Ваша ваха – хардсайфай!

ТУПОЙ, БЛДЖАД, ХУЙ! НАХУЯ ЕМУ МЕЛЬТА, БЛДЖАД, НУ НАХУЯ??? ОН ЧТО, БЛЯТЬ, НА ТАНКИ НАБИГАТЬ БУДЕТ??? ИЛИ ОН, БЛДЖАД, СВАРЩИК??? БУДЕТ ПО ПОЛЮ БОЯ БЕГАТЬ, БЛДЖАД, И РИНАМ С ЛЕНДРЕЙДЕРАМИ ДВЕРИ НА МЕСТО СТАВИТЬ??? – Дредноут-сварщик, Нервный вахаёб

      Мельта-ружьё (низ. гот. meltagun) — основной вид переносного противотанкового оружия применяемый имперской гвардией. Из-за крайне скудного описания от ГВ в книжках оно то становится плазменным дробовиком, то сверхмощной горелкой, то вообще микроволновым излучателем. В данной статье будет рассмотрена попытка реализации мельтагана на основе плазменного варианта.

Цель

      Сразу оговорюсь, что в реальности (да и в самой вахе тоже) обычная ракета с кумулятивной боевой частью даст сто очков вперёд любой мельте. В цене и простоте конструкции уж точно. Однако, здесь будет не сравнение ракета vs мельта, а именно филиал очумелых ручек. В качестве цели будет основной боевой танк «Леман Русс», который будет необходимо пробить с 30 метров в борт.

Немного о физике плазмы

      Тот первый фантаст, кто решил запихнуть это новомодное словечко в разряд пехотного оружия, подложил огромную свинью всему дальнейшему жанру научной фантастики. Плеватели горячего газа стали прочно ассоциироваться с высокими технологиями и огромной огневой мощью. Так ли это? Вообще нет. Абсолютно нет. Хотите поражать цель кинетической энергией? Берите химию, рельсу, гаусс. Тонкая игла отлично пробьёт преграду. Это суровый реал подкалиберных снарядов танков и БМП. Хотите устроить взрыв? Берите метатели гранат или ракет. Тоже наша реальность. Хотите проплавлять? Лазер доставит энергию с минимумом потерь со скоростью света. Очень, очень хочется именно плазмой жечь? Берите импульсный лазер и генерируйте плазму прямо у цели. Почему же не рекомендуется генерировать плазму в винтовке и метать? Сейчас рассмотрим.       Плазма — это ничто иное, как горячий газ, а значит, подчиняется законам термодинамики. Сгусток плазмы будет расширятся в среде пока не достигнет внутреннего давления, равного внешнему. В земных условиях — это атмосферное давление. А так как плазма по умолчанию горячее воздуха, её плотность тоже будет значительно меньше. Тут остаётся два варианта: либо доставлять плазму, пока она не расширилась (импульсные винтовки тау), либо свыкаться с мыслью о крайне низкой плотности энергии, компенсируя постоянным потоком. Разумеется, есть ещё вариант создания шаровой молнии или, иначе говоря, плазмоида. Это является нетривиальной технической проблемой и будет рассмотрено в главе, посвящённой «истинным» плазмаганам Империума.       Также сразу подчеркну, что если в описании оружия сказано, что энергия «столь интенсивна, что превращает снаряд в плазму», значит, конструкторы жидко обосрались. Достаточно привести в пример щит Уиппла из реального мира, который значительно ослабляет пробивную способность космического мусора как раз за счёт превращения его в плазму от удара по первому тонкому слою брони. http://i173.photobucket.com/albums/w45/l_mathiesen/serious/WhippleShield.jpg             

Общее устройство

      Итак, начнём есть кактус. Известны следующие характеристики мельтагана. Масса: 8 кг, длина около 750 мм, внешний диаметр ствола 90 мм, диаметр реакционной камеры до 120-150 мм, длина канала ствола 280-400 мм.       В первую очередь разберёмся с источником энергии этого продукта сумрачного имперского гения. Бэк даёт два варианта: 1. Двухкомпонентное самовозгорающееся (sic!) термоядерное топливо. 2. Некий газ в субмолекулярном состоянии. Что же может предложить реальный мир по этим вариантам?       Во-первых, термоядерные реакции практически все невозможны без чудовищного давления или температуры. Исключением является лишь сверхплотный дейтерий [1]. Также возможен катализ антиматерией[2]. И, наконец, относительно лёгкий дизайн термоядерного ракетного двигателя основан на магнитном обжатии металлического цилиндра вокруг топливного плазмоида[3].       В качестве же магического «субмолекулярного газа» можно принять метастабильный гелий [4]. Он как раз легко «поджигается», стоит прогреть металлический порошок (стабилен в металлической форме) до 600К.       По причине простоты и меньшей плотности энергий в первую очередь рассмотрим мельту на основе метастабильного гелия. При переходе гелия из возбуждённого состояния освобождается энергия 0.48 ГДж/кг. В зависимости от концентрации метастабильного гелия в его молекулярной металлической форме, скорость движения частиц составит от 22 км/с до 44 км/с, соответственно 50% и 100%. Возьмём 30 км/с.       Для того, чтобы данную реакцию направить в сторону противника, нужно применить хорошо знакомый ракетостроителям метод. А именно сопло Лаваля. Учитывая чудовищные энергии, используем постоянные магниты для формирования «стенок». Из [5] получаем формулу для коэффициента расширения при удержании плазмы, которое для случая плазмообразования на оси катушки должно быть равно 0,4. K=Eп/Eм=12*pi**Еп*R^3/µ0*µd^2 = 12*pi**Еп*R^3/µ0*(I*S)^2 = 12*pi**Еп*R^3/µ0*(I*pi*R^2)^2= 12*Еп/µ0*R*I^2= 12*Еп/µ0*R*(2*R*B/µ0)^2 = 6*Еп*µ0/ R^3*B^2       Современные [8] сверхпроводящие соленоиды имеют образцы со следующими характеристиками: Коэффициент соленоида 37,3 мTл/A Внутренний диаметр обмотки 52 мм Внешний диаметр обмотки 144 мм Высота обмотки 160 мм Диаметр рабочего отверстия 45 мм Максимальное магнитное поле 8,5 Tл       Что даёт Еп=R^3*B^2*0.4/µ0*6=0,4*0,0225^3*8,5^2/6*1,25*10^-6 = 43,875 Дж. Это энергия плазмы, которую магнитная система удерживает в течение времени прохода камеры сгорания. Для данного соленоида это время будет равно 0,16/30000= 5,3 мкс. Это даёт мощность потока плазмы 8,2 МВт. Неплохо, не правда ли? Геометрически до попадания в расширяющийся ствол плазма будет выглядеть как шнур диаметром 18 мм. Это даёт объём 40,7 см^3. Отмечу, что в том же источнике указывается возможность довести магнитное поле до 20 Тл, что означает ещё большую выходную мощность.       Используя методики по облегчению конструкции, аналогичные в [9], можно получить массу камеры сгорания, сопла, систему поджига и криогенной системы в 4,8 кг. Топлива в виде металлического метастабильного гелия понадобится 20 грамм на один выстрел. 100 грамм на пять импульсов, не требующих особых условий. Совмещаем с криогенной канистрой в 1,3 кг(см. далее). Ещё 1,7 килограмма отдаётся на корпус, из которых 360 граммов на ствол. Всё, разумеется, экранируется как от внутренних, так и от внешних излучений.

Огневая мощь

      Используем гидродинамическую модель из симулятора Children of the Dead Earth https://sun9-20.userapi.com/impg/PTzXxVmmH4tKPfLcDAIFkIDk0wil5UR863qs5w/BSjxexYAzXw.jpg?size=1917x874&quality=96&proxy=1&sign=f76a504eff36182cb7cfcc42772f91ab&type=album Примечание: модель вместо магнитного поля использует материальные стенки, что ведёт к перегреву конструкции. Как видно, давление быстро падает при выходе плазмы из камеры сгорания. Уже в считанных сантиметрах оно достигает атмосферного, после чего поток сжимается внешними силами в тонкую однонаправленную струю. Диаметр струи будет равен 2,44 см. Мощность тяги составит 9 МВт и при силе отдачи в 610 Н. Для её уменьшения можно использовать реактивную силу сбрасываемого отработанного хладагента камеры сгорания.       Одномоментно в плазменном в шнуре в камере сгорания будет находится n=PV/kT = 869*10^3*40*10^-6/ 1,38*10^-23*103700= 2,5*10^19 ионов. Температура порядком 100000 К, что соответствует 8,62 эВ. Она соответствует фотонам с длиной волны 143 нм. Масса будет составлять 16,6*10^-8 кг. Это даёт плотность 16,6*10^-8/40,7*10^-6=0,004 кг/м^3. Проверка: ρ=mi*P/kT= 6,64*10^-27*869*10^3/ 1,38*10^-23*103700=0,04*10^-1=0,004 кг/м^3 Для сравнения, плотность воздуха равна 1,27 кг/м^3. На выходе плотность будет равна ρ=mi*P/kT=6,64*10^-27*94.7*10^3/1,38*10^-23*42700=0,01067*10^-1=0,00107 кг/м^3       Несмотря на отсутствие контакта с со стенками, теплоперенос имеется. Он производится в форме излучения[10].       Тормозное излучение плазменного жгута будет иметь мощность 1,69*10^-25*Z^2*ne*ni*√Te[эВ] = 1,69*10^-25*4* 2,5*10^19*5*10^19*2.93 = 61,89*10^13 эрг/с = 61,89 МВт.       Рекомбинационное излучение плазменного жгута будет иметь мощность 5*10-24*Z^4*ne*ni/√Te[эВ] = 5*10^-25*16* 2,5*10^19*5*10^19/2.93= 341*10^14 эрг/с = 3,41 ГВт.       На первый взгляд огромные цифры. Однако при уменьшении напряженности магнитного поля в камере, для расширения плазмы до объёмов аналогичных соплу, её температура начинает резко падать. (см. аналогию с соплом выше) при достижении 43000 К излучение будет укладываться в рабочий диапазон современных диэлектрических зеркал. Такие зеркала на основе оксида титана имеют предел фотонного повреждения 129 ТВт/м^2. Площадь внутренней поверхности соленоида будет равна 2,54*10^-4 м^2. Что даёт возможность выдержать поток 32,766 ГВт, при коэффициенте отражения 99,999 %. Мощность лишнего тепла составит 34 кВт. Для её поглощения достаточно испарения 0,252 литров жидкого азота (0,201 кг) для 1,2 секундного импульса. Пять таких выстрелов потребуют 1,26 литров Используя аналогию с современными сосудами Дьюара (http://www.cryotrade.ru/dewars_rt.html) можно предположить массу ячеек с хладагентом в 1,3 кг. Она совмещена с топливным картриджем на 100 грамм металлического метастабильного гелия.       Также следует обратить внимание на то, что максимальная энергия, которая может высветиться из плазменного жгута, находящегося одномоментно в камере сгорания, составит 1,6*10^-19*5*10^19*(8,62+(24,568+54,417)/2)= 384 Дж. Она определяется энергией электронов и энергией полной ионизации атома гелия. При мощности потерь 3,471 ГВт (а она на самом деле будет падать при снижении температуры), понадобится 110 нс для полной нейтрализации. За это время излучение пройдёт оптический путь в 33 метра. Длины пробега тормозного и рекомбинационного излучения в плазме равны l = 2.5*10^37*Те^3,5/ne[на 1 см^3]*ni*Z^2= 40*1880*2,5*10^37/2,5*5*10^38*4 = 9,4 см. Что говорит о быстром поглощении излучения плазмой, приводя к возникновению стационарной системы.       Практически сразу после выхода из зеркального участка камеры сгорания рекомбинационное излучение вызывает высвечивание плазмы. Электроны вновь захватываются ядрами, превращая поток в пучок нейтральных частиц. Как ни странно, это не сказывается на скорости движения самого потока, а лишь уменьшает его внутреннюю энергию. Однако, следует помнить, что при охлаждении плазма становится плотнее, интенсивность потерь падает при уменьшении прозрачности. Максимальная энергия, которую она таким образом может излучить за 1-секундный импульс, составит 1,6*10^-19*5*10^19*(8,62+(24,568+54,417)/2)*24*10^-3/ 16,6*10^-6= 556*10^3 Дж= 556 кДж. Возьмём 201 грамм отработанного азота с начальной температурой 77 К. Доведя его до 1500 К можно сбросить 288 кДж. Используем графитовый ствол с вольфрамовым каркасом. Для разогрева ствола до 2000 К остатком энергии его масса должна быть 111,6 грамм. Возьмём 360 граммов с запасом, для возможности полного поглощения энергии высвечивания нескольких выстрелов, охлаждение которого будет проходить за счёт азота и теплообмена со средой. При длине ствола 280 мм и диаметре 90 мм получим площадь 0,079 м^2. Эквивалентная толщина стенки(без полостей) должна составлять 2 мм. Вполне входит в габариты. Увеличим эквивалентную толщину за счёт длины. Внутренне ствол будет иметь множество трубок для азота, которые у среза открываются в виде множества сопел. Скорость истечения азота будет равна v=√(3*k*T/m)= √(3*1,38*10^-24*1500/2,32*10^-26)=√2676*10^2=517 м/с. Это позволит создать максимальную тягу в F= 2*W/v=480000/514=933 Н. Впрочем, ожидать, скорее, стоит тяги на уровне 300 - 400 Н, которая, тем не менее, позволит уменьшить отдачу на 50 — 66%.       Падение температуры будет наблюдаться на порядок, что приведёт к уменьшению диаметра луча в 2,155 раз. Площадь поперечного сечения уменьшится в 4,64 раза. Плотность также возрастёт на порядок. [14]При движении плазменной струи в воздухе со скоростью v скорость проникновения в среду u будет давать следующее отношение (u/(v-u)) = √(плотность струи/плотность воздуха). u=v/(√(ρв/ρс))=v/(√(1,27/0,0107))=v/10,89=v*0,0917=2753 м/с При первом приближении можно говорить, что из-за возникновения фронта сжатия и торможения в головной части струи, набегающий сзади поток будет увеличивать давление, что, в свою очередь, приведёт к расширению поперечного сечения потока. S1=S0*(V1/V0)^2/3=S0*((1+√(ρс/ρв))^2/3= 0.0056^2*pi*((1+√(1,27/0,0107))^2/3= 0.0056^2*pi*5,21=0.00051 м^2. При этом динамическое давление струи будет равно Pдин= Pд= ρс*v^2/2= 4,81 МПа или 48 атмосфер. Диаметр головного участка потока составит 2,5 см.       В первом приближении можно считать потери как плотность звуковой энергии в сжатом объёме. w=ρ*v^2/2+β*P^2/2= =ρ*v^2/2+(1/ρ*vзв^2)*P^2/2= 60,96* 2753^2/2+(1/60,96*355^2)*4,81^2*10^12 = 224 МДж/м^3. Объём сжимаемого воздуха равен 0.00051*30= 0,0153 м^3. Итоговая энергия потерь будет равна 3,42 МДж. Это значение даст максимальную дальность стрельбы в 30*10,8/3,42= 93,6 метров.       Как говорилось выше. Целью для данного оружия будет танк “Леман Рус” в бортовой проекции. Толщина бортовой брони составляет 150 мм. Конечно, возникает вопрос из чего он сделан. В бэке упоминается ферросталь и пласталь. Первое, скорее всего, подразумевает малоуглеродистую сталь (высокая мягкость, не лучший вариант для брони), второе же должно иметь лучшие качества стали и пластика одновременно. Удивительно, но такие вещества действительно есть. Это так называемые аморфные металлы или металлические стёкла. Они имеют очень высокую твёрдость, прочность и вязкость(превышает показатели стали почти на порядок). Дорогие, конечно, заразы, но у нас сороковое тысячелетие как-никак. Возьмём полуторный стальной эквивалент.       Так как динамическое давление будет равно Pд= ρс*v^2/2= 4.81 МПа (48 атмосферы), нельзя рассматривать пробитие брони из приведённой выше формулы. В качестве модели повреждений можно рассмотреть прямой перенос тепловой энергии. Наиболее близко на него будет похоже облучение лазером. Используем тот же калькулятор, который применялся к лазгану. При диаметре пятна 2,5 см (увеличение площади см. выше) и мощности пучка 9 МВт для пробития 225 мм стальной брони потребуется 0,79 секунды. Для уверенности пробития проверим огонь мельты по цельной графитовой плите толщиной 150 мм. Для её преодоления понадобится 1,07 секунды. Для нанотрубок такой же толщины данное значение составит 0,916 секунды. Заброневое воздействие будет представлено теплом, ударной волной и ускоренными потоком каплями расплава. Приведённый выше импульс длиной 1,2 секунды взят с запасом для преодоления 3,42 МДж потерь в воздухе и большей гарантии пробития при «гулянии» пятна.

О термояде замолвим словечко

      Работа данной схемы целиком и полностью опирается на возможность крайне высокого КПД открытых систем. Электростанция и ракетный двигатель одной мощности различаются по массе на несколько порядков. К сожалению, для большинства термоядерных реакций как раз электростанция и нужна. Ну или бомба.       Как было сказано выше, есть три варианта, наиболее близкие к данным требованиям. На самом деле годятся лишь два. Сверхплотный дейтерий, будет подаваться в микроскопических дозах в окружении водорода, маломощный лазер зажжет топливную пилюлю, которая нагреет рабочее тело до той же скорости истечения в 30 км/с. Проблема у сверхплотного дейтерия будет. Причём существенная. Из-за очень высокой плотности, есть ненулевая вероятность начала термоядерной реакции самопроизвольно.       Второй вариант — катализ антиматерией. Топливная таблетка опять же разогреет рабочее тело и т. д. Как отмечается в [16], проблема возникает из-за сечения реакции антипротонов и продуктов реакции. Для наиболее эффективного поджига требуется обжатие изделия, что создаёт дополнительные конструкционные трудности в создании мельта-ружья. В качестве системы хранения антипротонов возможно использовать левитирующие в электростатическом поле сферы из антиводородного льда. http://www.projectrho.com/public_html/rocket/images/enginelist/antimatterDrivenSail04.jpg По применению антиматерии как системы поджига синтеза, так и непосредственно источника энергии можно здесь: https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20200001904/downloads/20200001904.pdf

Итог

      Как ни странно, но мельта-оружие возможно воплотить в железе. Критической частью установки будет являться диэлектрическое зеркало камеры сгорания и короткого сопла. При его повреждении начнётся нагрев сверхпроводящих катушек с последующим выходом оружия из строя. Системой предохранения разрушения катушки может являться дополнительный объём жидкого азота, и предохранители блокирующие систему поджига, до исчезновения сверхпроводимости. Так же придётся иметь дело с криогенными системами. Расходным газом будет являться жидкий азот, который, впрочем, можно легко получить на любой землеподобной планете. Современные установки массой 324 кг могут обеспечить мельтаган рабочим телом за полчаса работы. http://www.cryotrade.ru/uploads/documents/cryomech/cryomech_lnp60.pdf http://www.cryotrade.ru/nplants_lnp.html Разумеется, при наличии высокотемпературных сверхпроводников становится проще. Хотя существуют проекты двигателей, создающих метастабильный гелий на месте, в случае Имперской Гвардии он, скорее всего, будет производиться на соответствующих заводах. Или на кораблях на орбите.       Стрелок получает такие негативные эффекты как: отдача, эквивалентная удержанию 20-30 кг на весу, необходимость удерживать пучок на участке попадания в течении 1 секунды, ослепляющее сияние пучка, раскалённый ствол(защищает от самых вредных излучений), струящиеся потоки реактивного тормоза из этого ствола.       В целом, намного проще и дешевле применять реактивные гранатомёты, что замечательно демонстрируется современными армиями. Однако, следует добавить, что наличие активной защиты на бронетехнике делает мельту более осмысленной. Выстрелу пламенеющей плазмы не могут помешать ни "Афганит", ни "Трофи", ни AMAP ADS. Список литературы: 1. Friedwardt Winterberg, «Ultradense Deuterium», https://arxiv.org/abs/0912.5414 2. Raymond A. Lewis, Kirby Meyer,Gerald A. Smith and Steven D. Howe, «AIMStar: Antimatter Initiated Microfusion ForPre-cursor Interstellar Missions» Laboratory for Elementary Particle Science, Department of PhysicsThe Pennsylvania State University, University Park 3. Nuclear Propulsion based on Inductively Driven Liner Compression of Fusion Plasmoids. J. Slough and D. Kirtley. AIAA Aerospace Sciences (2011). 4. Robert H. Frisbee «METASTABLE HELIUM» http://web.archive.org/web/20040804131304/http://www.islandone.org/APC/Chemical/07.html 5. Ryosuke KAWASHIMA, Taichi MORITA , Naoji YAMAMOTO , Naoya SAITO, Shinsuke FUJIOKA, Hiroaki NISHIMURA, Hiraku MATSUKUMA, Atsushi SUNAHARA,Yoshitaka MORI, Tomoyuki JOHZAKI5) and Hideki NAKASHIMA, «The Measurement of Plasma Structure in a Magnetic Thrust Chamber» Department of Advanced Energy Engineering Science, Kyushu University, 6-1 Kasuga-Koen, Kasuga, Fukuoka 816-8580, Japan 6. А.В.Багров, М.А.Смирнов, С.А.Смирнов «МЕЖЗВЕЗДНЫЕ КОРАБЛИ С МАГНИТНЫМ ЗЕРКАЛОМ», АКАДЕМИИ НАУК СССР КОМИССИЯ ПО РАЗРАБОТКЕ НАУЧНОГО НАСЛЕДИЯ К.Э. ЦИОЛКОВСКОГО, ГОСУДАРСТВНЫЙ МУЗЕЙ ИСТОРИИ КОСМОНАВТИКИ им. К.Э. ЦИОЛКОВСКОГО ТРУДЫ ДВАДЦАТЫХ ЧТЕНИЙ К.Э.ЦИОЛКОВСКОГО, Калуга, Секция "Проблемы ракетной и космической техники", 1985 г. 7. Агапов, Д. К Донец, В. М. Дробин, К А. Куликов, X. Маяииовски, Р. В. Пивин, А. В. Смирнов, Ю. В. Прокофьичев, Г. В. Трубников, «СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ЭКРАН ДНЯ СОЛЕНОИДА СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ» Объединенный институт ядерных исследований, Дубна 8. Костров Евгений Александрович «КРИОМАГНИТНЫЕ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ ВТСП И КРИОРЕФРИЖЕРАТОРОВ ЗАМКНУТОГО ЦИКЛА ДЛЯ ФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ», автореферат, Москва, 2010 9. «К ВОПРОСУ О ХАРАКТЕРИСТИКАХ ТЕРМОЯДЕРНОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ (ТЯРД)» http://go2starss.narod.ru/pub/E028_WJ.html 10. И.А. Котельников, Г.В. Ступаков, «Лекции по физике плазмы», Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию, Новосибирский государственный университет. 11. Князев Б.А. Низкотемпературная плазма и газовый разряд: Учебное пособие / Новосибирский государственный университет, Новосибирск, 2003, 290с. 12. Dehn, J. (1987). A unified theory of penetration. International Journal of Impact Engineering, 5(1-4), 239–248. doi:10.1016/0734-743x(87)90041-8 13. Ron Portz and Corin Segal, «Penetration of Gaseous Jets In Supersonic Flows», University of Florida, Gainesville, Florida 32611 DOI: 10.2514/1.23541 14. William J. Flis, «A Jet Penetration Model Incorporating Effects of Compressibility and Target Strength», DE Technologies, Inc., 100 Queens Drive, King of Prussia, PA 19406, USA 15. Dr. Steven D. Howe and Dr. Gerald P. Jackson “NIAC Phase I Progress ReportAntimatter Driven Sail for Deep Space Missions Final Report for Phase I”, Hbar Technologies, LLC 16. Andre Gsponer and Jean-Pierre Hurn “Antimatter induced fusion and thermonuclear explosions” Independent Scientific Research InstituteBox 30, CH-1211 Geneva-12, Switzerland