Какие профессии востребованы сегодня?
Подробнее
  • Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
3 марта
Николай Цыгикало
9
55 784

Дирижер атомного взрыва: тело и жизнь самой тайной части ядерного заряда

5.1

Взорвать ядерный боеприпас очень непросто. Гарантированная безопасность до команды на подрыв сменяется надежностью немедленного взрыва в точке цели. Две эти противоположности создаются и живут в одном блоке, в самой закрытой части ядерного заряда. О его насыщенном устройстве и филигранной работе рассказывается в этом уникальном исследовании Naked Science.

Ядерный взрыв на атолле Бикини. Источник: twitter.com
Ядерный взрыв на атолле Бикини. / © twitter.com

Ядерный заряд всегда привлекает к себе внимание как непревзойденное по мощности устройство. С течением десятилетий с первых ядерных взрывных конструкций спала завеса секретности, и устройство ядерной части атомных бомб «Толстяк» и «Малыш» стало широко известным и обсуждаемым. Детально рассмотрены урановые и плутониевые элементы этих бомб и другие компоненты ядерной сборки. В частности, фокусирующая система из особых призм взрывчатки с разными скоростями детонации, дающая имплозию — взрыв с направленной внутрь ударной волной. А также количество детонаторов, устройство и материал тампера, толкателя, источника нейтронов.

Из термоядерных устройств известна и «слойка Сахарова», и схема водородной ступени Теллера Улама, и более современные конструкции, стоящие на вооружении. Например, особенности американской термоядерной боевой части W-88 (с пустотелым плутониевым эллипсоидом и двухточечной системой подрыва) подробно расписаны, включая строение всей боеголовки.

Известны и реализации бустинга — усиления мощности ядерных зарядов несильной термоядерной реакцией. Она выделяет большое количество нейтронов, дающих более полное деление ядерного материала с ростом выделенной энергии взрыва. Для этого внутрь заряда помещают несколько граммов смеси дейтерия и трития, с возможностью замены на свежую смесь при регламентном обслуживании. В экзотических схемах, вроде ядерных зарядов ЮАР, дейтериево-тритиевым газом пропитывали губчатое делящееся вещество.

Словом, конструкции ядерной и термоядерной сборки (в их основных чертах) и их работа очень популярны. Но у заряда, помимо ядерной части, есть другая, всегда остающаяся в тени. Самая тайная часть заряда, более неизвестная и закрытая, чем ядерная сборка. Мозг ядерного заряда, его нервная система и центр управления. От его работы зависит все — будет взрыв или нет, когда и где, сколько выделится мощности. При ключевой роли во взрыве эта часть не менее важна, чем ядерная. Именно она подрывает ядерную сборку.

И если конструкции ядерной части и первых атомных бомб, и современных зарядов известны довольно подробно, то устройство и работа их второй, самой тайной части остается закрытой. Имя ей — блок автоматики.

Особенности цепной реакции

Ядерный взрыв, при всей своей огромной мощности, парадоксальным образом очень «хрупкое» явление, происходящее лишь при высочайшем уровне согласованности всех частей ядерного устройства. Для цепи событий при запуске взрыва нужно очень точное управление. Даже малые отклонения во времени в любую сторону, ничтожные в обычной технике, дадут резкое снижение энерговыделения, вплоть до отказа ядерного взрыва.

Трудность заключается в свойствах цепной ядерной реакции: в определенных условиях она разгоняется неимоверно быстро и с большим энерговыделением

Напомним ее суть. Ядро атома делящегося материала, урана-235 или плутония-239, распадается (делится) на части после захвата нейтрона. При этом оно выбрасывает несколько новых нейтронов, в среднем 2,4 нейтрона на один распад. Часть из них попадает в другие делящиеся ядра, вызывая их распад и выброс следующих нейтронов. Такая цепь последовательных распадов называется цепной реакцией. Возникшие после деления «осколки» (атомные ядра других химических элементов) разлетаются с большой скоростью, выделяя в ней тепловую энергию распада.

С каждым делением количество нейтронов в цепной реакции может расти. Скорость роста зависит от эффективности их захвата ядрами делящегося материала. Если будет захвачен лишь один нейтрон из образовавшихся, цепная реакция не ускорится: один нейтрон захвачен ядром и вызвал распад, один новый нейтрон этого распада даст новый распад.

Насколько больше или меньше делений дадут новые нейтроны, покажет эффективный коэффициент размножения нейтронов К. Численность каждого нового поколения нейронов в цепной реакции умножается на К. В примере выше К равен ровно 1. Эта единица поддерживается в энергетическом ядерном реакторе: число делений остается неизменным в стабильном режиме работы реактора. Его деления дают ровно столько тепла, сколько отводится из горячей зоны реактора: больше нельзя, иначе реактор расплавится.

При К<1 цепная реакция затухает до спонтанных (самопроизвольных) делений: так заглушают реактор или понижают его мощность. А если К>1, распадов нового поколения становится в К раза больше. Количество делений ядер в этом ускорении растет очень быстро, переходя в лавину. Так быстро, насколько К больше единицы.

Схема цепной реакции деления урана-235 нейтронами при эффективном коэффициенте размножения нейтронов больше единицы. Доработанная схема / © commons.m.wikimedia.org

Возникшие при делении ядра нейтроны летят со скоростью около 10 тысяч километров в секунду. Расстояние до очередного захвата ядром невелико, поэтому новое деление последует очень быстро. В чистом, из одних делящихся ядер, материале металлической плотности время цикла деления будет около одной стомиллионной доли секунды; в реальном материале больше. Чем ближе ядра, тем скорее пройдет нейтрон от ядра к ядру, давая новое деление и разгоняя цепную реакцию. Так теснота делящихся ядер в пространстве, или плотность ядерного материала, повышает скорость цепной реакции и эффективный коэффициент размножения нейтронов.

Критическая масса и сверхкритические условия

Уровень К=1 называется критическим. Потому что единица разделяет быстрое затухание цепной реакции при К<1 от лавинообразного ее ускорения при К>1 — два критически разных состояния как цепной реакции, так и проводящего эту реакцию устройства. Отсюда при К<1 условия для ядерной реакции и состояние ядерной сборки называют докритическими, или подкритическими. А при К>1 состояние ядерной сборки и условия для лавинообразной цепной реакции называют надкритическими, или сверхкритическими. Эти условия определяют наименьшую массу делящегося вещества (критическую массу), достаточную для лавинообразной цепной реакции в этой конструкции ядерной сборки. И геометрию делящегося вещества в докритическом и сверхкритическом состояниях.

Задача взрыва состоит в переводе ядерной сборки из докритического в сверхкритическое состояние с заданным значением К, и развитии лавинообразной цепной реакции деления с выделением большой энергии. Но два свойства цепной реакции, которые мы отметили выше — быстрота ее развития и большое энерговыделение — сильно осложняют решение задачи. Как осложняют ее и спонтанные, самопроизвольные деления в ядерном материале, рождающие нейтроны. Пока ядерная сборка заряда находится в докритическом состоянии, эти возникающие нейтроны (у урана их немного, у плутония больше) не могут вызвать цепную реакцию. Они либо покидают делящийся материал через его обширную поверхность, либо поглощаются другими веществами и не создают проблем.

Ночной термоядерный взрыв Hood, мощность 74 килотонны, высота 450 метров, штат Невада, США, 5 июля 1957 / © Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, USA.

Но перевод ядерной сборки в сверхкритическое состояние не мгновенный; он занимает время, пусть и очень небольшое. Огромная быстрота цепной реакции и ее большое энерговыделение начинают состязаться с переходом ядерной сборки в сверхкритику. Возникающие спонтанные нейтроны начинают размножение, не дожидаясь перехода сборки к плановому значению К. Деления от них дают огромную волну тепла, уничтожая и сверхкритические условия (тепловым расширением ядерного материала), и само устройство. Цепная реакция заканчивается на самых ранних уровнях, не выделив и нескольких тонн тротилового эквивалента мощности.

Решение этой проблемы лежит в двух ключевых моментах. Во-первых, достижение ядерной сборкой сверхкритического состояния с заданным значением К>1 с быстротой, опережающей размножение спонтанных нейтронов. Это даст жить ядерной сборке в сверхкритическом состоянии некоторое время.

Во-вторых, при достижении заданного К нельзя ждать, пока в сборке вырастет количество нейтронов от начального фона спонтанных делений. Это лишь повторит уничтожение устройства ранними уровнями энерговыделения. Нужно впрыснуть в сверхкритическую сборку сразу очень много нейтронов: чтобы умножение нейтронов пошло с большого начального количества. И сделать это в строго определенный момент: ни раньше, ни позже. Тогда поднявшееся цунами нейтронов успеет затопить ядерный материал и вызвать в нем глубокую степень деления с энерговыделением десятков килотонн.

Для решения первой задачи (перевода сборки в сверхкритическое состояние) привлекли быстроту химического взрыва. Октоген, с его скоростью детонации свыше 9 километров в секунду, со всех сторон сжимает ядерную часть размером в дециметры. Ее края сходятся с взаимной скоростью 18 километров в секунду, сжатие занимает менее десяти миллионных долей секунды. Делящиеся ядра сближаются, сокращая время нейтронного цикла и увеличивая К. Для ровного обжатия взрывом (при малейшем перекосе ударной волны она раздробит сборку) нужна высокая точность запуска детонации. Инициирующие импульсы тока должны прийти на все взрыватели синхронно.

Вторую задачу решает специальное устройство, дающее большой импульс нейтронов для запуска цепной реакции сразу в большом масштабе. Оно так и называется — импульсный нейтронный источник, или импульсный нейтронный инициатор. Для ядерного заряда это синонимы, ведь нейтронный импульс инициирует взрыв. Первые нейтронные источники были несовершенны, хотя и запускали ядерный взрыв. Позже они стали ускорителями, создающими ядерную реакцию слияния ядер дейтерия и трития с выходом большого количества нейтронов. Да, мы привыкли, что для взрыва водородной бомбы используется «ядерный запал». И, как это ни парадоксально, для «запала» ядерного заряда используют реакцию водородного синтеза.

Блок автоматики — дирижер и исполнитель взрыва

Без очень точно отмеренных и быстро проведенных действий не достичь энерговыделения уровня десятков килотонн. Единым дирижером и исполнителем каскада событий выступает блок автоматики заряда. И описанное выше — лишь часть его большой работы.

Блок автоматики — это отдельная конструкция, плотно насыщенная механическими, электрическими и электронными устройствами, соединенными между собой. Устройства объединяются в модули, это упрощает сборку и контроль отдельных подсистем. Блок автоматики расположен всегда вплотную к ядерной сборке, связан с нею кабельной сетью и объединен в ядерное взрывное устройство. Это не всегда ядерный боеприпас, например в СССР использовалось много ядерных взрывных устройств в интересах народного хозяйства.

Первый блок автоматики БА4 с импульсным нейтронным инициированием, серийное производство 1955 год. Использовался в первом поколении ядерных авиационных бомб / © ВНИИА им. Н. Л. Духова

Внешне блок автоматики выглядел небольшой бочкой в ранних конструкциях, позже как большая кастрюля или коробка, и может иметь разный вид, размеры и массу. Первые блоки автоматики весили почти центнер; позже вес снизился до 30 килограммов и продолжил уменьшаться вместе с габаритами. Применяются и унифицированные блоки автоматики, и специально созданные под конкретный заряд.

Работа любого блока автоматики строится на двух базовых принципах: надежность движения к взрыву и контроль над процессом

Эти два принципа реализуются в виде действий, этапов и алгоритмов, выполняемых подсистемами блока автоматики. Они поддерживают много уровней предохранения, переводят заряд в состояния все большей готовности к взрыву, вырабатывают главную команду на подрыв и производят сложный взрыв заряда.

Система подрыва и нейтронного инициирования

Как мы говорили, подрыв заряда начинается с перевода ядерной сборки в сверхкритическое состояние. Оно достигается ростом компактности ядерного материала: совмещением разделенных частей делящегося вещества в один блок, либо переводом тонкого полого эллипсоида переменной толщины в компактное тело, как в боеголовке W-88. Или сближением атомов ядерного материала с ростом его плотности, через обжатие взрывом (имплозией), с подрывом наружных блоков взрывчатки.

Их детонация запускается сразу в нескольких местах (от 2 до 32 в разных схемах) взрывателями, срабатывающими в высокой степени синхронно. Для запуска детонаторов подается высоковольтный импульс тока через систему кабелей. Почему высоковольтный? Детонаторы не должны реагировать на статическое электричество и наводки в кабелях. Поэтому у специальных детонаторов имплозионной системы нет чувствительного инициирующего взрывчатого вещества (азида свинца), запускающего детонацию вторичного взрывчатого вещества, для выхода ее фронта из взрывателя в блок основной взрывчатки. Отсутствие инициирующего вещества делает спецдетонатор намного безопаснее, но требует для срабатывания на порядок большей энергии. Она и доставляется мощным высоковольтным импульсом тока, равномерно распределяемого между детонаторами.

Малогабаритный блок автоматики БА40 массой 12,6 кг. Разработка 1961 года / © ВНИИА им. Н. Л. Духова

Его выдает генератор подрывного импульса тока — сложное устройство из многих элементов. Это специальные высоковольтные конденсаторы очень большой емкости, коммутирующие импульсные разрядники, мощный транзистор и высоковольтный выпрямительный столб, дополняемые высоковольтными соединительными элементами. Помимо компактности, в силу быстроты и большой мощности импульса возникает требование малоиндуктивности к генератору и его элементам, выполняемое специальными конструктивными и техническими решениями.

После выдачи подрывного импульса тока включается электрическая линия задержки. Она откладывает выдачу импульса нейтронов до нужного момента времени, когда ядерный материал в ходе имплозии перейдет в сверхкритическое состояние с заданной величиной эффективного коэффициента размножения нейтронов.

Самые первые импульсные нейтронные источники были неуправляемыми и представляли собой маленький шарик в центре ядерной сборки. Он содержал разделенные преградой полоний и бериллий. Их ядерная реакция для выхода нейтронов запускалась механическим смешением при имплозии, без выбора момента срабатывания. Применение внешних импульсных нейтронных источников упростило ядерную часть заряда, но главное — ощутимо повысило эффективность деления ядерного материала. Уже первые внешние импульсные нейтронные источники были управляемыми и создавали импульс нужной интенсивности и длительности в оптимальный момент времени. Это увеличило выделение энергии взрыва более чем в полтора раза, что наглядно характеризует роль блока автоматики и его возможности.

Первые поколения внешних импульсных нейтронных источников были однокаскадным линейным ускорителем. Он разгонял ионы (ядра) дейтерия электромагнитным полем до энергии 120 килоэлектронвольт, с запасом обеспечивая преодоление кулоновского отталкивания и энергию начала реакции (100 килоэлектронвольт). Ядра дейтерия бьют в мишень с ядрами трития, вызывая ядерную реакцию дейтерий + тритий с синтезом гелия и выделением нейтронов. Так создается мощный нейтронный поток — нейтронный импульс из десятков триллионов нейтронов и больше, поступающих в сверхкритическую ядерную сборку за короткое время. Технически это вакуумная трубка, где источником ядер дейтерия служит взрывающаяся от нагрева проволочка, содержащая дейтерий. Поэтому устройство назвали нейтронной трубкой. Она является самой сложной и важной частью блока автоматики.

Для работы импульсного нейтронного источника нужны высоковольтные устройства: импульсный трансформатор, конденсаторы с большой емкостью, высоковольтные коммутирующие устройства. Можно повысить энерговыделение взрыва, формируя нейтронный импульс специальной формы. Она задается специальными элементами в блоке нейтронной трубки. Поздние поколения нейтронных источников имеют свои особенности конструкции, но их работа строится на тех же принципах: выдача нейтронного потока нужной интенсивности, длительности и формы, с точной привязкой во времени.

Система предохранения и взведения

Даже обычный снаряд (допустим, автоматической авиационной пушки) не готов к взрыву ни на складе, ни в ленте на борту, ни в стволе пушки, ни сразу после выхода из ствола. В процессе выстрела и полета во взрывателе снаряда снимается целый ряд предохранений, последнее уже через пару сотен метров от дула. Это называется дальним взведением, и исключает взрыв снаряда на борту, в стволе и вблизи самолета.

Для ядерного боеприпаса это тем более важно. Он не готов к взрыву ни при эксплуатации, ни сразу после отделения от носителя. Ядерный заряд не даст атомного взрыва в любой нештатной ситуации. Даже если его уронить с высоты на скалы, сунуть в доменную печь, обстрелять из любого оружия, обложить взрывчаткой и взорвать, или близко сработает другой ядерный заряд.

Ядерная боевая часть торпеды калибра 533 миллиметра / © А. В. Карпенко

Взрывобезопасность заряда обеспечивает система предохранения и взведения. Она исключает случайный или преждевременный подрыв заряда, взрыв из-за ложных данных, несанкционированных действий и любых нештатных причин. Она же переводит заряд в стадии все большей готовности к взрыву перед его срабатыванием. И эта система также входит в состав блока автоматики.

Ядерный заряд полностью готов взорваться только непосредственно перед взрывом

Для предохранения и взведения заряда в блоке автоматики используются комплексы различных коммутационных устройств. Это электромагнитные реле разных типов и электромагнитные выключатели. Они образуют сложные электрические цепи с возможностью их включения и отключения. Кроме коммутационных, есть другие устройства, входящие в широкий спектр электромеханических приборов автоматики. Не все они размещены в самом блоке автоматики.

У человека глаза и осязательные рецепторы находятся на поверхности тела. А вкусовые и слуховые рецепторы, будучи внутри тела, соединены с внешней средой каналами: ротовой полостью или слуховым каналом. Мышечные рецепторы не контактируют со средой. Данные от всех рецепторов поступают в мозг, где обрабатываются с принятием решений на их основе.

Очень похоже работает и система взведения. В блок автоматики, мозг ядерного заряда, стекаются данные от многих приборов и датчиков. Обрабатывая их, система взведения реализует алгоритмы повышения готовности заряда к взрыву.

Так, чековые или концевые выключатели находятся на поверхности носителя ядерного заряда. Размыкаются контакты, выдергиваются чеки, и в блок автоматики поступает сигнал об отделении носителя от стартового сооружения, самолета-носителя, самоходной установки или подлодки.

Другие приборы связаны со средой, в которой движется носитель, и измеряют ее параметры. Если это крылатая или баллистическая ракета, используются манометрические, барометрические или аэродинамические датчики. Первые выдают сигнал при достижении заданной разности наружного статического давления и давления в специальной емкости в приборе, сообщая о достижении заданного перепада высоты. Вторые реагируют на значение наружного статического воздушного давления. Третьи срабатывают при заданной разнице статического и полного давления, создаваемого напором встречного воздуха при заданной скорости носителя. Сигналы датчиков вызывают включения или отключения электрических цепей в блоке автоматики.

Ядерная боевая часть крылатой противокорабельной ракеты. Вид со стороны блока автоматики. Видны элементы пусковой системы — входы каналов статического и динамического (полного) давления воздуха в блок автоматики / © Missiles.ru

Если ракета ушла с пусковой установки, сигнал концевого выключателя снимет одну из блокировок. Но если ракета не достигла контрольной высоты или не развила контрольную скорость, то блок автоматики не отключит эту ступень предохранения. И заряд не взорвется, как бы дальше ни развивалась история нештатного полета и падения ракеты.

Похоже действуют гидроприборы, если носителем ядерного заряда является торпеда. Гидростатические приборы реагируют на заданное статическое давление морской воды, гидродинамические датчики измеряют перепад полного и статического давлений воды при движении торпеды.

Есть и группы приборов, не связанных со средой, подобно скрытым в теле человека мышечным рецепторам. Это датчики линейных ускорений и инерционные включатели, которые включают или выключают электрические цепи блока автоматики при контрольных значениях перегрузки по трем осям. Есть временные приборы, переключающие электрические цепи по истечении заданного времени.

Ядерная боевая часть крылатой противокорабельной ракеты. Вид со стороны блока автоматики. Видны элементы пусковой системы / ©  chelmuseum.ru

Работа этих каналов и линий создает очень подробную, плотную и последовательную сетку из значений разных независимых физических величин, отрезков времени и событий, достигаемых и происходящих в ходе штатной работы носителя заряда. Только по мере верного прохождения этих последовательностей система предохранения и взведения постепенно повышает взрывоготовность заряда. И сразу обнуляет ее при значимых отклонениях фактических событий от планового сценария работы носителя.

Кто нажмет на спусковой крючок

Но вот все этапы движения носителем пройдены, он уже в непосредственной близости к цели. Все ступени предохранения сняты, и заряд готов взорваться в любое мгновение. Кто примет решение и даст главную команду на подрыв?

Пусковая система, или исполнительная система подрыва. Ее задача — выработка главной команды на подрыв заряда, которую выполнит блок автоматики и его система подрыва заряда. Главная команда запустит процесс подрыва, поэтому система называется пусковой. Исполнительная она потому, что при выполнении главного условия подрыва — достижения цели — следует только исполнение подрыва, больше ничего

Пусковая система частично находится в блоке автоматики — ее логические блоки, формирующие главную команду. Снаружи блока автоматики размещены подсистемы исполнительных датчиков — и на поверхности носителя, и внутри него.

Подсистемы исполнительных датчиков имеют свою иерархию и работают на разных физических принципах. В этом они схожи с датчиками системы предохранения и взведения. Схем и воплощений пусковых систем так же много, как и конструкций, несущих ядерный заряд. Возьмем как условный пример боеголовку баллистической ракеты. Ее цель обычно точка в пространстве на высоте 500–800 метров над земной поверхностью. Взрыв мощностью в сотни килотонн создаст на поверхности Земли наибольшие разрушения, если произойдет на высоте, зависящей от мощности заряда. Возможен и подрыв на земле, когда нужно поразить укрепленную подземную цель.

Пусковая система заряда боеголовки состоит из сегментов, основной из которых — бесконтактный инерциальный. У боеголовки есть инерциальный блок с датчиками ускорений — акселерометрами, непрерывно измеряющими ускорения по трем перпендикулярным в пространстве осям. Интегрированием ускорений получают текущие скорости по этим осям, или пространственную скорость боеголовки. Интегрирование скоростей дает пространственные координаты боеголовки, путь и положение относительно цели. Это вычисляет бортовая инерциальная навигационная система боеголовки.

Термоядерная боеголовка W76 мощностью 100 килотонн, размещенная внутри боевого блока Mk4. Этим боевым блоком снаряжаются межконтинентальные баллистические ракеты подводных лодок Трайдент II / © twitter.com

Точно через точку цели боеголовка вряд ли пройдет — всегда есть текущая ошибка движения боеголовки, отклонение от расчетной траектории. Поэтому цель заменяется частью пространства вокруг целевой точки, сферой или цилиндром. Когда инерциальная система определит вход боеголовки в целевое пространство, она сообщит об этом пусковой системе, которая немедленно выдаст главную команду на подрыв заряда.

В случае наземного взрыва работает контактный сегмент пусковой системы — ударные датчики, действующие на разных физических принципах. Датчики ускорения, выявляющие ударный рост перегрузки, и другие приборы. Пусковая система успеет взорвать заряд при любой скорости встречи с поверхностью. При любых углах встречи с преградой и любой ориентации боеголовки в этот момент.

Боеголовка также оснащается радиовзрывателями, дающими сигнал на заданной высоте. Они работают каскадно, с подразделением контрольных высот на диапазоны. Радиовзрыватели образуют третий сегмент пусковой системы заряда боеголовки.

С 80-х годов ХХ века работают адаптивные системы подрыва. Их суть в выборе момента взрыва, его адаптации к фактической траектории. Инерциальный блок измеряет ускорения и строит по ним фактическую траекторию. По которой вычисляется дальнейшая будущая траектория. На ней рассчитывается ближняя к цели точка наименьшего промаха и прогнозируется момент времени, когда боеголовка достигнет этой точки. Тогда и будет взорван заряд, с минимальным промахом для сложившейся траектории.

Вблизи цели заряд полностью готов к взрыву. И когда поступит главная команда на подрыв, взрыв произойдет немедленно и мгновенно. Боеголовка, летящая со скоростью пули снайперской винтовки, пройдет лишь десятую долю миллиметра, сместившись в пространстве на толщину человеческого волоса, когда в ее заряде запустится, разовьется и завершится весь комплекс ядерных реакций, выделив штатную мощность, написанную на этикетке заряда.

Элементная база — важный элемент рассказа

Блок автоматики работает в напряженных условиях. Если он стоит в боеголовке межконтинентальной ракеты, то при снижении в атмосфере испытывает перегрузки до многих десятков g. Еще больше, уровня тысяч g, испытывает автоматика ядерных артиллерийских снарядов. Из-за особенностей сверхзвукового обтекания боеголовка подвержена сильным вибрациям, меняющимся по частоте и амплитуде. Они действуют также при работе ступеней ракеты, особенно твердотопливных.

Ядерный взрыв снаряда Grable, запущенного артиллерийской установкой калибра 280 миллиметров 23 мая 1953 года на полигоне в Неваде, США. Мощность взрыва 15 килотонн. Пример работы блока автоматики в условиях высоких продольных линейных перегрузок при выстреле с уровнем несколько тысяч g / © Wikimedia Commons

В этих условиях все элементы блока автоматики должны работать без отклонений параметров, нарушений контактов, задержек и другого негатива. Поэтому элементы блока автоматики разрабатываются с учетом особенностей условий работы. Их стойкость проверяется на вибростендах с широким спектром колебаний, на перегрузочных центрифугах, на ударных стендах.

Для стойкости к большим перегрузкам и вибрациям блоки и узлы автоматики заполняют специальными составами. Это пенопласты для низковольтных узлов, и полимеризующиеся компаунды для заливки высоковольтных узлов с большими градиентами электрического поля. Полимерные заполнения играют также роль силового крепежа, рассредоточивая нагрузку с мест крепления к силовому каркасу.

Особое внимание уделяется стойкости работы автоматики при излучениях от ядерного взрыва, потоках нейтронов и гамма-излучения, сильных наружных электромагнитных полях. Такой поток создает необратимые изменения в полупроводниковом материале транзисторов и диодов. Мощные ионизирующие излучения изменяют свойства изоляции кабелей высоковольтной системы подрыва, высоковольтных конденсаторов и других элементов.

Унифицированный блок автоматики ТОС71, использовавшийся в ядерных боеприпасах с широким кругом носителей, от крылатых противокорабельных ракет Х-22 и ракет противолодочных комплексов «Вьюга» и «Вихрь» до торпед Т65 и комплекса «Шквал». Начало 1960-х / © ВНИИА им. Н. Л. Духова

Для отработки стойких к излучениям элементов блока автоматики, еще при создании их первых поколений, их работу проверяли под прямым воздействием ядерного взрыва. Так, на Семипалатинском ядерном полигоне в 1961–62 годах проводили ядерные взрывы специально в интересах изучения действия излучений на ядерный заряд и блок автоматики. Это испытания ФО-10 (физический опыт, взрыв был проведен в подземной штольне), ФО-12-1 и ФО-12-2, по итогам которых получили крайне важные данные о радиационной стойкости элементов блока автоматики, их работе в условиях излучений реальных ядерных взрывов.

Контроль контролера, или Что такое спецконтроль

У блока автоматики заряда есть еще одна «нервная система». Все, о чем мы рассказывали выше, работает на вход в блок автоматики с одним выходом из него — к ядерной сборке. Но блок автоматики сам сложная техническая система и требует контроля. Верно ли он работает, в какие состояния последовательно переходят его блоки, подсистемы, электрические цепи и элементы?

При испытательных пусках баллистических ракет работа блока автоматики в боеголовках проверяется без ядерного заряда. Он заменяется массово-габаритным аналогом с такими же детонаторами, но без имплозионной взрывчатки и делящегося материала. Блок автоматики в летных испытаниях работает в реальных условиях — перегрузках, вибрациях, тепловом режиме. Его работу в полете нужно точно отследить и сопоставить с расчетной — есть ли отклонения, или блок четко выполнил весь огромный воз своих задач.

Такая проверка работы блока автоматики заряда называется специальным контролем, или спецконтролем. Она делается посредством телеметрии, о принципах которой мы уже говорили. Телеметрию блока автоматики называют телеметрией спецконтроля, или спецтелеметрией. Она получает и регистрирует информацию о последнем этапе полета боеголовки, где идет наиболее насыщенная работа блока автоматики и исполнение главной команды.

На измерительных пунктах принимающего полигона на Камчатке после тридцатиминутной готовности к старту обычно уже стихает движение. Все участники боевой работы на своих местах: на центральном посту, в аппаратных, на крыше технического здания у фототеодолитов, и на других объектах. Следующая готовность — двадцатиминутная. Вскоре после ее доведения в небе слышен гул турбовинтовых двигателей. Самолеты спецтелеметрии, взлетевшие из Ключей, проходят в район барражирования. Когда небесная феерия падения завершится, и по местности пройдут финальные тяжкие удары баллистических волн от прошедших боеголовок, слышно самолеты, уходящие обратно. Автору множество раз доводилось слышать их звук во время боевых работ.

Это Ан-26 с аппаратурой телеметрии спецконтроля. Самолет и аппаратура образуют приемно-регистрирующий комплекс самолетный, ПРК-С. Зачем спецконтроль выполнять с самолетов? Можно предположить, что телеметрический сигнал спецконтроля слабый, чтобы его нельзя было услышать издалека техническим средствам соседней с Камчаткой страны. Чьи хорошо оснащенные самолеты спецмодификации RC-135S точно так же участвуют в наших испытательных работах. Поэтому нашим самолетам надо быть ближе к комариному писку спецтелеметрии, чтобы его разобрать и записать.

Аппаратура спецконтроля находится и на земле, располагаясь в ближайших к боевому полю падения измерительных пунктах. И называется длинным словосочетанием «приемо-регистрирующий комплекс наземный ретрансляционный телеконтроля систем автоматики ГЧ», сокращенно ПРК-НР. Аббревиатура ГЧ (головная часть) осталась в силу традиции с тех времен, когда головная часть ракеты была моноблочной и прибывала на полигон целиком, а не разделенными боевыми блоками.

Падение боевых блоков американской межконтинентальной ракеты МХ на принимающем полигоне на атолле Кваджалейн, Маршалловы острова / © Wikimedia Commons

Спецконтроль специфичен. Иногда его аппаратура принимает спецсигнал очень короткое время, непривычно малое по сравнению с обычной телеметрией. Спецтелеметрия отличается и по сути. Поскольку все события в блоке автоматики спроектированы заранее, его контроль больше состоит не в измерениях физических величин (хотя и они присутствуют, например измерение напряжения в высоковольтной сети подрыва), а в регистрации ключевых шагов выполняемых алгоритмов.

Это напоминает укладку парашюта, разбиваемую на несколько, например восемь, этапов. Сделав этап укладки, парашютист предъявляет его инструктору. Если этап сделан правильно, инструктор кивнет и разрешит делать следующий этап укладки. Измерять здесь ничего не нужно — требуется проверка верного выполнения этапа укладки и разрешение на следующий этап. Этим и отличается собственно контроль от измерений. Спецконтроль похож на укладку: он скорее регистрирует события, а не измеряет физические величины.

Вместо заключения

В одной статье не охватить все вопросы блока автоматики, разнообразие его конструктивных схем и работы. Есть блоки автоматики без импульсного источника нейтронов; малогабаритные; и с другой спецификой. Блок автоматики может выполнять и другие действия. Он способен регулировать мощность взрыва в зарядах переменной мощности, например не подключать термоядерную ступень заряда. Тогда мощность взрыва можно понизить с полутора сотен килотонн до 10 или 5 килотонн ядерной части. И сделать это прямо в полете самолета-носителя или непосредственного носителя термоядерного заряда.

Есть своя специфика у блоков автоматики небоевых зарядов — тех, которые во множестве (почти сотня взрывов) применялись в СССР для нужд народного хозяйства. Особенности будут и у автоматики космических термоядерных зарядов, отправляемых для отклонения от Земли опасных астероидов. Любое конкретное применение ядерного взрыва будет отражаться в блоке автоматики взрывного устройства.

Современные тенденции ведут к снижению массы и размеров блока автоматики, внедрению новых технических решений и элементной базы. Вместе с развитием ядерных зарядов совершенствуются и алгоритмы управления ими, растут возможности блока автоматики и эффективность управляемого ими взрыва. Какими путями пойдет развитие этих сложных устройств, в деталях предсказать невозможно. Но базовые принципы работы блока автоматики останутся неизменными: надежность контроля и надежность работы. С любыми носителями, в любых условиях применения, для всех поставленных задач.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
Позавчера, 16:05
Мария Азарова

Также «на всякий случай» госкорпорация по космической деятельности опубликовала координаты этих «центров» в разных странах.

Позавчера, 09:41
Сергей Васильев

Если массивные планеты находятся на приличном удалении от своей звезды, они могут сохранять атмосферу и воду невероятно долго. Если они оказались выброшены из материнской системы — то дольше, чем существует Вселенная.

27 июня
Василий Парфенов

Самцы млекопитающих, в отличие от женских особей, вырабатывают половые клетки практически всю жизнь с момента полового созревания. Нарушения сперматогенеза — один из ключевых факторов мужского бесплодия. Подробное исследование его механизмов потенциально способно улучшить жизни миллионов людей. В США ученые обнаружили ранее неизвестное свойство малоизученного энзима, благодаря которому он оказался незаменим для выработки спермы.

24 июня
Александр Березин

Новое видео из зоны боевых действий показывает работу систем HIMARS — колесных пусковых установок реактивной артиллерии американского производства. Впрочем, по ряду причин они не смогут оказать заметное влияние на боевые действия. Несмотря на это, их применение может привести к серьезной эскалации конфликта в ином плане.

Позавчера, 16:05
Мария Азарова

Также «на всякий случай» госкорпорация по космической деятельности опубликовала координаты этих «центров» в разных странах.

26 июня
Мария Азарова

Эсминец, «который сражался, словно линкор» и затонул во время боя между американцами и японцами осенью 1944 года, покоится на глубине 6895 метров в Тихом океане.

24 июня
Александр Березин

Новое видео из зоны боевых действий показывает работу систем HIMARS — колесных пусковых установок реактивной артиллерии американского производства. Впрочем, по ряду причин они не смогут оказать заметное влияние на боевые действия. Несмотря на это, их применение может привести к серьезной эскалации конфликта в ином плане.

2 июня
Алиса Гаджиева

Значительная часть научного сообщества отрицает само существование культуры Ацтатлан.

7 июня
Мария Азарова

Ранее научный руководитель Института космических исследований РАН Лев Зеленый высказал опасение, что одностороннее решение включить телескоп eROSITA на обсерватории «Спектр-РГ» не самым лучшим образом повлияет на имидж России и ее ученых за рубежом.

[miniorange_social_login]

Комментарии

9 Комментариев

-
0
+
Статья реально интересная и информативная. Есть небольшое уточнение. Система предохранения и взведения не входит в состав блока автоматики. Это совершенно другая и независимая система.
v y
06.03.2022
-
3
+
лекция для вуза? интересно, но не все поймут. изъясняйся попроще.
05.03.2022
-
0
+
Требуем продолжения!
-
1
+
Очень интересно! Мне для общего развития. Давно не читал статей с таким вниманием и удовольствием! Если будет продолжение - буду очень рад! Спасибо!
-
3
+
Спасибо, Николай! Отличная статья. Вполне подойдет в качестве материала для учебного занятия в непрофильных заведениях. Или для профориентации.
    Спасибо всем за добрые отзывы. Можно было бы разобрать всё детальнее, например про влияние толщины подложки с тритием (в нейтронной трубке) на формируемый нейтронный поток, про высокочастотные элементы, коаксиальные конденсаторы, или про особенности сжатия ядерной части, с фазовыми переходами плутония, и тп. Примеры разные разобрать. Но уже и так очень много вышло по объёму, детализацию провел по минимальной глубине, иначе книжка выходит, а не статья. Упростил термины - например, СКР, систему кабельной разводки (к детонаторам) назвал просто системой кабелей - экономит слова, а суть та же. И т. п. упрощения. Всё равно вышло несколько громоздко, но сокращать дальше вроде выхолостится история... Так и опубликовали, в таком виде. Рад что понравилось.
04.03.2022
-
1
+
Как всегда великолепно!

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: