Оружие с перевала
Тема статьи — сверхскоростное кинетическое оружие. Эта тема возникла из анализа трагических событий на перевале Дятлова в феврале 1959 года. Смерть девяти туристов по сумме имеющихся фактов даже в официальном следствии квалифицируется как насильственная с применением неизвестного оружия. Об этом говорилось в статьях, непосредственно посвященных этим событиям: «Несекретные материалы, — истина где-то рядом» и «Мертвые не врут».
Поскольку повреждения на телах погибших соответствовали мощности винтовочной пули, а характер повреждений указывал на очень маленькие размеры такой пули, то следовал вывод о том, что эта пуля для сохранения своей убойной силы, должна обладать микроскопическими размерами и скоростью порядка 1000км/сек.
В предыдущей статье «Оружие с перевала» была обоснована возможность сверхскоростного движения пули сквозь атмосферу без ее разрушения из-за трения об воздух, в этой статье будет предпринята попытка реконструкции самого оружия.
Еще раз по поводу версии событий на перевале Дятлова. Я считаю, что в далеком феврале 1959 года наше государство (тогда СССР) провело операцию по захвату неизвестного высокотехнологичного объекта. Как минимум 9 человек погибли, скорее всего и этому неизвестному объекту «мало не показалось», иначе государство так много усилий для сокрытия своего участия в этих событиях не предпринимало бы.
Это только версия, я могу и ошибаться. Сумма фактов недостаточна для однозначной трактовки тех давних событий, да это в контексте текущей темы и не важно.
Важно то, что поднят вопрос о реальности существовании сверхскоростного кинетического оружия.
Важно то, что пули такого оружия могут эффективно продвигаться в газовых (воздушных) средах.
Важно то, что такое оружие реально создать на базе имеющихся в нашем распоряжении технологий.
А вот об этом давайте поподробнее, можно конечно сказать, что коль «микропуля» продукт неизвестных технологий, то и само оружие также основано на неизвестных нам физических принципах. Может и так, но и известные нам технологии способны обеспечивать разгон пули до скоростей порядка 1000км/сек. Я не говорю об экзотике, типа гауссового оружия, рельсотронов, нет самые обычные пороховые технологии, только в новой, современной упаковке.
Начнем с существующих технологий скоростного кинетического оружия, а уж потом перейдем к фантастике.
Артиллерийский предел
Для традиционных артсистем достигнут на сегодняшний день теоретический потолок скорости снаряда — около 2-3км/сек. Скорость продуктов горения пороха как раз находится на этом уровне, а именно они создают давление на дно снаряда, разгоняющее ее в стволе орудия.
Для достижения такого результата пришлось применять подкалиберный снаряд (терять значительную часть энергии), безгильзовую технологию (гильзу при больших давлениях в казеннике расклинивает), выстрелы с нормированными скоростями сгорания пороха и системы многоточечного подрыва(для создания равномерного давления на всем протяжении движения снаряда по стволу).
Предел достигнут, дальнейшее повышение скорости снаряда в такой технологии упирается в предельные давления выдерживаемые стволом, которые и так уже на грани возможного. В результате имеем такой вот снаряд, снимок реального выстрела, в момент сброса калибрующих вкладок:

Обратите внимание на дуги возле разлетающихся вкладышей снаряда, это и есть ударные волны, о которых писалось в предыдущей статье. В ударной волне молекулы газа движутся быстрее скорости звука. Попасть под такую волну, мало не покажется. А вот заточенный сердечник снаряда такой волны создать не может, скорости не хватает….
Но в распоряжении современной цивилизации есть и другая технология создания высокоскоростного кинетического оружия, в буквальном смысле космическая по своему масштабу.
Стрелы бога
Сжигая тысячи тонн топлива максимальной энергоемкости, человечество научилось выводить в космос объекты весом в десятки тонн и со скоростями порядка 10км/сек. Грех не использовать эти космические «снаряды» с огромной кинетической энергией в качестве оружия. Мысль не оригинальная, уже с 2000 годов США работает над этим проектом, его первоначальное название «стрелы бога». Предполагалось, что объекты на земле будут поражаться вольфрамовыми стрелами длиной около шести метров и, весом около ста килограмм. Кинетическая энергия такой стрелы, на таких скоростях составляет приблизительно 0,1-0,3КилоТонн тротилового эквивалента. Вот как этот проект представлялся тогда, более 10 лет назад:

Проект в последние годы ушел в тень, либо о нем забыли, либо наоборот, он перешел в стадию серьезных конструкторских работ и соответственно приобрел гриф «Совершенно Секретно».
Второе вероятнее, уж больно заманчивая перспектива, только вот со спутника, как первоначально это предполагалось это оружие эффективно не применить, законы баллистики неумолимы. Нацеливание на объект приведет к резкому снижению скорости такой вольфрамовой стрелы, а следовательно всей энергии в точку поражения она не донесет, в лучшем случае скорость стрелы в точке поражения будет 5-6 км/сек..
Выход один, первоначальное нацеливание производить коррекцией орбиты самого спутника, а для этого используют не привычные нам спутники, а маневрирующие орбитальные системы, у нас это почившая в бозе «Спираль» и ее носитель «Стрела». У американцев тема не умерла, наоборот, именно сейчас очередной Шатл X-37B находится в космосе. Вот как он выглядит:

Одно из очевидных применений этого беспилотного аппарата,- космический бомбардировщик, вооруженный уже описанными ранее «стрелами бога».
Так что орбитальное кинетическое оружие это будущее локальных конфликтов, идеальное, между прочим. Но это не наша тема, вернемся к «нашим баранам», традиционным пороховым технологиям.
Кинематика разгона снаряда
Орудийная установка по принципу своего действия неизменна с момента своего изобретения, это цилиндр (ствол), поршень (снаряд) и размещенный между ними заряд (пороховой). В такой схеме скорость снаряда в пределе определяется скоростью разлета продуктов горения заряда, эта величина составляет максимум 3-4 км/сек и зависит от давления в объеме горения (между снарядом и дном поршня).
Современные артиллеристские системы подошли к теоретическому пределу скорости снаряда в этой кинематической схеме и дальнейшее повышение скорости практически невозможно.
Значит схему нужно менять, но есть ли вообще возможность разогнать снаряд до скорости большей чем могут обеспечить продукты горения пороха? На первый взгляд нельзя, невозможно толкать снаряд быстрее, чем скорость газов, осуществляющих этот скоростной напор.
Но моряки давно научились разгонять свои парусные суда до скоростей больших чем скорость ветра, в нашем случае это прямая аналогия, движущаяся газовая среда передает свою энергию физическому объекту, вот их последнее достижение:

Это «чудо» при скорости ветра в 40км/час за счет «косого» паруса способно двигаться со скоростью в 120 км/час, т.е в три раза быстрее чем движущая этот парусник воздушная среда. Этот, на первый взгляд парадоксальный результат удается достичь из-за того что скорость является векторной величиной и движение под углом к направлению ветра с помощью «косого» паруса возможно быстрее самого ветра.
Так что артиллеристам есть у кого заимствовать новые принципы разгона снарядов, подходящий принцип есть у портных, вернее, у их основного инструмента, — ножниц.
Эффект смыкающихся лезвий
Есть такое понятие, «мысленный эксперимент», все что касается дальнейшего предполагает наличие воображения, хотя бы на бытовом уровне.. одиннадцатилетнего ребенка.
Представьте мысленно ножницы, они разведены, их кончики предположим разведены на сантиметр, а лезвия имеют точку смыкания на расстоянии 10 сантиметров от кончиков.
Начинаем их смыкать «до упора».
Так вот, за время пока кончики будут проходить один сантиметр, точка смыкания переместится на десять сантиметров.
В такой системе скорости перемещения физических объектов будут максимальны на кончиках ножниц. Но, самое главное, точка приложения сил (точка смыкания лезвий) будет перемещаться со скоростью в 10 раз большей, чем скорости физических объектов в такой системе. Поскольку за время смыкания (пока кончики ножниц проходят один сантиметр) точка смыкания переместится на 10 сантиметров.
Теперь представьте, в месте пересечения лезвий, (в точке смыкания) помещен небольшой физический объект (к примеру шарик), так вот он будет перемещаться со скоростью смещения точки смыкания, т.е. в десять раз быстрее чем кончики ножниц.
Этот незамысловатая аналогия позволяет понять, как можно при заданной скорости физического процесса, получить точку приложения сил, двигающуюся существенно быстрее самого физического объекта.
И более того, как эта точка приложения сил может разгонять физические объекты до скоростей значительно превышающих скорости перемещения физических объектов участвующих в разгоне (лезвий в нашем примере).
Будем для простоты называть этот механизм ускорения физических объектов «эффектом смыкающихся ножниц».
Я думаю это просто понять даже не знающему основ физики человеку, по крайне мере моя 11летняя дочь сразу, после того как я ей это объяснил, выдала мне очевидную ассоциацию, сказав: «.. да это все равно как лимонную косточку пальцами пулять…».
Действительно, дети гениальные в своей простоте давно используют этот эффект для своих шалостей, зажимая скользкую семечку большим и указательным пальцем и «стреляя» из такой импровизированной разгонной установки. Так что этот метод уже применялся многими из нас на практике в детстве…
Разгон пуль методами «смыкающихся ножниц» и «векторного сложения скоростей»
Кому-то может показаться что автор первооткрыватель новых технологий, кому-то наоборот, может показаться что он фантазер. Не надо эмоций, пока я ничего нового не придумал. Эти технологии уже используются в реально существующих артиллерийских системах, основанных на принципах кумулятивного взрыва. Только слова там используются слишком мудреные, а как известно: «как корабль назовешь, так он и… полетит».
Кумулятивный эффект был случайно открыт в 30 годах прошлого века и сразу нашел применение в артиллерии. Кумулятивный заряд для разгона струи газов использует сразу два упомянутых выше эффекта,- эффект векторного сложения скоростей и эффект смыкающихся ножниц. В более продвинутых реализациях в кумулятивную струю помещают металлический сердечник, который этой струей разгоняется до скорости самой струи, так называемый «ударное ядро».
Но эта технология имеет физический предел, скорость детонации — 10км/сек (предельное) и угол раскрытия кумулятивного конуса — 1:10 (физический предел прочности). В результате получаем скорость истечения газов на уровне 100-200 км/сек. Теоретически.
Это очень не эффективный процесс, большая часть энергии тратится впустую. Кроме этого есть проблема с нацеливанием, которое зависит от равномерности подрыва кумулятивного заряда и его однородности.
Тем не менее технология уже вышла из лабораторий и применяется в штатных вооружениях с середины восьмидесятых годов прошлого века, это известная противотанковая «мина» ТМ-83 с зоной поражения более 50 метров. А вот последний, и причем отечественный пример:

Это противовертолетная «мина», дальность «плевка» кумулятивного заряда до 180 метров, поражающий элемент выглядит приблизительно так:

Это фото ударного ядра в полете, сразу за вылетом его из газовой кумулятивной струи (черное облако справа), на поверхности виден след ударной волны (конус Маха).
Давайте назовем все своими именами, ударное ядро,- это Высокоскоростная пуля, только разогнанная не в стволе, а в струе газов. А сам кумулятивный заряд это Бесствольная артиллерийская установка, именно это нам и надо для реконструкции оружия с перевала.
Скорость такой пули 3км/сек, она очень далека от теоретического предела технологии в 200км/сек. Объясню почему,- теоретический предел скорости достигается в ходе научных экспериментов в лабораторных условиях, там достаточно в ходе экспериментов получить хотя бы один рекордный результат. А в реальных вооружениях техника должна срабатывать со сто процентной гарантией.
Метод разгона объекта кумулятивной струей при маленьких углах смыкания взрывного конуса (25-45градусов) не дает точного прицеливания и часто ударное ядро просто выскальзывает из фокуса газовой струи, уходя, что называется в «молоко».
Для боевого применения кумулятивную выемку делают с углом смыкания больше 100 градусов, при таких углах кумулятивной выемки скорость более 5км/сек достичь невозможно даже в теории, но зато технология работает надежно и применима в боевых условиях.
Можно ускорить процесс «смыкания ножниц», но в этом случае следует отказаться от метода детонации для формирования точки приложения сил во взрывном канале. Для этого нужно чтобы взрыв проходил по трассе разгона пули с большей скоростью нежели может обеспечить механизм детонации.
Схема подрыва в таком случае должна обеспечивать одновременный подрыв ВВ по всей длине взрывного канала, а эффект ножниц получать за счет конусного расположения стенок взрывного канала, как это представлено на рисунке:

Создание схемы одновременного подрыва взрывчатого вещества в канале разгона пули вполне посильная задача для современного технологического уровня.
И кроме того будет сразу решен вопрос физической прочности, трубка из детонирующего вещества не успеет разрушиться за время пролета пули, поскольку механическая нагрузка будет передаваться медленнее чем пойдет взрывной процесс.
Для пули важна именно точка приложения силы, единственная проблема, это контроль за скоростью перемещения точки приложения силы, таким образом, чтобы пуля была всегда в этой точке, но об этом позже, это уже техника а не теория.
Осталось разобраться с масштабированием процесса разгона такой пули, а именно в каких массо-габаритных параметрах реализовать этот теоретический механизм на практике.
Закон масштабирования RTT
Мы живет в стойких заблуждениях, примером такого заблуждения является ассоциативная связка понятий: «больше,- значит мощнее». Артиллерийская науки очень консервативна и полностью подчиняется пока этому принципу, но ничто не вечно под луной.
До недавнего времени эта ассоциативная парадигма была во многом правильной, и менее затратной с точки зрения практической реализации. Но сейчас это уже не так, прорывы технологий осуществляются там, где принципы меняются на прямо противоположные.
Приведу пример из своей профессии, вычислительные машины за 20-30 лет уменьшились в объеме в 1000 раз, а вычислительная мощность их поднялась при этом также в тысячу раз.
Я бы этот пример обобщил до глобально масштаба, сформулировав в виде закона, например так: «Увеличение эффективности физического процесса обратно пропорционально объему используемого для реализации данного процесса».
Назову его законом R_T_T, по праву первооткрывателя, вдруг название приживется?
Знаменитым стану!
Шутка конечно, но в каждой шутке есть доля правды, вот и постараемся доказать артиллеристам, что их инженерная наука подчиняется тоже этому закону.
Посчитаем «наших баранов», зная давление газов продуктов сгорания ВВ, массу «микропули», ее эффективную поверхность можно посчитать дистанцию разгона, другими словами длину ствола в котором ускоряется «микропуля» до заданной скорости.
У меня получилось что такую «микропульку» до 1000км/сек можно разогнать на дистанции всего 15 сантиметров.
Наши «ножницы» смыкаются с удвоенной скоростью газов продуктов взрыва — 20км/сек, значит для получения скорости смыкания в 1000км/сек и входного калибра диаметром 1мм для взрывного канала длинной 150мм., выходной калибр должен составлять 1,3мм..
Осталось понять, а сколько ВВ нужно для такого разгона, но тут все просто, физика универсальна и ее законы неизменны, для разгона пули в миллион раз легче и в тысячу разбыстрее нашего эталона,- винтовочной пули потребуется ровно столько же энергии, сколько и для разгона обычной винтовочной пули.
Следовательно, энергия ВВ должна остаться неизменной, но характер ВВ должен быть иной, порох не подходит, слишком медленно горит, нужно детонирующее ВВ. Другими словами нужно из 5 граммов ВВ, типа гексогена сделать трубку длинной 150мм. и входным диаметром 1мм. а выходным 1,3 мм..
Для прочности и концентрации взрыва вовнутрь канала пролета «микропули» нужно поместить эту конструкцию в прочный металлический цилиндр. И умудриться на всей дистанции пролета «микропули» произвести одновременный и равномерный подрыв ВВ.
Подведем итог, физические принципы для разгона пули до скоростей в 1000км/сек имеются даже на основе пороховых технологий, более того эти принципы используются в реальных системах вооружения.
Только не надо сразу кидаться в лаборатории и пытаться реализовать такую взрывную разгонную систему, есть одна существенная проблема, начальная скорость «микропульки» в таком взрывном канале должна быть больше скорости смыкания взрывных фронтов, иначе эффект «смыкающихся ножниц» не сработает.
Другими словами, чтобы инжектировать «микропульку» во взрывной канал ее нужно предварительно разогнать до скорости приблизительно 10км/сек., а это совсем не просто.
Поэтому технические подробности реализации такой гипотетической стрелковой системы оставим для следующей части этой статьи, так что продолжение следует….