Шипение снарядов - Александр Прищепенко

Стрелочки изготовили из самого тугоплавкого металла — вольфрама. Это мало повлияло на результат: на блоке из алюминия, служившим мишенью, осталась лишь неглубокая вмятина от близкой детонации заряда ИВМГ. Напрашивалось предположение, что стрелочка еще в процессе метания испарилась, будучи нагрета вихревыми токами, индуцированными сильным магнитным полем (проводимость вольфрама втрое ниже, чем меди, и глубина проникновения поля (скин-слоя) для микросекундного времени сжатия превышает сотню микрон).

Тогда в приповерхностный слой вольфрама с помощью установки ионной имплантации внедрили частицы углерода, а поверх — еще и десятимикронный слой очень хорошо проводящего серебра. Это позволяло надеяться, что почти все магнитное поле и ток будут сосредоточены в слое серебра. Серебро, конечно, должно было испариться, а углерод — хоть как-то воспрепятствовать теплопередаче в вольфрам. Участники опытов с восхищением рассматривали блестящие, высокотехнологичные стрелочки. Потом прогремел взрыв и в алюминиевом блоке было, наконец, обнаружено долгожданное отверстие. В него радостно тыкали иголками, наивно пытаясь что-то нащупать. Даже небольшой кусочек вольфрама должен контрастно выделяться на фоне алюминия, но рентгеновский снимок мишени (рис. 4.16) показал: кратер «чист», и чуть искривлен, что указывало на потерю устойчивости образовавшего его тела. Стрелочка летела, расходуя себя, испарения не удалось избежать, его только замедлили. Провели еще один опыт: стрелочкой выстрелили в блок оргстекла, снимая ее полет скоростной камерой. На проявленной пленке увидели, как нечто оставляет за собой конус из помутневшего от ударной волны оргстекла, а потом все поле съемки закрывали трещины. И эти снимки сохранились, но разобраться в них, не являясь специалистом, непросто; они позволили определить скорость того, что поначалу оставалось от стрелочки, — 4,5 км/с и дистанцию, на которой от нее не оставалось ничего — несколько сантиметров. Дальнейшее «дожимание» конструкции привело к тому, что эффект высокоскоростного удара стал существенным даже в броне, но стрелочки все равно испарялись в преграде без остатка. Газокинетический барьер вроде и удалось обойти, но за ним стоял другой, «выстроенный» вихревыми токами.

Рис. 4.16 Слева — рентгенограмма алюминиевой мишени. Кратер образовала летящая с высокой скоростью вольфрамовая стрелочка, без остатка испарившаяся в полете. В центре — срез броневого листа с кратером от попавшей в него, летевшей под углом и с высокой скоростью стрелочки. Мишень не пробита, но высокоскоростной удар вызвал откол элементов брони (также обладающих определенным поражающим действием). Справа — образование кратера в жидкости. При высокоскоростном ударе броня течет как жидкость, и вокруг кратера образуется «валик», который виден и на срезе броневого листа

Следует быть корректным и отметить, что подобные опыты были проведены за пару десятков лет до описываемых событий группой А. Сахарова — и с тем же результатом: алюминиевое кольцо испарилось спустя пару микросекунд после метания. Правда, ВМГ, использовавшийся в тех опытах для ускорения кольца, был другого типа…

…Предложенный в 50-х годах спиральный ВМГ (СВМГ) выглядит примитивным устройством (рис. 4.17): труба со взрывчаткой внутри да установленная соосно проволочная спираль. При взрыве труба растягивается в конус и, последовательно закорачивая при расширении виток за витком, уменьшает индуктивность спирали.

Рис. 4.17 Схема спирального взрывомагнитного генератора. Металлическая труба 1, заполненная взрывчатым веществом 2, окружена обмоткой 3. При подрыве газы растягивают трубу в конус, основание которого движется по виткам обмотки, замыкая их и приближая точку контакта к индуктивной нагрузке 4, куда и вытесняется магнитный поток. В растянутой взрывом части трубы видны продольные канавки. Это — зарождающиеся нестабильности

Как и в случае кумулятивного заряда, простота СВМГ обманчива. Ну, взять хотя бы ту же трубу: при взрывном расширении в ней не только не допустима ни единая трещинка (иначе магнитный поток «упорхнет»), но и поверхность ее должна оставаться достаточно ровной (иначе поток хоть и не «упорхнет» весь, но в каждой ложбинке будет помалу отсекаться). «А как же нестабильности?» — слышится вопрос Настырного. Они, конечно, не могут не появиться (присмотритесь к трубе на рис. 4.17 — ее изображение заимствовано из подлинной фотографии), но начальные диаметры спирали и трубы различаются примерно вдвое и нестабильности не успевают достаточно развиться, пока расширяющаяся часть трубы достигает витка.

Поскольку усиление тока пропорционально отношению начальной и нагрузочной индуктивностей, казалось бы, естественно наматывать всю обмотку с наименьшим возможным шагом. Это — простое, но ложное представление: для устройств с большими временами работы и значительными отношениями начальной и нагрузочной индуктивностей роль сохранения магнитного потока в усилении превалирует и приходится жертвовать индуктивностью обмотки (рис. 4.18).

Теоретическое рассмотрение приводит к экспоненциальным законам возрастания шага и уменьшения индуктивности генератора с длиной спирали. Обычно изоляция провода постоянна по толщине, а значит, и рабочее напряжение рационально делать постоянным. В СВМГ с правильно подобранными обмоточными данными экспонециально возрастает и ток, а экспонента как функция замечательна тем, что и ее производная — тоже экспонента, так что осциллограммы как тока, так и его производной (приводимые далее) будут выглядеть подобно, пока происходит усиление.

Рис. 4.18 Магнитная энергия пропорциональна первой степени индуктивности и квадрату тока, но индуктивное сопротивление ограничивает ток, поэтому получение максимальной энергии от СВМГ возможно лишь при оптимальном соотношении этих величин. Пусть ток запитки и начальный шаг намотки двух СВМГ одинаковы. Для СВМГ с постоянным шагом обмотки (вверху) это означает, что энергия запитки у него больше, поскольку его индуктивность выше, чем у СВМГ, шаг обмотки которого увеличивается по мере приближения к нагрузке. Но вот преимущество в усилении тока — за «нижним» вариантом: за равный промежуток времени труба «отсечет» (показано синим пунктиром) то же число витков (начальные шаги намотки равны), но нагрузки, при примерно равных наведенных ЭДС, будут существенно различаться: в «нижнем» случае остаточная индуктивность меньше. К тому же, в «нижней» обмотке меньше потери потока, так как меньше длина провода остатка сжатого контура. Если для энергии в контуре прибавка от «повышенного» тока превалирует над убылью индуктивности вследствие «разрежения» ее витков, то, по мере дальнейшего движения конуса, преимущество «нижнего варианта» возрастает (каждый из последующих его участков будет начинать с большего начального тока и лучше его усиливать) и он имеет все предпосылки не только компенсировать начальное энергетическое преимущество «верхнего», но и многократно превзойти его. Главное — не «переборщить», все более «круто» профилируя обмотку (и уменьшая при этом индуктивность), иначе можно «добиться», что ВМГ вообще перестанет усиливать энергию и даже начнет терять ее, несмотря на значительный генерируемый ток

Из экспоненциального закона изменения индуктивности следует, что в любой момент работы СВМГ (хоть в первую, хоть в последнюю микросекунду) суммарная индуктивности спирали и нагрузки должна уменьшаться на определенную и одинаковую долю за одинаковое время (например, на 10 % за микросекунду). Нагрузка упомянута не случайно: в начале работы, когда индуктивность спирали еще велика, вклад нагрузки в общую индуктивность генератора незаметен. Положение меняется к концу работы: если индуктивность нагрузки недостаточна (или чрезмерна), то ее наличие существенно «отклонит» закон изменения индуктивности от оптимального. Удобно рассматривать зависимость логарифма индуктивности от длины — это будет отрезок прямой (рис. 4.19). Если нагрузка «встроена в закон» (согласована), усиление продолжается вплоть до закорачивания расширяющейся трубой последнего витка.

Подобрать соответствующие теории обмоточные данные спирали непросто. Расчет соленоидов с переменным по длине шагом намотки (а иногда — и переменного диаметра) ненадежен из-за трудности учета взаимной индуктивности витков и граничных эффектов. Так что приходится возбуждать в последовательно подбираемой по секциям обмотке электрические колебания и, измеряя их период, решать эту проблему «в лоб» (рис. 4.20).

Рис. 4.19 СВМГ и в самый последний момент своей работы «не должен знать», что впереди уже не осталось ни одного витка, а только нагрузка (осциллограмма справа внизу, производная тока в этот момент резко падает до нуля). Но, когда «очень нужно», нагрузку все же меняют. На начальных стадиях работы, пока индуктивность спирали велика, это не сказывается, но в конце отклонения от выбранного закона становятся заметны и СВМГ начинает быстрее терять поток и снижать усиление (осциллограмма справа вверху)

Когда нагрузку необходимо изменить, мучительно не хочется менять что-нибудь в уже доказавшей свою эффективность, подобранной с таким трудом обмотке. Перейти на меньшую индуктивность нагрузки — не проблема, просто надо добавить к спирали одну-две секции с большими шагами намотки, продолжив зависимость рис. 4.19 до согласования с новой нагрузкой (при этом, если не требуется большее усиление, можно «отбросить» такое же число секций с наименьшими шагами намотки). Хуже (но чаще случается), если индуктивность новой нагрузки больше, чем согласованное со спиралью значение, тогда ту же зависимость придется продлевать в сторону меньших шагов и все более вероятной станет встреча с «перескоком» (рис. 4.21), транжирящим драгоценный магнитный поток.