Мощный электромагнитный импульсный генератор — реальность или вымысел?
Картинка: browsecat.net
Периодически то в одном, то в другом фильме мелькает интересный девайс, который позволяет за доли секунд выключить: всю электронику в окрестностях, свет во всём городе, «победить всех роботов разом» и т.д. и т. п. Да, речь пойдёт о «мифическом» генераторе электромагнитного импульса. Но насколько он реален на самом деле?
И для начала вот эти фильмы: например, тот же самый фильм «Одиннадцать друзей Оушена», в котором с помощью подобного генератора выключается свет во всём городе:
Или, например, тот фильм «Матрица», в котором с помощью подобного импульса поражается армия машин, нападающая на людей: Так как с каждым днём проникновение электроники в нашу жизнь увеличивается, человечество становится всё более зависимым от электронной среды, которая, в свою очередь, имеет критическую слабость в виде зависимости от электромагнитного излучения.
Причём началось это далеко не вчера — ещё во времена появления самых первых телефонных линий, магнитные бури вызывали помехи в линиях, большинство из которых было расположено над землёй. Например, у американских фермеров 19 века, для экономии провода, в качестве телефонных линий использовалась колючая проволока, ограждающая загоны со скотом, прямо по которой пускался телефонный сигнал.
И такие линии воздушного расположения были особо подвержены помехам, возникающим в результате магнитных возмущений. В настоящее время эта проблема в большей степени нивелирована, так как телефонные линии обычно пролегают под землёй.
Однако вернёмся к нашему генератору. Уже в XX веке совершенно случайно, при испытаниях атомного оружия было выявлено сопутствующие ему мощное электромагнитное излучение, влияние которого было отмечено даже на расстояниях в сотни километров от точки взрыва.
Со временем учёные стали исследовать этот вопрос целенаправленно и стало понятно, что ядерный взрыв не является идеальным кандидатом на роль генератора электромагнитного импульса — слишком загрязняется окружающая среда, энергия атомного распада или синтеза только в малой степени преобразуется в электромагнитное излучение (до 5% энергии взрыва).
По сей день не существует никакого компактного хранилища подобного излучения. Поэтому все более-менее эффективные генераторы представляют собой тот или иной способ преобразования энергии, как правило, энергии взрыва — в электромагнитное излучение соответствующей мощности и частоты, так как именно взрывчатые вещества могут хранить в себе в сжатом объёме достаточную энергию, которая может резко выделиться в ограниченном объёме и за весьма небольшое время.
Вне зависимости от конкретной конструкции, принцип действия подобных устройств основывается на так называемом «сжатии магнитного потока», который позволяет создавать очень мощные магнитные поля за микросекунды.
Одним из учёных, который работал над подобной проблемой, был академик Сахаров. Его генератор представляет собой катушку из медного прутка, которая окружена взрывчатым веществом. Катушка связана с мощной конденсаторной батареей.
Работает устройство следующим образом: батарея подаёт накопленный заряд на катушку, после того как магнитный поток достиг максимума, происходит подрыв заряда, который сжимает огромным давлением катушку снаружи, что приводит к запиранию магнитного поля внутри катушки, после чего вся система продолжает сжиматься, уменьшая длину волны электромагнитного излучения, одновременно увеличивая его напряжённость.
Как правило, подобное устройство получается достаточно компактным, поэтому его даже называют «генератор электромагнитного импульса для бедных».
Однако подобное название не должно вводить в заблуждение,- несмотря на свою простоту, устройство является весьма эффективным, так как сила тока в импульсе может достигать миллионов ампер и сам импульс — развивать мощность в десятки терраватт. Подобная мощность развивается из-за уменьшения сечения системы, что в свою очередь, повышает индукцию и ток в устройстве.
Чтобы устройство было достаточно эффективным, сжатие поля до максимального значения должно происходить примерно за период времени, равный 10 в минус девятой степени секунд.
Первые исследования подобных устройств в Советском Союзе проводились ещё в пятидесятых годах XX века.
Американцы тоже проводили подобные исследования в Лос-Аламосской лаборатории, результате которых возникли устройства, подобные показанному ниже.
Картинка: archive.is
Установка устройства представляла собой медную трубку, заполненную быстродействующим взрывчатым веществом. Ударная волна распространялась в устройстве от одного конца к другому, как показано на рисунке. Для предотвращения нежелательного (слишком быстрого) разрушения, устройство было залито бетоном или использовалась обмотка стекловолокном и заливка эпоксидной смолой.
Для начального пуска электромагнитного потока использовалась высоковольтная батарея Маркса. Расширяющаяся ударная волна постепенно замыкает катушку снаружи, запирая ток внутри оставшихся витков, и сжимает магнитное поле. При этом максимальный импульс генерируется практически перед полным разрушением самого устройства. При этом пиковые токи достигают значений в десятки мегаампер и энергии в десятки мегаджоулей. Типичным разбросом значений выходного тока (в зависимости от размеров и конструкции устройства) является интервал в 10–1000 раз превышающий ток, который регистрируется при обычных природных ударах молний.
Если некоторым образом попытаться обобщить значения энергии, которая может храниться в подобном химико-электромагнитном хранилище, то её можно примерно охарактеризовать как 100 Дж/г. Ряд экспериментов с подобными генераторами показал достижение токов до 250 мегаампер и энергию импульса более 1 мегаджоуля.
В качестве подобного устройства можно назвать плоский генератор:
При испытании его с объёмом взрывчатого вещества весом в 1 кг, мощность составила 100 000 000 000 ватт, энергия порядка 1 мегаджоуля и сила тока в 14 мегаампер. Вес генератора не превышал 10 кг. Именно на этом генераторе было получено магнитное поле, сила индукции которого составляла около 2500 Тесла.
Кому интересно подробнее почитать об этом генераторе, может ознакомиться со следующими монографиями:
Ещё одной разновидностью плоского генератора является так называемый коаксиальный генератор, который устроен почти так же, только в качестве сжимаемого объекта выступает цилиндр, внутри которого помещён металлический стержень. Вариаций такого генератора имеется 2, в первой из которых протекание тока происходит только по внешнему цилиндру, а во второй версии задействуется и внутренний стержень.
Картинка: vk.com
Подобный генератор позволил получить весьма высокие показатели импульса -ток составил порядка 250 мегаампер и энергию достигла порядка 30 мегаджоулей.
Проблемой генератора Сахарова и рассмотренных выше ему подобных являлось то, что сила противодействия магнитного поля, запертого в механической катушке, на каком-то этапе становилась настолько большой, что дальнейшее сжатие было невозможным: происходила остановка процесса сжатия и разрушение катушки, причём не внешним взрывчатым веществом, как можно было бы подумать, а внутренним магнитным полем катушки.
Это привело к необходимости дальнейшего исследования этого вопроса, так как было выяснено, что для максимальной эффективности конвертации энергии взрывчатого вещества в электромагнитное излучение, необходимо магнитное поле сжать ещё сильнее, примерно в 1000 раз больше, чем в генераторе, который предложил Сахаров!
Что явилось толчком к дальнейшей эволюции генератора, в котором уже не физическая катушка сжимала поле, а была использована ударная волна, движущаяся прямо внутри вещества. Для этого была разработана следующая конструкция:
Устройство состоит из пластиковой сферы, внутри которой находится взрывчатое вещество, в центре взрывчатого вещества, находится кристалл йодида цезия. Кристалл установлен таким образом, что к нему с двух сторон подходят металлические конусы, которые проводят магнитное поле от постоянных магнитов.
Работает устройство следующим образом: вся поверхность пластиковой сферы покрыта сложной сетью канавок, изготовленных методом сверхточной ЧПУ фрезеровки и заполненных взрывчатым веществом с высокой стабильностью скорости детонации. Их основное назначение — сделать так, чтобы детонация распространилась по всей сфере внутри канавок, что вызвало, в свою очередь, одновременную, со всех сторон — детонацию основного вещества в центре. Каждая канавка заканчивается отверстием, через которое детонация от канавки — передаётся основному заряду взрывчатого вещества в центре (сфера с этими отверстиями выглядит как покрытая со всех сторон кучей отверстий. Как примерно шарик-ситечко, для заваривания чая).
Цель всей этой затеи — чтобы создать максимально сферическую волну давления, сходящуюся к центру — прямо кристаллу. Почему именно йодид цезия: было выявлено, что ударная волна в твёрдом теле, максимально сферической формы, достигается именно в монокристаллах подобного типа.
Так как плотность самого кристалла существенно больше, чем газообразные продукты взрыва, на поверхности кристалла накапливается избыточное давление, которое может превышать значение в миллион атмосфер. После некого порогового момента, сферическая волна давления с огромной скоростью начинает своё продвижение внутрь кристалла, одновременно со всех сторон. На пути её прохождения кристалл как таковой прекращает существовать, распадаясь в атомарную форму.
Кстати, именно этот момент объясняет, почему ударная волна сжимает магнитное поле: позади её фронта, вещество атомарного состояния — обладает практически металлической проводимостью! И можно сказать, что фактически сжатие происходит, условно говоря, «металлическим шаром».
На конечной стадии сжатия, размер поля, запертого внутри кристалла, составляет всего одну тысячную от того размера, который был изначально.
Ударная сферическая волна, сжавшись в точку, останавливается и начинает обратное движение, высвобождая запертое внутри поле. Точные цифры по эффективности подобной конструкции найти не удалось, но, так как она превышает по эффективности аппарат конструкции академика Сахарова, следует полагать, что цифры будут более чем впечатляющими!
Если попытаться сравнить предыдущие конструкции и более новый вид с распространением ударной волны внутри вещества — то явным плюсом электромагнитных импульсных генераторов со сжатием магнитного потока физическим устройством (лайнером) — является гораздо более простое устройство, хорошая повторяемость результатов и высокая надёжность (это становится хорошо понятно, если мы вспомним сложность устройства с ударной волной в твёрдом теле, где одна только сверхточная фрезеровка сферы чего стоит! Это явно не массовый аппарат.
Ещё одним альтернативным способом, который позволяет развивать большую мощность и высокую скорость сжатия — является сжатие с помощью магнитного поля. Для этого используется мощный одновитковый соленоид, который позволяет сжимать находящийся внутри соленоида лайнер, со скоростями, позволяющими достигать полей, до 300 Тесла. Взрывные же генераторы позволяют получить поля до 2500 Тесла (и, наверное, сейчас уже даже поболее!).
Так что, как можно было видеть по изложенным в этом рассказе фактам — импульсный генератор электромагнитного излучения не является досужим вымыслом киношников, а представляет собой ряд вполне конкретных конструкций, параметры которых впечатляют. Мало того — существуют и сверхмощные импульсные микроволновые генераторы. Обо всём этом можно почитать тут.
