Термоядерный винчестер

Рисунок неизвестного сотрудника Пентагона или Министерства энергетики США (вторая половина 80-х)

   Грандиозная по своему размаху программа «Звездных войн», официально Стратегическая Оборонная Инициатива (СОИ, 1983 — 1993), запомнилась акцентом на лазерные системы оружия. Наиболее эффектным из таких проектов был несомненно рентгеновский лазер с накачкой от ядерного взрыва (NEPXL) http://extremal-mechanics.org/archives/75. Однако для отражения атаки США сотнями Советских МБР с тысячами ядерных БЧ предполагалось использовать не только лазеры. Среди интересных идей был проект «космического дробовика» Прометей http://extremal-mechanics.org/wp-content/uploads/2012/11/Fenstermacher.pdfа также другие виды направленного ядерного оружия. 

      Идея «Прометея» заключалась в следующем. Используя космический ядерный взрыв умеренной мощности 8 — 10 Кт, предлагалось часть его энергии направить в нечто вроде орудийного ствола, закупоренного металлической плитой массой 32 килограмма. В результате плита распадалась бы на миллионы крупинок, предположим 4 млн. одинаковых частиц, которые на скорости 100 км/сек преодолевали расстояние в тысячи километров за десятки секунд. Тогда при массе 8 миллиграмм кинетическая энергия каждой «дробинки» составила бы 40 КДж, что сопоставимо с энергией очереди из автомата.  Для более эффективного использования ядерной энергии предполагалось распределить ее на 10 «стволов», чтобы одновременно поражать до 10 объектов. Считалось возможным удержать угловую расходимость пучка в пределах 0.001 рад, что означало попадание одной крупинки в квадратный метр поверхности мишени на дистанции 2 000 км. Эффект от применения по хорошо защищенной боеголовке был бы незначительным. Прометей предполагалось использовать для вывода из строя слабо защищенных космических мишеней: взлетающих ракет и спутников, а также для разделения боеголовок с окружающим их облаком из ложных целей и источников помех. Задача очищения пространства вокруг тяжелой БЧ от сравнительно легкого, сопровождающего ее «мусора» имеет критическое значение для ПРО. Не составляет большого труда поразить ракетой-перехватчиком цель, которая отчетливо видна на радаре в процессе всего полета !

    На дистанции 2 000 км облако «дроби» накрывало бы площадь в 4 квадратных километра, что позволяло поражать цели, способные маневрировать с ускорением 0.5g. Ускорение a мишени при маневре должно удовлетворять условию aR/v^2>\theta, чтобы она в принципе могла увернуться от выстрела с расстояния R, где v — скорость и \theta — угловая расходимость пучка поражающих частиц. Рассматривался также вариант подметающего космос устройства, выстреливающего облако из 400 кг металлический пыли на расстояние до 5 000 км, где оно равномерно накрывало бы площадь в 20 кв. км. За счет реактивного эффекта при абляции металла (взрывное испарение), от выделения тепла в поверхностном слое при столкновении с микрочастицами на скорости ~100 км/сек, мишень с массой до 5 кг и площадью сечения не меньше 0.5 кв. м приобретала бы дополнительную скорость 0.2 м/сек. Этого достаточно, чтобы с помощью допплеровского радара надежно определять ложные цели,  демаскируя боеголовки для удара другими видами оружия.            

     В ходе ядерного теста Chamita, произведенного 17 августа 1985 в шахте на глубине 1 181 м, вольфрамовая плита массой в 1 кг была ускорена до 70 км/сек. О выходе  энергии известно, что он не превышал 20 Кт http://www.nv.doe.gov/library/publications/historical/DOENV_209_REV15.pdf. Для оружия типа «Прометей» умеренная мощность ядерного взрыва, кроме экономических соображений, важна еще с двух точек зрения. Мощный взрыв в космосе создаст значительные помехи для собственной системы ПРО (электромагнитный импульс). Кроме того он испарит частицы металла раньше, чем они отправятся навстречу своим целям. Далеко не факт, что эту проблему удалось бы решить даже для взрывов ~ 1 Кт. Интересно, что в революционном проекте космического корабля Orion http://extremal-mechanics.org/archives/305 ключевую роль играли ядерные бомбы направленного действия, которые параллельно разрабатывались в рамках военного проекта Casaba — предшественника Прометея в начале 60-х.  

   Также как и для NEPXL рассматривались два способа доставки Прометея в космос. Запуск с борта подводного ракетоносца и заблаговременное размещение на  околоземной орбите. В первом случае залп из «космического дробовика» мог не успеть прибыть на место в начальной фазе разведения боеголовок и ложных целей, чтобы вымести весь маскирующий «мусор», прежде чем облако предметов из «автобуса»  распространится до нескольких километров в поперечнике. Данный факт был обусловлен уникальной географией Советского Союза, способного запускать ракеты и разводить боевые части в глубине своей территории. Во втором случае потребовалось бы не менее 50 000 размещенных в космосе устройств, чтобы прикрыть территорию США. При этом орбитальные системы управления таким огромным арсеналом крайне уязвимы для ударов аналогичным оружием. В итоге Прометей разделил участь Экскалибура http://extremal-mechanics.org/archives/85, однако, как и в случае с NEPXL, навсегда закрывать эту тему было бы преждевременно. 

   Необходимо значительно увеличить скорость и массу поражающих частиц, чтобы подобное оружие могло эффективно уничтожать прочные и термически стойкие боеголовки МБР и БРПЛ. А также маневрирующие моноблоки, о которых много говорится применительно к «Тополю-М» http://extremal-mechanics.org/archives/142, … и которые в самом деле могут появиться на вооружении сил ядерного сдерживания различных стран. Какие еще есть методы разгона частиц вещества до ~ 1 000 км/сек и быстрее ?

    ядерные взрывы большой мощности для этого не годятся, т.к. благополучно вырваться из их горячих объятий у поражающих элементов не получится. Необходима бомба масштаба 1 — 10 Kилотонн. Еще в 60-х была изучена возможность создания термоядерного боеприпаса направленного действия, и она не осталась без внимания  разработчиков СОИ. Идея аналогична кумулятивному снаряду: фронт детонации взрывчатого вещества имеет форму конуса, который растет в сторону выстрела и сжимает коническую воронку из металла (облицовку), выдавливая из нее гиперзвуковую струю. Последняя иглой прошивает броню. Но термоядерная взрывчатка работает на 3 порядка быстрей, чем химическая. При соответствующих физических условиях фронт детонации имеет скорость 

V_f=\sqrt{32kT/3M}      

где k — постоянная Больцмана и M — средняя масса участвующих в реакции ионов  http://www.nv.doe.gov/library/publications/historical/DOENV_209_REV15.pdfПри характерной для синтеза D+T\rightarrow He^4+n температуре T\sim 10^8 K, полученная по формуле скорость впечатляет: примерно 2 000 км/сек. За счет конической формы фронта ударной волны, с углом \theta при вершине конуса, вылетающее вдоль его оси вещество разгоняется до

V_m=\frac{V_f}{\sin(\theta/2)}

Практический минимум \theta=0.2, поэтому скорость струи может быть больше 10 000 км/сек ! Однако ее угловая расходимость ~0.01 рад, что на порядок хуже Прометея. При этом давление в десятки миллиардов атмосфер, характерное для термоядерной детонации, полностью ионизирует атомы струи. В полете ионы отклоняются магнитным полем Земли, что дополнительно усложняет применение такого оружия на больших расстояниях.  

   Пробивная способность такого оружия не вызывает сомнений. Однако разогнать  ощутимое количество вещества до ~10 000 км/сек термоядерным зарядом ~10 Кт не получится. В самом деле, при такой скорости  килограмм массы имел бы кинетическую энергию, превышающую эквивалент 100 Кт тротила, а КПД термоядерного «винчестера» вряд ли превысит 1%. Сделаем оптимистическое предположение о том, что результатом полезной работы будет струя в 1 кг массы, летящая со скоростью 1 000 км/cек. Это близко к КПД в 1%, так что энергетическое воздействие будет аналогично направленному взрыву в 120 тонн ТНТ !  

   Чтобы получить эффективное, ударное средство ПРО необходимо уменьшить расходимость с ~0.01 до ~0.0001 рад. Тогда на дистанции выстрела ~100 км при ударе в мишень струя будет иметь поперечник ~10 м. Это хороший размер для того, чтобы попасть в моноблок и полностью разрушить его! За ~0.1 сек между выстрелом и поражением цель пролетит менее километра и не успеет совершить никакого маневра, потому что даже в случае рывка на 10g за 0.1 сек будет пройдено всего 0.5 метра. Поэтому задача прицелиться за ~100 км и попасть в боеголовку не выглядит особенно сложной. Но как снизить расходимость струи на 2 порядка ?!        

    На рисунке изображен эскиз устройства, которое вероятно могло бы стать доработанной версией «винчестера», способного выстрелить струей в 1 кг ионизированного металла со скоростью 1 000 км/сек. Немецкое слово hohlraum прямо указывает на генетическую близость с термоядерной бомбой в том виде, который она имеет согласно открытым сведениями о дизайне Теллера-Улама. Функция hohlraum в точности та же самая, что и в бомбе — термализация рентгеновского излучения со стенками камеры. Триггер — это первая ступень устройства (primary). Вдоль оси пушера, заполненного дейтеридом лития LiD, расположена плутониевая «свеча зажигания», которая станет супер-критичной в процессе абляционного сжатия пушера к продольной оси  (см. http://extremal-mechanics.org/archives/695 и http://extremal-mechanics.org/archives/706). Коническая облицовка видимо аналогична тому, что используется в кумулятивных снарядах, однако о деталях термоядерного устройства направленного действия не инсайдерам остается лишь догадываться. О  радиационном канале (interstage), который подводит рентгеновское излучение от триггера к пушеру, тоже нет открытой информации. Кроме той, что он заполнен полиэтиленом. Поэтому будем считать interstage устроенным так примитивно, как изображено на рисунке: просто полость между урановыми-238 стенками hohlraum-а и цилиндрическим пушером (тампером). Который с одного торца прикрыт защитным экраном, а с другого сопряжен с конической облицовкой. Возможно, что этот конус имеет более сложную внутреннюю структуру, а эффект выдавливания струи не обязательно является кумулятивным.  

    Новая идея заключается в том, что на одной оси с пушером располагается токо-проводящий цилиндр (лайнер), который играет роль соленоида. За миллисекунды перед выстрелом от конденсаторного разряда инициируется продольное магнитное поле в несколько тесла. Затем оно возрастает в сотни раз в процессе радиального сжатия лайнера. Это называется магнито-кумулятивной генерацией. Сжатие вызвано той же причиной, что и у пушера (радиационная имплозия) и определенным образом синхронизировано с ним. Во время вылета струи лайнер представляет собой трубку радиусом несколько см, заполненную магнитным полем B \sim 1 000 Тесла. Продолжительность этих событий, с момента прекращения цепной реакции в триггере до вылета струи из лайнера, составит микросекунды.

   При движения струи ионов сквозь лайнер, по аналогии с процессом синхротронной стабилизации, происходит радиальное сжатие — фокусировка. Поперечная компонента v скорости любого иона не превышает ~100 км/сек. Под действием силы Лоренца он должен описывать параллельную полю спираль с радиусом r<{mv}/{Bq}где m — масса иона и q — заряд. Из этой формулы следует, что однократно ионизированный ион будет двигаться по спирали с радиусом не больше миллиметра. Многократно ионизированные ионы описывают спирали меньших радиусов.  Естественно, что при этом происходят столкновения, возмущающие регулярное движение. Которое, впрочем, для каждой частицы быстро восстанавливается с другими параметрами спирали.    

   Если все обстоит именно так, то возможно, что существует развитие идеи термоядерного винчестера. Это было бы актуально в свете современных задач ПРО, т.к. позволяет получить средство против боеголовок, избежавших атаки кинетических перехватчиков. Действующее на дистанциях в сотни километров и не оставляющее гипотетическим, маневрирующим моноблокам никаких возможностей для того, чтобы увернуться от удара! В этом отношении такая система была бы близка к NEPXL, существенно превосходя его в эффективности разрушения цели при сопоставимых затратах ядерной энергии. Это связано с тем, что импульс пучка частиц, летящих со скоростью 1 000 км/cек, в 600 раз больше импульса пучка фотонов с той же суммарной энергией. Облако с массой 1 кг и поперечником ~10 м обрушит на каждый квадратный метр поверхности импульс ~10 000 кг*м/сек. Он эквивалентен удару 100 килограммовой болванкой на скорости 360 км/час ! Ложные цели в непосредственной близости от БЧ будут сметены. Следует также отметить, что, применительно к маневрирующим моноблокам, проблема селекции менее актуальна. Любой резвый маневр оставит в стороне облако ложных целей и полностью демаскирует боеголовку. Возможно, что внешние габариты «винчестера» не превысят 0.75 на 3 метра. Это позволяет использовать БРПЛ и МБР для вывода оружия на рубеж боевого применения, ориентировочно 250 — 500 км над Землей.  

   Однако есть проблема теплового расширения струи, которая способна легко перечеркнуть усилия по фокусировке в магнитном поле. По существу мы имеем дело со струей полностью ионизированной плазмы, которая даже при небольшой кратности ионов может иметь температуру в миллионы градусов. Тогда тепловая скорость ионов достигнет десятков километров в секунду, и она раздует до ~ 1 км струю, пролетевшую ~100 км до цели. Это соответствует оценке угловой расходимости ~0.01 рад, полученной для термоядерного винчестера в 80-х.

  Но если к моменту проникновения в лайнер плазма не успеет достичь термодинамического равновесия, то температура ионов окажется значительно меньшей. В процессе синхротронной фокусировки электроны движутся по спиралям, в процессе чего активно излучают электромагнитные волны. В гауссовой системе интенсивность излучения во всех направлениях, без учета релятивистских эффектов:

I=\frac{2e^4H^2v^2}{3m^2c^5} 

где H\sim 10^7 гаусс — напряженность магнитного поля в лайнере во время  пролета плазменной струи, e, m — заряд и масса, v — скорость кругового движения электрона. При температуре 10^7 K величина v не превышает 20 000 км/сек. За 3 микросекунды, пока струя на скорости 1 000 км/сек проходит через лайнер длиной 3 м, электрон излучает примерно 2\cdot 10^{-16} Дж. Кинетическую энергию его теплового движения E=1.5kT можно оценить тем же 2\cdot 10^{-16} Дж. Это означает, что за время движения через лайнер электрон почти полностью «остынет» и, как следствие, рекомбинирует с одним из ионов. Таким образом, при прохождении лайнера имеет место быстрое охлаждение электронов и рекомбинация плазмы. Можно предположить, что на выходе будет получена относительно холодная, хорошо коллимированная струя нейтральных атомов металла. От того, насколько она будет «холодной», зависит угловая расходимость.

     Но даже при температуре металлического газа в ~ 10 000 К расходимость больше 0.001 рад, а нам нужно ~0.0001 рад. Поэтому крайне желательно, чтобы на выходе из лайнера струя вела себя, как конденсированная среда, т.е. по существу была жидкой. В отличии от свободных электронов, в процессе спирального движения ионы излучают на много порядков менее интенсивно. От этого они заметно не «остынут». Но их температура может изначально оказаться существенно меньшей, скажем несколько десятков тысяч градусов. Поскольку магнитное поле лайнера сжимает струю к оси, можно ожидать перехода вещества в конденсированное состояние. При условии, что часть тепла действительно перейдет в энергию вращательного движения ионов по спиралям! Но насколько эти эвристические рассуждения соответствуют реальности? Требуется более серьезный анализ и, возможно, численное моделирование процесса. 

    Весьма вероятно, что идея синхротронной фокусировки струи уже рассматривалась в рамках научной программы СОИ и была найдена нежизнеспособной. В любом случае без оружия, почти мгновенно поражающего цели на дистанциях в сотни км — будь то лазеры или пучки частиц — достаточно надежную ПРО создать невозможно.   

Дмитрий Зотьев