Бомбы, которые не взрываются: что такое виркатор
Обсудить 7
Первое боевое применение подобного оружия можно датировать 17 января 1991 года, когда американские войска использовали модифицированные крылатые ракеты Tomahawk. При приближении к цели двигатели ракет последние несколько секунд уже не поддерживали горизонтальный полет, а работали как источники питания генераторов мощного излучения. Оно должно было вывести из строя радиолокаторы иракской системы ПВО, что значительно облегчило бы достижение превосходства в воздухе. Было ли применение электромагнитного оружия успешным, мы никогда не узнаем: может, приемники радаров и вышли из строя, но излучатели — нет, поэтому американские военные, желая подстраховаться, применили ракеты, разнесшие радары в клочья.
Бомба из карандашей
При движении электронов с ускорением возникает электромагнитное излучение, поэтому достаточно, например, просто искривить траекторию электрона (любое движение, отличное от равномерного и прямолинейного, есть движение с ускорением). Это можно сделать с помощью магнитного поля — именно так устроен магнетрон, основа любой СВЧ-печки. Но по удельной (на единицу объема) мощности их превосходит так называемый виркатор.
Устроен виркатор очень просто: представьте себе электронную лампу, у которой есть два электрода — эмиттер и сетка. При приложении к ним импульса высокого напряжения формируется облако электронов, которое движется к сетке, пролетает сквозь ее ячейки и колеблется относительно сетки вплоть до полной нейтрализации заряда, излучая радиочастотное ЭМИ. Облако электронов выполняет роль «виртуального катода», от которого, собственно, и происходит название «виркатор».
Генерация гигаваттной мощности требует такого числа электронов, которое можно получить лишь 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 превращается в плотную плазму (то есть взрывается). Интересно, что нужная плотность микронеровностей (в сочетании с нужной проводимостью) получается на сломе графита, поэтому один из самых удобных материалов для эмиттера — сломанные грифели карандашей.
Вакуумные мастодонты
«Потрошение» карандашей — не основная трудность создания виркатора. Взрывная эмиссия эффективна лишь при огромных (около мегавольта) напряжениях, и, чтобы избежать пробоя в излучателе, приходится увеличивать размеры до кубометров. Высокое напряжение, характерное для работы источников вакуумной электроники, не позволяет значительно снизить габариты, поэтому отношение энергии генерируемого радиочастотного электромагнитного излучения (РЧЭМИ) к объему у таких источников мало (микроджоули на кубический сантиметр). Малый разброс энергий электронов, а значит, узкий частотный диапазон генерируемого вакуумными излучателями РЧЭМИ позволяет сделать излучение остронаправленным, но избежать наличия боковых лепестков, которые могут сжечь систему наведения основного пучка, все равно нельзя: происходит «фратрицид», то есть «пожирание собратьев», — термин заимствован из сленга биологов.
«Гибрид»: виркатор плюс ВМГ Нагрузкой спирального ВМГ (на рисунке слева) служит коаксиал из центрального проводника 1 и цилиндра 2 из тонкой фольги. Коаксиальная нагрузка малоиндуктивна, поэтому при срабатывании ВМГ ток и энергия быстро возрастают. В конечной фазе срабатывает цилиндрическая разводка 3, формируя в кольцевом заряде 4 сходящуюся детонационную волну. Взрывом цилиндр 2 из фольги разрушается на много частей при продавливании в пазы между ребрами изоляционной катушки 5. Разрыв токового контура приводит к генерации напряжения, которое прикладывается от точек разрыва к эмиттеру и сетке виркатора. Оно равно отношению магнитного потока ко времени, за которое произошел разрыв контура. Это время — порядка микросекунды, а электропрочность катушки 5 достаточно высока: изоляцию обеспечивают электроотрицательные газообразные продукты взрыва (окислы углерода и азота), сжатые до огромных (порядка 1 г/см3) плотностей. Такой взрывной трансформатор имеет меньшие габариты, чем традиционный.
Полезное свойство вакуумного излучателя — возможность многократных срабатываний: его конструкция не превращается взрывом в крошево, летящее в разных направлениях. Однако реализация этого свойства дается дорогой ценой: вакуумный излучатель не заработает при включении в розетку с напряжением в 220 вольт, для его энергообеспечения необходимы высоковольтные формирователи, трансформаторы, обострители. Они тоже имеют немалые габариты — тем большие, чем больше потребляемая энергия. Объемы мощных излучателей измеряются кубометрами, масса — десятками тонн.
Полицейское оружие
Понятно, какими удобными целями для противника будут на поле боя такие мастодонты. Да и по дальности поражения целей направленные излучатели РЧЭМИ на основе вакуумных источников всегда проиграют равным по габаритам «направленным» огневым средствам — реактивной и ствольной артиллерии. А уж габариты равного по мощности взрывного излучателя будут меньше в сотни раз, потому что для его работы характерен большой ток, но малое напряжение. Надо искать области применения, где недостатки не столь уж важны, а достоинства используются максимально. К таким относится применение в полицейских и миротворческих целях.
Уже несколько лет в США испытывается машина с «микроволновой пушкой» — направленным источником РЧЭМИ, предназначенным для «отпугивания» демонстрантов на дистанции в сотню метров легкими ожогами. Эта машина вполне может быть тяжелой и неповоротливой, наводить источник за сотню метров можно без использования электроники, а работать он будет, пока хватит солярки для генератора.
Вакуумные источники могут также «прикрыть» бронетехнику от современных управляемых боеприпасов, поражающих танки сверху. РЧЭМИ рассеивается в пределах большого телесного угла, что делает ненужным наведение. Но против обычных подкалиберных снарядов или даже противобортовых мин эта система совершенно бесполезна. Несколько лет назад было предложено создать на основе вакуумного источника РЧЭМИ специализированную машину разминирования, которая могла бы проделывать проходы в минных полях, «ослепляя» неконтактные мины. Но достаточно одной «низкотехнологичной» мины с механическим взрывателем — и эффективность этого метода падает до нуля.
Лабораторное оружие
Можно ли избавиться от громоздкой и капризной вакуумной и высоковольтной техники? Да, если воспользоваться некоторыми свойствами высокотемпературных сверхпроводников.
Сверхпроводниковый излучатель — одновитковый соленоид из меди, размещенный внутри него диск из искусственного сапфира, на который напылено кольцо из сверхпроводящей керамики. Когда рабочие напряжения близки к мегавольтным, проблемы предотвращения пробоя — всегда важнейшие, и не только в конструкции собственно излучателя, где могут применяться эффективные изоляторы. РЧЭМИ с высокой плотностью мощности тоже способно вызывать разряд в окружающем воздухе. Понятно, что изменить состав земной атмосферы, сделав ее более электропрочной, нереально, и, если плотность потока мощности/энергии РЧЭМИ на выходе из излучателя превысит пробивное значение, то излучение будет бесполезно нагревать образованную им же плазму. Чем короче импульс РЧЭМИ, тем выше плотность потока энергии, соответствующая пробою, поэтому излучатели, формирующие сверхкороткие (менее наносекунды) импульсы, имеют лучшие военные перспективы (к тому же, такие импульсы более эффективно воздействуют на облучаемую электронику). Пробой — фундаментальное физическое ограничение, существование которого диктует жесткую связь 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 — применение распределенной сети сравнительно маломощных управляемых направленных источников небольших габаритов.
Сверхпроводниковый излучатель — очень простое устройство: одновитковый соленоид из меди и размещенный внутри него диск из искусственного сапфира, на который напылено кольцо из керамики YBa2Cu3O7. При охлаждении жидким азотом кольцо становится сверхпроводящим. Теперь подадим в соленоид импульс тока (с длительностью фронта меньше микросекунды и амплитудой 30−50 килоампер). Индуктивность соленоида в начальный момент времени очень мала благодаря наличию сверхпроводящего вкладыша внутри, и ток быстро нарастает. Наступает момент, когда внешнее поле превышает критическое значение и в кольце возникает фазовый переход, фронт которого движется от периферии к оси кольца и за которым сверхпроводимость исчезает. Скорость этого движения — километры в секунду (или миллиметры в микросекунду), и при ширине кольца в несколько миллиметров за время менее микросекунды (пока поле «ест» сверхпроводимость) можно «накачать» энергию в единицы джоулей в излучатель. В момент, когда фронт фазового перехода достигает внутренней границы кольца, ток и его магнитный момент скачкообразно меняются, при этом генерируется импульс РЧЭМИ.
Для такого сверхпроводникового излучателя характерны большие токи и сравнительно малые напряжения, а значит, и небольшие габариты. Однако и ему присущи серьезные недостатки, которые препятствуют боевому применению: необходимость использовать жидкий азот, а самое главное — сравнительно низкий уровень генерируемой мощности (мегаватты). Зато в лабораторных исследованиях реакции электроники различных типов на сверхширокополосные импульсы РЧЭМИ ему нет равных.
Гибридное оружие
Система энергообеспечения вакуумных излучателей характеризуется большими габаритами и массой. Так почему бы не совместить виркатор с взрывной системой энергообеспечения — например, достаточно компактным спиральным взрывомагнитным генератором?
Однако ВМГ — источник тока, а не напряжения, поэтому для формирования высоковольтного импульса питания вакуумного излучателя требуется трансформатор. При детонации нескольких килограммов взрывчатки в ВМГ излучатель вряд ли уцелеет, поэтому нет нужды беречь и трансформатор — его тоже можно сделать одноразовым, получив высокое напряжение при высвобождении магнитного потока.
Концепция «гибридного» боеприпаса противоречива. С одной стороны, виркатор формирует направленное излучение и, следовательно, требует наведения на цель, а ведь преимущество РЧЭМИ перед другими поражающими факторами — как раз в большей энергетической эффективности, которая делает возможным отказ от систем наведения. С другой стороны, в таком боеприпасе используется взрывчатка, поэтому ни о какой возможности длительной работы излучателя речь не идет — его срабатывание однократно. Тем не менее 26 марта 2003 года, во время второй войны с Ираком, американские военные сбросили на один из телецентров двухтонную бомбу с «гибридной» боевой частью, снабженной направленным электромагнитным излучателем. Бомба была управляемой, а значит, круговое вероятное отклонение директрисы облучения от точки прицеливания было меньше десятка метров. Результатом стало отключение телевещания более чем на час. На какое же время прекратилось бы вещание после попадания двухтонной управляемой бомбы, если бы она была не электромагнитной, а фугасной? На этот вопрос любой из читателей «ПМ» может ответить самостоятельно.
Автор статьи с 1984 по 1997 год возглавлял лабораторию специальных боеприпасов ЦНИИХМ (химии и механики). В 1994 году его доклад «Радиочастотное оружие на поле боя будущего» на конференции в Бордо привел к пересмотру классификации электромагнитного оружия. С тех пор на Западе боеприпасы с прямым преобразованием радиочастотной энергии называют «устройствами Прищепенко» (Prishchepenko-type)
