Чтение онлайн

Задумано было вот что. В конце 1982 года мне позвонили из ЦНИИХМа. Там узнали об испытаниях МГД генератора в МВТУ и попросили провести несколько опытов по созданию магнитного поля в объемно-детонирующем облаке. Надеялись получить значительную эмиссию радиочастотного электромагнитного излучения (РЧЭМИ) и обосновать получение финансирования создания новых средств электронной войны. В работе должны были принять участие специалисты кафедры радиоэлектронной борьбы инженерной академии военно-воздушных сил им. Жуковского. Мнение у меня об этой идее сложилось довольно скептическое, потому что большой ток, а значит, и существенное поле в облаке получить было нельзя: нагрузка — проволочная петля диаметром в несколько дециметров — была слишком велика для МГД генератора небольших размеров. Да и для создания помех система «генератор-облако» вряд ли подходила, потому что время ее излучения (микросекунды) недостаточно для такого применения.

Опыты начались в подмосковном Красноармейске с первых недель 1983 года. Спешки не было, в педелю проводили один — два эксперимента. Академию Жуковского представлял адъюнкт Горбачий. Ток через петлю был небольшим (менее сотни ампер). Излучение от «замагниченного» объемного взрыва измеряли рупорными антеннами и результат был предсказуем: интегральная мощность порядка киловатта, время генерации — микросекунды. Организаторы сессии признавали, что этого недостаточно, но считали, что обоснование дальнейшего финансирования работ такой результат обеспечит.

Перерывы в опытах дали возможность обдумать ситуацию. Плазма объемного взрыва выполняла роль конвертера (преобразователя) энергии. Магнитное поле «закручивало [53] » электроны этой плазмы, а любое движение, отличное от равномерно-прямолинейного есть движение с ускорением. По законам электродинамики, движущийся с ускорением заряд излучает. Опыт расчетов концентрации зарядов в ударно-сжатом (в данном случае — детонирующем) газе теперь имелся. Концентрацию эту не имело смысла повышать: поглощение плазмой ею же эмитированного излучения было и без того существенным, излучение «выпускал» лишь приповерхностный слой детонирующего облака. Повышение же напряженности магнитного поля «уводило [54] » спектр генерируемого излучения из радиочастотной области в бесполезную тепловую. Словом, в каком виде пи «закачивай» энергию в облако — преобразовывало оно ее в излучение тем хуже, чем больше получало. От такого «конвертера» стоило избавиться.

Однако сам по себе МГД генератор излучателем служить не мог — для этого магнитное поле в нем менялось медленно, да и генерируемые токи не были велики. Я слышал о том, что эксперименты по преобразованию в излучение энергии очень больших токов, проводились: к ВМГ подключали взрывной трансформатор, нагрузкой которого служила огромная антенна. Тогда мне не было известно о конструкции этих трансформаторов, их я увидел много позже, работая в Арзамасе-16 — научном центре, где были созданы первые образцы советского ядерного оружия.

Трудно получить большие токи, но, если уж это исполнено, то и разомкнуть «сильноточный» контур тоже непросто. Возможно, у некоторых читателей есть опыт, подобный полученному юным Сахаровым, отключившим руками батарейку от игрушечного электромотора: Адя ощутил довольно сильный удар тока. Дело в том, что, если в контуре создан магнитный поток (равный произведению тока на индуктивность обмотки электромотора), то по закону электромагнитной индукции изменение потока индуцирует в контуре ЭДС, направленную так, чтобы этому изменению воспрепятствовать. В частности, на разрыве индуцируется ЭДС, равная отношению величины подвергнутого остракизму [55] потока ко времени, за которое произошел разрыв.

В Арзамасе-16, используя детонацию заряда взрывчатого вещества, «разрывали» контур, когда протекающий через него ток достигал очень больших значений. Генерируемое при разрыве напряжение (до миллиона вольт) подавалось на антенну. Пока газы взрыва (окислы углерода и азота), сжатые до огромных (граммы на кубический сантиметр) плотностей, еще не разлетелись, они хорошо изолировали разрыв. Несмотря на неслыханные ранее в радиотехнике значения напряжений на антенне, эти опыты не были сочтены успешными, быть может, из-за того, что характерные длительности получаемых импульсов напряжения были, все же великоваты (десятые доли микросекунды) и основная энергия реализовалась в не слишком актуальном для применения диапазоне длин волн (сотни метров); циклопическими были и размеры антенны.

Что же касается собственно ВМГ, то по меркам электродинамики генерируемое им магнитное поле квазистационарно (как бы — постоянно). В имплозивном [56] ВМГ (ИВМГ, рис. 4.22), через катушку 2, свитую из множества параллельно соединенных между собой проводков, пропускался ток от разряда конденсатора 1. Когда этот ток был близок к максимуму, срабатывала цилиндрическая детонационная разводка 3. Принцип ее действия — точно такой же, как и у описанной в главе 2 сферической детонационной разводки, но, конечно, в производстве цилиндрическая разводка проще и дешевле; из рисунка видно, какими элементами она образована. Срабатывание разводки инициировало сходящуюся детонационную волну в кольце мощного взрывчатого вещества 4. Детонация сдавливала витки катушки 2, изоляция между проводками при этом перемыкалась и далее взрывом сжималась трубка из металла (называемая лайнером). С замыканием витков, аксиальное магнитное поле, созданное разрядом конденсатора, оказывалось окруженным металлическим лайнером, чей радиус уменьшался под давлением газов взрыва (рис. 4.23).

В вакууме магнитное поле распространяется со скоростью света, а в проводниках — значительно медленнее: за микросекунду оно проникает, например, в медь на глубину в десятки микрон (характерная скорость — всего лишь десятки метров в секунду). Поле просто не успевает «уйти» в металл, поэтому сжимаемый взрывом лайнер сжимает и магнитное поле внутри себя. Магнитный поток, ранее представленный как произведение тока на индуктивность, можно представить и как произведение индукции магнитного поля внутри катушки на площадь сечения катушки, пронизываемую силовыми линиями этого ноля. Если в лайнере нет разрывов, то, при условии сохранения большей части потока, индукция магнитного поля внутри лайнера «вынуждена» возрастать, чтобы компенсировать убывание площади его сечения. При этом давление магнитного поля изнутри лайнера препятствует сжатию (иногда говорят — «компрессии»), но, конечно, вначале оно уступает давлению взрыва. Работа, совершаемая взрывом против пондерромоторных сил поля и приводит к «перекачке» энергии взрыва в энергию поля. Давление магнитного поля возрастает очень быстро: площадь сечения сжимаемого к оси лайнера убывает обратно пропорционально квадрату радиуса, а значит, в той же пропорции возрастает индукция поля; для давления же эта зависимость еще сильнее — оно пропорционально квадрату индукции, то есть четвертой степени радиуса лайнера! Закон возрастания давления гидродинамических сил в веществе лайнера при его схлопывании куда слабее — всего лишь обратно пропорционален логарифму радиуса. Из этого следует, что, при идеальном сжатии, магнитное поле, пусть даже очень слабое вначале, всегда станет сильнее взрыва и остановит движение лайнера к оси. Таким образом, именно тогда, когда поле близко к максимуму, движение лайнера замедляется и поле тоже меняется медленно: физическая природа процесса сжатия поля в ИВМГ, определяемая конкуренцией сил взрыва и магнитного поля, противодействует быстрому изменению поля во времени.

Понимание процессов, происходящих при сжатии магнитного поля лайнером, важно для перехода к более сложным явлениям, о которых речь пойдет далее. А закрепить знания читателя о магнитном потоке постараюсь, объяснив, почему не излучает ИВМГ: из уравнений Максвелла следует, что мощность излучения пропорциональна второй производной магнитного момента, который равен произведению тока в лайнере на площадь охватываемую этим током, то есть — опять-таки на площадь сечения лайнера. То, что ток и его поле жестко связаны между собой, известно, следовательно, связаны магнитный момент и магнитный поток, равные произведениям этих величин на ту же площадь сечения лайнера. Если поток сохраняется (или незначительно меняется), ни о каких высоких значениях второй производной магнитного момента, а значит, и о мощном излучении говорить не приходится.

Для эффективного излучения поле должно было меняться не просто быстро, а так, чтобы характерное время его изменения соответствовало длине волны, сравнимой с размерами устройства. Если эти размеры оценить в дециметры, время, за которое должно существенно измениться поле (чтобы оценить его, надо поделить характерный размер на скорость электромагнитной волны), составляет наносекунды — на три порядка меньше, чем в ИВМГ! Характерная скорость сильных ударных волн в конденсированных средах — 10 км/с, что дает оценку минимального радиуса сжатия в десятки микрон. Для трубчатого лайнера из какого угодно материала это нереально: нестабильности кладут конец сжатию на значительно более ранних его стадиях.

Каждый видел нестабильности, по крайней мере — по телевидению. Попросите ребенка нарисовать разрыв снаряда «на войне» и он начертит несколько линий, исходящих из центра. Из-за нестабильностей слой воды, метаемый взрывом, вырождается в струи, летящие в воздухе (рис. 4.24). Нестабильности развиваются при большой разнице в плотностях движущегося вещества и среды, где происходит движение. Именно такое соотношение и имеет место в ИВМГ: лайнер из меди движется в воздухе. Подобно вырождающемуся в струи слою воды на рис. 4.24, при схождении лайнера, «внутрь» тянутся и струи меди. Увидеть это можно на снимках, сделанных высокоскоростной камерой (рис. 4.25): на поверхности лайнера начинают расти «пальцы», а потом образуется «звезда», разрезающая объем сжатия, на чем процесс усиления поля и заканчивается. Нестабильности существенны уже на радиусах меньших половины от начального, так что лайнер никак не подходил для сжатия до микронных радиусов.