ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ В ЭНЕРГИЮ МОЩНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСОВ, РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

 Высокая плотность химической энергии (5 МДж/кг) во взрывчатых веществах обуславливает интерес к ее преобразованию в энергию мощных электромагнитных импульсов, которые находят многочисленные применения в научных и технологических областях, таких как транспортировка энергии, ускорение заряженных частиц, нагрев плазмы для управляемого термоядерного синтеза, накачка лазеров, локаторы высокого разрешения, модификация материалов и др.

 

 Малогабаритные высоковольтные взрывомагнитные генераторы (ВМГ)
- масса взрывчатого вещества 0,1-1,0 кг
- энергия в нагрузке 5-100 кДж.

Создание электрофизических основ моделирования тока молнии в натурных объектах

 

Мечта военных XX века - оружие массового поражения, поражающее только живую силу противника. На создание такого оружия - от боевых отравляющих веществ до нейтронных боеприпасов - были потрачены огромные средства, но идеального инструмента военные так и не получили. А в новом, XXI веке надобность в нем отпала и вовсе: цель войн будущего - не население, а экономика противника. Большую часть боевых задач теперь будут решать роботы - от беспилотных летательных аппаратов до автоматических бронированных машин. И если XX век можно смело назвать веком ядерного оружия, то в XXI-м востребованным будет электромагнитное, или, как его еще называют, микроволновое оружие, выжигающее компьютерный мозг противника.
Пушки и снаряды

Пожалуй, первыми электромагнитными боеприпасами были и остаются обычные ядерные заряды, одним из поражающих факторов которых является электромагнитный импульс, выводящий из строя электронику на много километров вокруг. Действие электромагнитного излучения оказалось настолько эффективным, что 'сразу возник вопрос - нельзя ли создать "чистое", неядерное электромагнитное оружие?

Первой приходит мысль о направленном излучении, которое распространяется примерно в 40 тысяч раз быстрее, чем летит боеголовка баллистической ракеты. Такой пушке не потребуются снаряды, у нее не будет отдачи, стрельба ее беззвучна и бездымна.

Несложные расчеты показывают: дальность поражения электроники не может превышать размер источника излучения более чем в 1000 раз, иначе излучение вызовет разряд в окружающем воздухе и вся его энергия уйдет на образование плазменного экрана. Из этого следует, что источники узких пучков электромагнитного излучения - микроволновые пушки - всегда будут проигрывать равным по габаритам артсистемам в дальности и эффективности поражения. Пучок излучения не заставишь искривиться, поэтому нельзя стрелять с закрытых позиций. Если к этому добавить немалые габариты микроволновых пушек, то понятно, что шансов на современном поле боя у них нет. Список недостатков можно продолжить. Но это не значит, что у электромагнитного оружия нет будущего.

Другое дело, если источник ЭМИ срабатывает рядом с целью - тогда преимущество перед ударной волной или осколками очевидно. Например, радиус поражения крылатой ракеты 120-мм электромагнитным боеприпасом может составить 60 метров (та же тысяча радиусов боеприпаса), что в десять раз дальше, чем осколочно-фугасным снарядом аналогичного калибра.

Однако на данный момент в мире не существует компактных хранилищ электромагнитной энергии высокой плотности, которые можно было бы разместить внутри современных боеприпасов. Поэтому для ее генерации используется традиционное взрывчатое вещество, при детонации которого выделяется в тысячи раз больше энергии, чем может выдать в нагрузку лучший аккумулятор того же объема. Называются такие генераторы взрывомагнитными, и своим рождением они обязаны опять же ядерному оружию.

Генератор Сахарова

Для получения первичных нейтронов, "запускающих" процесс деления в ядерном боезаряде, потребовался сверхмощный источник импульса тока. Генератор А.Д. Сахарова (рис.1) представлял собой кольцо из взрывчатого вещества (ВВ), окружающего медную катушку. Набор подрываемых синхронно детонаторов инициировал детонацию, направленную к оси. В момент, синхронизированный с подрывом, происходил разряд конденсатора, ток которого формировал магнитное поле внутри катушки. Ударная волна огромным давлением (около миллиона атмосфер) "закорачивала" витки катушки, превращая в трубку (лайнер) и замыкая это поле внутри нее.

В проводниках поле движется медленно, поэтому за несколько микросекунд дальнейшего сжатия лайнера оно успевало проникнуть в медь лишь на десяток микрон. Замкнутый магнитный поток при этом почти не изменялся, и уменьшение площади поперечного сечения области сжатия компенсировалось эквивалентным повышением индукции поля (а значит - и возрастанием радиального тока в лайнере). При этом еще более существенно (обратно пропорционально четвертой степени радиуса) возрастали как магнитная энергия, так и магнитное противодавление на лайнер, которое замедляло сжатие вплоть до полной остановки. Вдобавок нестабильности быстро превращали внутреннюю поверхность лайнера в "звезду", лучи которой уже при уменьшении радиуса области сжатия в 3-4 раза разрезали ее, прекращая процесс. Эти и другие причины приводят к тому, что устройства, где магнитный поток сохраняется, позволяют генерировать импульсные токи в сотни миллионов ампер, но непригодны для излучения электромагнитной энергии.
Кристаллическая бомба

Во взрывомагнитных генераторах изменение магнитного поля происходит очень быстро, но все же недостаточно - за несколько микросекунд, что соответствует длине волны около километра (!). Напомним, что для эффективного излучения размер антенны должен быть сравним с длиной волны - представляете себе снаряд размером со стадион? Величина реальных зарядов в тысячи раз меньше, и чтобы конвертировать в излучение хотя бы малую часть энергии взрыва, нужны длины волн в десятки сантиметров, а значит, поле должно меняться за единицы наносекунд (10-9 с). Даже очень мощные ударные волны движутся в твердых телах со скоростями около 10 км/с, поэтому для обеспечения столь быстрого изменения радиус области, где происходит эффективное сжатие поля, должен составлять около 10-5 м - в тысячу раз меньше, чем в генераторе Сахарова!

Казалось бы, все потуги достичь радиусов сжатия в десяток микрон более чем сомнительны. Однако сделать это можно, если сжимать поле не лайнером, а ударной волной в веществе. Такое сжатие имеет важнейшую особенность: в мощной ударной волне огромное давление реализуется в основном за счет температуры, а разность плотностей вещества по обе стороны фронта невелика - примерно двукратная. Это как раз и не позволяет развиться нестабильностям, как в случае со взрывомагнитным генератором, когда разница между плотностями лайнера и воздуха внутри него составляет десятки тысяч раз. К тому же мощная ударная волна в некоторых диэлектриках (ионных кристаллах) обладает и другим интересным свойством - сразу за ее фронтом вещество приобретает высокую, почти "металлическую" проводимость. То есть можно сжимать поле не настоящей оболочкой, а виртуальной!

Итак, минимальный размер области ударного сжатия будет определяться уже не нестабильностями, а неоднородностями структуры вещества. Монокристалл - наиболее упорядоченная структура в природе. Проведенные исследования показали, что фронт ударной волны в монокристалле зеркально гладок: размеры неоднородностей составляют микроны.

Вполне реально кардинально снизить и противодавление поля, которое замедляет сжатие. Это становится возможным потому, что скорость фронта волны превышает массовую скорость вещества за фронтом. Чтобы продемонстрировать это, возьмем несколько карандашей и, оставляя зазоры, равные их толщине (что будет моделировать двукратное увеличение плотности вещества при сжатии), разложим в ряд на столе. Затем начнем двигать крайний из карандашей. Выбрав зазор, этот карандаш толкнет соседний, тот, пройдя зазор - следующий и т.д. Заметьте, что "фронт" процесса (граница области, где находятся карандаши без зазоров между ними) всегда опережает любой из двигающихся карандашей.

Но, как мы знаем, за фронтом волны вещество приобретает высокую проводимость, а в проводнике поле уже не может двигаться свободно: оно "вязнет" в нем. Если в генераторе Сахарова как вещество, так и фронт проводимости движутся со скоростью внутренней границы лайнера, вместе "толкая" поле перед собой, то при ударном сжатии скорость проводимости выше, и, "откусывая" поле по краям, она отнимает часть его из области сжатия. Но это не страшно: для генерации излучения важно быстрое изменение поля, а не рекордное значение его индукции, и чтобы избежать торможения в конечной, самой скоростной фазе сжатия, вполне можно пойти на "сброс" части поля за фронт волны. Мучительные поиски вещества, подходящего по комбинации многих свойств для ударного сжатия магнитного поля, вывели на монокристалл иодида цезия.
Изготавливаем супероружие

Самое сложное - сформировать сходящуюся ударную волну (сферическую, ее скорость с уменьшением радиуса возрастает намного быстрее, чем цилиндрической). Та же задача стояла и при создании ядерных зарядов (подробнее см."Популярная Механика" №13)-там взрыв обжимал до сверхкритической плотности плутониевый шарик. Собирали такой заряд из 32 сферических сегментов (20 шестигранных и 12 пятигранных), образовывавших структуру, похожую на футбольный мяч. Изготовление таких сегментов с необходимой точностью - задача потруднее огранки бриллианта. Еще труднее было заставить сработать 32 детонатора одновременно, с разбросом по времени менее миллионной доли секунды (!). Для этого в первых атомных бомбах применялось сложное электронное устройство весом более 200 кг.

Технологический отрыв от тех времен огромен. В нашем случае (рис.3) заряд ВВ размещается внутри детонационного распределителя - полой сферы из поликарбоната, на поверхности которой отфрезерованы многочисленные каналы. Начинаясь у детонатора, причудливо разветвляясь, каналы покрывают всю внешнюю поверхность распределителя, заканчиваясь сквозными отверстиями. Они заполнены эластичным ВВ с высокостабильной скоростью детонации. Эта сложнейшая сеть создается так, чтобы обеспечить равные пути детонации от первичного детонатора до каждого отверстия - точки инициирования основного заряда (их несколько десятков). Расчет каналов требует методов геометрии Римана, да и отфрезеровать такую систему каналов можно не на каждом высокоточном станке с ЧПУ. Основной заряд изготавливается из мощного взрывчатого состава на основе октогена. Внутри него устанавливается сфера из монокристалла иодида цезия.

Вокруг сферы собирается магнитная система. В ее основе - два постоянных магнита, от которых к монокристаллу идут два усеченных конуса из магнитно-мягкой стали, "собирающих" поле магнитов в область, занятую монокристаллом. Сохранению потока, создаваемого магнитами, служат и магнитопроводы. Кристалл устанавливается в центре так, чтобы его главная ось совпадала с направлением магнитного поля, иначе различия в свойствах вдоль других осей могут нарушить симметрию сжатия. Устройство собрано. Сработал детонатор. Со скоростью около 8 км/с огоньки детонации, разветвляясь, разбегутся по каналам, одновременно нырнут в десятки отверстий и инициируют в основном заряде сферическую детонацию с давлением в полмиллиона атмосфер. Достигнув поверхности иодида цезия, волна детонации сформирует в нем ударную волну. Поскольку плотность монокристалла больше плотности газов взрыва, давление на поверхности сферы скачкообразно увеличится, превысив миллион атмосфер. Сферическая ударная волна помчится к центру со скоростью более 10 км/с, оставляя за собой уже не монокристалл, а проводящую, как металл, жидкую мешанину из атомов и ионов йода и цезия и сжимая магнитное поле. В конечной фазе отношение размера области сжатия к начальному радиусу монокристалла - менее одной тысячной. Энергия магнитного поля могла бы возрасти при этом в миллион миллионов раз! Впрочем, вспомним, что сжата-то лишь мизерная часть поля, а почти все "выброшено" за фронт ударной волны.

Если заряд собран правильно, то ударная волна, сойдясь в точку и отразившись, устремится обратно, скачком изменив поле, что и приведет к генерации импульсного потока радиочастотного электромагнитного излучения (РЧЭМИ). Длительность его менее наносекунды, но спектр! За доли наносекунды поле меняется, конечно же, не по закону синуса с периодом, равным времени сжатия-разрежения, а куда как более резко, и это значит, что в функции, описывающей его изменение, существенны вклады многих частот. Поэтому ударно-волновой источник излучает в диапазоне от сотен мегагерц до сотен гигагерц-более трех частотных декад!

Ну, а в каком же направлении излучает такой боеприпас? Диаграмма направленности излучения сильно зависит от отношения размера излучателя к длине волны. А излучается прорва частот на трех декадах, да еще размер излучателя (области сжатия) непрерывно меняется! Так что можно считать, что электромагнитная энергия излучается по всем направлениям, что делает вполне естественным применение такого источника в боеприпасах.
"Золотые боеприпасы"

Почти все статьи, повествующие об электромагнитном оружии, по традиции заканчиваются стандартной "страшилкой" об "отключившихся телефонах" и "погасшем свете". Мы же не будем этого делать, и по вполне очевидной причине: идиота, расходующего умопомрачительно дорогие боеприпасы на такую ерунду, скорее всего, будет ждать военный трибунал.

Один из самых малогабаритных образцов ядерного оружия - 152-мм артиллерийский снаряд (параметры деления оружейного плутония таковы, что в меньших размерах создать взрывную сверхкритическую сборку невозможно). Хотя ударно-волновой заряд удалось "втиснуть" в меньший (105 мм) калибр, в технологии производства таких "малышей" много общего, и стоимость их вполне сравнима. Поэтому применение ударно-волнового боеприпаса (рис.5) целесообразно лишь в очень ответственных ситуациях, например для "ослепления" электроники опаснейшего противника - подлетающей крылатой ракеты. Для "прозы войны" -действий на поле боя - требуются другие типы электромагнитных боеприпасов, "числом поболее, ценою подешевле".