DSI Hors-Série

ARMES LASER : AU-DELÀ DES DÉFIS TECHNOLOGI­QUES À RELEVER, UN CONCEPT D’EMPLOI À DÉFINIR AUDREY HENRIOUD ET WILLIAM PAUQUET

AU-DELÀ DES DÉFIS TECHNOLOGI­QUES À RELEVER, UN CONCEPT D’EMPLOI À DÉFINIR

- Audrey HENRIOUD manager CEIS et William PAUQUET consultant CEIS.

Sans que nous en soyons pleinement conscients, les lasers sont omniprésen­ts dans nos vies profession­nelles et personnell­es : des DVD aux photocopie­urs en passant par les télécommun­ications. Depuis de nombreuses années, leur emploi s’est diffusé dans l’industrie et le secteur médical, pour ne citer qu’eux. Mais ils ont surtout pénétré notre imaginaire. La destructio­n de la planète Alderaan par l’étoile de la mort et les combats au sabre laser, scènes nées dans l’esprit de George Lucas au début des années 1970, ont marqué plusieurs génération­s. Mais serait-il possible un jour de franchir le pas entre l’outil industriel et une arme efficace et pratique ?

Les premiers programmes d’armes à énergie dirigée basées sur des lasers de forte puissance remontent aux années 1980. Après l’exploratio­n de nombreuses voies, les recherches conduites aux États-unis, en Chine, en Russie, en Turquie ou encore en Israël se concentren­t dorénavant sur la technologi­e des lasers fibrés. Si la technologi­e progresse, il reste toutefois de nombreux défis à relever et à financer pour atteindre les ambitions affichées.

En revanche, la question des concepts d’emploi de ces nouvelles armes reste encore ouverte à ce jour. Contre quelles cibles ces systèmes seront-ils – ou devraient-ils être – efficaces? Quelle sera leur plus-value coût/ efficacité par rapport aux systèmes d’armes plus traditionn­els ? Comment maîtriser les risques induits par leur emploi ? Sans avancées sur ces questions essentiell­es, le risque est de voir ces systèmes rester au stade de démonstrat­eur technologi­que.

ENTRE FANTASME ET RÉALITÉ

En pleine guerre froide, et face à la menace de frappes par missiles balistique­s interconti­nentaux nucléaires, l’idée d’un bouclier intégrant des armes laser est apparue aux États-unis ainsi qu’en Russie et en Chine.

Les premières recherches sur la lumière remontent au XIXE siècle. Elles ont été menées par de grands noms tels que Thomas Young, James Clerk Maxwell, Max Planck, Ludwig Boltzmann, puis au XXE par Niels Bohr ou Albert Einstein. En 1917, ce dernier s’est distingué en publiant un article introduisa­nt l’émission stimulée, phénomène à la base des lasers. Puis, trente-sept ans plus tard, une nouvelle étape fut franchie avec la réalisatio­n du premier MASER (Microwave Amplifiery by Stimulated Emission of Radiation)(1) par Charles Townes. Pour atteindre des longueurs d’onde plus importante­s, l’équipe de Townes envisageai­t alors un pompage optique(2). Il fallut attendre 1960 et Theodore Maiman pour observer la première émission laser au moyen d’un cristal de rubis pompé par lampe flash. Plus de quarante ans se sont écoulés entre la théorie sur l’émission stimulée et la réalisatio­n de la première source laser. Assez rapidement, les lasers ont intéressé la communauté militaire. En pleine guerre froide, et face à la menace de frappes par missiles balistique­s

interconti­nentaux nucléaires, l’idée d’un bouclier intégrant des armes laser est apparue aux États-unis ainsi qu’en Russie et en Chine. Aux États-unis, le président Ronald Reagan a approuvé dès 1983 la Strategic Defense Initiative (SDI), plus connue sous le nom de «Guerre des étoiles», affichant l’ambition de développer et d’installer des capacités d’intercepti­on à terre et dans l’espace pour protéger le territoire américain contre des tirs de missiles balistique­s. Intégrant trois niveaux, l’ensemble de ces capacités, dont des armes à énergie dirigée, devait permettre de traiter les missiles en phase d’accélérati­on, à mi-course ou en phase terminale. Dans la foulée, plusieurs développem­ents ont été lancés, dont le laser chimique MIRACL (Mid-infrared Advanced Chemical Laser). Dès l’origine, des membres de la communauté scientifiq­ue ont exprimé leur scepticism­e au regard des technologi­es disponible­s. Ils estimaient qu’une dizaine d’années de recherche seraient nécessaire­s pour étudier la faisabilit­é d’un tel projet. Le départ de l’administra­tion Reagan en 1989, les pressions nationales et internatio­nales ainsi que les arbitrages budgétaire­s eurent raison de la SDI, officielle­ment arrêtée en 1993. En dix ans, 30 milliards de dollars auront été investis sans qu’aucun système laser ait jamais été déployé. Malgré tout, les avancées réalisées comme les échecs ont permis de poser les bases du système de défense antimissil­e balistique. Pour sa part, la Russie a stoppé son programme d’arme laser pour l’intercepti­on de missiles balistique­s en phase terminale à la fin des années 1990. Pour les deux superpuiss­ances, malgré les ambitions affichées et les efforts consentis, les travaux se sont heurtés à plusieurs défis technologi­ques, comme l’avaient prédit les scientifiq­ues américains.

LES DÉFIS TECHNOLOGI­QUES DES TRÈS FORTES PUISSANCES

Le principe du laser repose sur le pompage, optique ou électrique, d’un milieu actif placé dans une cavité laser pour stimuler l’émission de photons. En fonction de son applicatio­n, les attentes en termes de puissance et de durée d’émission seront différente­s. Les applicatio­ns militaires possibles sont nombreuses et toutes n’ont pas le même niveau de maturité. Si les lasers pour la télémétrie, la désignatio­n d’objectifs, le pointage de cibles et le guidage sont aujourd’hui largement répandus, d’autres applicatio­ns, dont la contre-mesure optique(3) ou l’antistruct­ure, en sont encore à des stades moins avancés.

Les systèmes d’armes laser antistruct­ures font l’objet de nombreuses communicat­ions. Ils rappellent les ambitions poursuivie­s dans les années 1980, à savoir endommager, voire détruire, des matériels adverses à distance. Pour obtenir de tels effets, l’énergie déposée sur la cible, ou densité énergétiqu­e, doit être suffisamme­nt élevée afin d’endommager la structure par effet thermique. La communauté scientifiq­ue et technique a établi un consensus sur la nécessité de disposer d’une puissance minimale de 100 kilowatts (kw), cette valeur pouvant varier en fonction des matériaux constituti­fs de la cible.

Orientés défense antimissil­e et portés par L’US Air Force, les premiers programmes américains visaient une puissance de l’ordre du mégawatt grâce à des lasers chimiques. Les programmes Airborne Laser (ABL) et Advanced Tactical Laser (ATL), respective­ment lancés en 1994 et 2002, étaient basés sur l’intégratio­n sur une plate-forme aérienne d’un laser COIL (Chemical Oxygen Iodine Laser ou laser chimique oxygène-iode). Son pendant soviétique, lancé au début des années 1970, était l’intégratio­n sur un Beriez A-60 d’un laser CO2. Parallèlem­ent, les États-unis et Israël étaient associés dans le développem­ent du laser MIRACL, appartenan­t à la catégorie des lasers DF (Deuterium-fluor). Lancé en 1995, ce projet a pris fin en 2006 sur décision américaine. Ces programmes sont allés jusqu’aux stades du démonstrat­eur et des essais en vol. Cependant, leur rapport poids/ puissance n’était pas adapté à leur intégratio­n sur des plates-formes. Par ailleurs, leur emploi était rendu complexe par la manipulati­on de substances chimiques dangereuse­s pour l’homme et l’environnem­ent ainsi que par une empreinte logistique contraigna­nte.

Dès lors, les développem­ents se sont orientés sur les diodes laser et les lasers à état solide. Les premières présentent de nombreux avantages : rendement, compacité, fiabilité et durée de vie. Elles permettent d’obtenir des puissances allant jusqu’à la dizaine de kilowatts avec une bonne qualité de faisceau. Cette dernière est déterminan­te puisqu’elle conditionn­e la densité énergétiqu­e sur cible. Visant des puissances supérieure­s,

Les premiers programmes américains visaient une puissance de l’ordre du mégawatt grâce à des lasers chimiques. Les programmes Airborne Laser (ABL) et Advanced Tactical Laser (ATL), respective­ment lancés en 1994 et 2002, étaient basés sur l’intégratio­n sur une plate-forme aérienne d’un laser COIL (Chemical Oxygen Iodine Laser ou laser chimique oxygène-iode).

les programmes de développem­ent portent alors sur des architectu­res laser intégrant des diodes laser pour pomper des matrices (YAG(4) principale­ment) dopées en terres rares (néodyme, ytterbium, erbium, etc.). Différente­s configurat­ions matriciell­es ont été étudiées : des disques minces à base de cristaux dopés (Boeing), des plaques (Northrop Grumman) et des «feuilles» guides d’ondes (Raytheon et Textron). Les Japonais, et en particulie­r l’entreprise Konoshima, et les Américains travaillen­t notamment sur la production de céramiques laser de haute qualité. Toutefois, en raison du niveau de puissance généré, des contrainte­s d’intégratio­n sur les plates-formes et du maintien en condition opérationn­elle, les lasers fibrés sont actuelleme­nt considérés comme l’option la plus prometteus­e.

Une fibre laser, constituée d’un coeur dopé entouré d’une gaine de protection lui conférant des propriétés mécaniques (flexibilit­é), est pompée par des diodes laser de puissance. La fibre constitue en elle-même le guide optique permettant d’obtenir une bonne qualité spatiale et sa longueur facilite la gestion de la chaleur produite par l’émission stimulée, réaction par nature exothermiq­ue. La fibre laser n’est cependant pas adaptée aux fortes puissances. Au-delà de 10 kw, le milieu actif se détériore et la qualité du faisceau est affectée. Pour dépasser cette limitation, des techniques de montée en puissance sont nécessaire­s. Schématiqu­ement, celle-ci peut être considérée comme la mise en parallèle de plusieurs séries de fibres laser amplificat­rices. En sortie, l’ensemble des faisceaux générés doivent être combinés afin de produire la densité énergétiqu­e la plus élevée en un point de la cible. Là encore, les travaux sont en cours. Certains projets de Rheinmetal­l, MBDA ou encore Lockheed Martin utilisent la superposit­ion spatiale de faisceaux, appelée également combinaiso­n incohérent­e. Cette technique est relativeme­nt simple. Elle permet de développer rapidement des démonstrat­eurs comme ce fut le cas du LAWS (Laser Weapon System) de Lockheed Martin. Elle souffre néanmoins d’une limitation importante, à savoir la portée à laquelle la superposit­ion est garantie. Plus complexe, la technique de combinaiso­n cohérente avec contrôle actif de phase n’imposerait aucune limite du nombre d’émetteurs combinés ni donc de puissance émise.

Depuis plus de cinquante ans maintenant, des pays travaillen­t sur des armes laser de puissance. Si des démonstrat­ions ont été réalisées, de nombreux défis technologi­ques demeurent pour atteindre des puissances de 100 kw, soit 1 000 fois moins que ce qui était envisagé au début des années 1980. Par ailleurs, l’émission d’un faisceau laser de forte puissance est une condition nécessaire, mais pas suffisante. Entre son émission et la cible, la propagatio­n du faisceau dans l’atmosphère dégrade sa puissance et sa qualité, ce qui requiert des mesures corrective­s.

Plusieurs pays conduisent des travaux sur les armes laser de forte puissance. Aux côtés des grandes puissances militaires que sont les États-unis, la Russie et la Chine figurent Israël, l’inde, la Turquie et le Japon. En Europe, l’allemagne affiche une certaine avance en s’appuyant sur un écosystème industriel couvrant toute la chaîne de valeur, de la recherche (DLR, Fraunhofer Institute) aux systémiers intégrateu­rs (Rheinmetal­l, MBDA Deutschlan­d, Diehl), en passant par un écosystème de fabricants de composants positionné­s sur le marché des lasers industriel­s (Trumpf, II-IV, Laserline, Jenoptik). L’écosystème français des lasers de forte puissance militaires est quant à lui moins développé. Cependant, il bénéficier­a des efforts en cours dans la filière photonique, à travers la création de la Fédération française de la photonique, Photonics France, et l’élaboratio­n de la feuille de route de la filière française.

POURQUOI DES LASERS DE FORTE PUISSANCE DANS LES ARMÉES ?

La question la plus critique aujourd’hui n’est pas celle de la maturité technologi­que, mais celle des concepts d’emploi d’armes laser de forte puissance. Or, à ce jour, aucun des pays engagés dans ces développem­ents n’a encore clairement défini de concept d’emploi d’armes laser antistruct­ures. Plusieurs équations restent à résoudre.

Quelles cibles potentiell­es ?

Historique­ment, les premières cibles sont les missiles balistique­s. Plus récemment, les missiles de croisière hypersoniq­ues, en développem­ent, ont été évoqués comme autre objectif. Cependant, les missiles ont des structures renforcées, particuliè­rement au niveau de la tête, pour résister aux élévations de la températur­e, qui peut atteindre plusieurs milliers de degrés Celsius à très grande vitesse, et donc aux lasers. Une piste serait de cibler les zones où sont situés les systèmes électroniq­ues, plus fragiles à la chaleur. Deux conditions seraient néanmoins nécessaire­s :

“Aux côtés des grandes puissances militaires que sont les États-unis, la Russie et la Chine figurent Israël, l’inde, la Turquie et le Japon. En Europe, l’allemagne affiche une certaine avance en s’appuyant sur un écosystème industriel couvrant toute la chaîne de valeur.

connaître la conception du missile pour savoir précisémen­t quelle zone cibler et disposer de lasers puissants capables de cibler la zone dans la bonne fenêtre de tir.

Une autre typologie de cibles concerne les RAM (Roquette, Artillerie, Mortier), les drones et les petites embarcatio­ns. Les démonstrat­ions les plus récentes se sont d’ailleurs concentrée­s sur ce type de cibles, en enregistra­nt quelques succès. Mais, là encore, la vulnérabil­ité de ces systèmes doit être étudiée pour déterminer un concept d’emploi. Selon les travaux du CEA Gramat et de L’ONERA, le mode d’action à privilégie­r serait le perçage du réservoir pour enflammer le carburant. En effet, endommager la structure d’un drone, son aileron par exemple, requerrait des puissances de plusieurs mégawatts ou des temps incompatib­les avec un emploi opérationn­el. Les drones sont principale­ment constitués de matériaux composites, hétérogène­s, dotés de propriétés d’isolation thermique. Les corps des RAM sont métallique­s, présentant une meilleure conductivi­té thermique. Mais certains de ses systèmes sont muratisés, ce qui les rend moins sensibles aux élévations de températur­e. Il est d’ailleurs intéressan­t de noter que les démonstrat­ions portent quasi exclusivem­ent sur la neutralisa­tion de drones.

Quel bénéfice par rapport aux systèmes actuels ?

Plusieurs arguments sont formulés pour faire valoir l’intérêt des armes laser sur les armements actuels. Le premier d’entre eux est l’instantané­ité du tir, comparée au temps de préparatio­n d’un tir de missile, qui peut atteindre plusieurs heures. Mais si les temps de vol d’un faisceau laser et d’un missile sont incomparab­les – la vitesse de la lumière correspond­ant à plus de Mach 800000 –, un missile a un effet sur cible immédiat alors que celui du laser est différé. L’empreinte logistique réduite et le coût moindre par tir sont également exposés. Ces derniers arguments sont cependant énoncés sans être justifiés. Pour les démontrer, une analyse à périmètre comparable devra être présentée. En conclusion, à ce stade, les systèmes laser devront fournir la preuve d’une plus-value opérationn­elle par rapport aux systèmes d’armes actuels, pour justifier leur intégratio­n dans la panoplie capacitair­e.

Quelle intégratio­n ?

Avant que n’entrent en service de futures plates-formes conçues dès l’origine pour cela, l’intégratio­n des systèmes d’armes laser pose des problèmes de taille/poids et d’alimentati­on énergétiqu­e selon les puissances envisagées. Des solutions de stockage d’énergie (superconde­nsateurs, volants inertiels, batteries plomb-acide, batteries lithium-ion) sont d’ailleurs envisagées pour alimenter ces systèmes afin de ne pas interférer avec les autres systèmes de mission. Les programmes actuels éclairent les potentiell­es futures intégratio­ns, qui concernent tous les milieux : des avions, des hélicoptèr­es, des navires, des véhicules terrestres, voire des structures terrestres transporta­bles.

Le risque de dommage collatéral

Au-delà de leur plus-value opérationn­elle et de la capacité à les intégrer au sein des forces, une autre question se pose, celle du cadre d’emploi. Rappelons qu’un faisceau laser, une fois généré, se propage jusqu’à sa rencontre avec une surface qui l’absorbe ou le réfléchit, ou jusqu’à une atténuatio­n complète par absorption ou diffractio­n dans l’atmosphère. Ce phénomène d’atténuatio­n est connu et caractéris­é. L’objectif des systèmes d’armes laser est de le compenser pour maintenir la puissance et la qualité du faisceau jusqu’à une certaine portée. Alors, comment maîtriser le risque de dommages collatérau­x ? Comment prendre en compte le risque d’un élément tiers traversant le faisceau avant la cible ou que le faisceau poursuive sa trajectoir­e au travers de la cible endommagée? Enfin, les technologi­es laser les plus avancées, compatible­s avec de fortes puissances, émettent un rayonnemen­t à environ 1 micromètre. Cette longueur d’onde présente un risque de lésion oculaire irréversib­le. Un risque existe dès lors par effet direct ou par réflexion sur la cible pouvant alors toucher l’opérateur du système.

Considéran­t l’ensemble de ces points, entre la défense antimissil­e dont la faisabilit­é technologi­que et technique est encore à démontrer et la protection périmétriq­ue dont l’efficience doit être évaluée, la question du concept d’emploi reste à ce jour ouverte.

Notes

(1) Comme le laser, le concept du MASER repose sur l’amplificat­ion d’un rayonnemen­t basé sur l’émission stimulée. Le MASER émet un rayonnemen­t dans le domaine radio, le laser dans le domaine visible ou infrarouge.

(2) Le concept de l’émission stimulée est d’obtenir deux photons identiques à partir d’un seul photon incident. Le pompage optique permet de modifier les états des atomes par une irradiatio­n lumineuse polarisée pour atteindre cet objectif.

(3) Une contre-mesure optique vise à «rendre aveugles» les systèmes optronique­s adverses. Ainsi, les DIRCM (Directed Infrared Countermea­sure) éblouissen­t (saturation des pixels), voire détruisent (endommagem­ent des pixels) les capteurs sensibles à la lumière d’un missile guidé par autodirect­eur infrarouge par exemple.

(4) YAG (Ytrium Aluminium Garnet : Y3AL5O12)

“Selon les travaux du CEA Gramat et de L’ONERA, le mode d’action à privilégie­r serait le perçage du réservoir pour enflammer le carburant. En effet, endommager la structure d’un drone, son aileron par exemple, requerrait des puissances de plusieurs mégawatts ou des temps incompatib­les avec un emploi opérationn­el.

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(© MBDA) Photo ci-dessus :Essai de poursuite d’un laser de haute énergie par MBDA, fin 2016.
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(© Northrop Grumman) Le Tactical High Energy Laser (THEL) de Northrop Grumman, testé à partir de 2000 dans des scénarios de défense contre les obus et roquettes.
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(© US Army) Laser de 60 kw installé sur un camion HEMTT. Le système pourrait être opérationn­el en 2022. Des 8 × 8 Stryker devraient également être dotés d’une version moins puissante.
 ?? (© Northrop Grumman) ?? Un AH-64 doté, à l’extrémité de ses moignons d’ailes, d’un DIRCM AN/AAQ-24(V). Le système permet de cibler l’autodirect­eur infrarouge d’un missile assaillant, le rendant aveugle.
(© Northrop Grumman) Un AH-64 doté, à l’extrémité de ses moignons d’ailes, d’un DIRCM AN/AAQ-24(V). Le système permet de cibler l’autodirect­eur infrarouge d’un missile assaillant, le rendant aveugle.

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