Ядерный боеприпас не так просто привести во взрыв. Обеспечение безопасности до момента получения команды на подрыв сменяется гарантией мгновенного взрыва точно в цели. Эти, казалось бы, противоположные характеристики существуют и создаются в одном блоке, в самой защищенной части ядерного заряда. Устройство и сложная работа этого компонента подробно описаны в уникальном исследовании от Naked Science.
Ядерный заряд неизменно привлекает всеобщее внимание благодаря своей исключительной мощности. Со временем, после рассекречивания первых ядерных взрывных конструкций, устройство ядерных частей атомных бомб «Толстяк» и «Малыш» стало общеизвестным и подверглось широкому обсуждению. Подробно изучены урановые и плутониевые элементы этих бомб, а также другие компоненты ядерной сборки. В частности, рассмотрена фокусирующая система из призм взрывчатки, использующих различные скорости детонации для создания имплозии – взрыва с ударной волной, направленной внутрь. Также проанализировано количество детонаторов, конструкция и материал тампера, толкателя, источника нейтронов.
Термоядерные устройства включают в себя как «слойку Сахарова», так и схему водородной ступени Теллера-Улама, а также более современные модели, находящиеся в эксплуатации. В частности, детально описаны особенности американской термоядерной боевой части W-88, которая использует пустотелый плутониевый эллипсоид и двухточечную систему подрыва, включая строение всей боеголовки.
Существуют также способы бустинга, заключающиеся в усилении мощности ядерных зарядов посредством несильной термоядерной реакции. В результате этой реакции выделяется значительное количество нейтронов, что обеспечивает более полное деление ядерного материала и, следовательно, увеличение энергии взрыва. Для реализации данного эффекта внутрь заряда помещают несколько граммов смеси дейтерия и трития, которую можно заменять на свежую при техническом обслуживании. В нестандартных конструкциях, таких как ядерные заряды ЮАР, пористое делящееся вещество пропитывалось дейтериево-тритиевым газом.
В целом, принципы работы ядерных и термоядерных устройств хорошо известны и широко обсуждаются. Однако у заряда есть еще одна составляющая, которая обычно остается незамеченной. Эта самая скрытая часть заряда, менее известная и более закрытая, чем сама ядерная сборка. Ее можно назвать «мозгом» ядерного заряда, его нервной системой и центром управления. Именно от ее функционирования зависит, произойдет ли взрыв, и если да, то когда, где и с какой мощностью. Эта часть играет ключевую роль в детонации и не менее важна, чем сама ядерная сборка, поскольку именно она инициирует ее подрыв.
Хотя конструкция ядерного компонента и первые атомные бомбы, а также современные заряды изучены достаточно детально, устройство и принцип действия их второй, наиболее секретной части, остается засекреченным. Эту часть называют блоком автоматики.
Особенности цепной реакции
Несмотря на колоссальную мощность, ядерный взрыв – это, парадоксальным образом, весьма «хрупкое» явление, требующее высочайшего уровня согласованности всех компонентов ядерного устройства. Для запуска цепи событий необходимо крайне точное управление. Даже незначительные отклонения во времени, которые в обычной технике кажутся несущественными, могут привести к резкому снижению энерговыделения и даже к невозможности взрыва.
Основная сложность связана с особенностями цепной ядерной реакции, поскольку в ряде ситуаций она может развиваться чрезвычайно быстро, сопровождаясь значительным выделением энергии
Вспомним основные положения. После захвата нейтрона ядро делящегося материала, такого как уран-235 или плутоний-239, распадается (делится) на части. В процессе этого высвобождается несколько новых нейтронов, в среднем 2,4 на один распад. Некоторые из них вызывают деление других делящихся ядер, что приводит к выбросу дополнительных нейтронов. Этот последовательный процесс распадов и называется цепной реакцией. Образовавшиеся после деления «осколки» (атомные ядра других химических элементов) разлетаются с большой скоростью, высвобождая значительное количество тепловой энергии.
В процессе каждого деления число нейтронов, участвующих в цепной реакции, может увеличиваться. На скорость этого увеличения влияет эффективность захвата нейтронов ядрами делящегося вещества. Если только один нейтрон из образовавшихся будет захвачен ядром, то цепная реакция не получит ускорения: один нейтрон поглощается ядром и инициирует распад, а один новый нейтрон, образовавшийся в результате этого распада, спровоцирует следующий распад.
Эффективный коэффициент размножения нейтронов К определяет, насколько увеличится или уменьшится число делений при появлении новых нейтронов. Количество каждого нового поколения нейтронов в цепной реакции умножается на это значение К. В приведенном примере К равен единице. Такая величина поддерживается в ядерных энергетических реакторах, поскольку обеспечивает стабильность процесса: число делений остается постоянным. Количество теплоты, выделяемое при делениях, соответствует объему отводимого тепла из горячей зоны реактора, поскольку увеличение этого количества может привести к его разрушению.
При значениях коэффициента К, меньших единицы, цепная реакция прекращается и переходит в спонтанные деления, что позволяет остановить реактор или уменьшить его мощность. Если же К превышает единицу, то количество распадов нового поколения увеличивается во K раз. В результате этого ускорения число делений ядер возрастает очень быстро, приводя к неконтролируемой цепной реакции. Скорость этого процесса зависит от того, насколько К больше единицы.
Нейтроны, высвобождаемые при делении ядра, перемещаются со скоростью приблизительно 10 тысяч километров в секунду. До момента поглощения следующим ядром они преодолевают небольшое расстояние, что обеспечивает быстрое повторение деления. В чистом делящемся материале металлической плотности время цикла деления составит порядка стомиллионной доли секунды, в реальном материале этот интервал увеличивается. По мере сближения ядер, нейтрон быстрее переходит от одного ядра к другому, вызывая новое деление и ускоряя цепную реакцию. Таким образом, высокая плотность делящихся ядер, или плотность ядерного материала, увеличивает скорость цепной реакции и эффективный коэффициент размножения нейтронов.
Критическая масса и сверхкритические условия
Уровень К=1 определяется как критический, поскольку он разделяет быстрое затухание цепной реакции при К<1 и ее лавинообразное ускорение при К>1 – два принципиально различных состояния как самой цепной реакции, так и устройства, ее поддерживающего. В связи с этим, при К<1 условия, необходимые для протекания ядерной реакции, и состояние ядерной сборки обозначаются как докритические или подкритические. А при К>1 состояние ядерной сборки и условия, обеспечивающие лавинообразную цепную реакцию, называют надкритическими или сверхкритическими. Данные условия определяют минимальную массу делящегося вещества (критическую массу), необходимую для поддержания лавинообразной цепной реакции в данной конструкции ядерной сборки, а также геометрию делящегося вещества в докритическом и сверхкритическом состояниях.
Задача взрыва заключается в переходе ядерной сборки из докритического состояния в сверхкритическое, характеризующееся определенным значением коэффициента K, и запуске лавинообразной цепной реакции деления, сопровождающейся выделением значительной энергии. Однако, быстрота развития цепной реакции и интенсивное энерговыделение, упомянутые ранее, существенно затрудняют выполнение этой задачи. Также, спонтанные деления ядерного материала, приводящие к образованию нейтронов, создают дополнительные сложности. В докритическом состоянии ядерная сборка заряда, эти нейтроны (в уране их количество невелико, в плутонии – больше) не способны инициировать цепную реакцию. Они либо покидают делящийся материал через его поверхность, либо поглощаются другими веществами, не вызывая проблем.
Перевод ядерной сборки в сверхкритическое состояние происходит не моментально, этот процесс требует времени, хотя и крайне небольшого. Быстрая скорость цепной реакции и значительное выделение энергии начинают влиять на переход ядерной сборки в сверхкритическое состояние. Спонтанно генерируемые нейтроны начинают вызывать деления, не доводя сборку до заданного значения коэффициента K. Деления, вызванные ими, приводят к выбросу огромного количества тепла, которое разрушает как сверхкритические условия (из-за теплового расширения ядерного материала), так и само устройство. Цепная реакция завершается на начальных этапах, не высвободив даже нескольких тонн энергии, эквивалентной взрыву тротила.
Решение этой проблемы сводится к двум основным аспектам. Прежде всего, необходимо обеспечить быстрое достижение ядерной сборкой сверхкритического состояния с заданным значением K>1, превышающим скорость размножения спонтанных нейтронов. Это позволит поддерживать ядерную сборку в сверхкритическом состоянии в течение определенного периода.
В противном случае, дожидаясь увеличения числа нейтронов за счет спонтанных делений, произойдет повторение разрушения устройства из-за раннего начала энерговыделения. Необходимо сразу же ввести в сверхкритическую сборку значительное количество нейтронов, чтобы обеспечить быстрое и интенсивное размножение нейтронов. Это должно быть сделано точно в заданный момент времени, чтобы волна нейтронов охватила весь ядерный материал и вызвала в нем масштабную цепную реакцию с высвобождением энергии порядка десятков килотонн.
Для достижения первого этапа – перехода сборки в сверхкритическое состояние – использовали скорость химического взрыва. Октоген, обладающий скоростью детонации, превышающей 9 километров в секунду, равномерно сжимает ядерную часть, размеры которой составляют дециметры. Сближение краев происходит с взаимной скоростью 18 километров в секунду, и этот процесс сжатия занимает менее десяти миллионных долей секунды. Делящиеся ядра сближаются, что сокращает время нейтронного цикла и увеличивает коэффициент воспроизводства. Для обеспечения равномерного сжатия взрывом (иначе перекос ударной волны приведет к разрушению сборки) требуется высокая точность запуска детонации. Инициирующие импульсы тока должны достигать всех взрывателей одновременно.
Для решения второй задачи применяется специализированное устройство, которое обеспечивает мощный импульс нейтронов, необходимый для начала цепной реакции в широком масштабе. Это устройство известно как импульсный нейтронный источник или импульсный нейтронный инициатор. В контексте ядерного заряда эти термины взаимозаменяемы, поскольку нейтронный импульс запускает взрыв. Первые нейтронные источники были недостаточно совершенны, но тем не менее позволяли инициировать ядерный взрыв. В дальнейшем они были усовершенствованы и стали ускорителями, генерирующими ядерную реакцию синтеза дейтерия и трития, сопровождающуюся выделением большого количества нейтронов. Действительно, мы привыкли к тому, что для детонации водородной бомбы используется «ядерный запал». И, что весьма парадоксально, для «запала» ядерного заряда применяется реакция водородного синтеза.
Блок автоматики выполняет функции управления и осуществления взрывных работ
Для достижения энерговыделения в десятки килотонн требуются точно рассчитанные и оперативно выполненные действия. Блок автоматики заряда координирует и выполняет последовательность необходимых событий, выступая в роли главного регулятора. При этом, вышеописанное представляет собой лишь малую часть его обширного функционала.
Блок автоматики представляет собой компактную конструкцию, содержащую большое количество механических, электрических и электронных устройств, соединенных между собой. Для упрощения сборки и контроля отдельных подсистем устройства объединяются в модули. Блок автоматики всегда располагается в непосредственной близости к ядерной сборке, соединен с ней кабельной сетью и интегрирован в ядерное взрывное устройство. При этом, это не обязательно является ядерным боеприпасом; в СССР, например, ядерные взрывные устройства широко применялись в народном хозяйстве.
Внешний вид блока автоматики на ранних этапах развития представлял собой небольшую бочку, затем его форма менялась на большую кастрюлю или коробку, что обуславливало различия в размерах и массе. Изначально эти блоки весили около центнера, однако впоследствии их вес снизился до 30 килограммов, продолжая уменьшаться пропорционально габаритам. Используются как унифицированные блоки автоматики, так и разработанные специально для определенных типов зарядов.
В основе функционирования любого блока автоматики лежат два ключевых принципа: обеспечение надежного хода к взрыву и управление процессом
Реализация этих принципов осуществляется посредством действий, этапов и алгоритмов, которые выполняют подсистемы блока автоматики. Они обеспечивают многоуровневую защиту, приводят заряд в состояния возрастающей готовности к взрыву, генерируют основную команду на подрыв и осуществляют сложный взрыв заряда.
Система подрыва и нейтронного инициирования
Как мы уже обсуждали, инициирование детонации связано с переходом ядерной сборки в сверхкритическое состояние. Это достигается путем повышения компактности ядерного материала: путем объединения разделенных частей делящегося вещества в единый блок, либо путем трансформации тонкого полого эллипсоида переменной толщины в компактное тело, как это реализовано в боеголовке W-88. Альтернативный метод – сближение атомов ядерного материала с одновременным увеличением его плотности посредством обжатия, вызванного взрывом (имплозией), и подрывом внешних слоев взрывчатки.
Их детонация инициируется одновременно в нескольких точках (от 2 до 32 в различных схемах) взрывателями, работающими с высокой степенью синхронности. Для запуска детонаторов подается мощный высоковольтный импульс тока посредством системы кабелей. Зачем используется высоковольтное напряжение? Это необходимо для защиты детонаторов от воздействия статического электричества и помех в кабелях. В специальных детонаторах имплозионной системы отсутствует чувствительное инициирующее взрывчатое вещество (азид свинца), которое обычно запускает детонацию вторичного взрывчатого вещества и обеспечивает выход фронта детонации из взрывателя в основной заряд. Отсутствие инициирующего вещества повышает безопасность детонатора, но требует для его активации значительно большей энергии. Эта энергия подается мощным высоковольтным импульсом тока, равномерно распределяемым между детонаторами.
Генератор подрывного импульса тока представляет собой сложное устройство, состоящее из множества компонентов. В его состав входят специальные высоковольтные конденсаторы с очень большой емкостью, коммутирующие импульсные разрядники, мощный транзистор и высоковольтный выпрямительный столб, а также высоковольтные соединительные элементы. Из-за высокой скорости и мощности импульса, а также в целях обеспечения компактности, предъявляются требования к малоиндуктивности генератора и его компонентов, которые реализуются с помощью специальных конструктивных и технических решений.
После формирования начального импульса тока активируется электрическая линия задержки. Она задерживает выдачу импульса нейтронов, обеспечивая его появление в нужный момент времени, когда ядерный материал достигнет сверхкритического состояния с требуемым значением эффективного коэффициента размножения нейтронов в процессе имплозии.
Первые источники нейтронов импульсного типа были неуправляемыми и состояли из небольшого шарика, расположенного в центре ядерной сборки. Внутри него преградой разделялись полоний и бериллий. Ядерная реакция, приводящая к испусканию нейтронов, инициировалась механическим перемешиванием при имплозии, без возможности выбора точного момента срабатывания. Использование внешних импульсных нейтронных источников позволило упростить конструкцию ядерного заряда, но, главное, значительно повысило эффективность деления ядерного материала. Уже первые внешние импульсные нейтронные источники были управляемыми и обеспечивали формирование импульса заданной интенсивности и длительности в оптимальный момент времени. Это привело к увеличению энергии взрыва более чем на 50%, что демонстрирует значимость блока автоматики и его функциональные возможности.
Первые поколения внешних импульсных нейтронных источников представляли собой однокаскадные линейные ускорители. Электромагнитное поле разгоняло ионы дейтерия (ядра) до энергии в 120 килоэлектронвольт, что гарантировало преодоление кулоновского отталкивания и обеспечение достаточной энергии для начала реакции (100 килоэлектронвольт). Ядра дейтерия сталкиваются с мишенью, содержащей ядра трития, что приводит к ядерной реакции дейтерий + тритий, в результате которой образуется гелий и высвобождаются нейтроны. Это позволяет создать мощный нейтронный поток — нейтронный импульс, состоящий из десятков триллионов нейтронов и более, который поступает в сверхкритическую ядерную сборку за короткий промежуток времени. Устройство представляет собой вакуумную трубку, в которой источник ядер дейтерия – проволока, содержащая дейтерий и разрушающаяся под воздействием нагрева. Именно поэтому оно получило название нейтронной трубки. Она является наиболее сложной и значимой частью блока автоматики.
Для функционирования импульсного нейтронного источника требуются высоковольтные компоненты: импульсный трансформатор, конденсаторы большой емкости и высоковольтные коммутирующие устройства. Энерговыделение взрыва можно увеличить, формируя нейтронный импульс определенной формы. Эта форма задается специальными элементами в блоке нейтронной трубки. Конструкция нейтронных источников последующих поколений имеет свои отличия, однако их работа основана на одних и тех же принципах: генерация нейтронного потока с необходимой интенсивностью, длительностью и формой, с точной синхронизацией во времени.
Система предохранения и взведения
Обычный боеприпас, например, снаряд от автоматической авиационной пушки, не предназначен для взрыва ни при хранении, ни во время подачи в ленту, ни в стволе орудия, ни сразу после вылета из него. В ходе выстрела и полета боеприпаса последовательно снимаются предохранители, последнее из которых происходит через несколько сотен метров от дула. Этот процесс, называемый дальним взведением, предотвращает детонацию снаряда на борту самолета, в стволе орудия и в непосредственной близости от воздушного судна.
Особенно это актуально для ядерного боеприпаса. Он не способен к взрыву ни в процессе эксплуатации, ни в момент отделения от носителя. Ядерный заряд не спровоцирует ядерный взрыв в любых аварийных ситуациях. Даже если его уронить с большой высоты на скалы, поместить в доменную печь, обстрелять из любого оружия, окружить взрывчаткой и инициировать взрыв, или произойдет близкий взрыв другого ядерного заряда.
Система предохранения и взведения гарантирует взрывобезопасность заряда. Она предотвращает случайный или преждевременный подрыв, а также взрыв, вызванный ложными данными, несанкционированными действиями или другими нештатными ситуациями. Эта же система обеспечивает перевод заряда в состояние повышенной готовности непосредственно перед срабатыванием и входит в состав блока автоматики.
Ядерный заряд переходит в состояние полной готовности к взрыву непосредственно перед его началом
Для защиты и взведения заряда в блоке автоматики применяются комплексы разнообразных коммутационных устройств, таких как электромагнитные реле различных типов и электромагнитные выключатели. Эти устройства формируют сложные электрические цепи, которые могут быть включены и отключены. Помимо коммутационных устройств, в состав электромеханических приборов автоматики входят и другие элементы. Не все из них располагаются непосредственно в блоке автоматики.
На поверхности тела располагаются глаза и рецепторы осязания человека. Вкусовые и слуховые рецепторы, находясь внутри тела, связаны с внешней средой посредством ротовой полости или слухового канала. Мышечные рецепторы не имеют контакта с окружающей средой. Информация от всех рецепторов направляется в мозг, где она обрабатывается и на ее основе принимаются решения.
Аналогичным образом функционирует и система взведения. В блок автоматики, являющийся «мозгом» ядерного заряда, поступают данные от множества приборов и датчиков. Обрабатывая полученную информацию, система взведения применяет алгоритмы, обеспечивающие повышение готовности заряда к детонации.
Концевые выключатели располагаются на поверхности элемента, содержащего ядерный заряд. При размыкании контактов и извлечении чеков в блок управления поступает сигнал, подтверждающий отделение носителя от стартовой площадки, самолета-носителя, плавучей установки или подводной лодки.
Другие приборы реагируют на характеристики окружающей среды, в которой перемещается носитель, и измеряют их. В случае использования крылатой или баллистической ракеты применяются манометрические, барометрические или аэродинамические датчики. Манометрические датчики формируют сигнал при достижении определенной разницы между наружным статическим давлением и давлением в камере, расположенной внутри прибора, что позволяет определить достижение заданной высоты. Барометрические датчики фиксируют величину наружного статического давления воздуха. Аэродинамические датчики активируются при достижении заданной разницы между статическим и полным давлением, возникающей из-за напора воздуха при движении носителя с определенной скоростью. Сигналы, поступающие от датчиков, инициируют включение или выключение электрических цепей в блоке автоматики.
После отрыва ракеты от пусковой установки, сигнал концевого выключателя деактивирует одну из защитных блокировок. Однако, если ракета не достигла заданной высоты или не набрала необходимую скорость, автоматический блок не снимит предохранитель ступени. В этом случае, взрыв не произойдет, вне зависимости от дальнейшего развития событий и падения ракеты.
Гидроприборы функционируют аналогичным образом, когда ядерный заряд находится в торпеде. Гидростатические приборы чувствительны к заданному статическому давлению морской воды, а гидродинамические датчики определяют разницу между полным и статическим давлением воды во время движения торпеды.
Существуют также группы приборов, не зависящие от окружающей среды, аналогичные мышечным рецепторам, расположенным внутри человеческого тела. К ним относятся датчики линейных ускорений и инерционные включатели, которые при достижении контрольных значений перегрузки по трем осям активируют или деактивируют электрические цепи блока автоматики. Кроме того, имеются временные приборы, которые переключают электрические цепи после истечения установленного периода.
Функционирование этих каналов и линий формирует детализированную, насыщенную и логичную структуру, состоящую из значений различных независимых физических параметров, временных интервалов и происшествий, которые достигаются и происходят во время нормальной работы носителя заряда. Только при корректном прохождении этих последовательностей система защиты и взведения поэтапно увеличивает готовность взрыва. И немедленно сбрасывает ее при существенных отклонениях фактических событий от заданного сценария работы носителя.
Кто нажмет на спусковой крючок
Этапы перемещения носителем завершены, и он находится вплотную к цели. Все меры безопасности отменены, и взрыв может произойти в любой момент. Кто даст команду на подрыв?
Пусковая система, также известная как исполнительная система подрыва, отвечает за формирование основной команды на подрыв заряда. Эта команда выдается блоком автоматики и его системой подрыва заряда. Именно главная команда инициирует процесс подрыва, что и обуславливает название системы как пусковой. Ее называют исполнительной, поскольку после достижения цели и выполнения главного условия подрыва происходит только непосредственное выполнение подрыва, и больше никаких действий
Логические блоки, формирующие главную команду, частично интегрированы в блок автоматики. Подсистемы исполнительных датчиков расположены как снаружи блока автоматики, так и на поверхности и внутри носителя.
Исполнительные датчики организованы в иерархическую структуру и основаны на различных физических принципах, что роднит их с датчиками системы предохранения и взведения. Разнообразие схем и конструктивных решений пусковых систем сопоставимо с количеством вариантов исполнения ядерных зарядов. Рассмотрим, к примеру, боеголовку баллистической ракеты. Обычно ее цель находится в пространстве на высоте 500–800 метров над поверхностью Земли. Взрыв, высвобождающий энергию в сотни килотонн, нанесет максимальный ущерб на поверхности, если произойдет на оптимальной высоте, определяемой мощностью заряда. Предусмотрена возможность подрыва на поверхности земли для поражения укрепленных подземных объектов.
Система инициирования заряда боеголовки включает в себя несколько сегментов, ключевым из которых является бесконтактный инерциальный. В конструкции боеголовки предусмотрен инерциальный блок, содержащий акселерометры – датчики, непрерывно фиксирующие ускорения по трем осям, расположенным перпендикулярно друг к другу в пространстве. На основе интегрирования данных об ускорении определяются текущие скорости по этим же осям, что позволяет вычислить пространственную скорость боеголовки. Интегрирование скоростей обеспечивает определение пространственных координат боеголовки, его траектории и положения относительно цели. Эту функцию выполняет бортовая инерциальная навигационная система боеголовки.
Боеголовка редко попадает точно в цель, поскольку на ее движение всегда влияет погрешность, отклонение от заданной траектории. Поэтому цель заменяют пространством вокруг нее — сферой или цилиндром. После того как инерциальная система зафиксирует попадание боеголовки в целевое пространство, она передаст информацию пусковой системе, которая немедленно выдаст команду на подрыв заряда.
При наземном взрыве активируется контактный сегмент пусковой системы, включающий ударные датчики, основанные на различных физических принципах. Это датчики ускорения, фиксирующие ударное увеличение перегрузки, а также другие приборы. Пусковая система гарантированно осуществит подрыв заряда вне зависимости от скорости столкновения с поверхностью. Независимо от угла падения на препятствие и ориентации боеголовки в момент соприкосновения.
Боеголовка также оборудована радиовзрывателями, которые активируются на определенной высоте. Эти взрыватели функционируют последовательно, разделяя контрольные высоты на диапазоны. Радиовзрыватели составляют третий компонент системы запуска заряда боеголовки.
Адаптивные системы подрыва начали применяться с 1980-х годов XX века. Они позволяют выбрать оптимальный момент взрыва, корректируя его в соответствии с реальной траекторией полета. Инерциальный блок фиксирует ускорения и на их основе определяет фактическую траекторию, по которой вычисляется дальнейшая. На основании этой информации рассчитывается ближайшая к цели точка, в которой будет минимальный промах, и прогнозируется время, когда боеголовка достигнет ее. В этот момент и будет произведен взрыв заряда, что обеспечит наименьший возможный промах с учетом сложившейся траектории.
Заряд находится в состоянии полной готовности к взрыву в непосредственной близости от цели. После получения основной команды на подрыв, взрыв произойдет незамедлительно. Боеголовка, движущаяся со скоростью пули снайперской винтовки, сместится в пространстве на расстояние, равное толщине человеческого волоса, когда в ее заряде будет запущен, разовьется и завершится весь комплекс ядерных реакций, высвободив указанную на этикетке мощность.
Важным аспектом повествования является выбор элементов, из которых оно состоит
Автоматика функционирует в сложных условиях. Когда она размещена в боеголовке межконтинентальной ракеты, то во время снижения в атмосфере подвергается воздействию перегрузок, достигающих десятков g. Еще большие перегрузки, измеряемые тысячами g, испытывает автоматика, используемая в ядерных артиллерийских снарядах. Сверхзвуковое обтекание боеголовки приводит к сильным вибрациям, характеризующимся переменной частотой и амплитудой. Аналогичное воздействие наблюдается при работе ступеней ракеты, особенно при использовании твердотопливных двигателей.
В сложившихся обстоятельствах все компоненты блока автоматики должны функционировать без отклонений в параметрах, неисправностей контактов, задержек и других негативных факторов. Поэтому при разработке элементов блока автоматики учитываются особенности условий эксплуатации. Их долговечность проверяется с использованием вибростендов с широким диапазоном колебаний, перегрузочных центрифуг и ударных стендов.
Для повышения устойчивости к значительным перегрузкам и вибрациям, блоки и узлы автоматики заполняются специальными составами. Это пенопласты, применяемые для низковольтных узлов, и полимеризующиеся компаунды, используемые для заливки высоковольтных узлов с высокими электрическими градиентами. Полимерные составы также выполняют функцию силового крепежа, распределяя нагрузку от точек крепления к силовому каркасу.
При проектировании особое внимание уделяется способности автоматики сохранять работоспособность под воздействием излучений, возникающих при ядерном взрыве, включая потоки нейтронов и гамма-излучение, а также в условиях сильных внешних электромагнитных полей. Такое воздействие вызывает необратимые изменения в полупроводниковых материалах, из которых изготовлены транзисторы и диоды. Интенсивное ионизирующее излучение изменяет характеристики изоляции кабелей высоковольтной системы, высоковольтных конденсаторов и других компонентов.
Для оценки устойчивости к радиации компонентов блока автоматики, начиная с этапа их разработки, проводились испытания, включающие воздействие прямого взрыва. В частности, на Семипалатинском ядерном полигоне в период с 1961 по 1962 год осуществлялись ядерные взрывы с целью изучения влияния излучения на ядерный заряд и блок автоматики. Среди этих испытаний были ФО-10 (физический опыт, проведенный в подземной штольне), ФО-12-1 и ФО-12-2, которые позволили получить ценные сведения о радиационной стойкости компонентов блока автоматики и их функционировании в условиях излучения, характерного для реальных ядерных взрывов.
Контроль контролера, или Что такое спецконтроль
Блок автоматики заряда обладает дополнительной системой управления. Все описанные ранее функции поступают на вход блока автоматики с единственным выходом – к ядерной сборке. Однако, сам блок автоматики представляет собой сложную техническую систему и нуждается в контроле. Проверяется ли его корректная работа, какие состояния последовательно занимают его блоки, подсистемы, электрические цепи и компоненты?
В процессе испытаний баллистических ракет функциональность блока автоматики в боеголовках проверяется без использования ядерного заряда. Вместо него устанавливается объемно-массовый аналог, обладающий аналогичными детонаторами, но не содержащий имплозионной взрывчатки и делящегося материала. Во время летных испытаний блок автоматики функционирует в условиях, максимально приближенных к реальным: воздействие перегрузок, вибраций и теплового режима. Необходимо точно отслеживать работу блока в полете и сопоставлять ее с расчетными значениями, чтобы выявить возможные отклонения или подтвердить, что блок успешно выполнил все поставленные перед ним задачи.
Специальный контроль, или спецконтроль, представляет собой проверку работы блока автоматики заряда. Она осуществляется с использованием телеметрии, принципы которой уже говорили. Телеметрию блока автоматики также называют телеметрией спецконтроля или спецтелеметрией. Она собирает и фиксирует данные о заключительном этапе полета боеголовки, характеризующемся интенсивной работой блока автоматики и выполнением основной команды.
На измерительных пунктах принимающего полигона на Камчатке после тридцатиминутной готовности к старту обычно уже прекращается движение. Все участники боевой работы занимают свои позиции: на центральном посту, в аппаратных, на крыше технического здания у фототеодолитов, и на других объектах. Следующая готовность — двадцатиминутная. Вскоре после ее объявления в небе раздается гул турбовинтовых двигателей. Самолеты спецтелеметрии, вылетевшие из Ключей, достигают района барражирования. Когда завершится зрелищная последовательность падения, и по местности пройдут финальные мощные удары баллистических волн от прошедших боеголовок, слышно самолеты, возвращающиеся обратно. Автору неоднократно доводилось слышать их звук во время боевых работ.
Это Ан-26, оснащенный оборудованием для телеметрического контроля. Самолет и данное оборудование вместе составляют самолетный приемно-регистрирующий комплекс, ПРК-С. Зачем телеметрический контроль осуществляется с самолетов? Вероятно, сигнал спецконтроля недостаточно силен, чтобы его можно было перехватить на расстоянии с использованием технических средств, имеющихся у соседней с Камчаткой страны. Наши испытательные работы также включают в себя самолеты спецмодификации RC-135S, принадлежащие другим государствам и оснащенные передовым оборудованием. Поэтому нашим самолетам необходимо приближаться к источнику спецтелеметрии, чтобы иметь возможность ее расшифровать и зафиксировать.
Аппаратура спецконтроля размещается на земле в измерительных пунктах, расположенных вблизи зоны падения боевых частей. Она обозначается как «приемо-регистрирующий комплекс наземный ретрансляционный телеконтроля систем автоматики ГЧ», что сокращается до ПРК-НР. Сокращение ГЧ (головная часть) сохранилось по традиции, уходящей корнями во времена, когда головная часть ракеты представляла собой моноблок и доставлялась на полигон целиком, а не состояла из разделенных боевых блоков.
Спецконтроль обладает специфическими особенностями. Иногда его оборудование фиксирует спецсигнал в течение очень короткого периода, что значительно меньше, чем при обычной телеметрии. Спецтелеметрия также отличается по содержанию. Поскольку все события в блоке автоматики запрограммированы, его контроль в большей степени заключается не в измерениях физических параметров (хотя они и выполняются, например, измерение напряжения в высоковольтной сети подрыва), а в регистрации ключевых этапов работы алгоритмов.
Это похоже на процесс укладки парашюта, который состоит из нескольких, скажем, восьми этапов. После завершения каждого этапа парашютист демонстрирует его инструктору. При условии корректного выполнения этапа, инструктор подтверждает это кивком и дает разрешение на переход к следующему. Здесь нет необходимости в измерениях — требуется лишь подтверждение правильности выполненного этапа и разрешение на продолжение. Именно это и отличает контроль от измерений. Специальный контроль, подобно укладке парашюта, фиксирует события, а не измеряет физические величины.
Вместо заключения
В рамках одной статьи невозможно всесторонне рассмотреть вопросы, связанные с блоком автоматики, учитывая разнообразие его конструктивных схем и принципов работы. Существуют блоки автоматики, не использующие импульсный источник нейтронов, компактные модели, а также блоки со своей спецификой. Блок автоматики может выполнять и другие функции, в частности, регулировать мощность взрыва в зарядах переменной мощности, например, исключая активацию термоядерной ступени заряда. Это позволяет снизить мощность взрыва ядерной части с полутора сотен килотонн до 10 или 5 килотонн. И выполнить это непосредственно в полете самолета-носителя или непосредственно перед применением термоядерного заряда.
Блоки автоматики для небоевых зарядов имеют свои характерные черты, особенно если учитывать их широкое применение в народном хозяйстве СССР (было осуществлено почти сотню взрывов). Аналогичные особенности будут присущи и автоматике космических термоядерных зарядов, предназначенных для отклонения от траектории опасных астероидов. Конкретная цель использования ядерного взрыва всегда находит отражение в конструкции блока автоматики взрывного устройства.
Современные тенденции характеризуются уменьшением массы и габаритов блока автоматики, а также внедрением инновационных технических решений и компонентов. Параллельно с развитием ядерных зарядов совершенствуются алгоритмы их управления, расширяются возможности блока автоматики и повышается эффективность управляемого взрыва. Точное предсказание направлений развития этих сложных устройств невозможно, однако базовые принципы их работы останутся неизменными: обеспечение надежного контроля и гарантированная работоспособность. Это справедливо для любых носителей, в любых условиях эксплуатации и для решения всех поставленных задач.