques). Elles Pourraient être réduites

• Rendement: 10 % • Puissance démontrée en laboratoire: 14 kW • Programme arrêté en 2013 pour des raisons budgétaires • Solution potentiellement intéressante à long terme en tant

qu’arme stratégique

Schéma de principe du laser à électrons libres de la

classe 1MW développé par le NRL pour l’US Navy

Vue partielle d’un laser à électrons libres

développé par Boeing pour l’US Navy

PROSPECTIVE SYSTEMES D’ARMES LASER DE PUISSANCE POUR 2030-2040

• Défense terrestre, navire, hélicoptère, avion (ATL)(ELSA), armé d’un laser de puissance (COIL, SSL)

• Navire et avion lourd (ELLA), bombardier a long rayon d’action (LRS), armé d’un laser SST ou à électron libre (classe MW)

• Drone équipé d’un laser solide (SSL) • Avion hypersonique (Superstatoreactor-SCRAMJET) successeur du

X51) (RS72?) armé d’un laser solide (alimenté par MHD - projet HVEPS)(?)(programme Conventionnal Prompt Global Strike (CPGS),

• Avion spatial suborbital successeur du X37B armé d’un laser (hellads) ?

• Station spatiale automatique antisatellites (ASAT) équipée d’un laser ou relais :aérostat, UAV (HALE (Advanced Relay Mirror system (ARMS)/EAGLE, TRMS)) pour un laser terrestre (?)

• Destruction de débris spatiaux, d’un éventuel geocroiseur (DE-STAR, ORION, Clear Space One, etc.)

• Transmission vers la terre de l’énergie d’une centrale PV spatiale

Vue d’artiste d’un futur système de défense ou d’attaque

global intégré sur un théâtre d’opération

Future système de défense laser d’un navire (vue d’artiste)

Défense d’un navire par lasers embarqués (vue d’artiste)

Avion armé d’un laser HELLADS (vue d’artiste)

Vue d’artiste d’un futur chasseur bombardier

armé d’un laser HELLADS

Drone armé d’un laser (vue d’artiste)

Vue de l’avion spatial Boeing X37B

Vue du prototype d’avion hypersonique sans pilote

X-51A accroché sous l'aile d'un B-52

Vue d’artiste de porte-avions du futur armés

d’un laser à électrons libres de la classe Mégawatt

Projet d’arme laser relayée par

miroir pour l’espace

(ARMS/TRMS/EAGLE)

Vue d’artiste de l’effet d’une bombe EMP lancée d’un avion

ou d’un UAV (CHAMP JCTD)

Vue d'artiste de l'engagement d'un canon à rail

electromagnétique par un navire

CONCLUSION

A l’HORIZON 2030-2040: • Arsenalisation de l’espace possible malgré les

traités internationaux mais seulement avec des plateformes spatiales automatiques armées de laser et des lasers au sol relayés par des miroirs

• Cible prioritaire : les satellites qui sont très vulnérables (armes ASAT)

• Développement et déploiement d’armes laser stratégiques et tactiques (terre – mer - air)

QUELQUES REFERENCES

• D. Beason, The E-Bomb, DA CAPO Press, 2005,

• B. Lavarini, La Grande Muraille Nucléaire, L’Harmattan ed. 2005

• A.D. McAulay, Military laser technology for defense, Wiley ed. , 2011

• B. Fontaine, Les armes à énergie dirigée, mythe ou réalité?, L’Harmattan ed., 2011

• P. Pascallon et S. Dossé, coordinateurs, Espace et Défense, L’Harmattan ed., 2011

• Colonel JL Lefebvre, Stratégie spatiale – Penser la guerre des étoiles: une vision

française, L’Esprit du Livre Ed., 2011

• Jeff Hecht, PHOTONIC FRONTIERS: DARPA PROJECTS: DARPA's photonics

projects - At the edge of possibility, Laserfocusworld , 09/01/2011

• J. Skillings, Airborne Laser hits the off switch, CNET News-Sci-Tech, 27/02/2012

• M. Gunzinger & Ch. Dougherty, Changing the Game: The promise of Directed

Energy Weapons, Center for Strategic and Budgetary Assesments, 19/04/2012

• Jeff Hecht, DIRECTED-ENERGY WEAPONS: Testing sets pace for solid-state

laser weapons, laserfocusworld, 10/10/2012

QUELQUES REFERENCES (SUITE)

• Navy to test-fire DARPA’s HELLADS laser, Aviation Week, 24/01/2013

• Directed Energy Weapons, SEA-19B Capstone, Final Progress Review, Naval Postgraduate School, 06/06/2013

• Ch. Pocock, MBDA increases laser firepower for non mobile applications, ainonline.com, 17/06/2013

• D. Donald, Raphael Lifts lid on Laser defense, ainonline.com, 12/02/2014

• G. Warwick, Fiber Lasers Could Accelerate Fielding Of High-Energy Weapons, Aviation week, 17/02/2014

• D. Goure, The next U.S. asymmetric advantage: Maritime lasers to counter the A2/AD challenge, Lexington Institute 24/03/2014

• R. O’Rourke, Navy Shipboard Lasers for Surface, Air and Missile Defense, CRS Report R41526, Congressional Research Service, 25/09/2014

• K. Ludewigt & al., Mobile and stationary laser weapon demonstrators of Rheinmetall Waffe Munition, proc. SPIE 9251, Technologies for Optical Countermesures XI; and High-Power Lasers 2014: Technology and Systems, 07/10/2014

• V. C. Coffey, High Energy Lasers: New Advances in Defense Applications ,Optics & Photonics, 10/2014

• La Chine dévoile l’arme laser anti-drone capable d’abattre de “petits avions” en 5 secondes, Wikistrike.com, 05/11/ 2014

• L. Martinez, See the Navy’s New futuristic laser Weapon in Action, ABC News, 10/12/2014