Как победить миллион камикадзе? Защита войск от новой угрозы
Проблема на поле боя – дроны
FPV-дроны стали огромной проблемой на поле боя. Враги России делают ставку на эти изделия и, к сожалению, это действительно работает – один крохотный дрон способен уничтожить дорогостоящий танк.
Автор замахивается на цикл статей, в котором рассмотрит некоторые современные и перспективные средства защиты от дронов, а также предложит собственные идеи «изобретений и полезных моделей» по этому поводу.
Для полного понимания концепции противодействия кустарным (и не только) БПЛА потребуются минимальные знания из области электродинамики.
Автор – скажу заранее – не лучший эксперт в теории полей, так что не кидайтесь помидорами за возможные неточности в частностях. Разумеется, я предоставлю ссылки на материалы и цитаты экспертов с огромным опытом в данной теме.
Моя цель – чтобы каждый смог понять, что нам необходимо сделать для победы над дронами, а главное – как это сделать и почему именно это.
«Война грубой силы» уходит в прошлое – сегодня идет полноценная «война научных достижений» и «война технических возможностей» – вы сами в этом убедитесь.
Как уничтожить дрон?
Любая современная автоматическая система содержит микроконтроллеры и микропроцессоры. Одним словом – работает на транзисторной микроэлектронике.
Микропроцессор любой электронной машины представляет собой печатную плату, компоненты которой (полупроводниковые транзисторы или защёлки) соединены таким образом, чтобы динамически комбинировать их связи друг с другом, получая любую необходимую логику их совместной работы.
Чем меньше защёлка (полупроводниковый транзистор), тем быстрее она переключается и тем менее электроэнергии потребляет, а значит и теплоты выделяет мало.
Размер защёлки определяется техпроцессом литографической машины. Чем меньшую защёлку способен напечатать литограф, тем быстрее она будет работать – именно поэтому все так гонятся за уменьшением техпроцесса.
Современные защёлки настолько малы, что соизмеримы с атомом (диаметр ядра атома кремния около 0,2 нм, а техпроцесс наиболее современных литографов около 3 нм – это всего 15 атомных ядер).
Несколько фактов:
Таким образом – электрические соединения микропроцессора крайне чувствительны к воздействию мощного ЭМИ, который гарантированно выводит микропроцессор из строя, приводя к электрическим пробоям и плавлению проводников.
Как создать разрушительный ЭМИ?
Чтобы ответить на этот вопрос – необходимо сначала разобраться, что такое «этот ваш ЭМИ», что он собой представляет, откуда и почему возникает.
Однако и на этот вопрос невозможно ответить, если нет принципиального понимания, что такое электромагнитное поле.
Для начала – необходимо разобраться в следующем:
Полевая природа материи
Первое, что необходимо осознать – это материальность физических полей.
Поле – материально. Вещественная материя представляет собой форму полевой материи. И то и другое обладает энергией, инерцией, массой.
«...Разделение материи на две формы – поле и вещество – оказывается довольно условным». Физика. О. Ф. Кабардин. 1991. С. 337.
«...Элементарные частицы материи по своей природе представляют собой не что иное, как сгущения электромагнитного поля». А. Эйнштейн. Собрание научных трудов. Наука. 1965. Т. 1. С. 689.
«...Поле реально существует и в этом смысле, наряду с веществом, является одним из видов материи. Поле обладает энергией, импульсом и другими физическими свойствами». Общий курс физики. Электричество. Д. В. Сивухин. 1996. Т. 3. С. 10.
Магнитное поле можно представить как «неосязаемый воздух» с некоторыми уникальными свойствами.
Магнитное поле очень похоже на вещество – в нем наблюдаются процессы, характерные для вещества.
Итак, если вы осознали материальную природу поля – вы уже понимаете природу электромагнитного импульса. Осталось разобраться, как именно он возникает и почему.
Как уже было сказано – для многих процессов, протекающих внутри вещественной материи (и поэтому более очевидных), есть аналоги, протекающие в материи поля.
Давайте представим себе кнут Индианы Джонса. Кнут состоит из рукояти и ремня – простейшая конструкция.
Если совершить быстрое и размашистое движение рукоятью кнута – вдоль его ремня начнет распространяться волна. Она будет тем сильнее, чем быстрее мы двигали рукоять кнута (частота волны) и чем размашистее было наше движение (амплитуда волны).
Чем выше частота и больше амплитуда – тем громче хлопок.
То же самое справедливо и для поля.
Магнитное поле также способно породить волну, только не механическую, а электромагнитную.
Для этого необходимо, например, изменить плотность его материи (сжать её, чем быстрее и сильнее – тем лучше).
Чем быстрее меняем плотность материи магнитного поля (плотность магнитного потока) – тем выше частота волны. Чем сильнее сжимаем материю магнитного поля – тем больше амплитуда волны.
Хоть это и не совсем так, но такое объяснение проще для понимания, а суть в нижеследующем.
Чем выше частота и больше амплитуда – тем
Взрывомагнитный генератор ЭМИ академика Сахарова
В 1951 году выдающийся советский ученый-физик Андрей Дмитриевич Сахаров высказал идею о возможности превращения механической энергии взрыва в энергию магнитного поля, и им же были предложены генераторы сверхмощного ЭМИ, основанные на быстрой деформации взрывом полой металлической трубки («ловушки») в тот момент, когда полевая материя (магнитный поток) находится внутри неё.
Сжимаемое металлической ловушкой магнитное поле способно трансформировать свою энергию в ток самоиндукции, который возникает внутри материала ловушки и порождает вторичное магнитное поле, направленное против сжимаемого.
Таким образом – вторичное поле, возникающее в материале сжимающейся ловушки, пытается сжать первичное поле внутри ловушки, а первичное поле стремится остановить свое сжатие, и при этом возрастает его плотность.
Сахаров предложил деформацией взрывом сжимать собственно ловушку, вместе с магнитным потоком внутри неё и таким образом, сжимая материю поля с огромной скоростью – породить мощнейший электромагнитный импульс.
Взрывомагнитный генератор ЭМИ конструкции А. Д. Сахарова (МК-1)
Внутри полого металлического цилиндра (1), образующего вместе с обмоткой (2) катушку индуктивности, создается продольное магнитное поле.
Источник энергии для создания поля – конденсатор (С). В момент разрядки конденсатора и следовательно появления магнитного потока внутри ловушки, инициируется подрыв заряда взрывчатых веществ (3).
При подрыве заряда взрывчатых веществ, инициированного многоточечной сетью равномерно распределенных по поверхности заряда детонаторов (4), возбуждается сходящаяся цилиндрическая ударная волна.
Под действием детонационной волны цилиндр сжимается со скоростью, превышающей 1 км/с.
В стенках металлического цилиндра индуцируются токи и возникают поля, направленные против сжимаемого поля. Плотность магнитного потока сжимаемого поля стремительно возрастает.
Существенное изменение плотности магнитного потока внутри ловушки порождает сильнейший электромагнитный импульс.
Интересно, что в МК-1 был предусмотрен даже продольный разрез для обеспечения быстрого проникновения поля внутрь металлического цилиндра. Этот разрез механически закрывался вместе с началом сжатия цилиндра – материальная природа поля была понятна ученым.
Взрывомагнитный генератор ЭМИ академика Сахарова МК-1 позволяет выводить из строя микроэлектронику в радиусе нескольких десятков метров – этого явно недостаточно для ведения боевых действий.
Внимательный читатель задастся вопросом – почему же Сахаров использовал цилиндр, а не сферу? Если равномерно сжимать сферу, а не трубу, то и сжатие получится трехмерным, а не двухмерным, что на порядки более эффективно.
Дело в том, что силы сопротивления поля сжатию достигают значений, разрушающих металлическую ловушку, раньше, чем степень сжатия приблизится к таким показателям, для которых потребуется именно трехмерное, а не двухмерное сжатие поля.
Кроме того – сжатие металлической сферы, ввиду сложности формирования однородной, идеально сферической ударной волны, а также неоднородности механических свойств металла получается нестабильным, т. е. вместо равномерного сжатия сфера разрушается силами взрыва.
Десятилетиями эти проблемы оставались нерешенными, однако...
9 сентября 1993 года на полигоне Центрального физико-технического института Минобороны РФ, был впервые испытан сферический ударно-волновой генератор сверхмощного ЭМИ конструкции доктора технических наук Александра Борисовича Прищепенко.
Ударно-волновой излучатель сферический
Взрывомагнитный генератор ЭМИ конструкции А. Б. Прищепенко (устройство Прищепенко) получил аббревиатуру УВИС – ударно волновой излучатель сферический.
В УВИС заряд сверхмощного бризантного ВВ (октоген) размещается внутри полой сферы из поликарбоната, на поверхности которой фрезерованы многочисленные каналы.
Начинаясь у детонатора, переламываясь и разветвляясь, эти каналы покрывают всю внешнюю поверхность, заканчиваясь сквозными отверстиями. Они заполнены ВВ с высокостабильной скоростью детонации.
Эта сложнейшая сеть создана так, чтобы обеспечить равные пути детонации от первичного детонатора до каждого отверстия. Изготовить такую систему каналов можно только на высокоточном многокоординатном фрезерном станке с числовым программным управлением.
В центре сборки устанавливается шар из монокристалла йодида цезия. Вокруг него собирается магнитная система из двух постоянных магнитов, от которых к монокристаллу идут два усеченных конуса из магнитно-мягкой стали, собирающих поле постоянных магнитов в область, занятую монокристаллом.
Кристалл устанавливается в центре системы так, чтобы его главная ось совпадала с направлением магнитного поля (таким образом – поле проникает сквозь кристалл, т. е. полевая материя находится внутри монокристалла).
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.
Достигнув поверхности йодида цезия, волна детонации сформирует в нем сферическую ударную волну, которая помчится к центру мишени со скоростью более 10 км/с, оставляя за собой уже не монокристалл, а проводящую, как металл, жидкую область из атомов йода и цезия, внутри которой индуцируются токи и появятся вторичные магнитные поля, сжимающие магнитное поле внутри мишени.
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.
Ударная волна, сойдясь в точку и отразившись, устремляется обратно, разрушая жидкометаллическую ловушку, что и приведет к генерации импульсного потока.
Длительность этого излучения менее наносекунды, спектр – от сотен мегагерц до сотен гигагерц.
Эффективность и потенциал устройств Прищепенко
К сожалению – мощность изображенного здесь устройства его создатель так и не раскрыл и, к слову, на этой картинке есть маленькая неточность – ось кристалла должна быть коллинеарна осям стальных конусов...
Не вполне понятно – откуда множество авторов взяли радиус сплошного поражения микроэлектроники в «три с половиной – четыре километра»?
По мнению автора настоящей статьи – этот радиус все же скромнее и измеряется сотнями метров (хотя автор, как уже было сказано, не лучший специалист в данной области и, безусловно, имеет право на ошибку).
Много это или мало?
Учитывая массу и габариты изделия, которое поместится разве что в ФАБ-1500, и высочайшую сложность изготовления (то, что вы видите на картинке выше – это ни что иное как имплозивный термоядерный заряд, но только без ядерного материала) – это, безусловно, мало.
Проще и намного дешевле отправить в цель пару-тройку собственно ФАБ-1500, и эффект будет значительно более впечатляющий.
К тому же – никто не станет раскидываться изделиями такой трудоемкости изготовления ради уничтожения копеечных кустарных дронов.
Устройство Прищепенко, однако, можно модернизировать – для этого необходимо заменить обычные сверхмощные электромагниты на электромагниты со сверхпроводящим сердечником.
Такой вариант модернизации повысит исходную плотность магнитного потока внутри кристалла в десятки, а возможно, и сотни раз. Амплитуда ЭМИ при этом может вырасти на порядки, что позволяет надеяться на тот самый радиус сплошного уничтожения микроэлектроники – в несколько километров и более.
Дело за «малым» – разработать высокотемпературный сверхпроводящий материал.
После указанной модернизации (да и без неё – вопрос только в количестве) устройство может быть использовано для «электромагнитной артподготовки» вражеских позиций перед их штурмом.
Представьте, что несколько устройств Прищепенко, сброшенных на противника в формфакторе планирующих бомб с УМПК, полностью уничтожили все его тепловизоры, дроны, системы связи, умные мины и вообще всю микроэлектронику в полосе фронта 10–20 км, после чего наши подразделения пошли в атаку на ослепшего, оглохшего и лишенного связи противника.
Устройство Прищепенко, безусловно, имеет огромную перспективу на поле боя, особенно в ближайшем будущем, но для борьбы с кустарными FPV-дронами оно слишком дорого, сложно и трудоемко в производстве.
Выводы
Таким образом – можно сделать следующие выводы:
...А это значит, что другие, более подходящие средства защиты бронетехники именно от кустарщины, мы разберем в следующей статье, ссылка на которую будет здесь.
Информация