Что будет, если выстрелить, двигаясь со скоростью пули
Значит ли это, что она останется на месте и никуда не полетит? На первый взгляд это может показаться глупым вопросом. Однако на самом деле это весьма интересная задача, так как ее решение может пригодиться инженерам, разрабатывающим, к примеру, хвостовые системы стрельбы для боевых самолетов, которые будут стрелять в направлении, обратном полету.
Если вы двигаетесь со скоростью пули, но в обратном направлении, очевидно, пуля никуда не полетит и просто упадет вниз. Но в реальности все немного сложнее. Во-первых, даже если пуля может лететь со скоростью 300 км/ч в обратном направлении (с точно такой же скоростью, что и вы), ей понадобится немного времени, чтобы достичь такой скорости. Таким образом, пуля не упадет сразу вниз, как только как нажать на курок.
Кроме того, стоит учесть сопротивление воздуха и то, что в случае огнестрельного оружия пуля будет вращаться. И то, и другое приведут к тому, что пуля немного отклонится от курса и не упадет ровно вниз. Смотрите видео из программы Mythbusters, в которой ведущие поставили такой эксперимент в реальных условиях!
Как делают патроны
Первые патроны, применявшиеся в XIX веке, были бумажными. В гильзу из плотной промасленной бумаги засыпался порох, а затем впрессовывалась пуля. Эти патроны позволяли заряжать и стрелять быстрее, но материалы ограничивали их надежность. Бумага отсыревала, что приводило к осечкам и необходимости перезарядки, что в бою было всегда не вовремя, а под дождем — еще и бесполезно.
Технологии металлообработки, позволявшие делать гильзы из латуни, появились примерно к 60-м годам XIX века. С тех пор патроны приобрели современный облик и их дальнейшее развитие сосредоточилось на унификации и удешевлении, ведь современным стрелкам их требуется очень много.
Благодарим за видео пользователя YouTube Gun Gun Style.
«Атомная Анюта»: первый и последний ядерный выстрел
Итогом Манхэттенского проекта стали атомные бомбы двух конструкций – пушечного и имплозивного. В бомбе пушечной схемы сверхкритическая масса создавалась буквально выстрелом одного докритического блока урана в другой. В имплозивной схеме цепная реакция запускалась прецизионным взрывным обжатием плутониевого шара. В августе 1945-го американцы применили против Японии оба типа боеприпасов. На Хиросиму был сброшен пушечный Little Boy, на Нагасаки – имплозивный Fat Man.
Имплозивная схема изначально считалась более перспективной, хоть и была технологически сложнее. Собственно, в первом в истории ядерном испытании (операция «Тринити») использовался прототип Fat Man, или «Толстяка», как у нас его обычно называют. Пушечная бомба (Little Boy был сделан из самого настоящего артиллерийского ствола) отличалась сравнительной простотой конструкцией (говорят, ряд ее параметров до сих пор засекречен, дабы не соблазнять террористов) и при этом крайне неэффективным расходом ценных расщепляющихся материалов, иначе говоря, низким КПД.
Пушка для безъядерной армии
Про пушечную схему вскоре забыли – бомб типа Little Boy произвели еще шесть штук, а вскоре их сняли с вооружения – однако произошло событие, которое оживило к ней интерес. 18 сентября 1947 года, после 40 лет существовании в составе сухопутных сил (Армия США, US Army) военно-воздушные силы (US Air Force) были выведены в отдельный вид. В эпоху, когда ракетная техника еще не получила развития и единственными носителями ядерного оружия являлись бомбардировщики, вышло так, что американская армия стала «безъядерной», что не понравилось ее командирам. Начиная с 1949 года началась разработка сухопутной артиллерийской системы, способной наносить тактические ядерные удары, и, соответственно, боеприпасов к ней.
Еще в годы Второй мировой на американцев произвело большое впечатление немецкое железнодорожное орудие K5 по прозвищу Schlanke Berta (Стройная Берта). Обладавшая калибром 280 мм гигантская пушка перевозилась на платформе, которая опиралась на две многоосные тележки (количество осей варьировалось от 4 до 6). Как бы в ответ в 1944 году США начали разрабатывать дальнобойное 240-мм орудие, а в 1949-м на основе именно этих разработок государственная компания Picatinny Arsenal, расположенная в штате Нью-Джерси, начала проектирование 280-мм пушки и ядерного боеприпаса к ней.
Орудие под кодовым названием T131 (позже M65) вошло в историю под прозвищем Atomic Annie. Откуда произошло это странное имя? Одна из гипотез возвращает нас ко Второй мировой. 22 января 1944 г. англо-американский десант высадился на Тирренское побережье Италии в районе городков Анцио и Неттуно. В ходе оборонительных боев немцы применили пару уже упомянутых K5 – и эти грозные и принесшие союзникам немало горя пушки получили в рядах американских солдат прозвище Anzio Annie (а солдаты любят называть все вокруг женскими именами, даже вражеские орудия). Память о том, как «Анюта» поливала их издалека тяжелыми снарядами, видимо, надолго осталась в сознании американских военных, так что и сверхмощную ядерную пушку они неофициально окрестили Atomic Annie.
Размер не для «толстяка»
Достаточно взглянуть на изображение американской атомной бомбы Fat Man или на первую советскую атомную бомбу РДС-1, являющуюся фактически клоном предыдущей, чтобы понять, что даже в Царь-Пушку такую конструкцию не засунуть. Поэтому при разработке боеприпаса для Atomic Annie от сферической имплозии пришлось отказаться и обратиться, как нетрудно догадаться, к той самой простой и малоэффективной пушечной схеме. Над снарядом работал инженер Picatinny Arsenal Роберт Шварц. Перед ним стояла задача не только уместить ядерную сборку в 280-мм снаряд, который создавался на базе 240-миллиметрового, но и добиться того, чтобы этот снаряд не разрушился еще в стволе от перегрузок. В частности требовалось, чтобы корпус боеприпаса был в 4000 раз прочнее корпуса атомной авиабомбы. К 1950 г. Шварцу удалось решить все проблемы, а результатом работ стал атомный снаряд W9 T-124 с тротиловым эквивалентом 15 кт. Он имел 1384 мм в длину и весил 365 кг.
В мае 1953 года на полигоне в штате Невада была произведена девятая серия испытаний ядерного оружия под кодовым названием Upshot-Knothole, в ходе которой было произведено 11 атмосферных взрывов, в том числе взрывов свободнопадающих бомб и зарядов, установленных на вышках. Гвоздем программы стало выступление Atomic Annie – ее выстрел получил кодовое имя GRABLE. При максимальной дальности стрельбы 20 миль, ядерный заряд был заброшен всего на 7 миль (примерно 11 км) и взорвался на высоте 160 м, что вызвало мощную ударную волну, переворачивавшую установленные на полигоне автомобили и ломавшую деревья. Видео сохранило кадры эффектного ядерного гриба, который появился после того, как на несколько мгновений пленка была засвечена вспышкой от взрыва. Работа пушки, которая, пожалуй, могла в одиночку уничтожить целую дивизию, произвела впечатление: она была принята на вооружение и произведена в количестве 20-ти штук.
Надо сказать, что и вся операция Upshot-Knothole произвела определенное впечатление на всю Америку. После серии атмосферных взрывов по окрестностям и по стране было разнесено немало подхваченной ветрами излучающей пыли. Радиоактивное облако долетело до штата Мэрилэнд на Восточном побережье США, а в столице – городе Вашингтон — выпал мощный град. Согласно исследованиям лаборатории ВМС США град содержал радиоактивные частицы.
Тяни-толкай
Подобно своему далекому прототипу K5, опиравшемуся на две рельсовые тележки, атомная пушка в походном положении опиралась на два автомобильных тягача – на передний (M249 4x4) и на задний (M250 4x4). Оба были оборудованы двигателями мощностью по 375 л.с. и производились компанией Kenworth Motor Truck, известной своими седельными тягачами для фур. Для стрельбы пушка спускалась с машин на землю (на это уходило 12 минут). Для возвращения в походное положение требовалось чуть больше – 15 минут. В обоих тягачах сидело по водителю, а координацию действий они поддерживали с помощью переговорного устройства.
О дислоцировании атомных орудий имеются противоречивые сведения. Какое-то количество было отправлено на передовую Холодной войны в Германию. Были сведения и о дислокации их в послевоенной Южной Корее, а также на американской базе на Окинаве. Сохранились воспоминания о том, как тяжело было перевозить гигантский «тяни-толкай» с Atomic Annie по узким улочкам немецких городов. Бывали случаи, что из-за застрявшей пушки приходилось сносить целые дома. В отставку «Анюту» отправили только в 1963 г.
Надо сказать, что на этом развитие атомной артиллерии не закончилось. Уже в 1950-х появилась технология продольной имплозии (схема Swan), которая позволила и дальше миниатюризировать ядерные заряды, умещая их в снарядах калибра 155 мм.
Стоит упомянуть и советский ответ: во второй половине 1950-х в СССР были созданы опытные образцы 420 мм миномета 2Б1 «Ока» и 406 мм пушки 2A3 «Конденсатор-2П» — обе установки были рассчитаны на ядерные боеприпасы. Но все это уже другая история, а настоящий атомный выстрел прозвучал только один раз.
Как работает атомная бомба
Взрывной характер
Ядро урана содержит 92 протона. Природный уран представляет собой в основном смесь двух изотопов: U238 (в ядре которого 146 нейтронов) и U235 (143 нейтрона), причем последнего в природном уране лишь 0,7%. Химические свойства изотопов абсолютно идентичны, потому и разделить их химическими методами невозможно, но различие в массах (235 и 238 единиц) позволяет сделать это физическими методами: смесь уранов переводят в газ (гексафторид урана), а затем прокачивают через бесчисленные пористые перегородки. Хотя изотопы урана не отличимы ни по внешнему виду, ни химически, их разделяет пропасть в свойствах ядерных характеров.
Процесс деления U238 — платный: прилетающий извне нейтрон должен принести с собой энергию — 1 МэВ или более. А U235 бескорыстен: для возбуждения и последующего распада от пришедшего нейтрона ничего не требуется, вполне достаточно его энергии связи в ядре.
При попадании нейтрона в способное к делению ядро образуется неустойчивый компаунд, но очень быстро (через 10−23−10−22 с) такое ядро разваливается на два осколка, не равных по массе и «мгновенно» (в течение 10−16−10−14 с) испускающих по два-три новых нейтрона, так что со временем может размножаться и число делящихся ядер (такая реакция называется цепной). Возможно такое только в U235, потому что жадный U238 не желает делиться от своих собственных нейтронов, энергия которых на порядок меньше 1 МэВ. Кинетическая энергия частиц — продуктов деления на много порядков превышает энергию, выделяющуюся при любом акте химической реакции, в которой состав ядер не меняется.
Критическая сборка
Продукты деления нестабильны и еще долго «приходят в себя», испуская различные излучения (в том числе нейтроны). Нейтроны, которые испускаются через значительное время (до десятков секунд) после деления, называют запаздывающими, и хотя доля их по сравнению с мгновенными мала (менее 1%), роль, которую они играют в работе ядерных установок, — важнейшая.
Продукты деления при многочисленных столкновениях с окружающими атомами отдают им свою энергию, повышая температуру. После того как в сборке с делящимся веществом появились нейтроны, мощность тепловыделения может возрастать или убывать, а параметры сборки, в которой число делений в единицу времени постоянно, называют критическими. Критичность сборки может поддерживаться и при большом, и при малом числе нейтронов (при соответственно большей или меньшей мощности тепловыделения). Тепловую мощность увеличивают, либо подкачивая в критическую сборку дополнительные нейтроны извне, либо делая сборку сверхкритичной (тогда дополнительные нейтроны поставляют все более многочисленные поколения делящихся ядер). Например, если надо повысить тепловую мощность реактора, его выводят на такой режим, когда каждое поколение мгновенных нейтронов чуть менее многочисленно, чем предыдущее, но благодаря запаздывающим нейтронам реактор едва заметно переходит критическое состояние. Тогда он не идет в разгон, а набирает мощность медленно — так, что прирост ее можно в нужный момент остановить, введя поглотители нейтронов (стержни, содержащие кадмий или бор).
Образующиеся при делении нейтроны часто пролетают мимо окружающих ядер, не вызывая повторного деления. Чем ближе к поверхности материала рожден нейтрон, тем больше у него шансов вылететь из делящегося материала и никогда не возвратиться обратно. Поэтому формой сборки, сберегающей наибольшее количество нейтронов, является шар: для данной массы вещества он имеет минимальную поверхность. Ничем не окруженный (уединенный) шар из 94% U235 без полостей внутри становится критичным при массе в 49 кг и радиусе 85 мм. Если же сборка из такого же урана представляет собой цилиндр с длиной, равной диаметру, она становится критичной при массе в 52 кг. Поверхность уменьшается и при возрастании плотности. Поэтому-то взрывное сжатие, не меняя количества делящегося материала, может приводить сборку в критическое состояние. Именно этот процесс и лежит в основе распространенной конструкции ядерного заряда.
Шаровая сборка
Но чаще всего в ядерном оружии применяют не уран, а плутоний-239. Его получают в реакторах, облучая уран-238 мощными нейтронными потоками. Плутоний стоит примерно в шесть раз дороже U235, но зато при делении ядро Pu239 испускает в среднем 2,895 нейтрона — больше, чем U235 (2,452). К тому же вероятность деления плутония выше. Все это приводит к тому, что уединенный шар Pu239 становится критичным при почти втрое меньшей массе, чем шар из урана, а главное — при меньшем радиусе, что позволяет уменьшить габариты критической сборки.
Сборка выполняется из двух тщательно подогнанных половинок в форме шарового слоя (полой внутри); она заведомо подкритична — даже для тепловых нейтронов и даже после окружения ее замедлителем. Вокруг сборки из очень точно пригнанных блоков взрывчатки монтируют заряд. Чтобы сберечь нейтроны, надо и при взрыве сохранить благородную форму шара — для этого слой взрывчатого вещества необходимо подорвать одновременно по всей его внешней поверхности, обжав сборку равномерно. Широко распространено мнение, что для этого нужно много электродетонаторов. Но так было только на заре «бомбостроения»: для срабатывания многих десятков детонаторов требовалось много энергии и немалые размеры системы инициирования. В современных зарядах применяется несколько отобранных по специальной методике, близких по характеристикам детонаторов, от которых срабатывает высокостабильная (по скорости детонации) взрывчатка в отфрезерованных в слое поликарбоната канавках (форма которых на сферической поверхности рассчитывается с применением методов геометрии Римана). Детонация со скоростью примерно 8 км/с пробежит по канавкам абсолютно равные расстояния, в один и тот же момент времени достигнет отверстий и подорвет основной заряд — одновременно во всех требуемых точках.
Взрыв вовнутрь
Направленный внутрь взрыв сдавливает сборку давлением более миллиона атмосфер. Поверхность сборки уменьшается, в плутонии почти исчезает внутренняя полость, плотность увеличивается, причем очень быстро — за десяток микросекунд сжимаемая сборка проскакивает критическое состояние на тепловых нейтронах и становится существенно сверхкритичной на нейтронах быстрых.
Через период, определяемый ничтожным временем незначительного замедления быстрых нейтронов, каждый из нового, более многочисленного их поколения добавляет производимым им делением энергию в 202 МэВ в и без того распираемое чудовищным давлением вещество сборки. В масштабах происходящих явлений прочность даже самых лучших легированных сталей столь мизерна, что никому и в голову не приходит учитывать ее при расчетах динамики взрыва. Единственное, что не дает разлететься сборке, — инерция: чтобы расширить плутониевый шар за десяток наносекунд всего на 1 см, требуется придать веществу ускорение, в десятки триллионов раз превышающее ускорение свободного падения, а это непросто.
В конце концов вещество все же разлетается, прекращается деление, но процесс на этом не завершается: энергия перераспределяется между ионизованными осколками разделившихся ядер и другими испущенными при делении частицами. Их энергия — порядка десятков и даже сотен МэВ, но только электрически нейтральные гамма-кванты больших энергий и нейтроны имеют шансы избежать взаимодействия с веществом и «ускользнуть». Заряженные же частицы быстро теряют энергию в актах столкновений и ионизаций. При этом испускается излучение — правда, уже не жесткое ядерное, а более мягкое, с энергией на три порядка меньшей, но все же более чем достаточной, чтобы выбить у атомов электроны — не только с внешних оболочек, но и вообще все. Мешанина из голых ядер, ободранных с них электронов и излучения с плотностью в граммы на кубический сантиметр (попытайтесь представить, как хорошо можно загореть под светом, приобретшим плотность алюминия!) — все то, что мгновение назад было зарядом, — приходит в некое подобие равновесия. В совсем молодом огненном шаре устанавливается температура порядка десятков миллионов градусов.
Огненный шар
Казалось бы, даже и мягкое, но двигающееся со скоростью света излучение должно оставить далеко позади вещество, которое его породило, но это не так: в холодном воздухе пробег квантов кэвных энергий составляет сантиметры, и двигаются они не по прямой, а меняя направление движения, переизлучаясь при каждом взаимодействии. Кванты ионизируют воздух, распространяются в нем, подобно вишневому соку, вылитому в стакан с водой. Это явление называют радиационной диффузией.
Молодой огненный шар взрыва мощностью в 100 кт через несколько десятков наносекунд после завершения вспышки делений имеет радиус 3 м и температуру почти 8 млн кельвинов. Но уже через 30 микросекунд его радиус составляет 18 м, правда, температура спускается ниже миллиона градусов. Шар пожирает пространство, а ионизованный воздух за его фронтом почти не двигается: передать ему значительный импульс при диффузии излучение не может. Но оно накачивает в этот воздух огромную энергию, нагревая его, и, когда энергия излучения иссякает, шар начинает расти за счет расширения горячей плазмы, распираемой изнутри тем, что раньше было зарядом. Расширяясь, подобно надуваемому пузырю, плазменная оболочка истончается. В отличие от пузыря, ее, конечно, ничто не надувает: с внутренней стороны почти не остается вещества, все оно летит от центра по инерции, но через 30 микросекунд после взрыва скорость этого полета — более 100 км/с, а гидродинамическое давление в веществе — более 150 000 атм! Стать чересчур уж тонкой оболочке не суждено, она лопается, образуя «волдыри».
Какой из механизмов передачи энергии огненного шара окружающей среде превалирует, зависит от мощности взрыва: если она велика — основную роль играет радиационная диффузия, если мала — расширение плазменного пузыря. Понятно, что возможен и промежуточный случай, когда эффективны оба механизма.
Процесс захватывает новые слои воздуха, энергии на то, чтобы ободрать все электроны с атомов, уже не хватает. Иссякает энергия ионизованного слоя и обрывков плазменного пузыря, они уже не в силах двигать перед собой огромную массу и заметно замедляются. Но то, что до взрыва было воздухом, движется, оторвавшись от шара, вбирая в себя все новые слои воздуха холодного... Начинается образование ударной волны.
Ударная волна и атомный гриб
При отрыве ударной волны от огненного шара меняются характеристики излучающего слоя и резко возрастает мощность излучения в оптической части спектра (так называемый первый максимум). Далее конкурируют процессы высвечивания и изменения прозрачности окружающего воздуха, что приводит к реализации и второго максимума, менее мощного, но значительно более длительного — настолько, что выход световой энергии больше, чем в первом максимуме.
Вблизи взрыва все окружающее испаряется, подальше — плавится, но и еще дальше, где тепловой поток уже недостаточен для плавления твердых тел, грунт, скалы, дома текут, как жидкость, под чудовищным, разрушающим все прочностные связи напором газа, раскаленного до нестерпимого для глаз сияния.
Наконец, ударная волна уходит далеко от точки взрыва, где остается рыхлое и ослабевшее, но расширившееся во много раз облако из конденсировавшихся, обратившихся в мельчайшую и очень радиоактивную пыль паров того, что побывало плазмой заряда, и того, что в свой страшный час оказалось близко к месту, от которого следовало бы держаться как можно дальше. Облако начинает подниматься вверх. Оно остывает, меняя свой цвет, «надевает» белую шапку сконденсировавшейся влаги, за ним тянется пыль с поверхности земли, образуя «ножку» того, что принято называть «атомным грибом».
Нейтронное инициирование
Внимательные читатели могут с карандашом в руках прикинуть энерговыделение при взрыве. При времени нахождения сборки в сверхкритическом состоянии порядка микросекунд, возрасте нейтронов порядка пикосекунд и коэффициенте размножения менее 2 выделяется около гигаджоуля энергии, что эквивалентно... 250 кг тротила. А где же кило- и мегатонны?
В неделящемся веществе, «отскакивая» от ядер, нейтроны передают им часть своей энергии, тем большую, чем легче (ближе им по массе) ядра. Чем в большем числе столкновений поучаствовали нейтроны, тем более они замедляются, и, наконец, приходят в тепловое равновесие с окружающим веществом — термализуются (это занимает миллисекунды). Скорость тепловых нейтронов — 2200 м/с (энергия 0,025 эВ). Нейтроны могут ускользнуть из замедлителя, захватываются его ядрами, но с замедлением их способность вступать в ядерные реакции существенно возрастает, поэтому нейтроны, которые «не потерялись», с лихвой компенсируют убыль численности.
Так, если шар делящегося вещества окружить замедлителем, многие нейтроны покинут замедлитель или будут поглощены в нем, но будут и такие, которые вернутся в шар («отразятся») и, потеряв свою энергию, с гораздо большей вероятностью вызовут акты деления. Если шар окружить слоем бериллия толщиной 25 мм, то, можно сэкономить 20 кг U235 и все равно достичь критического состояния сборки. Но за такую экономию платят временем: каждое последующее поколение нейтронов, прежде чем вызвать деление, должно сначала замедлиться. Эта задержка уменьшает число поколений нейтронов, рождающихся в единицу времени, а значит, энерговыделение затягивается. Чем меньше делящегося вещества в сборке, тем больше требуется замедлителя для развития цепной реакции, а деление идет на все более низкоэнергетичных нейтронах. В предельном случае, когда критичность достигается только на тепловых нейтронах, например – в растворе солей урана в хорошем замедлителе — воде, масса сборок – сотни граммов, но раствор просто периодически вскипает. Выделяющиеся пузырьки пара уменьшают среднюю плотность делящегося вещества, цепная реакция прекращается, а, когда пузырьки покидают жидкость — вспышка делений повторяется (если закупорить сосуд, пар разорвет его – но это будет тепловой взрыв, лишенный всех типичных «ядерных» признаков).
Дело в том, что цепь делений в сборке начинается не с одного нейтрона: в нужную микросекунду их впрыскивают в сверхкритическую сборку миллионами. В первых ядерных зарядах для этого использовались изотопные источники, расположенные в полости внутри плутониевой сборки: полоний-210 в момент сжатия соединялся с бериллием и своими альфа-частицами вызывал нейтронную эмиссию. Но все изотопные источники слабоваты (в первом американском изделии генерировалось менее миллиона нейтронов за микросекунду), а полоний уж очень скоропортящийся — всего за 138 суток снижает свою активность вдвое. Поэтому на смену изотопам пришли менее опасные (не излучающие в невключенном состоянии), а главное — излучающие более интенсивно нейтронные трубки (см. врезку): за несколько микросекунд (столько длится формируемый трубкой импульс) рождаются сотни миллионов нейтронов. А вот если она не сработает или сработает не вовремя, произойдет так называемый хлопок, или «пшик» — маломощный тепловой взрыв.
Нейтронное инициирование не только увеличивает на много порядков энерговыделение ядерного взрыва, но и дает возможность регулировать его! Понятно, что, получив боевую задачу, при постановке которой обязательно указывается мощность ядерного удара, никто не разбирает заряд, чтобы оснастить его плутониевой сборкой, оптимальной для заданной мощности. В боеприпасе с переключаемым тротиловым эквивалентом достаточно просто изменить напряжение питания нейтронной трубки. Соответственно, изменится выход нейтронов и выделение энергии (разумеется, при снижении мощности таким способом пропадает зря много дорогого плутония).
Но о необходимости регулирования энерговыделения стали задумываться много позже, а в первые послевоенные годы разговоров о снижении мощности и быть не могло. Мощнее, мощнее и еще раз мощнее! Но оказалось, что существуют ядерно-физические и гидродинамические ограничения допустимых размеров докритической сферы. Тротиловый эквивалент взрыва в сотню килотонн близок к физическому пределу для однофазных боеприпасов, в которых происходит только деление. В итоге от деления как основного источника энергии отказались, ставку сделали на реакции другого класса — синтеза.
Свежие комментарии