Что такое эми пушка
Этот доклад в 2017 году был подготовлен для недавно распущенной негосударственной Комиссии по противодействию ЭМИ-угрозам для США (Commission to Assess the Threat to the United States from EMP Attack). В документе приводился ряд фактов и предположений относительно ЭМИ-оружия и его возможном влиянии на обстановку в мире. Автором доклада выступил доктор Питер Винсент Прай.
П.В. Прай указывает, что разработка ЭМИ-оружия ведется в России, в Китае, Северной Корее и в Иране. Подобные разработки рассматриваются в контексте «боевых действий шестого поколения», подразумевающих атаку военных и гражданских объектов в киберпространстве, а также с использованием электромагнитных импульсов. В связи с возможным влиянием на энергетические сети противника такие идеи также носят название «война отключений» (Blackout War).
В качестве источника «боевого» ЭМИ предлагается использовать ядерные боеприпасы. При этом возможны разные способы их применения с отличающимся эффектом. Так, подрыв ядерного заряда на малой высоте сокращает радиус поражения ЭМИ, но увеличивает мощность воздействия на противника. Увеличение высоты подрыва приводит к обратным результатам: росту радиуса и сокращению мощности. При этом возможно получение выдающихся результатов. Так, подрыв ядерного заряда неназванной мощности на высоте 30 км, по расчетам автора доклада, способен привести к катастрофическим последствиям для инфраструктуры Северной Америки.
По понятным причинам, в Free Beacon особо подробно цитируется часть доклада, посвященная возможным ЭМИ-ударам по территории Северной Америки и Соединенных Штатов в частности. В частности, приводятся данные о количественных особенностях гипотетической атаки. Так, всего 14 ядерных боезарядов (мощность не указана) с подрывом на высоте 60 миль своими электромагнитными импульсами способны вывести из строя ключевую инфраструктуру США. Вторая серия подобных ударов делает бесполезными основные объекты армии, в том числе стратегических ядерных сил.
Вопреки различным перепечаткам в СМИ разных стран, доклад 2017 года не имеет прямого отношения к Пентагону или Конгрессу США. Он был подготовлен «частным» экспертом для негосударственной организации, которая к тому же не так давно успела прекратить свою деятельность. Эти обстоятельства показывают уровень документа и его потенциал в контексте влияния на военную политику Соединенных Штатов. Возможно, конгрессмены могли ознакомиться с докладом и узнать из него некоторые факты (либо вымысел), но вряд ли бы стали относиться к нему со всей серьезностью.
Также в документе содержатся весьма смелые оценки и крайне интересные предположения. Некоторые из них основываются на слишком вольных допущениях, вряд ли допустимых для серьезного доклада. Тем не менее, П.В. Прай вспоминает о некоторых событиях прошлого, учитывает актуальную политическую повестку, а затем на их основе делает выводы. Его измышления и предположения могут, как минимум, вызывать вопросы, но при этом являются «политически верными» и отвечают интересам некоторых кругов США и других стран.
На основе этих заявлений автор доклада для Комиссии по ЭМИ делает далеко идущие выводы. Кроме того, он склонен доверять не самым лучшим источникам и принимать их информацию на веру. Так, рассматривая угрозы в кибернетическом пространстве (стр. 11), П.В. Прай со ссылкой на зарубежные источники пишет, что в декабре 2015 и декабре 2016 гг. Россия устроила информационные атаки. Следствием таких кибератак стало отключение электроэнергии в западных областях Украины и в Киеве.
В целом, доклад «Nuclear EMP Attack Scenarios and Combined-arms Cyber Warfare» выглядит весьма странно. Реалистичные опасения и оценки в нем сопровождаются спорными тезисами и чрезмерно вольными предположениями. Все это резко снижает его ценность. Кроме того, на ценности доклада негативно сказывается тот факт, что в СМИ его позиционируют как официальный документ Пентагона, представленный Конгрессу. Вряд ли серьезный документ нуждается в подобной неправдивой «рекламе».
Документ, привлекший внимание издания The Washingtin Free Beacon, а затем и других средств массовой информации, вызывает массу сомнений и подозрений. По всей видимости, речь идет о некой бумаге «для внутреннего потребления», связанной с интересами и задачами той или иной политической группировки в Соединенных Штатах. При этом, несмотря на постоянное упоминание третьих стран, доклад не имеет прямого отношения к ним. Зарубежные разработки – как реальные, так и предполагаемые – оказываются лишь поводом для пугающих заявлений и прогнозов. К тому же, по неким непонятным причинам, доклад из середины 2017 года начали обсуждать только в январе 2019-го.
В настоящее время ведущие страны действительно проявляют интерес к вооружению, поражающему объекты противника при помощи мощного электромагнитного импульса. Имеются некоторые сведения о разработке подобных систем и о скором их поступлении на вооружение. Таким образом, в ближней или средней перспективе ведущие страны мира действительно смогут получить принципиально новое вооружение с особыми возможностями. Это означает, что позапрошлогодний доклад для Комиссии по ЭМИ-угрозам и последние публикации в зарубежной прессе все же имеют некоторое отношение к реальным событиям. Впрочем, реалистичность отдельных прогнозов не является достойным оправданием для чрезмерно смелых допущений и неправдоподобных сценариев.
Новые физические принципы: на что будет способно российское электромагнитное оружие
Данный тип вооружения использует энергию электромагнитного излучения (ЭМИ) сверхвысокой частоты, которая «выжигает» или временно выводит из строя электронику противника. В теории это позволяет создать надёжный эшелон защиты от авиации, крылатых ракет, беспилотников и наземных средств поражения.
СВЧ-пушку относят к классу нелетального вооружения, основанного на новых физических принципах. По своим характеристикам она близка к комплексам радиоэлектронной борьбы (РЭБ) и радиоэлектронного подавления. Воздействие ЭМИ губительно не только для техники, но и для организма человека (приводит к деградации нервной, иммунной систем, а также к сбоям в обмене веществ). Кроме того, в определённых условиях излучение может привести к детонации вражеских боеприпасов.
Достижения и нерешённые проблемы
«Чтобы СВЧ-пушка могла выполнить боевую задачу, ей требуется без малого целая электростанция. Естественно, что это сильно ограничивает возможность её применения. По этой причине полувековые попытки создать нечто боеспособное не приносили результатов», — пояснил в беседе с RT основатель портала Military Russia Дмитрий Корнев.
В конце 1990-х годов отечественные специалисты разработали пятитонный прототип электромагнитной установки «Ранец-Е», который предназначен для размещения на шасси МАЗ-543/7310. Комплекс РЭБ способен генерировать электромагнитный импульс сантиметрового диапазона мощностью до 500 мегаватт.
Согласно заявленным характеристикам, «Ранец» выжигает аппаратуру на дальности до 8—14 км и создаёт помехи электронным схемам на расстоянии до 40 км. Для обнаружения целей комплекс оснащается собственной РЛС, но при этом сопрягается с другими средствами противовоздушной и противоракетной обороны. Однако ряд существенных недостатков не позволили принять «Ранец» на вооружение.
Во-первых, сверхчастотное излучение действовало в зависимости от рельефа местности (например, микроволны не проходили через горы, скалы, холмы). Во-вторых, на «перезарядку» пусковой установки уходило около 20 минут. Это слишком большой отрезок времени на современном театре военных действий (ТВД).
Тем не менее ряд образцов с использованием сверхвысокочастотного излучения всё же пополнил арсенал российской армии. Так, последние годы Ракетные войска стратегического назначения (РВСН) получают машины дистанционного разминирования (МДР) 15М107 «Листва». На автомобиле установлены модуль СВЧ-излучения и генератор широкополосных электромагнитных импульсов. Эта аппаратура может инициировать подрыв мин на расстоянии до 100 м и выводить из строя радиоуправляемые фугасы.
С августа 2018 года концерн «Калашников» серийно производит радиоэлектронное ружьё Zala Aero REX-01 для нужд Сухопутных войск, спецподразделений и полиции. Устройство, напоминающее бластер из фантастических фильмов, способно глушить сигналы всех известных навигационных систем (GPS, ГЛОНАСС, BeiDou, Galileo). Его основное предназначение — борьба с небольшими беспилотниками.
Радиоэлектронное поражение
Сейчас КРЭТ активно работает над системой «Алабуга», в рамках которой создаётся целый комплекс вооружений. В 2011—2012 годах учёные завершили цикл научных исследований, после чего проект получил высший гриф секретности. В связи с этим информации об «Алабуге» немного.
В экспертной среде принято считать, что важнейшим направлением проекта является создание электромагнитного боеприпаса, который сможет «выжигать» радиоэлектронное оборудование кораблей, летательных аппаратов, танков, зенитных ракетных комплексов и самоходных артиллерийских установок.
В октябре 2017 года британская газета Daily Star сообщила о том, что детище КРЭТ «способно выводить из строя всю электронную технику противника в радиусе нескольких километров и нейтрализовывать целые армии». Носителем ракеты, по версии издания, станут беспилотники. Поражающая мощь «Алабуги» для электроники будет сопоставима с взрывом ядерной бомбы, которая, помимо прочего, обладает сильным ЭМИ.
В предыдущих интервью Михеев указывал, что российские СВЧ-пушки могут с разной степенью интенсивности воздействовать на электронику противника — от создания помех до «полного радиоэлектронного поражения».
«Нас вновь ожидают сюрпризы»
Электромагнитное ИО США
В 2009 г. ВВС США выделили 40 миллионов долларов на реализацию более мощного генератора СВЧ-лучей и его размещение на воздушном транспортном средстве. Согласно контракту, Boeing Company занималась разработкой ракеты CHAMP, которая должна была выступить носителем микроволнового излучателя. Созданием самого микроволнового излучателя занималась американская фирма Ktech.
В 2011 г. Boeing Company совместно с AFRL провела первые испытания ракеты CHAMP с мощным микроволновым излучателем на полигоне TTR (штат Юта), приписанном к авиабазе Хилл (рис. 2).
Магнетронный микроволновый излучатель HPM (High Powered Microwave) был установлен на крылатую ракету AGM-86. Опытный образец выполнил полет по заложенной программе. С помощью HPM генерировались мощные энергетические импульсы, которые эффективно выводили из строя электронные подсистемы.
Следует также отметить, что ВМС США рассматривают вариант установки магнетронов на беспилотные летательные аппараты (БПЛА). Технические предпосылки к этому имеются. Так, еще 14 мая 2013 г. ВМС США впервые успешно произвели взлет ударного БПЛА X-47B с палубы атомного авианосца «Джордж Буш» (рис. 3), находившегося в Атлантическом океане у восточного побережья США. Взлет БПЛА был произведен при помощи стартовой катапульты корабля. Аппарат, совершив несколько пролетов над палубой корабля, успешно совершил посадку на аэродроме в штате Мериленд. БПЛА был разработан и изготовлен корпорацией Northrop Grumman. По мнению прессы, технические характеристики аппарата, изготовленного по технологии малозаметности («стелс»), открывают невиданные прежде возможности, включая использование СВЧ-оружия.
SOS-генератор ЭМИ
В Уральском отделении Института электрофизики РАН (г. Екатеринбург) разработана серия многоразовых мобильных SOS-генераторов ЭМИ, проникающая способность излучения которых намного выше, чем у магнитокумулятивных генераторов.
Известно, что при переключении силового полупроводникового диода из открытого состояния в закрытое (восстановление запираемости диода) в нем (диоде) имеет место выброс обратного тока. Эксперименты, проведенные в 1991 г. в этом институте С. Н. Рукиным и его сотрудниками, показали, что при очень больших плотностях прямого и обратного токов через полупроводниковую структуру в определенном сочетании плотностей этих токов и их длительностей время спада обратного тока уменьшается до десятков и единиц наносекунд (нс). Этот эффект наносекундного обрыва сверхплотных токов в полупроводниках позже получил название SOS-эффекта (от Semiconductor Opening Switch).
Другое важное свойство SOS-эффекта заключается в том, что стадия срыва тока характеризуется равномерным автоматическим распределением напряжения по большому числу последовательно соединенных диодов. Это дает возможность создавать прерыватели тока с напряжением мегавольтного уровня путем последовательного соединения диодов без использования внешних резистивных делителей напряжения.
В дальнейшем была разработана специальная полупроводниковая структура со сверхжестким режимом восстановления, на основе которой удалось создать высоковольтные полупроводниковые прерыватели нового класса — SOS-диоды, имеющие рабочее напряжение в сотни киловольт, ток коммутации — в десятки килоампер, время коммутации – единицы наносекунд и частоту коммутации — килогерцы. Типовая конструкция SOS-диода — это последовательная сборка элементарных диодов, взаимно стянутых диэлектрическими шпильками между двумя пластинами-электродами. На основе SOS-диодов разработана серия мощных наносекундных генераторов с рекордными для полупроводниковых коммутаторов параметрами.
Блок-схема такого генератора показана на рис. 4. Тиристорное зарядное устройство (ТЗУ) осуществляет дозированный отбор энергии от источника питания, которая затем за время 10–100 мкс при напряжении 1–2 кВ поступает на магнитный компрессор (МК). Последний сжимает энергию во времени до 300–600 нс и повышает напряжение до сотен киловольт. SOS-диод выступает в роли оконечного усилителя мощности, переводя энергию в диапазон времени 10–100 нс и повышая напряжение в 2-3 раза. Введение в состав генератора звена магнитной компрессии продиктовано необходимостью согласования параметров выходного импульса ТЗУ с параметрами импульса накачки SOS-диода. После срыва тока SOS-диодом энергия передается в нагрузку в виде короткого наносекундного импульса.
Отсутствие в SOS-генераторах газоразрядных коммутаторов снимает принципиальные ограничения на частоту повторения импульсов. В продолжительном режиме работы эта частота ограничена тепловыми нагрузками на элементы генератора, в первую очередь на сердечники магнитных ключей, а при кратковременном включении генератора в режиме пакета импульсов – частотными возможностями ТЗУ. Режим пакета импульсов, когда генератор работает от десятков секунд до нескольких минут с частотой и выходной мощностью, в несколько раз превышающими номинальные, важен именно для перспектив боевого применения. Разработанные SOS-генераторы позволяют в 5–10 раз увеличить частоту следования импульсов и выходную мощность в режиме пакета продолжительностью от 30 до 60 секунд. Наиболее мощный среди генераторов наносекундного класса — S-5NS (рис. 5), система охлаждения которого проточной водой потребляет до 15 л/мин. Выходной импульс генератора S-5NS имеет следующие характеристики: импульсное напряжение — от 400 до 1000 кВ, импульсный ток — от 3 до 8 кА, длительность импульса — от 8 до 10 нс, пиковая мощность — 4 ГВт, частота импульсов постоянно — 300 Гц, в пачке длительностью 30 с — 1 000 Гц. Масса этого генератора 3 500 кг. Интенсивные исследования путей улучшения характеристик SOS-генераторов продолжаются. В частности, в российских научных центрах отрабатывается применение этих генераторов для питания широкополосных СВЧ-излучателей.
Сферический ударно-волновой источник РЧЭМИ
Следующим шагом в развитии забрасываемых электромагнитных боеприпасов (бомб, снарядов, гранат) явилось создание сферического ударно-волнового источника радиочастотного излучения — РЧЭМИ.
Идея, положенная в основу этого генератора, состоит в прямом преобразовании энергии взрывчатых веществ (ВВ) непосредственно в энергию РЧЭМИ, без виркатора. Впервые такой сферический ударноволновой излучатель УВИС был испытан 9 сентября 1993 г. на полигоне Центрального физико-технического института Минобороны РФ. Схема этого устройства приведена на рис. 6.
В УВИС заряд ВВ размещается внутри детонационного распределителя — полой сферы из поликарбоната, на поверхности которой отфрезерованы многочисленные каналы. Начинаясь у детонатора, причудливо переламываясь и разветвляясь, эти каналы покрывают всю внешнюю поверхность, заканчиваясь сквозными отверстиями. Они заполнены эластичным ВВ с высокостабильной скоростью детонации. Эта сложнейшая сеть создана так, чтобы обеспечить равные пути детонации от первичного детонатора до каждого отверстия. Расчет каналов потребовал использования методов геометрии Римана. Отфрезеровать такую систему каналов можно только на высокоточном станке с числовым программным управлением. Основной заряд изготавливается из мощного взрывчатого состава на основе октогена. Внутри него и устанавливается сфера из монокристалла йодида цезия.
Вокруг сферы собирается магнитная система. В ее основе два постоянных магнита. От них к монокристаллу идут два усеченных конуса из магнитно-мягкой стали, «собирающих» поле постоянных магнитов в область, занятую монокристаллом. Сохранению потока, создаваемого магнитами, служат и магнитопроводы. 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.
После того как сработает детонатор, огоньки детонации «разбегаются» по каналам со скоростью 8 км/с, одновременно «ныряют» в десятки отверстий и инициируют в основном заряде сферическую детонацию с давлением в полмиллиона атмосфер. Достигнув поверхности йодида цезия, волна детонации сформирует в нем ударную волну. Причем, поскольку плотность монокристалла больше плотности газов взрыва, давление на поверхности сферы скачкообразно увеличится, превысив миллион атмосфер. Сферическая ударная волна помчится к центру со скоростью более 10 км/с, оставляя за собой уже не монокристалл, а проводящую, как металл, жидкую область из атомов йода и цезия, и сжимая магнитное поле. По обе стороны фронта мощной ударной волны разница плотностей невелика (для монокристалла — примерно в два раза). Малая разность плотностей означает, что при ударно-волновом сжатии не развиваются нестабильности. В конечной фазе отношение размера области сжатия к начальному радиусу монокристалла — менее одной тысячной. Энергия магнитного поля могла бы возрасти при этом в миллион миллионов раз. Однако этого не происходит, так как сжата лишь малая часть поля, а почти все оно «захватывается» проводящим веществом и уже не может концентрироваться в области сжатия. Но эти потери дают возможность «сбрасывать» излишнее поле за фронт ударной волны, препятствуя тем самым чересчур быстрому усилению магнитного давления. Подбирая характеристики вещества (степень сжатия и проводимость в ударно-сжатом состоянии), можно регулировать «сброс» поля за фронт волны.
Ударная волна, сойдясь в точку и отразившись, устремляется обратно, скачком изменив поле, что и приведет к генерации импульсного потока РЧЭМИ. Длительность этого излучения менее наносекунды, спектр — от сотен мегагерц до сотен гигагерц.
Электромагнитное ИО России
Противотанковый гранатомет, предназначенный для стрельбы по машинам, оснащенным САЗ, имеет два ствола (двустволка):
При выстреле сначала запускается двигатель электромагнитной, а после, с небольшой задержкой, — кумулятивной гранаты. Радиолокационное сечение первой очень мало, поэтому защита пропускает ее. Попав в танк, «Антропус» кратковременно ослепляет его защиту, обеспечив этим прорыв кумулятивной гранаты к броне. Радиус ослепления всего 2–3 метра, но этого достаточно: антенна радиолокатора расположена на башне танка.
«Антропус» имеет два варианта боевых частей:
Оба этих генератора имеют небольшие мощности излучения, но их достаточно, для того чтобы создать вблизи них кратковременные перегрузки в электронных цепях.
В то же самое время (1998 г.) в России также уже были экспериментальные образцы 100-мм и 130-мм электромагнитных снарядов и 122-мм электромагнитных боевых частей неуправляемых ракет.
Окончание следует
Статья была опубликована в майском номере журнала «Наука и техника» за 2017 год
Электромагнитный импульс высотного ядерного взрыва
В 1959–1960 гг. и до 1 августа 1961 г. СССР не проводил ядерных испытаний, участвуя в моратории на ядерные испытания вместе с США и Великобританией. Вскоре после того как этот мораторий был прерван, 27 октября 1961 г. Советским Союзом были осуществлены два испытания, целью которых была проверка влияния высотных и космических взрывов на работу радиоэлектронных средств систем обнаружения ракетного нападения и ПРО. Оба ядерных заряда были доставлены к месту взрыва с помощью баллистических ракет Р-12, запущенных с полигона Капустин Яр. Два заряда были подорваны над центром опытной системы ПРО на полигоне Сары-Шаган — один на 300-километровой, другой на 150-километровой высоте.
Механизм генерации рассмотренного ядерного ЭМИ заключается в преобразовании небольшой доли ядерной энергии в электромагнитную энергию с радиочастотным спектром, которое выполняется в нескольких промежуточных процессах. Первым из них является образование гамма-излучения во время взрыва. Затем это гамма-излучение взаимодействует с молекулами атмосферных газов, производя электроны и положительные ионы. При разделении зарядов часть энергии гамма-излучения переходит в кинетическую энергию электронов, и поток их вызывает ток, с которым связано излучение электромагнитной энергии.
Следует отметить, что в это время (начало 60-х гг. прошлого столетия) количественные характеристики ядерного ЭМИ измерялись в недостаточной степени вследствие следующих причин:
Создание полупроводниковых приборов, а затем и интегральных схем, особенно устройств цифровой техники, широкое внедрение этих средств в радиоэлектронную аппаратуру заставили военных специалистов по-иному оценить угрозу ЭМИ. Наибольшую опасность представляет собой стадия нарастания ЭМИ, на которой в соответствии с законом об электромагнитной индукции из-за чрезвычайно быстрого нарастания импульса тока наведенное напряжение в различных контурах может достигать значительных величин (до тысяч вольт).
При воздействии рассматриваемых импульсных перенапряжений на радиоэлектронную и электротехническую аппаратуру в ней могут наблюдаться:
Взрывомагнитный генератор ЭМИ
Весной 1952 г. Р. З Людаев, Е. А. Феоктистов, Г. А. Цырков, А. А. Чвилева осуществили первый в СССР взрывной опыт по получению сверхсильных магнитных полей. Схема такого генератора сжатия аксиального магнитного поля, получившего название МК-1, представлена на рис. 2. Внутри полого металлического цилиндра 1 (лайнера) при разряде конденсаторной батареи С через соленоидальную обмотку 2 создается продольное магнитное поле. Для обеспечения быстрого проникновения поля внутрь цилиндра в нем был сделан узкий косой разрез, впоследствии захлопывающийся (на рис. 2 не показан). Cнаружи цилиндра помещен заряд 3 взрывчатых веществ. В этом заряде возбуждается сходящаяся цилиндрическая ударная волна. Для ее возбуждения применяется электрическая система многоточечного инициирования с помощью детонаторов 4. Момент инициирования выбирается так, чтобы сжатие цилиндра началось в момент максимального тока в соленоидальной обмотке. На рис. 2 приведены также обозначения 5 и 6 — последовательно исследуемый образец и продукты взрыва. Под действием детонационной волны цилиндр сжимается со скоростью, превышающей 1 км/с. При этом его поперечное сечение уменьшается, и в стенках цилиндра-лайнера индуцируются токи, стремящиеся сохранить магнитный поток постоянным. В процессе сжатия цилиндра совершается работа против пондеромоторных сил магнитного поля, вследствие чего энергия сжимаемого поля будет увеличиваться. Для идеально проводящих стенок трубы магнитный поток остается постоянным, а напряженность и энергия магнитного поля увеличиваются обратно пропорционально квадрату внутреннего радиуса цилиндра.
Конечно, в реальном случае имеет место уменьшение магнитного потока. В опытах такого типа, проведенных в 1952 г., обычно имеет место снижение потока в 2-3 раза. Кроме того, при некотором значении внутреннего радиуса цилиндра происходит остановка его движения из-за противодействия магнитного поля. Тем не менее уже в первых опытах с алюминиевыми трубами небольшого диаметра (около 100 мм) были получены магнитные поля напряженностью в 1 х 106 Э. В дальнейшем в одном из опытов с трубой из нержавеющей стали при конечном диаметре цилиндрической полости около 4 мм зарегистрировано значение Н, равное 25 х 106 Э. Достоинствами приведенного выше взрывомагнитного генератора являются высокая плотность магнитной знергии на оси при достаточно однородном осевом сжатии и простота конструкции. Однако такой генератор — это генератор только магнитного поля, который не является генератором тока, поскольку азимутальный ток в цилиндре замкнут на себя и не может передаваться.
Как было сказано выше, взрывомагнитный генератор сильного тока также был разработан Сахаровым и его сотрудниками и получил название МК-2. На рис. 3 и 4 приведены схема и фотография генератора МК, а на рис. 5 — стадии его работы (а, б и в).
Генератор МК-2 состоит из центральной проводящей трубы 1 и коаксиально расположенной внешней цилиндрической спирали (соленоида) 2, переходящей в сплошной цилиндр (стакан) 3, основание которого соединено с трубой. В центральную трубу помещается длинный цилиндрический заряд взрывчатых веществ ВВ, инициируемый с помощью капсюля КД в одной точке с торца со стороны спирали. На электрический контур генератора МК-2, образованный трубой, стаканом и спиралью, разряжается батарея конденсаторов. Под действием продуктов взрыва центральная труба растягивается в виде конуса, и в момент времени, когда величина разрядного тока переходит через максимум, ее стенки подлетают к началу спирали. При дальнейшем распространении детонации вдоль трубы точка соприкосновения конуса со спиралью движется по винтовой линии; число витков спирали, оставшихся незамкнутыми, уменьшается, и, соответственно, уменьшается индуктивность генератора. После подлета стенок трубы к началу стакана генератор превращается в коаксиал. На последней стадии работы генератора МК-2 при достаточно быстрой непрерывной деформации трубы сжатие магнитного поля осуществляется в уменьшающемся объеме между внешней и внутренней стенками коаксиала. Данный процесс сопровождается увеличением тока через электрический контур и нарастанием его энергии. Увеличение магнитной энергии происходит за счет работы, совершаемой против пондеромоторных сил магнитного поля стенками центральной трубы.
С помощью генератора МК-2 были получены токи величиной 5 х 10 7 А, в некоторых опытах 1953 г. ток достигал 1 х 10 8 А и более. В магнитном поле удавалось запасти энергию в 1–2 х 10 7 Дж. Эта энергия составляла 10–20 % от энергии, освобождаемой при взрыве взрывчатых веществ, находящихся в трубе внутри стакана.
Потребитель электромагнитной энергии подключается к генератору МК-2 с помощью трансформатора (потребитель связан с электрическим контуром генератора МК-2 индукционным взаимодействием). Это дает возможность применять генератор МК-2 на нагрузки с существенно большими индуктивностями. Эксперименты показали, что с помощью трансформатора к потребителю может быть отведена значительная часть магнитной энергии, полученной при взрывной деформации контура. Например, от генератора МК-2 небольшого диаметра удавалось отвести 50 % магнитной энергии. Это также открывало возможности создания многоступенчатой системы МК. В такой системе магнитная энергия, полученная в первом генераторе, с помощью трансформатора передается во второй, в процессе работы которого эта энергия усиливается и передается в третий и т. д.
Осуществлен был и иной способ передачи электромагнитной энергии из генератора во внешнюю нагрузку — путем разрыва электрического контура с током действием дополнительного заряда взрывчатого вещества и переброски магнитного потока из конечной части генератора МК – 2 в нагрузку (использование экстратоков размыкания). Таким способом удалось передать во внешнюю активно-индуктивную нагрузку более 50 % энергии, генерируемой генератором МК-2. В ряде опытов время передачи энергии в нагрузку составило 0,5 х 10-6 с.
Исторической справедливости ради следует сказать, что начиная с 1952 г. разработкой взрывомагнитного генератора успешно занимался в Лос-Аламосской национальной лаборатории (США) американский физик Кларенс Максвелл Фоулер. Им и его коллегами Гарном и Кайрдом был создан и продемонстрирован во второй половине 50-х гг. такой генератор.
Особо важно отметить тот факт, что генератор МК-2, вследствие физики процесса, генерирует мощный электрический импульс, частота которого ниже 1МГц.
Требования у импульсам ЭМО
В большинстве случаев любая кабельная проводка включает в себя линейные отрезки, объединяемые между собой при примерно прямых углах. Какой бы ни была ориентация оружейного электромагнитного поля, всегда более чем один линейный отрезок кабельной проводки окажется ориентирован таким образом, что будет достигаться высокая эффективность поглощения ими энергии.
Оборудование, подсоединенное к облученным линиям, а именно источники питания и входные устройства различных систем, этими высоковольтными импульсами напряжения может быть повреждено. Кроме того, мощное электромагнитное излучение может проникать в объект нападения через «парадную дверь», а именно через антенну, наличие которой характерно для радарного и связного оборудования, и вывести из строя его электронные и электротехнические узлы.
Виркатор
Схема вакуумного виркатора аксиального типа показана на рис. 6, где 1 — катод, 2 — изолятор, 3 — анод, 4 — виртуальный катод, 5 — выходное окно. В виркаторе отрицательный потенциал подается на катод, а анод обычно находится под потенциалом земли. Фундаментальная идея, лежащая в основе виркатора, заключается в ускорении мощного потока электронов сетчатым анодом. Значительное число электронов пройдет анод, формируя за ним облако пространственного заряда, так называемый виртуальный катод ВК, по имени которого это устройство и получило наименование «виркатор» (англ.virtual cathode oscillator — vircator).
При токах пучка, больших критического для данной структуры, ВК начинает осциллировать. Процесс этот протекает следующим образом:
При работе взрывоэмиссионного катода образовавшаяся плазма движется по направлению к аноду. Ускоренные электроны, попадая на анод, вызывают образование прианодной плазмы, которая движется по направлению к катоду. Плазменные катодный и анодный факелы, распространяясь навстречу друг другу, закорачивают диодный промежуток виркатора за время порядка 1,0–1,5 мкс. Поэтому виркатор генерирует одиночный импульс электронного тока длительностью от нескольких сотен наносекунд до нескольких микросекунд. Обычно виркатор встраивается в цилиндрическую волноводную структуру. Мощность, как правило, выводится посредством перехода волновода в рупорную структуру, которая служит антенной. Использовать пучки релятивистских электронов для генерации электромагнитных колебаний предложил еще в 40-х гг. прошлого столетия выдающийся советский и российский ученый физик-теоретик Виталий Лазаревич Гинзбург, академик АН СССР с 1966 г., лауреат Нобелевской премии по физике 2003 г. Однако только после создания первых сильноточных электронных ускорителей СЭУ в 1966–1967 гг. начало складываться новое перспективное направление — высокочастотная релятивистская электроника. В СССР наиболее значительный вклад в ее становление и развитие внесла горьковская (нижегородская) школа физиков, возглавляемая Андреем Викторовичем Гапоновым-Греховым, академиком АН СССР с 1968 г.
Что касается собственно виркатора, то виркатор на пролетном диоде без внешнего магнитного поля был предложен и экспериментально реализован в 1985 г. в Лос-Аламосской национальной лаборатории (г. Лос-Аламос, штат Нью-Мексико, США). Он имел следующие характеристики: P = 500МВт, f = 17ГГц, tимп = 20нс, к.п.д. = 0,005. В 1987 г. в Ливерморской национальной лаборатории им. Эрнеста Лоуренса (Ливермор, штат Калифорния, США) был создан более мощный виркатор (P = 4 ГВт, f = 6,5 ГГц, t имп = 40 нс, к.п.д. = 0,033).
В СССР в 1986 г. в НИИ ядерной физики Томского политехнического института (НИИ ЯФ ТПИ) был создан виркатор, имевший следующие характеристики: Р = 200 МВт, f = 15 ГГц, tимп = 70 нс, к.п.д. = 0,05, и там же в 1988 г. — еще один более мощный виркатор: Р = 2 ГВт, f = 5,5 ГГц, tимп = 30 нс. Наиболее подробное исследование виркатора в СССР и в России было выполнено в НИИ ЯФ ТПИ и в Институте высоких температур РАН под руководством Андрея Николаевича Диденко, члена-корреспондента АН СССР с 1984 г.
Создание E-бомбы США
Следующим шагом на пути создания электромагнитной импульсной бомбы явилось использование спирально-коаксиального магнитокумулятивного генератора в качестве источника энергии для виркатора; при этом для формирования высоковольтного импульса питания виркатора необходим трансформатор.
Ведущим специалистом в области СВЧ-устройств стал в это время Едл Шамилоглу (Edl Schamiloglu) — профессор электротехники и вычислительной техники университета Нью-Мексико в Альбукерке. Усилия Шамилоглу и его коллег привели к пониманию возможностей этих устройств. Кстати, надо сказать, что произошло это не без помощи российских ученых из Института прикладной физики РАН в Нижнем Новгороде. Разработанный и изготовленный в этом институте стенд «Синус-6» (сильноточный ускоритель с энергией электронов 0,5 МэВ), позволяющий оперативно изменять параметры электронного пучка на нем, был куплен американской стороной, смонтирован в лаборатории Шамилоглу, и на нем был выполнен ряд важных исследований в области СВЧ-техники.
Необходимость балластного цилиндра обусловлена тем, что интенсивные магнитные силы, появляющиеся во время работы МК-генератора, потенциально могут вызвать его преждевременное разрушение, если не принять контрмеры. Обычно они заключаются в дополнении конструкции цилиндром из немагнитного материала. Могут быть использованы стекловолокно в эпоксидной матрице или кевларовые эпоксидные композиты. Виркатор генерирует импульсы частотой 5 ГГц.
Бомба была управляемой (рис. 8), а значит, вероятное отклонение директрисы облучения от точки прицеливания было меньше десяти метров. Радиус поражения этой электромагнитной бомбы не превышал 200 м. Результатом ее действия было отключение телевещания на несколько часов. В последующем США неоднократно применяли такие бомбы против Багдада и других городов Ирака.
Статья была опубликована в апрельском номере журнала «Наука и техника» за 2017 год