«Техника-молодежи» 1974 г №5, обл, с.50-53

На симпозиуме по технике гиперзвуковых исследований, проходившем в 1960 году в США, американский ученый Дж. Райнхарг вспоминал, как в первые послевоенные годы он и его коллеги пытались создать «метеоритный дождь». Ночью с помощью ракет засылались на огромную высоту армейские гранаты с кумулятивным зарядом. Гранаты подрывались, и специальные фотокамеры фиксировали разлет раскаленных осколков. Но снимки светящихся следов осколков, скрупулезные анализы их оплавленной поверхности давали слишком скудные сведения о физике пролета сквозь атмосферу. Попробуй разобраться в пестром калейдоскопе результатов, которые получены на россыпи искусственных «метеоритов», падающих с различными скоростями и в различных направлениях! Кроме того, невозможно нацелить такие неуправляемые «метеориты» на мишень, чтобы изучить механику высокоскоростного удара. Вот если бы удалось разогнать один-единственный осколок, да еще направить его куда нужно! Так пришли к необычной идее — использовать в аэродинамических исследованиях... пушку.

«Забил заряд я в пушку...»

В пушках обычного типа, использующих нитроцеллюлозный порох, скорость снаряда не превосходит 3 км/сек. Конечно, скорость большая, но далеко ей до «метеоритной», достигающей порой 90 км/сек. И даже скорость входа космического аппарата в атмосферу — около 12 км/сек — вне досягаемости традиционной артиллерии. Необходимо было изыскать дополнительные скоростные резервы пушечного выстрела. И ученые стали внимательно приглядываться к тому, что происходит внутри орудийного ствола.

Выделяющаяся при взрыве заряда энергия затрачивается на перемещение не только снаряда, но и столба подпирающих его пороховых газов. Мы уже не учитываем массу других побочных действий, например откат орудия. Одним словом, при выстреле производится гораздо большая работа, чем требуется на самом деле. Как будто разгоняется другой снаряд, намного массивнее реального. Артиллеристы так и говорят об «эффективной массе» снаряда, заведомо превышающей ее истинную величину. Из школьного курса физики мы знаем: кинетическая энергия движущегося тела равна произведению массы на квадрат скорости, деленному пополам. Хочешь повысить скорость снаряда при той же энергии (иначе — при том же пороховом заряде) — уменьшай его массу. Впрочем, действительную массу можно оставить прежней, а уменьшать лишь воображаемое, эффективное ее значение. Для этого в первую очередь следует сократить неизбежные затраты взрывной энергии на перемещение продуктов сгорания пороха, то есть уменьшить их массу. В идеальном случае, когда пороховые газы «невесомы», энергия взрыва целиком передастся снаряду. Ведь газ, не имеющий массы, не обладает кинетической энергией и служит лишь пассивным передатчиком механической силы. Да, столь безынициативный участник выстрела очень устроил бы ученых и артиллеристов. Однако бесполезно предаваться несбыточным мечтам — средний вес молекул продуктов сгорания пороха не меньше 20—25. А что, если заставить работать здесь если не «невесомые», то самые легкие реальные газы?

Заполним казенную часть пушечного ствола водородом, кислородом и гелием при определенном давлении и запечатаем эту смесь, как пробкой, тонкой металлической или пластиковой диафрагмой. Перед последней поместим снаряд. Стоит только проскочить искре между электродами в газовой камере, и немедленно прореагирует «гремучая смесь» из кислорода и водорода. Взрыв мгновенно повысит давление и температуру и прорвет диафрагму. Теперь очередь за гелием: он вместо пороховых газов разгонит снаряд и вытолкнет его наружу. Только сделает он это эффективнее и сообщит снаряду гораздо большую скорость.

Первую легкогазовую пушку разработали американские экспериментаторы Крозье и Хьюм в 1948 году. С тех пор конструкции и принципы действия таких «орудий» непрерывно совершенствовались. Были созданы двухступенчатые пушки. В них сначала воспламеняется обычный пороховой заряд, который разгоняет до сверхзвуковой скорости поршень. Тот, двигаясь в цилиндрической камере, сжимает и нагревает наполняющий ее легкий газ. Когда прорвется диафрагма., газ с огромной скоростью устремляется в ствол, толкая перед собой снаряд.

Калибры легкогазовых пушек — от 5 до 100 мм и выше. Чтобы уберечь исследуемую модель (снаряд) от соприкосновения с внутренней поверхностью ствола и разрушения, ее укладывают в обойму из нейлона или полиэтилена. В упакованном виде модель скользит в стволе, как на салазках, и выбрасывается неповрежденной. Набор обойм позволяет «заряжать» пуншу моделями самых различных форм и размеров.

При выстрелах удалось получить широкий диапазон скоростей снарядов: от 4,7 км/сек для 2.5-килограммовых до 11,3 км/сек для 0.044-граммовых.

Чем «подхлестнуть» снаряд?

Если напор газа превысит некоторую допустимую величину, модель может разрушиться от чрезмерных механических напряжений. Наиболее прочные выдерживают «донное давление» до 4200 кг/см², менее крепкие — до 1400 кг/см². Но от напора газа зависит ускорение снаряда и достигаемая им скорость. Ограничение в давлении приходится компенсировать более длительным его действием, то есть наращиванием длины ствола. Чтобы модель плотностью 1 г/см³ развила скорость 12,2 км/сек при давлении на ее дно 1400 кг/см², длина ствола должна в 360 раз превышать ее внутренний диаметр. (Напомню: у обычных военных орудий такое соотношение примерно в 7 раз меньше!) Причем на всем протяжении разбега снаряда «донное давление» должно поддерживаться постоянным. Но, как только остановится поршень в двухступенчатой пушке, газ начнет расширяться, и давление за моделью неминуемо упадет. С этим исследователи не смогли смириться. Они решили хоть немного продлить сжимающее действие поршня на газ.

На пути поршня поставили сужающийся канал — переходник от широкой газовой камеры к узкому стволу. Вот в этот конический диффузор и вминается по инерции поршень. Прежде чем остановиться, его передняя часть, деформируясь, резко продвигается вперед, убыстряя свое движение. Так ускоряется течение воды в сужающемся русле реки. Энергично перемещаясь, «верхушка» поршня поджимает газ, разгоняющий модель в стволе. Волны давления распространяются от поршня к дну снаряда. Готовое уже упасть «донное давление» еще некоторое время поддерживается на должном уровне.

Пушка со взрывающейся проволокой (вверху) и устройство с плазменным ускорением (внизу).

Не довольствуясь робкими полумерами, исследователи пытаются подвести к расширяющемуся за снарядом газу дополнительную энергию. В разгонной части ствола установили несколько пар электродов, связанных с батареей конденсаторов. Последовательные электрические разряды, вызывающие волны давления, обеспечивают «подпитку» толкающих газов, компенсируя потерю энергии на разгон снаряда. Нужно лишь согласовать разряды с его движением в стволе. Если разряд произойдет перед снарядом, пользы от этого никакой. Излишнее промедление тоже сведет на нет все усилия: передний фронт добавочной волны давления попросту не догонит снаряд. В неизмеримо малый миг, пока модель не покинула ствола, нужно пропустить целую очередь ускоряющих толчков. Когда это удалось сделать, эффект не замедлил сказаться. Если без электрических «микровзрывов» снаряд разгоняется до скорости 4,5 км/сек, то с их помощью — до 6,8 км/сек!

Да, немало придумано ухищрений, чтобы заставить модель двигаться с большей скоростью. Пробовали нагревать легкий газ в камере перед взрывом порохового снаряда. Это позволило дольше сохранить за снарядом повышенное давление газа. Ставили на пушечные стволы ускорительные насадки. Например, в одной из них помещается пластиковая трубка из нейлона, полипропилена или поликарбоната. Внутренний диаметр трубки меньше калибра пушки, но больше поперечного размера ускоряемой модели без обоймы. Когда разогнанная в стволе обойма ударяет по трубке, пластик подвергается сжатию и «схлопывается» к оси, образуя нечто вроде кумулятивной струи. Одновременно модель выскакивает из обоймы и. подхваченная этой самой «кумулятивной струей», приобретает дополнительную скорость. С помощью такого приспособления в двухступенчатой легкогазовой пушке удалось повысить скорость снаряда с 6,4 км/сек до 7,5 км/сек.

Однако у всех подобных ускорительных устройств есть один существенный недостаток. Они эффективны лишь тогда, когда сама легкогазовая пушка несовершенна и не обеспечивает наивысших для данного класса орудий скоростей разгона. Никакие дополнительные приспособления не в силах улучшить показатели тех пушек, которые и без того демонстрируют предельно высокие скорости. Похоже на то, что у легкогазовых пушек свой скоростной барьер, преодолеть который не так-то просто. Неудивительно, что в погоне за более высокими скоростями ученые обращаются к другим способам метания моделей.

Многоступенчатые... орудия

Первые опыты с искусственными «метеоритами» не были забыты. Через некоторое время исследователи снова вернулись к взрывным ускорительным устройствам, вступившим в соперничество с аэродинамическими пушками.

Только на сей раз взрыв выбрасывал один-единственный осколок.

Простейшая конструкция такого ускорителя — это заряд мощного взрывчатого вещества с расположенной на нем или заделанной в его поверхностный слой моделью. Иногда между ними помещают инертную прокладку. Скорости, с которыми выбрасываются модели при взрыве, достаточно велики — около 9 км/сек. Но сами модели имеют формы пластин или дисков и должны изготовляться из весьма прочного материала, чтобы не разрушаться при взрыве. Это ограничивает возможности исследования. Когда ученых интересует не аэродинамика гиперзвукового полета, а столкновение тел при высоких скоростях, они даже предпочитают «удар наоборот». Навстречу неподвижной модели силою взрыва устремляется плоская мишень. В этом случае модели могут быть любой, формы и выполнены из сколько угодно хрупкого материала.

Кумулятивный эффект позволил взрывным устройствам достичь еще больших скоростей разгона. В заряде взрывчатого вещества делают коническое углубление, обращенное широкой стороной в направлении полета модели. Выемка облицована металлической оболочкой. При взрыве материал оболочки с огромной скоростью «выплескивается» в виде сходящейся конической струи. Скорость струи можно в некоторой степени регулировать, меняя угол выемки. Чем меньше этот угол, тем выше скорость. Но главное, из-за того, что различные части металлической кумулятивной струи обладают неодинаковой скоростью, она растягивается в полете и разрывается на отдельные кусочки. Вот и готовы летящие с высокой скоростью «модели-пули», сами собой появившиеся в процессе эксперимента.

Бериллиевая частица весом 0,08 г была разогнана в кумулятивной струе до 16,5 км/сек. Это почти предел кумулятивного ускорения, но не предел мечтаний исследователей. Им нужно опробовать защитные качества брони космического корабля на случай столкновения с «небесным странником». Увы, полученные скорости не достигают крайних пределов «метеоритного диапазона». Снова возникла «проклятая проблема». Выброшенный взрывом «осколок» никак «не подхлестнешь». Зато можно разогнать перед взрывом сам кумулятивный заряд. К скорости кумулятивной струи добавится скорость взрывчатого вещества. А разгонит его другой кумулятивный заряд. Так родилась идея многоступенчатого кумулятивного ускоряющего устройства. При этом пришлось задуматься о том, как перехитрить детонационную волну.

Во многих материалах детонационные волны распространяются быстрее ударных волн. В двухступенчатой кумулятивной «ракете» после взрыва первой ступени вторая может продетонировать раньше, чем получит ускоряющий толчок ударной волны. Понадобилось еще до «запуска» разделить обе взрывные ступени, чтобы «пустотой» преградить путь детонации. Итак, два кумулятивных заряда располагаются друг за другом на некотором расстоянии. Кумулятивная струя первого заряда бьет во второй заряд и успевает сообщить ему большую скорость еще до того, как в нем инициируется взрыв.

В другом типе устройства полностью копируется принцип действия многоступенчатой ракеты. Вторую ступень ускоряет не удар кумулятивной струи, а реактивная сила выбрасываемых назад кумулятивных газов. Здесь надо точно угадать момент включения второй ступени. 21 ноября 1960 года окончился аварией запуск американского искусственного спутника из-за того, что штепсельные разъемы в электрической схеме ракеты-носителя включились не одновременно, а с интервалом в 0,02 сек. Какая же немыслимая точность нужна при включении кумулятивных ступеней, если весь детонационный процесс длится микросекунды! Чтобы облегчить задачу, пробовали подмешивать в заряды медленно горящие пороха. В двухступенчатом кумулятивном устройстве скорость разгоняемых частиц возросла на 20%. А трехступенчатая «ракета» позволила ускорить микронную частицу до 18 км/сек!

Ударной силой динамита

В экспериментах с кумулятивными устройствами заранее не известны масса и форма ускоряемых частиц. Ведь они готовятся из кумулятивной струи прямо «на ходу». Приходится «взвешивать» частицы в полете посредством рентгеновской теневой съемки. Точность таких косвенных измерений оставляет желать лучшего. К тому же во взрывных устройствах ускоряемые частицы практически неуправляемы. Чтобы отсеять все побочные «осколки», летящие под различными углами, ставят перед мишенью экраны с узкими щелями.

Другое дело — легко газовые пушки. Во время ускорения модель находится в тесном пространстве пушечного дула. Никуда ей не свернуть. Вес и размеры ее известны наперед, да и скорость можно предугадать с большой точностью. Недаром из 151 ускорительной установки, действовавшей до 1965 года в США, Канаде и Англии, 83 представляли собой легкогазовые пушки. Заманчиво было бы совместить достоинства ствольного ускорения с высокой скоростью метания взрывных устройств.

Пытались разгонять модель в стволе серией последовательных взрывов. Переходя из одной взрывной секции в другую, снаряд скачками наращивает скорость. И снова потребовалось согласовать взрывы с движением снаряда. Несмотря на все ухищрения, результаты оказались необнадеживающими. В пушке с двумя взрывными секциями модель весом 7,4 г достигла скорости всего 2.6 км/сек. Даже использовав в качестве взрывчатого вещества гидрид лития (он дает при взрыве легкий газ, ненамного отличающийся по весу от гелия), исследователи не смогли существенно повысить скорость.

Более удачными оказались легкогазовые пушки, в которых кумулятивный заряд приспособлен для сжатия газа. Казенная часть такой пушки заменена металлической оболочкой специальной формы, заполненной водородом или гелием. Этот своеобразный газовый баллон соединяется со стволом, перекрытым диафрагмой. Перед ней в стволе установлена модель в обойме.

Сам «баллон» окружен слоем мощного взрывчатого вещества, которое детонируется с одного конца для создания кумулятивного эффекта. Конструкция оболочки такова, что при взрыве она «схлопывается», но не образует металлической кумулятивной струи. Зато такая струя создается сжимаемым газом. Скорость струи достигает порой 140 км/сек. Прорвав диафрагму, водород или гелий устремляется в пушечный ствол, разгоняя модель в обойме. А что происходит дальше, мы уже знаем. Стограммовая модель достигала скорости 5,8 км/сек, а модель весом 0,1 г ускорялась до 8 км/сек.

Обилие и разнообразие ускорительных устройств объясняются не только многочисленностью организаций, занимающихся высокоскоростными исследованиями. С помощью одной установки не удается перекрыть весь диапазон скоростей, который интересует современную космическую технику. Исследователи поневоле довольствуются набором узкоспециализированных методов разгона, воспроизводящих отдельные участки шкалы космического «спидометра». И самые высокие результаты пока у устройств, основанных на плазменных методах ускорения.

Но не будем забегать вперед...

Одна десятитысячная световой

Исследователи гиперзвукового полета с завистью поглядывают на синхрофазотроны физиков. Вот бы им такие возможности! К сожалению, методы ускорения микрочастиц не применимы к объектам, имеющим хотя и малые, но вполне ощутимые размеры. Лишь мизерные металлические «пылинки» в десятые доли микрона удалось разогнать сильным электрическим полем до скорости 28 км/сек. Увы, не велика польза от роя быстролетящих «моделей», которые даже не рассмотришь невооруженным глазом. Поэтому электростатические ускорители не пользуются широкой популярностью.

Знакомый еще со школы опыт— небольшой металлический предмет затягивается магнитными силами внутрь индукционной катушки. На этом явлении и основана работа электромагнитной пушки. Чтобы продлить действие магнитных сил, постепенно сокращают расстояние между витками обмотки вдоль длины катушки или изменяют частоту текущего по ней электрического тока. Модель весом 2,4 г разгоняли таким способом до 350 м/сек. Даже авиацию не прельстишь сейчас этим «достижением». Более удачна магнитная пушка постоянного тока, в которой ускоряемое тело скользит по двум рельсам. Шарик в одну сотую грамма удалось разогнать до 9.5 км/сек.

В некоторых установках энергия электрического тока превращается в энергию взрыва тонкой металлической проволоки или фольги, через которые разряжается батарея конденсаторов. Разряд происходит в сосуде с водой, заменяющем казенную часть пушечного ствола. Ствол заперт диафрагмой, перед ней установлена модель. Так вот, при взрыве проволоки или фольги возникающая в жидкости ударная волна прорывает диафрагму, и тело выбрасывается с большой скоростью из ствола. Например, разряд в 500 джоулей через алюминиевую фольгу в несколько микрон толщиной позволил разогнать частицу весом 0,128 г до 2,5 км/сек.

Однажды исследователи решили отказаться от посредничества жидкой среды, передающей давление ускоряемому телу. Ведь при взрыве, скажем, проволоки ее вещество образует высокотемпературную плазму. Чем не «пороховые газы»? Высокоскоростная струя такой плазмы, образованная мощным электрическим разрядом через литиевую проволоку, прорывала диафрагму и устремлялась в разгонную трубу. А та была забита десятью тысячами мелких стеклянных шариков, каждый весом в десятимиллионную долю грамма. Эта «микродробь» выстреливалась со скоростью 20 км/сек. В другом устройстве электрический разряд производился в дуговой камере, наполненной водородом. Проходя сквозь расширяющееся сопло, водородная смесь дополнительно ускорялась. Стеклянные шарики диаметром 35 микрон разгонялись плазменной струей до скорости 30 км/сек — одну десятитысячную световой! Но не стоит обольщаться. Несмотря на столь блестящие достижения, возможности эксперимента с плазменными ускорителями весьма скромные. Слишком жесткие требования предъявляются к размерам и материалу ускоряемых частиц. «Дробинки» должны быть прозрачными к излучению высокотемпературной плазмы. Иначе их ожидает тепловое разрушение.

Однако ни в одной ускорительной установке не удалось пока добиться таких высоких результатов. «Пушки», работающие на сжатой плазме, возглавляют сегодня артиллерийский парк науки.

По материалам иностранной печати