Огонь! Об оружии и боеприпасах

Прищепенко Александр Борисович

Из определения потока следуют выражения для усиления тока:

I = I₀(L₀/L)²; и магнитной энергии: Е = Е₀(L₀/L), где подстрочные символы относятся к начальным значениям, а , — та доля потока, которую удалось сохранить (коэффициент сохранения).

Итак, подытожим. В контурах из сверхпроводника поток сохраняется полностью; если контур образован обычными проводниками — поток «утекает» сравнительно медленно, диффундируя в них; если в контуре есть разрыв — поток «улетучивается» мгновенно, со скоростью света. Величина тока неразрывно связана с индукцией магнитного поля, создаваемого этим током, а эта связь влечет за собой и другую — магнитного потока с магнитным моментом. Модуль последней величины равен произведению площади, охватываемой контуром, на ток в нем (М = IS). Значение же ее в том, что именно второй производной магнитного момента по времени

пропорциональна мощность электромагнитного излучения. Связь магнитного потока и магнитного момента приводит к тому, что для контура, в котором магнитный поток изменяется несущественно, не может значительно меняться и магнитный момент, а значит, даже если магнитная энергия в контуре очень велика, излучение пренебрежимо (магнитное поле квазистационарно). Когда же требуется получить именно излучение, магнитный поток стараются «выпустить» [37] , например — избавившись от сверхпроводимости, как только ток в контуре из сверхпроводника достиг существенного значения. «Вызволение» потока не всегда проходит безнаказанно: в юном возрасте Андрей Дмитриевич Сахаров как-то отключил руками батарейку от игрушечного электромотора. Напряжение батарейки мало, но, из-за большого числа витков обмотки, магнитный поток (произведение тока на индуктивность) был заметным. По закону электромагнитной индукции (вспомним школьный курс физики!) изменение потока индуцирует в контуре ЭДС, направленную так, чтобы этому изменению воспрепятствовать. Вот и при отключении электромотора, возникла ЭДС, «старавшаяся» не допустить уменьшения тока в его обмотке и равная отношению величины подвергнутого остракизму [38] потока ко времени, за которое произошел разрыв. Эта ЭДС и «дернула» естествоиспытателя.

37

Несохранение потока — необходимое, но отнюдь не достаточное условие генерации излучения. Так, можно сжимать лайнер нарочито медленно, используя для этого не мощное ВВ, а тот же черный порох. В этом случае почти весь поток диффундирует в металл лайнера, но магнитный момент все равно будет меняться столь медленно, что его вторая производная, а значит, и излучаемая мощность, будут ничтожны

38

От греческого «остракон» — черепок. В древней Греции изгнание граждан, опасных для государства, происходило после тайного голосования, в ходе которого имя кандидата на изгнание писалось на черепках

Ну, а позже Андрей Дмитриевич и американец Макс Фаулер прославились изобретением устройств для преобразования энергии взрыва в электромагнитную: взрывомагнитных или магнитокумулятивных генераторов.

Сам Андрей Дмитриевич отмечал, что мысли о возможности магнитной кумуляции еще раньше высказывались Я.П. Терлецким и В.К. Аркадьевым, но: «осуществление культуры МК (магнитной кумуляции) стало возможным лишь тогда, когда возникла определенная культура обращения со сложными зарядами ВВ — кумулятивными, которые появились только во время второй мировой войны, взрывными линзами (тогда же), с имплозивными зарядами. По существу, именно объект (имеется в виду центр разработки ядерного оружия— ВНИИ экспериментальной физики в г. Саров, ранее известном, как Арзамас-16) и ему подобные учреждения были наиболее подходящими для этих работ. В делах такого рода осуществление идеи это даже не полдела, а все 99 %».

Следует добавить, что чрезвычайно важно представлять и порядки величин, существенных для реализации идеи. У Сахарова было и это преимущество, потому что в годы войны он был одним из создателей прибора для контроля бронебойных сердечников па патронном заводе. В основу работы этого прибора был положен скин-эффект.

Первая идея Сахарова заключалась в сжатии взрывом металлической трубки, в которой заранее создавалось магнитное поле. Будет лучше сразу рассмотреть современный вариант воплощения этой идеи, свободный от многих недостатков первоначального (рис. 4.7).

^{Рис. 4.7. Схема имплозивного взрывомагнитного генератора (ИВМГ), идея которого была предложена А. Д. Сахаровым.}

^{На оси — катушка для измерения производной индукции магнитного поля}

Разряд конденсатора 1, формирует ток в катушке 2, свитой из множества параллельно соединенных между собой проводков. Проволочки изолированы между собой, поэтому поле свободно проникает как между витками, так и проволочками обратного токопровода. Когда же ток близок к максимуму, срабатывает цилиндрическая детонационная разводка 3. Она значительно проще сферической, описанной в предыдущей главе, точек инициирования в ней — несколько десятков. Из рисунка видно, какими элементами она образована. Итак, в кольце мощного взрывчатого вещества 4 формируется сходящаяся детонационная волна.

Достигнув катушки, она сдавливает витки. Изоляция между проводками при сдавливании перемыкается и далее взрывом сжимается просто трубка из металла (называемая лайнером). С замыканием витков, аксиальное магнитное поле, созданное разрядом конденсатора, оказывается окруженным металлическим лайнером, чей радиус уменьшается под давлением газов взрыва (рис. 4.8).

^{Рис. 4.8. Сжатие поля лайнером взрывомагнитного генератора под действием давления взрыва}

Если лайнер легкий и взрыв сжимает его быстро, то большая часть потока «не успевает» уйти в проводник, индукция магнитного поля внутри лайнера «вынуждена» возрастать, чтобы компенсировать убывание площади сечения лайнера:

Е = E₀ (S₀/S)²

Существуют работы, посвященные расчету сохранения магнитного потока в имплозивном взрывомагнитном генераторе (ИВМГ), но автор не очень им доверяет, предпочитая определить все, что нужно, из осциллограмм. Чтобы объяснить, что это такое, не обойтись без экскурса в политику..

Понимаю, как возмущает многих нигилизм, все эти неприличные намеки насчет пекущихся о народном благе. Создается ложное впечатление, что суетятся в науке одни фрондеры, то и дело высмеивающие идеи, ниспосланные сверху. Так нет же, подобно «свинье под дубом вековым» из басни Крылова, пробавляются насмешники теми идеями!

…Вспомним, как доходчиво и красочно представляют на графиках наше с вами благосостояние. По оси абсцисс — годы, годы… Но взметнулась вверх красная кривая и сучит по плакату указочка: сейчас вот — да, не очень, но посмотрите: через десять лет скакнет в разы, а через двадцать-то — ой, «запируем на просторе!»

…То же делает и осциллограф — главнейший в экспериментальной физике прибор. Тонкий луч непрерывно эмитируемых электронов вызывает свечение в той точке экрана, на которую он падает. По горизонтали отклоняет этот луч одна пара пластин, на которую подается возрастающее во времени напряжение и пробегает он равномерно сантиметры экрана, только не за годы, а за микросекунды. А на вертикальную пару пластин подается напряжение исследуемого сигнала. Нет никакого сигнала — и чистую, не искривленную линию прочертит осциллограф. Есть сигнал — и получите осциллограмму — тот же график зависимости от времени процесса, который вы исследуете. И, если все подключено правильно, не сомневайтесь: осциллограмма — не партийная программа (хорошо сказал, в рифму!).

Вот и подал автор на вход осциллографа сигнал (рис. 4.9) с пробной катушки, размещенной на оси устройства. В опыте, при сжатии катушки от начального значения внутреннего диаметра 45 мм до конечного 30 мм, магнитный поток уменьшился всего на 9 % от того, который был создан разрядом конденсатора.

^{Рис. 4.9. Осциллограмма производной по времени магнитной индукции в имплозивном ВМГ: сначала видна косинусоида от тока разряда конденсатора, создающего начальное поле; когда производная приближается к нулю (а, значит, ток — к максимуму), взрыв замыкает витки катушки и сжимает ее к оси, почти двукратно увеличивая индукцию поля внутри (еще раз напомним: на осциллограмме — производная, поэтому индукция пропорциональна площадям соответствующих ее участков). Нелинейность возрастания производной на втором участке вызвана тем, что летящий лайнер «дышит»: в нем «гуляют» волны сжатия и разрежения}

От этого ИВМГ требовалась высокая скорость схождения лайнера, а потому катушка была намотана алюминиевыми, а не медными проводками: ради скорости метания проводимость (а значит, и сохранение потока) были принесены в жертву. Да и сжатие имело место лишь до диаметра всего в полтора раза меньшего, чем начальное значение. И это имеет объяснение: представляла интерес лишь та стадия сжатия, на которой еще не развиваются нестабильности и внутренняя поверхность лайнера остается цилиндрической.

Каждый видел, по крайней мере — по телевидению, «кусты» разрывов — это и есть нестабильности. Они хорошо видны на фотографиях 2.8, 3.23, 3.30: слой песка или воды, метаемый взрывом, вырождается в струи, летящие в воздухе.

Нестабильности развиваются при большой разнице в плотности движущегося вещества и среды, где происходит его движение. Именно такое соотношение и имеет место в ИВМГ: лайнер из металла движется в воздухе, сжимаясь к оси. На полученных с помощью высокоскоростной камеры снимках (рис. 4.10) видно, как на внутренней поверхности лайнера начинают расти «пальцы», а потом образуется «звезда», разрезающая объем сжатия, на чем процесс усиления поля и заканчивается. В опытах автора (о них речь впереди) лайнер выполнял две функции, причем главной являлось формирование ударной волны при ударе лайнера о цилиндрическое тело, а дополнительно достигалось и «поджатие» поля с увеличением магнитной энергии примерно до килоджоуля, что по меркам ИВМГ было ничтожной величиной.