Бомбы, которые невзрываются: что такое виркатор

Возможно ли избавиться от громоздкой и капризной вакуумной и высоковольтной техники? Да, в случае если воспользоваться некоторыми особенностями высокотемпературных сверхпроводников

Первое боевое использование аналогичного оружия возможно датировать 17 января 1991 года, в то время, когда американские армии применяли модифицированные крылатые ракеты Tomahawk. При приближении к цели двигатели ракет последние пара секунд уже не поддерживали горизонтальный полет, а трудились как источники питания генераторов замечательного излучения. Оно должно было вывести из строя радиолокаторы иракской совокупности ПВО, что существенно облегчило бы достижение превосходства в воздухе.

Было ли использование электромагнитного оружия успешным, мы ни при каких обстоятельствах не определим: может, приемники радаров и вышли из строя, но излучатели — нет, исходя из этого американские армейские, хотя подстраховаться, применили ракеты, разнесшие радары в клочья.

Бомба из карандашей

При перемещении электронов с ускорением появляется электромагнитное излучение, исходя из этого достаточно, к примеру, траекторию электрона (любое перемещение, хорошее от равномерного и прямолинейного, имеется перемещение с ускорением). Это возможно сделать посредством магнитного поля — как раз так устроен магнетрон, база любой СВЧ-печки. Но по удельной (на единицу количества) мощности их превосходит так называемый виркатор.

Устроен виркатор весьма :себе электронную лампу, у которой имеется два электрода — сетка и эмиттер. При приложении к ним импульса большого напряжения формируется облако электронов, которое движется к сетке, пролетает через ее ячейки и колеблется относительно сетки впредь до полной нейтрализации заряда, излучая радиочастотное ЭМИ. Облако электронов делает роль «виртуального катода», от которого, фактически, и происходит наименование «виркатор».

Генерация гигаваттной мощности требует для того чтобы числа электронов, которое возможно взять только при взрывной эмиссии (не имеющей никакого отношения к взрывчатке): на микроостриях поверхности эмиттера под действием поля высокой напряженности происходит сильный местный разогрев вещества и оно преобразовывается в плотную плазму (другими словами взрывается). Примечательно, что необходимая плотность микронеровностей (в сочетании с нужной проводимостью) получается на сломе графита, исходя из этого один из самых эргономичных материалов для эмиттера — сломанные грифели карандашей.

Вакуумные мастодонты

«Потрошение» карандашей — не главная трудность создания виркатора. Взрывная эмиссия действенна только при огромных (около мегавольта) напряжениях, и, дабы избежать пробоя в излучателе, приходится увеличивать размеры до кубов.

Высокое напряжение, характерное для работы источников вакуумной электроники, не разрешает существенно снизить габариты, исходя из этого отношение энергии генерируемого радиочастотного электромагнитного излучения (РЧЭМИ) к количеству у таких источников мало (микроджоули на кубический сантиметр). Небольшой разброс энергий электронов, соответственно, узкий частотный диапазон генерируемого вакуумными излучателями РЧЭМИ разрешает сделать излучение остронаправленным, но избежать наличия боковых лепестков, каковые смогут сжечь совокупность наведения главного пучка, все равно запрещено: происходит «фратрицид», другими словами «пожирание собратьев», — термин заимствован из сленга биологов.

Нужное свойство вакуумного излучателя — возможность многократных срабатываний: его конструкция не преобразовывается взрывом в крошево, летящее в различных направлениях. Но реализация этого свойства дается дорогой ценой: вакуумный излучатель не получит при включении в розетку с напряжением в 220 вольт, для его энергообеспечения нужны высоковольтные формирователи, трансформаторы, обострители. Они также имеют большие габариты — тем громадные, чем больше потребляемая энергия.

Количества замечательных излучателей измеряются кубометрами, масса — десятками тысячь киллограм.

Полицейское оружие

Ясно, какими эргономичными целями для соперника будут на поле боя такие мастодонты. Да и по дальности поражения целей направленные излучатели РЧЭМИ на базе вакуумных источников постоянно проиграют равным по габаритам «направленным» огневым средствам — реактивной и ствольной артиллерии. А уж габариты равного по мощности взрывного излучателя будут меньше в много раз, по причине того, что для его работы характерен громадный ток, но малое напряжение.

Нужно искать области применения, где недочёты не столь уж серьёзны, а преимущества употребляются максимально. К таким относится использование в полицейских и миротворческих целях.

Уже пара лет в Соединенных Штатах испытывается машина с «микроволновой пушкой» — направленным источником РЧЭМИ, предназначенным для «отпугивания» демонстрантов на дистанции в сотню метров легкими ожогами. Эта машина в полной мере возможно тяжелой и неповоротливой, наводить источник за сотню метров возможно без применения электроники, а трудиться он будет, пока хватит солярки для генератора.

Вакуумные источники смогут кроме этого «прикрыть» военную технику от современных управляемых снарядов, поражающих танки сверху. РЧЭМИ рассеивается в пределах громадного телесного угла, что делает ненужным наведение. Но против простых подкалиберных снарядов либо кроме того противобортовых мин эта совокупность совсем ненужна.

Пара лет назад было предложено создать на базе вакуумного источника РЧЭМИ специальную машину разминирования, которая имела возможность бы проделывать проходы в минных полях, «ослепляя» неконтактные мины. Но достаточно одной «низкотехнологичной» мины с механическим взрывателем — и эффективность этого способа падает до нуля.

Лабораторное оружие

Сверхпроводниковый излучатель — весьма простое устройство: одновитковый соленоид из меди и размещенный в него диск из неестественного сапфира, на что напылено кольцо из керамики YBa2Cu3O7. При охлаждении жидким азотом кольцо делается сверхпроводящим. Сейчас подадим в соленоид импульс тока (с длительностью фронта меньше микросекунды и амплитудой 30−50 килоампер).

Индуктивность соленоида в начальный момент времени мала благодаря наличию сверхпроводящего вкладыша внутри, и ток скоро увеличивается. Наступает момент, в то время, когда внешнее поле превышает критическое значение и в кольце появляется фазовый переход, фронт которого движется от периферии к оси кольца и за которым сверхпроводимость исчезает.

Скорость этого перемещения — километры в секунду (либо миллиметры в микросекунду), и при ширине кольца в пара миллиметров за время менее микросекунды (до тех пор пока поле «ест» сверхпроводимость) возможно «накачать» энергию в единицы джоулей в излучатель. В момент, в то время, когда фронт фазового перехода достигает внутренней границы кольца, ток и его магнитный момент скачкообразно изменяются, наряду с этим генерируется импульс РЧЭМИ.

Для для того чтобы сверхпроводникового излучателя свойственны громадные токи и относительно малые напряжения, соответственно, и маленькие габариты. Но и ему свойственны большие недочёты, каковые мешают боевому применению: необходимость применять жидкий азот, а самое основное — относительно низкий уровень генерируемой мощности (мегаватты). Но в лабораторных изучениях реакции электроники разных типов на сверхширокополосные импульсы РЧЭМИ ему нет равных.

Гибридное оружие

Совокупность энергообеспечения вакуумных излучателей характеризуется массой и большими габаритами. Так из-за чего бы не совместить виркатор с взрывной совокупностью энергообеспечения — к примеру, достаточно компактным спиральным взрывомагнитным генератором (ВМГ, «ПМ» № 3’2005)?

Но ВМГ — источник тока, а не напряжения, исходя из этого для создания высоковольтного импульса питания вакуумного излучателя требуется трансформатор. При детонации нескольких килограммов взрывчатки в ВМГ излучатель вряд ли сохранится, исходя из этого нет потребности беречь и трансформатор — его также возможно сделать одноразовым, взяв высокое напряжение при высвобождении магнитного потока (это явление уже упоминалось при описании ВМГЧ в «ПМ» № 9’2007).

Концепция «гибридного» снаряда противоречива. С одной стороны, виркатор формирует направленное излучение и, следовательно, требует наведения на цель, а ведь преимущество РЧЭМИ перед вторыми поражающими факторами — именно в большей энергетической эффективности, которая делает вероятным отказ от совокупностей наведения. Иначе, в таком снаряде употребляется взрывчатка, исходя из этого ни о какой возможности долгой работы излучателя речь не идет — его срабатывание однократно.

Однако 26 марта 2003 года, на протяжении второй войны с Ираком, американские армейские скинули на один из телецентров двухтонную бомбу с «гибридной» боевой частью, снабженной направленным электромагнитным излучателем. Бомба была управляемой, соответственно, круговое возможное отклонение директрисы облучения от точки прицеливания было меньше десятка метров. Результатом стало отключение телевещания более чем на час.

На какое же время закончилось бы вещание по окончании попадания двухтонной управляемой бомбы, если бы она была не электромагнитной, а фугасной? На данный вопрос любой из читателей «ПМ» может ответить самостоятельно.

Создатель статьи с 1984 по 1997 год возглавлял лабораторию особых снарядов ЦНИИХМ (химии и механики). В первой половине 90-ых годов двадцатого века его доклад «Радиочастотное оружие на поле боя будущего» на конференции в Бордо стал причиной пересмотру классификации электромагнитного оружия. С того времени на Западе снаряды с прямым преобразованием радиочастотной энергии именуют «устройствами Прищепенко» (Prishchepenko-type)

«Гибрид»: виркатор плюс ВМГ

Нагрузкой спирального ВМГ (на рисунке слева) помогает коаксиал из цилиндра и 1 центрального проводника 2 из узкой фольги. Коаксиальная нагрузка малоиндуктивна, исходя из этого при срабатывании ВМГ энергия и ток скоро возрастают. В конечной фазе срабатывает цилиндрическая разводка 3, формируя в кольцевом заряде 4 сходящуюся детонационную волну.

Взрывом цилиндр 2 из фольги разрушается на большое количество частей при продавливании в пазы между ребрами изоляционной катушки 5. Разрыв токового контура ведет к генерации напряжения, которое прикладывается от точек разрыва к сетке и эмиттеру виркатора. Оно равняется отношению магнитного потока ко времени, за которое случился разрыв контура.

Это время — порядка микросекунды, а электропрочность катушки 5 высока: изоляцию снабжают электроотрицательные газообразные продукты взрыва (окислы азота и углерода), сжатые до огромных (порядка 1 г/см3) плотностей. Таковой взрывной трансформатор имеет меньшие габариты, чем классический.

Неприятность пробоя

В то время, когда рабочие напряжения близки к мегавольтным, неприятности предотвращения пробоя — неизменно наиболее значимые, и не только в конструкции фактически излучателя, где смогут использоваться действенные изоляторы. РЧЭМИ с высокой плотностью мощности также способно приводить к разряду в окружающем воздухе.

Ясно, что поменять состав земной атмосферы, сделав ее более электропрочной, невозможно, и в случае если плотность потока мощности/энергии РЧЭМИ на выходе из излучателя превысит пробивное значение, то излучение будет безтолку нагревать грамотного им же плазму. Чем меньше импульс РЧЭМИ, тем выше плотность потока энергии, соответствующая пробою, исходя из этого излучатели, формирующие сверхкороткие (менее наносекунды) импульсы, имеют лучшие армейские возможности (такие импульсы кроме этого более действенно воздействуют на облучаемую электронику).

Пробой — фундаментальное физическое ограничение, существование которого диктует твёрдую сообщение габаритов излучателя с максимально достижимым для него уровнем мощности, а для данного уровня мощности — определяет минимальное значение телесного угла, в пределах которого может формироваться РЧЭМИ. Один из способов преодолеть это ограничение — использование распределенной сети относительно маломощных управляемых направленных источников маленьких габаритов.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№70, август 2008).