Юный техник, 2015 № 07

С ПОЛКИ АРХИВАРИУСА История с урановым снарядом

История эта началась в 90-х годах прошлого века. Академик Российской академии ракетно-артиллерийских войск В. В. Яворский однажды обратил внимание на лежавшую в лаборатории 400-мм броневую плиту. Его удивил ее цвет — от желтого до темно-синего. Для людей, имеющих дело со сталью, в том нет ничего удивительного — это цвета побежалости. Каждому цвету соответствует своя температура. Причем какая — давно известно точно.

Однако когда В. В. Яворский подсчитал, сколько тепла, а точнее энергии, понадобилось, чтобы «раскрасить» плитки в такие цвета, оказалось, что ее требовалось в 4 раза больше, чем кинетическая энергия снаряда! Проверили расчеты, провели эксперименты. Нет, ошибки не было — избыток энергии как минимум в 20 % зафиксировали точно. С точки зрения науки, любое, сколь угодно малое отступление от закона сохранения энергии — скандал.

Снаряды с обедненным ураном для артиллерийского комплекса Mark 15 Phalanx CIWS на борту американского линкора USS Missouri (ВВ-63).

Сердечник снаряда калибра 30 мм из обедненного урана.

Разгадку парадокса нашел заведующий кафедрой плазменной технологии МГТУ имени Н. Э. Баумана, доктор технических наук Михаил Константинович Марахтанов. В простейшем изложении она выглядит так.

По плите стреляли снарядом с сердечником из обедненного урана, непригодного для использования в атомной промышленности. Любой металл, в том числе и уран, имеет кристаллическую структуру. В узлах ее — положительные ионы. Между ними по хитроумным траекториям, разрешенным квантовой механикой, движутся электроны. Как известно, они заряжены отрицательно. Плюс к минусу притягивается, и вся система находится в равновесии, обладает механической прочностью.

Но при ударе уранового снаряда о броню происходит очень резкое торможение и возникают силы, которые «вытряхивают» электроны из кристалла. Тогда одноименно заряженные ионы отталкиваются и разлетаются в разные стороны. Происходит взрыв, при котором выделяется энергия, численно равная энергии такого же количества тротила. Только выделяется она в 1 000 раз быстрее. От этого и происходит фантастический по силе бронебойный эффект.

На первый взгляд кажется, что причиной всему этому уран, а выделяющаяся энергия сродни ядерной. Но это не совсем так. Начнем с того, что еще в конце Второй мировой войны урановые сердечники для бронебойных снарядов применяла Германия. Никаких особенных бронебойных свойств тогда за такими снарядами не заметили. Зачем же тогда немцы стали применять уран? Да, можно сказать, от бедности.

Давно, с 30-х годов XX века, сердечники бронебойных снарядов и пуль старались делать из материалов, сочетавших высокую плотность с высокой твердостью. Учитывалась и цена. Лучшим оказался карбид вольфрама. (Плотность 16,8 г/см³, почти как у золота. Твердость такая, что можно царапать стекло!)

Собственного вольфрама Германия не имела и получала его из Португалии, но в 1943 году Португалия отказалась его продавать. Тогда по приказу министра вооружений А. Шпеера для его замены было использовано 1 200 т необогащенного урана, оставшегося от прекращенных на то время работ по созданию атомной бомбы. Ведь плотность урана еще выше, чем у вольфрама.

Итак, Германия первой начала применение бронебойных снарядов с урановым сердечником. Если бы они проявили себя известным сегодня образом, пробивая танки от борта до борта, то, выражаясь языком дипломатическим, итог Второй мировой войны мог бы быть иным… Но этого не случилось. И вот почему.

Как выяснил профессор М. К. Марахтанов, таким же свойством — взрываться, как уран — обладают и многие другие металлы. Главное, разогнать их до «критической» скорости. Для урана это более 1 500 м/с. Между тем снаряды немецких противотанковых пушек имели скорость не более 1 200 м/с, так что уран всего лишь способствовал увеличению их массы.

Остается добавить, что металл может стать источником энергии не только после удара. На кафедре плазменной технологии МТГУ имени Н. Э. Баумана обнаружено, что все металлы можно взорвать, получив от них весьма большую энергию, равную энергии взрыва тротила. Нужно лишь пропустить ток определенной плотности, в пределах от 1 000 до 8 000 ампер на 1 мм². Возникающая при таком взрыве волна распространяется со скоростью до 6 000 м/с. Не исключено, что взрывающийся металл станет идеальным источником энергии, который не нуждается в кислороде и не отравляет окружающую среду.

Причем такой источник обладает уникальным свойством. Продукт реакции — металлическая пыль. Стоит ее собрать, переплавить, и получим «топливо», вновь готовое к употреблению.

А. ИЛЬИН

ПО ДОРОГЕ К МАРСУ

Как мы уже сказали, к ударному взрыву способны многие металлы. Если для урана критическая скорость 1 500 м/с, для железа она превышает 4 000 м/с. Поэтому от некоторых метеоритов, падающих на землю с такой или даже большей скоростью, не остается и следа. Они превращаются в тончайшую пыль…

На такую особенность обратил внимание еще в 1929 году знаменитый создатель наших ракетных двигателей и ракет Валентин Петрович Глушко. Он написал статью под названием «Металл как взрывчатое вещество». В первых же ее строках автор сказал, что речь пойдет не об использовании металла в качестве взрывчатки, а о том, что при пропускании достаточно сильного импульса электрического тока через металлическую проволоку может произойти взрыв. Температура при этом повышается до 300 000 градусов. Энергия такого взрыва превышает во много раз энергию взрыва самого мощного взрывчатого вещества, взятого в количестве, равном массе проволоки. При этом сама энергия превышает энергию вызвавшего его импульса тока.

Валентин Петрович Глушко.

Энергия такого взрыва была использована В. П. Глушко в миниатюрном электрическом реактивном двигателе (ЭРД), разработанным в начале 1930-х годов. Двигатель легко умещался на ладони. В него поступала металлическая проволока и подавались электрические импульсы, превращающие ее в пар. Этот пар выходил через специальное сопло со скоростью в несколько десятков тысяч метров в секунду. Для космонавтики это значит очень многое.

Чтобы достичь второй космической скорости (11 км/с), вес топлива, баков и корпуса ракеты на керосине и жидком кислороде должен составлять более 99 % ее стартового веса. Таким образом, на долю полезного груза приходится лишь сотая часть. Это связано с недостаточно большой скоростью истечения продуктов сгорания, около 3 400 м/с. Если же взять ЭРД со скоростью истечения 25–30 км/с, то вес полезной нагрузки может увеличиться в 20 раз! Для полета на Марс требуется скорость 30 км/с. И здесь без ЭРД не обойтись.

ЭРД конструкции В. П. Глушко.

Проект полета к Марсу на ЭРД, разработанный в 1969 году.

Тогда вопрос: почему же мы сегодня не гуляем по Марсу, коли необходимый для этого двигатель существовал еще в 1932 году? Причин много. Вот хотя бы некоторые. ЭРД способен работать только в пустоте космического пространства. В обычной лаборатории вытекающая из него струя испарившегося металла смешивалась с воздухом и теряла скорость. Так, что даже тягу двигателя нельзя было достоверно измерить. Лет через 20 подобные двигатели стали испытывать в специальных, очень дорогих вакуумных камерах.

Оказалось, что тяга подобных двигателей очень мала. Ее недостаточно даже для отрыва (только лишь двигателя!) от земли. Тогда зачем же они нужны? Они нужны для «неторопливого», длительного разгона в невесомости. Смотрите! Если на тело массой 1 кг длительно действует сила 0,01 н (1 г), то через 28 часов оно приобретет скорость артиллерийского снаряда — 1 км/с, через 32 дня — 8 км/с (это первая космическая скорость), через 4 месяца — 30 км/с (третья космическая скорость), позволяющую лететь на Марс или вообще покинуть Солнечную систему. При этом для того, чтобы за

4 месяца набрать скорость 30 км/с, двигатель должен потреблять мощность… 300 Вт. Не так много, в 3 раза меньше мощности утюга! Но у утюга есть розетка, а где взять розетку в космосе?

В качестве источника энергии для ракеты, оснащенной ЭРД, В. П. Глушко предложил использовать фотоэлементы. Ракета, оснащенная такими двигателями, самостоятельно выйти в космос не может. Для старта должен применяться другой двигатель. Но после выхода в космическое пространство «солнечная» ракета, оснащенная ЭРД, могла бы за несколько суток набрать такую скорость, которая недоступна для ракет любых других типов. Подобная схема полета на Марс ныне рассматривается в российском проекте высадки космонавтов на Красную планету.