Физика в бою

ВОЗДУХ, СТАВШИЙ ОРУЖИЕМ

На первый взгляд, это походило на детскую игру. Воздух накачивали в плотно закрытую камеру обыкновенной металлической трубы, неожиданно убирали одну перегородку и смотрели, как он истекает из камеры и движется в трубе. Ставили на пути воздушной струи игрушечные макеты и наблюдали, как они переворачиваются. Или гнали сжатый воздух по той же трубе, а на пути устраивали большую пустую камеру и опять смотрели, как он поведет себя при внезапно полученной свободе. Или еще лучше: делали воздуху в темном, глухом коридоре «подножку», заставляя разбивать «нос» о совершенно несерьезные, легко разрушаемые деревянные преграды и с любопытством наблюдали, в каком виде он добежит до тупика.

Чего только еще его не заставляли делать! И хлопать заслонками и заглушками, забираться в ловушки и лабиринты, просачиваться через песок и гравий. Додумались даже до того, что давали ему поиграть мячиком, которым он должен был обязательно заткнуть какое-то отверстие…

Однако это были далеко не игрушки. С некоторых пор ласковый и безобидный «эфир» превратился в грозное оружие. Какая же сила сделала его таким? Эта сила — мгновенный удар десятков миллионов атмосфер. Ядерный взрыв. Известно, что о мягкую воду можно разбиться, если падать с высоты более десяти метров. Но вода в 400 раз плотнее воздуха. Теперь же оказалось, что можно «разбиться» и о воздух.

Сжатый воздух со своим неразлучным другом поршнем давно делал и делает много добрых дел в технике. Это и пневматический инструмент, и насосы, пневматические мельницы, даже пневмотранспорт. Служил сжатый воздух и военной технике, правда непродолжительно и бесславно. В конце XVIII века, как пишут историки, некоторые войсковые части Австрии, Франции и других стран были вооружены пневматическими ружьями, которые стреляли на дальность в 100 м. Потом их вытеснило огнестрельное оружие. Сейчас «духовую» винтовку можно встретить разве только в тирах городских парков и кинотеатров, да еще этот принцип нашел применение в детских пистолетах-хлопушках.

Конечно, взрыв тротила, заключенного в бомбы и снаряды, делает существенным воздействие взрывной волны на людей. Но главный поражающий эффект все-таки заключается в фугасном действии и разлете осколков. Взрывная воздушная, или, как ее называют, ударная, волна действует в этом случае в небольшом радиусе.

Совсем иным стало положение с появлением ядерно-го оружия. Известно, что половина всей гигантской энергии, выделяемой при ядерном взрыве, уходит на образование ударной волны. И это, конечно, не прежняя взрывная волна, поражающее действие которой определяется коротким импульсом. Не случайно энергия ядерного взрыва, приведенная к тротиловому эквиваленту, измеряется сейчас уже десятками миллионов тонн. Ударная волна получила новые качества.

Исследованием ее качеств и занялись военные специалисты для того, чтобы найти эффективные способы защиты людей, боевой техники и различного оборудования. Этим и объясняются описанные нами в начале статьи странные, на первый взгляд, «игры», которыми занимаются в лабораториях и на полигонах ряда стран на протяжении уже более десятка лет.

Рассмотрим кратко основные физические свойства ударной волны ядерного взрыва. Уже первые испытания показали, что ударная волна — не простое явление. Гигантский поршень ядерного взрыва настолько сильно ударяет в окружающий воздух, что прессует его в сильно сжатую «стену», которая с большой скоростью, во много раз превышающей скорость звука, начинает распространяться во все стороны от центра взрыва. Приход в какую-либо точку ее передней поверхности, или, как говорят, фронта, сопровождается мгновенным скачком давления. Следом за ударом этой «стены» объект подвергается воздействию скоротечного ураганного вихря, который может иметь скорость в несколько сотен километров в час. Даже на расстоянии около 10 км от места взрыва мегатонной бомбы, как сообщалось в печати, максимальная скорость ветра превышает 110 км/час.

Всестороннее обжатие волной объекта и ее скоростной напор могут продолжаться до нескольких секунд, в зависимости от калибра ядерного боеприпаса и расстояния от эпицентра взрыва. В течение этого времени давление в волне и скорость движения воздуха падают. Давление, сравнявшись с атмосферным, меняет свой знак, то есть превращается в разрежение, и ток воздуха меняет направление на обратное. После этого в окружающей среде восстанавливается равновесие.

Выяснилось также, что при одном и том же давлении во фронте более сильные повреждения наносит ударная волна ядерного взрыва, чем взрыва тротила. Это объясняется тем, что продолжительность действия взрывной волны тротила в десятки и даже сотни раз меньше. Такое существенно новое качество ударной волны ядерного взрыва, которое, кстати, предопределило сложнейшую картину взаимодействия ее с различными преградами, и явилось, наряду с величиной давления, одним из главных факторов ее невиданного поражающего воздействия. Но это сильное качество стало одновременно и слабостью ударной волны. Оно оказалось одним из тех звеньев, взявшись за которое специалисты приступили к планомерным поискам защиты от нее.

Итак, главные физические характеристики ударной волны — избыточное давление, то есть давление воздуха, превышающее атмосферное, и скоростной напор, а также время действия фазы сжатия и ветрового движения воздуха. Не менее важным оказалось и так называемое давление отражения, которое образуется при действии ударной волны на преграду. Оно способно во много раз превысить избыточное давление в падающей волне.

Какими же путями на основании этих и других физических свойств ударной волны осуществляются за рубежом поиски защиты от нее? (Заметим, что мы рассматриваем здесь только воздушную ударную волну, не затрагивая волну сжатия в грунте и ударную волну ё воде.) Как сообщалось в зарубежной печати, сам человек, без защиты, очень уязвим от воздействия ударной волны. В городе он, например, может получить так называемое косвенное поражение, вызываемое летящими осколками оконных стекол и разрушающихся зданий, при избыточном давлении 0,14 кг/см². Хотя, как сообщала зарубежная печать, световое излучение ядерного взрыва может нанести ему ожоги второй степени на расстояниях, где давление имеет в два раза меньшую величину, то есть 0,07 кг/см².

Однако на основе изучения свойств ударной волны сделаны определенные рекомендации, которые позволяют незащищенному человеку уцелеть при давлениях, в 10 раз и более превышающих названное выше и определяемое величиной его прямого поражения, то есть непосредственным сжатием волной. Для этого надо максимально уменьшить так называемое метательное действие волны, связанное со скоростным напором, и уменьшить вероятность поражения осколками. Все это осуществимо, если после ядерной вспышки, находясь на открытой местности, быстро упасть на землю лицом вниз и головой в направлении взрыва или в противоположную сторону. Времени для этого может быть достаточно. Так, например, на преодоление расстояния в 16 км от эпицентра воздушного взрыва мощностью 10 мгт ударная волна тратит 37 секунд. Площадь тела лежащего человека, подвергающегося действию ударной нагрузки, будет малой, и опасность перемещения его уменьшится. От прямого воздействия ударной волны, и в частности для защиты барабанных перепонок, в этом случае рекомендуется использовать специальные предохранительные капсулы.

Для защиты личного состава от скоростного напора ударной волны и летящих осколков разрушаемых сооружений очень эффективны, как считают зарубежные специалисты, окопы и даже открытые траншеи и простейшие полевые сооружения в виде блиндажей и убежищ легкого типа. Избыточное же давление во фронте ударной волны выше 2 кг/см², по их мнению, требует уже постройки специальных защитных сооружений. Остовы таких сооружений возводятся из дерева, волнистой стали, бетона и железобетона. Однако эти сооружения так или иначе связаны с окружающей воздушной средой; потому одной из важных проблем стала борьба с затеканием ударной волны через дверные проемы, вентиляционные и другие сантехнические каналы. Появилась специальная классификация отверстий — отверстия большого и малого диаметра, открывающиеся периодически и открытые постоянно. Все они оборудуются специальными защитными устройствами — защитными герметическими дверями, противовзрывными клапанами или клапанами-отсекателями, волногасителями.

Двери делаются равнопрочными с защитными сооружениями. Но если на остовы заглубленных сооружений действует волна сжатия в грунте, то двери воспринимают воздушную ударную волну. Для защиты от больших давлений они получаются весьма массивными. На рис. 3 показана защитная дверь одного из зарубежных пунктов управления, рассчитанная на избыточное давление в несколько десятков килограммов на квадратный сантиметр.

А нельзя ли облегчить условия работы дверей при воздействии ударной волны? Оказывается, можно, если предварительно «загрузить» волну, заставить ее растратить часть энергии. Так, например, считают, что, установив во входных туннелях перегородки, которые разрушаются на пути движения волны к дверям, можно снизить действие ее на дверь, поскольку обломки перегородок блокируют проход и отсекают часть ударной волны, тем самым ослабляя ее.

Для предохранения сооружений от затекания ударной волны через отверстия, которые в обычное время открыты — воздухозаборные, выхлопные и другие, — с успехом может использоваться само свойство большой продолжительности действия ударной волны. В этом случае применяют специальные системы, состоящие из различных типов противовзрывных клапанов, лабиринтных каналов или расширительных камер.

Один из вариантов таких защитных устройств работает по следующему принципу. Ударная волна одновременно подходит к воздухозаборному отверстию и противовзрывному клапану, находящимся на некотором расстоянии друг от друга. Клапан, устроенный по типу золотника, под действием волны перемещается и успевает закрыть вентиляционный канал до того момента, как по этому каналу снаружи подойдет ударная волна. Длина канала-лабиринта выбирается с таким условием, чтобы время движения по нему не превышало времени срабатывания клапана.

Вместо лабиринта может применяться расширительная камера. В этом случае используется свойство сжатого воздуха при резком увеличении сечения канала, в котором он движется, терять скорость, а с ней плотность и давление. Расширительная камера может использоваться и в тех случаях, когда запорные клапаны пропускают в сооружение определенную часть волны. К таким клапанам относится, например, маятниковый. Он представляет собой металлический шар, подвешенный в специально изогнутом участке воздуховода или трубопровода. Под действием ударной волны шар перемещается относительно точки закрепления, запирает сферическое гнездо в воздуховоде и держит его в таком положении во время действия фазы сжатия. Когда наступает разрежение, шар отводится обратным движением воздуха. Объем расширительной камеры определяется или временем срабатывания клапана или допустимым давлением, которое может возникнуть в сооружении.

Там, где потребность в воздухе невелика, вентиляционная система может защищаться песчаными или гравийными волногасителями. В этом случае волна не отсекается, как это происходит при действии клапана, а гасится в результате многократных отражений в толще гравия или песка. По сообщениям печати, испытание таких волногасителей показало, что они способны снизить избыточные давления в ударной волне с 7 до 0,014 кг/см².

В ряде случаев, особенно при защите больших воздухозаборных отверстий, использование энергии самой ударной волны становится неэффективным. Из-за громоздкости клапанов-отсекателей, их сравнительно медленного срабатывания она успевает проникнуть в сооружение. В таких случаях на помощь приходит автоматика. Клапаны получают дистанционное управление, закрывая отверстия по сигналу специальных датчиков до прихода ударной волны.

Датчиками могут служить фотоэлектрические реле, срабатывающие при вспышке ядерного взрыва. Сигналом о взрыве могут служить и гамма-излучения. К датчикам подключаются сервомеханизмы, которые и перемещают запорные элементы клапанов. Основным недостатком систем с дистанционным управлением клапанов считается необходимость осуществления специальных мероприятий по защите электронных устройств, весьма чувствительных к различным внешним воздействиям.

Вынужденные считаться с дороговизной ядерного оружия зарубежные военные специалисты одновременно с натурными испытаниями в течение ряда лет разрабатывали методы и средства моделирования и имитации ударных волн. При этом сыграло свою роль и подписанное многими странами соглашение о запрещении некоторых видов испытаний ядерного оружия.

Изучение физических свойств ударной волны ядерного взрыва, а также законов газовой динамики, описывающих механизм образования ударных волн, — кстати, законов, хорошо известных задолго до появления атомного оружия, — позволило разработать несколько способов создания или, как еще говорят, генерирования ударных волн, близких по своим параметрам к волнам ядерного взрыва.

Наибольшее распространение для моделирования ударных волн с нужными характеристиками за рубежом получили так называемые ударные трубы. Простейшие из труб — пневматические. С них как раз и начинался наш рассказ. Как уже говорилось, в одну часть трубы, так называемую камеру высокого давления, нагнетается воздух. После разрыва диафрагмы он устремляется в трубу, генерируя ударную волну. Широко распространены трубы, в которых ударная волна создается и другим путем.

Диаметры ударных труб, созданных за рубежом, самые различные: от нескольких сантиметров до нескольких метров. Известна, например, горизонтальная ударная труба диаметром 1,8 м. Длина ее 75 м, а расчетное давление до 7 кг/см². Как сообщалось в печати, в США, близ Киртленда (штат Нью-Мексико), создается ударная труба в виде тоннеля, пробитого в горе, длиной 1 тыс. м и диаметром 6 м. В этой трубе предполагается испытывать крупные модели сооружений, а некоторые сооружения и в натуральную величину.

Следует отметить, что многие из перечисленных выше защитных устройств прошли испытания именно в ударных трубах. Однако зарубежные специалисты считают, что из-за ограниченных размеров труб с их помощью не удастся в полной мере решить сложный комплекс задач по исследованию ударных волн и их воздействия на различные объекты. Поэтому ведутся поиски способов имитации воздействия ударной волны на больших площадях. Так, например, для исследования реакции заглубленных защитных сооружений, стартовых позиций межконтинентальных баллистических ракет разработаны способы создания давления на площади в 10 тыс. м² с помощью разложенной на поверхности земли сети из детонирующего шнура. Сообщалось, что удалось достигнуть давления в ударной волне при таком способе в 21 кг/см² и больше.

Для имитации ударной волны ядерного взрыва может быть использовано и специальное устройство, излучающее импульсы мощностью 20 тыс. мегаватт в миллионные доли секунды. Этот эффект достигается подачей заряда в очень короткое время от пятнадцати параллельно включенных больших конденсаторов на мостик сопротивления, который, взрываясь, имитирует ядерный взрыв.

Мы рассмотрели только некоторые проблемы, связанные с защитой от воздействия воздушной ударной волны ядерного взрыва. Из приведенных примеров видно, что эффективные способы защиты от поражающих факторов ядерного оружия, и в частности от ударной волны, основываются на знании ее свойств и использовании физических закономерностей.