Если лайнер легкий и взрыв сжимает его быстро, то большая часть потока «не успевает» уйти в проводник, индукция магнитного поля внутри лайнера «вынуждена» возрастать, чтобы компенсировать убывание площади сечения лайнера:
Е = E0 (S0/S)λ2
Существуют работы, посвященные расчету сохранения магнитного потока в имплозивном взрывомагнитном генераторе (ИВМГ), но автор не очень им доверяет, предпочитая определить все, что нужно, из осциллограмм. Чтобы объяснить, что это такое, не обойтись без экскурса в политику..
Понимаю, как возмущает многих нигилизм, все эти неприличные намеки насчет пекущихся о народном благе. Создается ложное впечатление, что суетятся в науке одни фрондеры, то и дело высмеивающие идеи, ниспосланные сверху. Так нет же, подобно «свинье под дубом вековым» из басни Крылова, пробавляются насмешники теми идеями!
…Вспомним, как доходчиво и красочно представляют на графиках наше с вами благосостояние. По оси абсцисс — годы, годы… Но взметнулась вверх красная кривая и сучит по плакату указочка: сейчас вот — да, не очень, но посмотрите: через десять лет скакнет в разы, а через двадцать-то — ой, «запируем на просторе!»
…То же делает и осциллограф — главнейший в экспериментальной физике прибор. Тонкий луч непрерывно эмитируемых электронов вызывает свечение в той точке экрана, на которую он падает. По горизонтали отклоняет этот луч одна пара пластин, на которую подается возрастающее во времени напряжение и пробегает он равномерно сантиметры экрана, только не за годы, а за микросекунды. А на вертикальную пару пластин подается напряжение исследуемого сигнала. Нет никакого сигнала — и чистую, не искривленную линию прочертит осциллограф. Есть сигнал — и получите осциллограмму — тот же график зависимости от времени процесса, который вы исследуете. И, если все подключено правильно, не сомневайтесь: осциллограмма — не партийная программа (хорошо сказал, в рифму!).
Вот и подал автор на вход осциллографа сигнал (рис. 4.9) с пробной катушки, размещенной на оси устройства. В опыте, при сжатии катушки от начального значения внутреннего диаметра 45 мм до конечного 30 мм, магнитный поток уменьшился всего на 9 % от того, который был создан разрядом конденсатора.
Рис. 4.9. Осциллограмма производной по времени магнитной индукции в имплозивном ВМГ: сначала видна косинусоида от тока разряда конденсатора, создающего начальное поле; когда производная приближается к нулю (а, значит, ток — к максимуму), взрыв замыкает витки катушки и сжимает ее к оси, почти двукратно увеличивая индукцию поля внутри (еще раз напомним: на осциллограмме — производная, поэтому индукция пропорциональна площадям соответствующих ее участков). Нелинейность возрастания производной на втором участке вызвана тем, что летящий лайнер «дышит»: в нем «гуляют» волны сжатия и разрежения
От этого ИВМГ требовалась высокая скорость схождения лайнера, а потому катушка была намотана алюминиевыми, а не медными проводками: ради скорости метания проводимость (а значит, и сохранение потока) были принесены в жертву. Да и сжатие имело место лишь до диаметра всего в полтора раза меньшего, чем начальное значение. И это имеет объяснение: представляла интерес лишь та стадия сжатия, на которой еще не развиваются нестабильности и внутренняя поверхность лайнера остается цилиндрической.
Каждый видел, по крайней мере — по телевидению, «кусты» разрывов — это и есть нестабильности. Они хорошо видны на фотографиях 2.8, 3.23, 3.30: слой песка или воды, метаемый взрывом, вырождается в струи, летящие в воздухе.
Нестабильности развиваются при большой разнице в плотности движущегося вещества и среды, где происходит его движение. Именно такое соотношение и имеет место в ИВМГ: лайнер из металла движется в воздухе, сжимаясь к оси. На полученных с помощью высокоскоростной камеры снимках (рис. 4.10) видно, как на внутренней поверхности лайнера начинают расти «пальцы», а потом образуется «звезда», разрезающая объем сжатия, на чем процесс усиления поля и заканчивается. В опытах автора (о них речь впереди) лайнер выполнял две функции, причем главной являлось формирование ударной волны при ударе лайнера о цилиндрическое тело, а дополнительно достигалось и «поджатие» поля с увеличением магнитной энергии примерно до килоджоуля, что по меркам ИВМГ было ничтожной величиной.
Рис. 4.10. Процесс развитая нестабильностей в лайнере ИВМГ. Со временем (интервал между снимками 1,6 мкс)внутренняя поверхность лайнера из цилиндрической становится звездообразной
А вот ИВМГ созданные во ВНИИЭФ позволили достигнуть рекордных значений магнитной энергии и ее плотностей. Привыкшие достигать совершенства, специалисты этой организации добились того, что в кинетическую энергию лайнера передавалось до 30 % химической энергии ВВ (теоретически возможный уровень — 32 %). Но химическая энергия распределена по большому объему заряда ВВ, а кинетическая энергия лайнера в конце процесса кумулируется в конечной полости небольших размеров, что и позволило достигнуть рекордного значения плотности энергии магнитного поля (4х107 Дж/см3), на несколько порядков превышающего плотность химической энергии в бризантных ВВ.
Работа, совершаемая взрывом против пондерромоторных сил поля, приводит к «перекачке» энергии взрыва в энергию поля, пока процесс магнитной кумуляции не будет остановлен давлением поля: то есть — обратно пропорционально четвертой степени радиуса лайнера. Площадь сечения лайнера обратно пропорциональна квадрату радиуса, а значит, в той же пропорции возрастает индукция поля; для магнитного же давления эта зависимость еще сильнее — оно пропорционально квадрату индукции, и обратно пропорциональна четвертой степени радиуса лайнера! Закон возрастания давления гидродинамических сил куда слабее — оно всего лишь обратно пропорционально логарифму радиуса. Из этого следует, что магнитное поле, пусть даже очень слабое вначале, в отсутствие нестабильностей всегда станет «сильнее» взрыва и остановит движение лайнера к оси (и, кстати, чем слабее начальное поле, тем выше может быть магнитная энергия в точке остановки). В проведенных во ВНИИЭФ опытах давление магнитного поля индукцией в 1000 Тл достигало 400 ГПа (четырех миллионов атмосфер), что превышало прочностные пределы любых материалов.
ИВМГ наиболее эффективны там, где требуется получить рекордные значения магнитной энергии, но и основной недостаток их очевиден: они могут усиливать поле не более чем на порядок.
Взрывомагнитные генераторы всех типов создавались для применения в ядерном оружии, в частности — для энергообеспечения систем нейтронного инициирования. Но, понятно, предпринимались и попытки расширить область использования их уникальных возможностей. В одной из таких попыток довелось принять участие и автору..
