Возможные пути создания электромагнитных средств активного воздействия на нарушителя..
УДИНЦЕВ Дмитрий Николаевич, доктор технических наук, доцент
КОЗЛОВ Сергей Александрович, кандидат технических наук
УСМАНОВ Рашид Ильнурович, кандидат технических наук
БЕЛОКУР Андрей Владимирович,
КИРЮШИН Константин Сергеевич
Военный институт (инженерных войск) Общевойсковой академии ВС РФ, г. Москва
Возможные пути создания электромагнитных средств активного воздействия на нарушителя
Источник: журнал «Специальная Техника» № 3 2009 год
В статье рассмотрена проблема защиты важных объектов от проникновения посторонних лиц и перспективные пути ее решения с применением электромагнитных средств активного воздействия на нарушителя. Приведена информация об истории и состоянии разработки электромагнитного оружия, рассмотрены преимущества и недостатки некоторых существующих и перспективных средств, применяемых для прикрытия подступов к важным объектам, а также возможные варианты применения перспективных средств. Рассмотрены принципы действия существующих экспериментальных образцов вооружения, возможные принципиальные схемы перспективных средств, функционирующих на основе различных методов преобразования электрической энергии в механическую.
Проблема защиты важных объектов от проникновения посторонних лиц (нарушителей) была и остается актуальной. Такими объектами могут быть здания, сооружения, участки дорог и других коммуникаций. Уровень требуемого воздействия на нарушителя зависит от местонахождения объекта и обстановки. В мирное время на объектах, являющихся частной собственностью и им подобных, необходимо обеспечить задержание нарушителя без нанесения ему значительных повреждений. В боевой обстановке или условиях контртеррористических и других специальных операций, а также при обеспечении защиты потенциально опасных и жизненно важных объектов воздействие на нарушителя должно быть более жёстким, включая применение оружия (или других аналогичных средств) на поражение.
В зависимости от важности объекта по периметру его ограждения на участке местности или акватории может устанавливаться зона безопасности соответствующей величины. Для обнаружения нарушителя и воздействия на него на рубежах, расположенных на том или ином удалении от объекта, применяются различные средства сигнализации и поражения. Разработка, внедрение и совершенствование таких средств осуществляются по мере развития науки и техники.
На различных этапах развития общества происходили качественные «скачки» в развитии техники: изобретение колеса, двигателя внутреннего сгорания, открытие возможности получения и использования электрической энергии и многое другое.
Рис. 1. Принципиальная схема многоступенчатого электромагнитного ускорителя масс (пушки Гаусса):
1- накопитель энергии; 2- направляющая; 3- метаемый ферромагнитный сердечник; 4- обмотка
Одним из таких качественных «скачков» было изобретение возможности накопления и использования механической энергии для метания средств поражения, что инициировало разработку луков, камнеметательных машин и арбалетов. Развитие средств поражения на этом принципе было ограничено, так как попытки повысить скорость и дальность полёта поражающего элемента влекли за собой увеличение массогабаритных характеристик средств и усложнение их применения.
Изобретение пороха позволило перейти на новый качественный уровень в разработке средств поражения, и почти тысячелетие разрабатывались и совершенствовались средства поражения с использованием энергии расширения пороховых газов. Но практически уже несколько десятилетий кардинального повышения характеристик таких средств не происходит, что свидетельствует об исчерпании возможностей развития в данном направлении.
Очевидно, что должен появиться новый принцип, позволяющий перейти на следующий качественный уровень. В настоящее время в достаточной степени изучены возможности преобразования электрической энергии в кинетическую энергию поражающих элементов на принципе электромагнитного ускорителя масс [4] и преобразования электрической энергии в энергию взрыва на принципе электрогидравлического удара [5].
Известны две разновидности электромагнитных ускорителей (электромагнитных пушек): соленоидная и рельсовая, которые часто называют соответственно «пушкой Гаусса» и рельсовой пушкой — рельсотроном, реже встречается название «пушка Лоренца» [1,2].
Пушка Гаусса состоит из соленоида, внутри которого находится ствол, выполненный, как правило, из изолирующего материала. В один из концов ствола помещается метаемый элемент (снаряд), изготовленный из ферромагнетика (рис. 1). При протекании электрического тока в соленоиде возникает магнитное поле, которое разгоняет снаряд, «втягивая» его внутрь. На концах снаряда при этом образуются полюса, симметричные полюсам катушки, из-за чего после прохода центра соленоида снаряд притягивается в обратном направлении, то есть тормозится. Если в момент прохождения снаряда через середину соленоида отключить в нём ток, магнитное поле исчезнет и снаряд по инерции вылетит из другого конца ствола. Для наибольшего эффекта импульс тока в соленоиде должен быть кратковременным и мощным. Как правило, для получения такого импульса используются электрические конденсаторы с высоким рабочим напряжением. Параметры обмотки, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при выстреле к моменту подлёта снаряда к середине обмотки ток в последней уже успевал бы уменьшиться до минимального значения, то есть заряд конденсаторов был бы уже полностью израсходован. В таком случае КПД одноступенчатой пушки Гаусса будет максимальным. В многоступенчатом электромагнитном ускорителе масс для повышения КПД используются последовательно несколько соленоидов.
Рис. 2. Принципиальная схема рельсовой пушки (рельсотрона).
1 — токоведущие шины (рельсы),
2 — метаемый элемент,
3 — направление электрического тока,
F — направление воздействия силы Лоренца и движения метаемого элемента
Рис. 3. Внешний вид экспериментальной пушки на принципе рельсотрона (США)
Рис. 4. Момент выстрела из экспериментальной пушки — рельсотрона
Рельсовая пушка (рельсотрон) использует электромагнитную силу, именуемую силой Лоренца, чтобы разогнать электропроводящий снаряд, который изначально является частью цепи. Иногда используется подвижная арматура, соединяющая рельсы [3,4].
Ток, идущий через рельсы, возбуждает магнитное поле между ними перпендикулярно току, проходящему через снаряд и смежный рельс. В результате происходит взаимное отталкивание рельсов и ускорение снаряда (рис. 2).
Эксперименты с электромагнитным ускорителем, основанным на принципе пушки Гаусса, проводились в ХХ веке в Германии, СССР, США и других странах. В начале века метаемый элемент массой 15 г удавалось разогнать до скорости 75 м/с, а во второй половине века — элемент массой около 1 г — до скорости 4900 м/с [5].
В настоящее время в США проводятся работы по созданию пушки на принципе рельсотрона (рис. 3). В 2008 году на испытаниях достигнуты начальная скорость 2500 м/с и кинетическая энергия свыше 10 мДж при массе снаряда более 3 кг. Расчётная дальность полёта снаряда — около 400 км, круговое вероятное отклонение от цели — до 5 м (обеспечивается навигационной аппаратурой GPS). Для сравнения: дальность стрельбы корабельной пушки Mk 45 калибра 127 мм составляет 24 км (13 морских миль) [6]. Принятие на вооружение в качестве пусковой установки для боевых кораблей планируется в период 2014 — 2020 гг.
Электромагнитный ускоритель в качестве оружия (пусковой установки) имеет ряд преимуществ перед средствами вооружения, в которых для метания снаряда (поражающих элементов) используется энергия взрыва или расширения пороховых газов. В первую очередь — возможность изменения начальной скорости (соответственно, дальности полёта и энергии) снаряда в более широком диапазоне, а также меньшие отдача, нагрузка на ствол, шумность выстрела и др. Во-вторых — высокая скорость полёта снаряда (в десятки раз превышающая скорость полёта снарядов существующих артиллерийских систем) обеспечивает поражение цели за счёт высокой потенциальной энергии, без использования взрывчатых веществ в конструкции снаряда.
Вместе с тем применение электромагнитных ускорителей в качестве средства вооружения связано с рядом проблем, и основной из них является высокая энергоёмкость, определяющая область применения данных средств: боевые корабли, системы обеспечения безопасности гидро- и теплоэлектростанций и другие подвижные и стационарные объекты, имеющие систему энергоснабжения с достаточным запасом мощности.
Рис. 5. Структурная схема инженерного боеприпаса (метательной установки)
на основе электромагнитного ускорителя масс.
ИЭЭ — источник электрической энергии;
БФИ — блок формирования импульсов,
ЗУ — зарядное устройство,
НЭ — накопитель энергии;
КР — коммутатор,
ПУ — пульт управления;
КЛ — кабельная линия;
СУ — соединительное устройство
При сравнении средств поражения на основе электромагнитных ускорителей и средств на основе энергии взрыва (расширения пороховых газов) необходимо также принимать во внимание, что наличие взрывчатых веществ в боеприпасах делает их весьма опасными в процессе изготовления, транспортировки, хранения и применения. При учёте всех затрат, связанных с обеспечением безопасности указанных процессов, эффект оказывается весьма значительным.
Результаты, достигнутые в ходе теоретических и экспериментальных исследований с электромагнитными ускорителями масс, позволяют рассматривать возможность их практического применения не только для решения задач артиллерии, но и инженерных боеприпасов, где массы и скорости полёта метаемых элементов значительно ниже [ 8 ]. С помощью электромагнитного ускорителя масс могут метаться не только «монолитные» предметы различной массы, но и группы мелких предметов, то есть аналоги поражающих элементов осколочных противопехотных мин (ППМ), например мины серии МОН, ОЗМ-72. Метательная установка (рис. 5) на основе электромагнитного ускорителя масс (одноступенчатого), изготовленная в лабораторных условиях в Военном институте (инженерных войск) Общевойсковой академии ВС РФ, при первых опытах позволила достичь скорости метаемого элемента 22 м/с при массе 210 г, что соответствует энергии 51 Дж. Этой энергии достаточно для травмирования биообъектов. В настоящее время проводится работа по оптимизации параметров установки в целях достижения более высоких результатов.
К недостаткам метательной установки относятся более высокие стоимость и массогабаритные характеристики, чем у существующих инженерных боеприпасов.
Рис. 6. Структурная схема противопехотного осколочного гидроударного боеприпаса:
источник электрической энергии (ИЭЭ),
кабельная линия (КЛ), соединительное устройство (СУ),
датчик подрыва (пульт управления) ДП(ПУ),
блок формирования импульсов (БФИ), включающий зарядное устройство (ЗУ),
накопитель энергии (НЭ), коммутатор (КР)
В то же время электромагнитная метательная установка обладает рядом важных преимуществ относительно инженерных боеприпасов (ИБП), использующих энергию взрыва или пороховых газов: более высокий уровень безопасности в эксплуатации; возможность многоразового действия, как магазинного автоматического оружия; меньшая шумность и, соответственно, скрытность действия; возможность изменения параметров поражения (дальность полёта, масса, количество поражающих элементов). Электромагнитная метательная установка может быть смонтирована на вращающейся опоре с электромеханическим приводом, что обеспечит возможность перенацеливания установки в пределах широкого сектора (при необходимости — до 360°).
Возможности развития ИБП не ограничиваются применением электромагнитного ускорителя масс. В качестве источника кинетической энергии поражающих элементов может быть также использована электрогидроударная установка [9].
Электрогидравлический эффект (удар) заключается в возникновении высокого давления в результате высоковольтного электрического разряда между погружёнными в жидкость электродами. В боеприпасе в качестве источника кинетической энергии поражающих элементов используется электрогидроударная установка, включающая в себя ёмкость, заполненную рабочей жидкостью. Конструктивно боевая часть боеприпаса может быть выполнена в различных вариантах: чугунная ёмкость с наружными насечками для обеспечения равномерного дробления корпуса, сосуд с распределёнными снаружи по стенкам готовыми поражающими элементами (стальные шарики, ролики и т.п.) и других.
Ёмкость заполняется рабочей жидкостью (водой, трансформаторным маслом). Внутрь неё вводятся два электрода. При этом в первом варианте роль одного из электродов играет чугунный корпус боеприпаса. Электроды высоковольтными проводами подключаются к генератору высоковольтных импульсов электрического тока. В жидкости формируется электрогидравлический удар за счёт подачи на линейную часть импульсов, обеспечивающих искровой электрический разряд между электродами. Факторы электрогидравлического эффекта обеспечивают разрушение корпуса боеприпаса и передачу осколкам кинетической энергии, необходимой для обеспечения поражения целей в рамках определённой зоны поражения. Катушка с проводами подключается к генератору высоковольтных импульсов электрического тока.
На рис. 6 показана структурная схема инженерного боеприпаса на основе электрогидравлического удара.
Принцип работы противопехотного осколочного гидроударного боеприпаса аналогичен инженерному боеприпасу на основе электромагнитного ускорителя масс (за исключением боевой части). При срабатывании датчика подрыва (пульт управления) электроэнергия от источника поступает на зарядное устройство, обеспечивающее заряд накопителя энергии. Коммутатор преобразует энергию, накопленную в накопителе, в высоковольтный импульс, подающийся через кабельную линию и соединительное устройство на боевую часть и обеспечивающий искровой электрический разряд между электродами, формирующий электрогидравлический удар.
Вышеизложенное даёт основание полагать, что существует возможность замены противопехотных осколочных мин кругового и направленного поражения (в том числе комплектов управления противопехотными минными полями из мин МОН-50 и ОЗМ-72) на средства поражения, созданные на основе электрогидроударного боеприпаса или электромагнитного ускорителя масс.
На основе указанных средств поражения возможно создание автоматизированного комплекса поражения целей «датчик цели — блок управления — электромагнитные метательные установки» (рис. 7). Датчики цели могут быть установлены на подступах к охраняемому объекту в различных секторах и на нескольких рубежах в местах возможного появления целей и селектировать цели по ряду параметров, выделяя среди них объекты воздействия: человек с оружием, небронированная техника и т.д. При идентификации заданной цели датчик цели информирует об этом блок управления, который с учётом дальности до цели и параметров цели даёт команду соответствующей метательной установке на прицеливание по данному сектору, дозарядку конденсаторов до необходимой ёмкости, задействование требуемого количества катушек, заряжание соответствующим снарядом и на поражение цели. Перекрывание секторов обстрела соседних метательных установок повысит живучесть системы.
При полуавтоматическом режиме комплекс изготавливается к поражению цели и информирует об этом оператора («запрашивает» разрешение на поражение). Оператор оценивает информацию, принимает решение и при необходимости даёт команду на поражение цели. Возможность функционирования комплекса в таком режиме позволит сократить время и автоматизировать процесс изготовки к поражению цели и в то же время обеспечить избирательность поражения.
При совместной работе в комплексах и системах средств обнаружения и поражения цели возможно негативное влияние значительных импульсных электромагнитных полей, создаваемых предлагаемыми инженерными боеприпасами, на датчики цели. Указанные вопросы планируется теоретически и практически проверить в ходе дальнейших исследований.
Исследования рассматриваемой проблемы проводятся также в Научно-образовательном центре Владимирского государственного университета. Результатом проведённой работы в настоящее время является предложенный специалистами университета комплекс активной защиты объектов на основе магнитно-импульсных метательных устройств [11].
Принцип высокоскоростного магнитно-импульсного метания твёрдых электропроводящих тел известен давно и основан на возникновении механических сил отталкивания между проводниками, по которым течёт электрический ток [12,13].
Принцип действия магнитно-импульсных метательных устройств (МИМУ), способных сообщать телам высокие скорости (до нескольких километров в секунду), предоставляет широкие возможности их применения в различных областях науки и техники. В состав МИМУ обычно входят: накопитель энергии, коммутирующее устройство и индуктор. В качестве накопителей энергии могут использоваться ёмкостные или индуктивные накопители.
Рис. 7. Фрагмент схемы расположения элементов автоматизированного
комплекса поражения целей на прикрываемом стационарном объекте:
1- граница (внешнее ограждение объекта);
2- метательная установка (в т.ч. накопитель энергии) с сектором обстрела ~ 2400;
3- блок приёма сигналов от датчиков цели и управления метательными установками;
4- кабельные линии управления метательными установками;
5- рубеж охраны (датчики цели с перекрывающимися зонами реагирования);
6- датчик цели с передатчиком информации по радиоканалу;
7- зона реагирования датчика цели
Индуктивные накопители уступают ёмкостным с точки зрения эффективности передачи энергии, однако плотность энергии, запасаемой на накопительной индуктивности, значительно превышает плотность энергии, запасаемой на ёмкостном накопителе (конденсаторной батарее). В компактных лабораторных МИМУ используются преимущественно конденсаторные накопители, которые в достаточно широкой номенклатуре выпускаются промышленностью. В качестве коммутирующего устройства МИМУ используются различного вида разрядники: вакуумные, высокого или атмосферного давления, с твердым диэлектриком. В качестве индукторов используются: одновитковые соленоиды, многослойные спиральные соленоиды, плоские одновитковые и многовитковые катушки-индукторы.
В данной статье рассматриваются магнитно-импульсные метательные устройства, где в качестве индукторов используются плоские спиральные катушки-индукторы, в качестве накопителей энергии — батареи высоковольтных импульсных конденсаторов, а в качестве метаемых тел (инденторов) — твёрдые плоские электропроводящие тела. Индуктор является первичным контуром, с которым индуктивно связано метаемое тело, представляющее собой вторичный контур (рис. 8). При разряде накопителя энергии на катушку-индуктор ток, протекающий через первичный контур, наводит вихревые электрические токи во вторичном контуре, в результате чего между индуктором и метаемым телом наводятся два противоположных по направлению магнитных поля. Это приводит к возникновению интенсивных пондеромоторных сил, за счёт которых метаемое тело приобретает большую начальную скорость. Таким образом, в данном процессе энергия электрического поля ёмкостного накопителя (батареи конденсаторов) преобразуется в энергию магнитного поля индуктора, а затем в механическую работу выталкивания метаемого тела из зоны индуктивной связи индуктора, а также, частично, в теплоту.
Следует отметить, что электромагнитные средства активного воздействия на нарушителя имеют практически одинаковую структуру (датчики цели, система управления, накопители и преобразователи энергии и т. п.), что позволяет проводить дальнейшую совместную работу по созданию универсального комплекса на основе унифицированной электрической части. Предлагаемые средства будут иметь различные по устройству и принципу действия боевые части, допускающие их дифференцированное применение на различном удалении от объекта с обеспечением требуемого уровня воздействия на нарушителя.
Учитывая вышеизложенное, в заключение необходимо отметить, что развитие средств поражения на основе электромагнитного ускорителя масс является перспективным направлением, что подтверждается результатами проведённых в ХХ и начале XXI века экспериментов. Так, в разработку электромагнитного оружия министерство обороны США в прошлом году вложило 36 млн. долларов, а к концу первой фазы программы — в 2011 году — планируется затратить еще 136,7 млн. долларов [6]. К сожалению, в Российской Федерации подобной программы пока нет.
Рис.8. Схема метода магнитно-импульсного метания твёрдых электропроводящих тел:
1 — ёмкостной накопитель;
2 — коммутирующее устройство;
3 — узел индуктора;
4 — метаемое тело; 5 — цель
Литература
1. Гаусс К.Ф. Сборник статей под ред. Виноградова. — М.: АН, 1956. — C.71-96.
2. Путилов К.А. Курс физики. Том 2. Учение об электричестве. — 6-е издание. — М.: ГИФМЛ, 1963. — С.25-55.
3. Чунихин А.А. Электрические аппараты. Общий курс. -М.: Энергоатомиздат, 1988. — С.22-23.
4. Многоступенчатый электромагнитныйускоритель масс. Интернет-сайт «Википедия-свободная энциклопедия» (http://ru.wikipedia.org).
5. Wolfram Witt, Marcus Loffler The Electro-magnetic Gun — СС1оиег to Weapon-System Status //Military Technology. — 1998. — № 5. — P.80-86.
6. Интернет-сайт «КОМПЬЮЛЕНТА, «Наука и техника. Системы оружия XXI века» (http://science.compulenta.ru/347234/)
7. «Интернет-сайт «РИА Новости»
8. Заявка Российская Федерация № 2009116786. Электромагнитный инженерный боеприпас./Удин-цевД.Н., РусинП.В., УсмановР.И., Белокур А.В., Кирюшин К.С. и др. — Заявл. 05.05.2009.
9. Осколочный электрогидроударный боеприпас. Положительное решение о выдаче патента на осколочный инженерный боеприпас электрогидроударного действия / Удинцев Д.Н., Русин П.В., Усманов Р.И. и другие.
10. Теоретические основы электротехники. / Под ред. доктора технических наук Каплянского А.Е. — М.: ГИФМЛ, 1963. — С.56-88.
11. Информационный интернет-сайт Научно-образовательного центра «Системы безопасности и технологии антитеррора» Владимирского государственного университета. www.vlsu-sec.ru, www.kresher.ru
12. Андреев А.Н., Бондалетов В.Н. Индукционное ускорение проводников и высокоскоростной привод//Электричество.-1973.-№10. — С.36-40.
13. Бондалетов В.Н., Иванов Е.Н., Калихман С.А., Пичугин Ю.П. Метание проводников в сверхсильном импульсном магнитном поле // Сверхсильные магнитные поля. Физика. Техника. Применение. — М., 1984. — С. 234-238.