Шипение снарядов

Если заряд собран правильно, то ударная волна, сойдясь в точку и отразившись, устремится обратно; скачком и очень существенно изменится магнитный момент области сжатия, что и приведет к генерации импульса РЧЭМИ. За доли наносекунды поле меняется, конечно же, не по закону синуса с периодом равным времени сжатия-разрежения, а более резко, а это значит, что в функции, описывающей его изменение, существенны вклады многих частот. Они берутся вот откуда.

< image l:href="#"/>

^{Рис. 4.34}

^{Вверху слева: ударно-волновой излучатель, сферический (УВИС), правее — его схема.}

^{В центре заряда из мощного взрывчатого состава на основе октогена устанавливается рабочее тело 1 — шар, выточенный из монокристалла. Поверх заряда расположен детонационный распределитель 2 (шаровой слой из поликарбоната) — уменьшенная копия аналогичной детали ядерного заряда. Плотность точек инициирования на заряде УВИС больше, чем на поверхности ядерного заряда, поскольку диаметр излучателя намного меньше, чем плутониевой сборки. Поэтому разводку в УВИС иногда делают «двухэтажной»: верхний этаж, с меньшим числом точек инициирования, возбуждает детонацию в узловых точках нижнего, а тот — в заряде.}

^{Вокруг шара собирается магнитная система. В ее основе — два постоянных магнита, от которых к монокристаллу идут два усеченных конуса 3 из магнитномягкой стали, «собирающие» поле постоянных магнитов в область, занятую рабочим телом. Сохранению потока, создаваемого магнитами, служат и магнитопроводы 4. Кристалл устанавливается в центре системы так, чтобы его главная ось совпадала с направлением магнитного поля, иначе различия в свойствах вдоль других осей могут нарушить симметрию сжатия.}

^{Начальное поле, создаваемое в монокристалле имеет «бочкообразную» структуру силовых линий (внизу, слева). Усредненное значение индукции поля в монокристалле — всего 0,05 Тл, но в конечной фазе сжатия отношение размера области сжатия к начальному значению радиуса монокристалла — менее одной тысячной. Сохранись при сжатии весь поток — и индукция магнитного поля возросла бы миллион раз, а энергия — в триллион (миллион миллионов) раз! Хотя в реальной ситуации при ударно-волновой магнитной кумуляции в конечной области сжатия остается лишь мизерная часть поля, а остальное — «выбрасывается» за фронт ударной волны, преобразование оставшейся энергии в излучение существенно (нижний ряд, центр). Джоули на герц — единицы спектральной плотности энергии, ими пользуются, когда описывают непрерывные спектры излучения (континуумы), в которых присутствует огромное число частот. Проинтегрировав график численно в пределах заинтересовавшего нас диапазона, получим привычные джоули, причем тем больше, чем в более высокочастотном диапазоне ведется интегрирование.}

^{Справа: 105-мм реактивная граната с боевой частью на основе УВИС}

…Представим, что, находясь в уличной «пробке», мы плавно тронули свою машину и притормозили у стоящей впереди. В следующий раз, едва мы сняли ручник, в нас «въехали» сзади; доли секунды — и мы «целуем» стоящую впереди. Как пройденные расстояния, так и времена движения в обоих случаях близки, но ваш организм подсказывает, что в элементах движения имелись и отличия: в последнем случае он сначала «ускорился», как от сильного пинка, потом — парил, блаженствуя, и, наконец — «замедлился», как бы упав. Подсознательно сложное движение представлено, как сумма более простых. Это и есть задача гармонического анализа, основы которого заложил французский математик Симон Фурье: любая функция может быть представлена как сумма синусоид (гармоник). Вообще-то можно произвести разложение и в ряд других функций, не синусов, но для расчета эмиссии РЧЭМИ удобны именно они, потому что эта задача для кругового синусного тока давно решена. Именно на гармониках больших частот («быстрых») и реализуется основной выход излучения.

… Огромное преимущество магнитов — их постоянное во времени поле не нуждается в синхронизации с взрывными процессами и может быть измерено еще до того момента, когда сборку разнесет на осколки. Средства измерения известны — преобразователи Холла (рис. 4.35).

Если металлическую пластинку, вдоль которой протекает постоянный ток, поместить в перпендикулярное к ней магнитное поле, то на краях пластины возникнет разность потенциалов, называемая по имени первооткрывателя этого эффекта. Измерив ее и зная ток, вычисляют напряженность поля. Понятно, что колебания питания датчика приводят к ошибкам, а на высокогорном полигоне лампочки «мигают» довольно заметно. Но стабилизаторы есть в осциллографах. Использовав это обстоятельство, запитку датчика Холла сделали «импульсной» — от разряда электролитического конденсатора, и считывали с экрана осциллографа как данные о питании датчика, так и сигнал с него. Чтобы в измерения не «вмешивался» скин-эффект (тогда распределения тока и поля будут неравномерными, а результаты измерений — недостоверными), применили конденсатор большой (десятки микрофарад) емкости, чтобы запитывающие преобразователь токовые импульсы были достаточно длительными.

^{Рис. 4.35}

^{Вверху слева — прибор для измерения индукции магнитного поля; внизу — осциллограммы сигналов: напряжения питания и ЭДС Холла.}

^{На лучи осциллографа выводятся два сигнала: один — с питающего датчик конденсатора (который заряжается хоть от даже не совсем «свежих» батареек), другой — с самого датчика. Для снятия показаний достаточно выбрать на луче питания регламентированное значение напряжения питания датчика и, переведя маркер на другой луч — прочитать значение ЭДС Холла в этот момент времени. Для дополнительного контроля, в коробочке, где смонтирован прибор, имеется кусочек постоянного магнита — эталон поля}

…«Доведенные» УВИС продемонстрировали надежную и стабильную работу, но сложность сборки и наличие дорогой в производстве сферической детонационной разводки повышали их стоимость до уровня, немыслимого для неядерных боеприпасов. Прототип электромагнитного боеприпаса— 105 мм реактивная граната с боевой частью на основе УВИС — был создан и успешно испытан, но из-за дороговизны не имел шансов стать массовым: его можно применять только в особо ответственных случаях, для поражения важных целей, а на поле боя нужно другое оружие — «числом поболее, ценою подешевле». Параллельно с ударно-волновыми излучателями, разрабатывались и генераторы частоты…

Как мы знаем, магнитный поток «выпустить» непросто — надо разорвать контур тока, например, взрывающегося ВМГ — да еще успеть изолировать разрыв. Но можно создать изолированный разрыв заранее (рис. 4.36), включив в контур высоковольтный конденсатор: ведь между его пластинами — тот же разрыв. Ток в таком генераторе осциллирует, так как емкость контура существенна, и по мере уменьшения индуктивности частота колебаний возрастает (рис. 4.36,а). Иногда обмотку такого генератора (он получил название взрывомагнитного генератора частоты, ВМГЧ) делают из нескольких проводов, подсоединяя каждый к отдельному конденсатору: из-за рассогласования токов в проводах обмотки, излучение [89] рассеивается в этом случае более равномерно. Оценив период колебаний (для единиц микрогенри и нанофарад), получим сотни наносекунд, что не очень благоприятно (волны в сотни раз «длиннее» самого ВМГЧ). Но эти «несущие» волны — не основные в излучении: компрессия поля трубой, давая прибавку тока тем большую, чем выше его мгновенное значение, приводит к появлению «быстрых» гармоник. При каждой осцилляции тока меняется и состав этих гармоник, что естественно — ведь меняются и параметры контура. Так что излучает ВМГЧ не один импульс, а последовательность (цуг) — по числу полуволн тока.

89

В 2006 г. В. Барышевский и А. Гуринович показали, что в ВМГЧ существенно излучение не только оставшихся в данный момент незакороченными витков обмотки, но и «емкостной антенны» — включенного в контур конденсатора.

^{Рис. 4.36}

^{Вверху — схема взрывомагнитного генератора частоты (ВМГЧ).}

^{1 — медная труба;}

^{2 — взрывчатое вещество;}

^{3 — обмотка;}

^{4 — высоковольтный конденсатор;}

^{Ниже — осциллограммы: а — производной тока ВМГЧ («рыба» — на жаргоне разработчиков электромагнитных боеприпасов); б — производной тока в спирали с обмоточными данными, точно соответствующими ВМГЧ, но с индуктивной нагрузкой вместо малоемкостной; в — полуволн производной тока ВМГЧ, снятая на значительно более быстрой развертке, чем осциллограмма «а». Закон усиления тока в спирали, замыкаемой трубой, известен из трудов А. Сахарова. На осциллограмме «в» видно, что форма полуволн ломаная, несинусоидальная, а значит, в разложении существенна доля быстрых гармоник. Делают форму колебаний такой бешеные «впрыскивания» тока при сжатии создаваемого им поля (обе эти величины жестко связаны). Луч осциллографа слишком медлителен, чтобы воспроизвести скачки тока, достоверна лишь огибающая — линия, соединяющая токовые амплитуды. Она служит для их нормировки, когда ломаную кривую тока представляют как сумму уже «чистых» синусоид (гармоник). Остальное понятно: для каждой гармоники тока известной частоты и амплитуды вычисляют мощность излучения через спиральную антенну — витки обмотки, в данный момент еще не закороченные ударом трубы. Доля гармоник с частотами от сотен до десятков тысяч мегагерц (много большими частоты «несущей» волны) к концу работы существенно возрастает (красный график справа), растут и потери на излучение, «подсаживая» ток}

Сделать модель ВМГЧ пригодной для численных расчетов можно, учитывая в ней (в виде эквивалентного сопротивления) интегральные потери на излучение. Причины других потерь — такие же, как и в СВМГ (диффузия магнитного поля, сопротивление изоляции проводов), поэтому их можно определить из осциллограмм тока, который генерируется СВМГ с точно такой же, как и ВМГЧ, обмоткой, но — с индуктивной нагрузкой, и, следовательно, не излучающим (рис. 4.36,6). Из осциллограмм же, полученных при работе ВМГЧ, которые все стали называть «рыбами» (рис. 4.36,а), определили суммарное сопротивление потерь, как излучательных, так и обусловленных иными причинами. Оставалось только найти разность этих величин в каждый из моментов работы ВМГЧ, чтобы получить все данные, необходимые дня спектральных вычислений (графики справа). Нельзя назвать такой метод безупречным, но это было лучше, чем ничего.