Шипение снарядов - Александр Прищепенко

Объяснить, как из хранимой в ВВ химической энергии получают электромагнитную, невозможно, обойдя вниманием важнейшую физическую величину — магнитный поток, потому что именно ее «поведение» позволяет понять многое в этом процессе.

Рис. 4.7 Обнаруженная в середине 90-х годов и уничтоженная подрывом мина к 82-мм миномету, произведенная в 1939 году (слева). Дилетантам нельзя «оприходовать» и даже трогать такие находки, потому что их взрыватели были взведены при выстрелах и неизвестно, какая малость помешала им сработать. Нечего и говорить, что обезвреживание боеприпасов, особенно, мин — весьма опасная задача. Некоторые саперы полагаются в их поиске не на индукционными миноискатели, а на чувствительное обоняние… прирученных крыс (справа)

Магнитным потоком Ф через данную поверхность называется число линий вектора В (индукции магнитного поля), пересекающих эту поверхность. Если вектор В всюду нормален к поверхности (площадью S) и имеет постоянное значение во всех ее точках, магнитный поток равен: Ф = BS. Поведение потока, как и все электромагнитные явления, определяется уравнениями Максвелла, но обобщенное описание на неспециалиста способно навеять лишь скуку, поэтому рассмотрим частный случай, когда по периферии такой поверхности располагается проводящая среда, а в центре — непроводящая (рис. 4.8). Проводимость сильно влияет на подвижность магнитного поля: оно «занимает» область в вакууме или диэлектрике со скоростью света, а в проводящей среде движется тем медленнее, чем выше проводимость. Так, за микросекунду оно проникает, например, в медь на глубину в десятки микрон (характерная скорость — всего лишь десятки метров в секунду). При этом в окружающей поток проводящей среде обязательно протекает и ток — эти величины неразрывно связаны, так что потоку можно дать и другое определение: это произведение индуктивности L контура на ток I, протекающий в нем (Ф = IL). Допустимо, рассматривая магнитный поток, «преобразовать» контур, «завив» его в несколько витков; можно поступать и наоборот, «разворачивая» витки.

При деформации контура поток сопротивляется таким попыткам тем энергичнее, чем он свободнее, отвечая на стремление изменить себя генерацией ЭДС, препятствующей этому [77]. Например, если сжать контур, то благодаря такой ЭДС в нем возрастут и ток и индукция поля, компенсируя уменьшение площади. Если же попытаться «разорвать» контур и «выпустить» поток, он отреагирует на это, опять же — генерируя ЭДС, чтобы пробой замкнул разрыв.

Рис. 4.8 Равенство значений магнитного потока в контуре, «свернутом» в пару витков и в том же, но «развернутом» контуре. В первом случае магнитный поток равен тройному произведению: индукции магнитного поля на площадь витка и на число витков; во втором — той же индукции на общую площадь контура (равную удвоенной площади одного витка)

Несмотря на «заботу» потока о самосохранении, полностью ему удается достичь этого лишь в контуре из сверхпроводника. В обычные же металлы магнитное поле частично или полностью проникает. «Увязшее» в проводнике поле лишается подвижности и не участвует в процессах преобразования энергии, а только нагревает проводник. Глубину проникновения называют скин-слоем, и зависит она, помимо проводимости, от частоты тока или от длительности импульса переменного во времени поля. Распределение индукции поля по толщине скин-слоя неравномерно (описывается уравнением диффузии).

Из рис. 4.8 ясно, что при прочих равных условиях потери такого рода тем выше, чем на большей длине провода (или числе витков) происходит диффузия поля. Так что если задумано для усиления тока и магнитной энергии сжать контур, то делать это надо быстро, чтобы существенная часть потока в нем сохранилась свободной: чем она больше, тем выше «качество» процесса сжатия.

Правда, не всегда из сохранения потока надо «делать культ»: 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). Второй производной магнитного момента по времени пропорциональна мощность электромагнитного излучения и связь магнитного потока и магнитного момента приводит к тому, что для контура, в котором магнитный поток изменяется несущественно (магнитное поле квазистационарно), незначительно меняется и магнитный момент, а значит — излучение пренебрежимо, даже если магнитная энергия в контуре очень велика. Один из способов получить излучение — «выпустить» [78] магнитный поток, что не всегда проходит безнаказанно: так, юный Адя Сахаров, без всяких мыслей об излучении, отключил руками батарейку от игрушечного электромотора. Напряжение батарейки мало, но, из-за большого числа витков обмотки, магнитный поток (произведение тока на индуктивность) был заметным и он индуцировал в контуре ЭДС, направленную так, чтобы изгнанию потока воспрепятствовать. Эта ЭДС, равная отношению величины подвергнутого остракизму [79] потока ко времени, за которое произошел разрыв, и «дернула» естествоиспытателя.

Ну а позже Сахаров и американец Макс Фаулер прославились изобретением устройств для преобразования энергии взрыва в электромагнитную — таких, в которых магнитный поток сжимается, а не выпускается.

Сам Андрей Дмитриевич отмечал, что мысли о возможности магнитной кумуляции (МК) еще раньше высказывались Я. Терлецким и В. Аркадьевым, но: «осуществление культуры МК 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 известный, 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 на патронном заводе. В основу работы этого прибора был положен скин-эффект.

Фаулер — в США и Сахаров — в СССР предложили сжать взрывом металлическую трубку (лайнер), в которой заранее создавалось магнитное поле (рис. 4.9). Чтобы «впустить» внешнее поле, лайнер вначале делали разрезным (взрыв «захлопывал разрез»), но последующее сжатие происходило неравномерно, поэтому позже стали навивать катушку из множества изолированных проводков (рис. 4.10), изоляция которых передавливалась при взрыве.

Рис. 4.9 Предложенный А. Сахаровым и М. Фаулером метод сжатия магнитного поля лайнером под действием давления взрыва

Если сжатие лайнера такого имплозивного взрывомагнитного генератора (ИВМГ) происходит быстро, то большая часть потока не успевает уйти в проводник и индукция магнитного поля внутри лайнера «вынуждена» возрастать, чтобы компенсировать убывание площади сечения:

Е = E0 (S0/S)λ2

Ток I и магнитная энергия Е также при сжатии усиливаются, что следует из определения потока: I = I0(L0/L)λ2 = I0(S0/S)λ и Е = Е0(L0/L)λ , где подстрочные символы относятся к начальным значениям, а λ — доля потока, оставшегося свободным, не связанным в металле (коэффициент сохранения).

Существуют работы, посвященные расчету сохранения магнитного потока в 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…

Рис. 4.10 Схема имплозивного взрывомагнитного генератора (ИВМГ). Через катушку 1, свитую из множества параллельно соединенных между собой проводков, пропускается ток от разряда конденсатора 2. Проволочки изолированы, поэтому поле свободно проникает как между витками, так и проволочками обратного токопровода. Когда ток запитки близок к максимуму, срабатывает цилиндрическая детонационная разводка 3. Она значительно проще сферической, описанной в предыдущей главе (из рисунка видно, какими элементами она образована), точек инициирования в ней — несколько десятков. В кольце мощного взрывчатого вещества 4 формируется сходящаяся детонационная волна, которая, достигнув катушки, сдавливает витки. Изоляция проволок при сдавливании перемыкается и далее взрывом сжимается просто трубка из металла (лайнер) и находящееся в ней поле. На оси — катушка для измерения производной индукции магнитного поля. Если сигнал с нее интегрируется, то получается осциллограмма тока или напряженности поля (справа), если нет — их производных. Сначала видна синусоида тока разряда конденсатора, создающего начальное поле (участок «а»); когда ток максимален, взрыв замыкает витки катушки и сжимает ее к оси, значительно увеличивая индукцию поля внутри лайнера (участок «б»). Нелинейность сигнала на участке «б» вызвана тем, что летящий лайнер «дышит»: в нем «гуляют» волны сжатия и разрежения

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