«Наука в Сибири» № 34-35 (2420-2421) 12 сентября 2003 г. ГИДРОДИНАМИКА ВЫСОКИХ ПЛОТНОСТЕЙ ЭНЕРГИИ 11-15 августа в Доме ученых СО РАН прошли заседания международного семинара «Гидродинамика высоких плотностей энергии». Организаторами семинара выступили Институт гидродинамики им. М. А. Лаврентьева и Сибирское отделение РАН. Финансовую поддержку семинару оказали учреждения-организаторы, а также Сибирское отделение Совета по горению и взрыву РАН, Российская академия ракетных и артиллерийских наук и Европейский офис Отделения аэронавтики и механики Исследовательской лаборатории армии США. Семинар проводился как одно из мероприятий Института гидродинамики, приуроченных к 70-летнему юбилею директора института академика Титова Владимира Михайловича. Е. Биченков, член Оргкомитета, Ю. Башкатов, секретарь Оргкомитета Директор ИГиЛ академик Владимир Михайлович Титов В работе семинара приняли участие около 60 ученых: 15 научных работников из 5 институтов Новосибирского научного центра, 34 иногородних специалиста из 9 научных учреждений (7 городов), 7 зарубежных ученых (США, Великобритания, Индия, Япония). Наиболее представительную делегацию прислал Федеральный ядерный центр ВНИИ экспериментальной физики (г. Саров, ранее Арзамас-16) — 15 участников. Следующая по представительству была делегация томичей — 9 человек. Работа семинара проходила в трех секциях, тематически соответствующих трем известным направлениям работ Института гидродинамики. Физика и механика МГД-течений с экстремальными потоками механической и электромагнитной энергии, генерация сверхсильных магнитных полей и мощных импульсных токов и связанные с ними вопросы рассматривались на заседаниях первой секции. Это направление исследований обычно называют магнитной кумуляцией, идея которой была независимо предложена А. Д. Сахаровым (1951 год, Арзамас-16, СССР) и К.М. Фаулером (1953 год, Лос-Аламос, США) и реализована ими же с сотрудниками. Прошедшие полвека ознаменовались исключительными достижениями в этом направлении: были получены поля до 28 миллионов гаусс, созданы генераторы токов до 300 миллионов ампер, генераторы энергии, передающие в нагрузку до 500 миллионов джоулей энергии за 10 микросекунд. Чтобы понять эти фантастические цифры переведем их в нечто более осязаемое. Так, поле 28 миллионов гаусс производит на проводники, по которым протекает ток, создающий такое поле, давление 31 миллион атмосфер — в 15 раз больше, чем давление в центре Земли, а 500 миллионов джоулей энергии содержатся в 100 килограммах боевого взрывчатого вещества! Зав.лабораторией ИГиЛ профессор Леонид Александрович Лукьянчиков, профессор Евгений Иванович Биченков (ИГиЛ) и начальник отделения ВНИИЭФ (Саров) профессор Владимир Константинович Чернышев Два доклада на первой секции представляли особенный интерес. Первый доклад «Сверхмощные взрывомагнитные источники энергии, итоги XX века, задачи начала XXI века» сделал соратник А. Сахарова профессор В. Чернышев из Арзамаса-16. Автором второго доклада — «Взгляд старого физика на достижения и перспективы в области взрывных источников энергии и магнитных полей» был патриарх и один из первооткрывателей магнитной кумуляции К. М. Фаулер из Лос-Аламоса. В. Чернышев привел впечатляющий список достигнутых им с сотрудниками параметров взрывных генераторов энергии и результатов их использования во многих областях физики и техники, начиная от запитки нейтронных источников и синхронного взрыва сотен детонаторов и кончая ускорением проводящей оболочки в четверть килограмма массой до скорости 15 километров в секунду и адиабатическим сжатием замагниченной плазмы и приближением к зажиганию термоядерной реакции в ней. Одним из замечательных достижений докладчика в последнее время стало успешное проведение моделирования электромагнитного выхода создающейся сейчас в США гигантской энергетической установки Атлас (стоимостью 43 миллиона долларов). Работа была выполнена по контракту с американцами на дисковом взрывном генераторе и по вполне приемлемой для заказчика цене. В докладе В. Чернышев специально подчеркнул, что первое сообщение о конструкции и параметрах дисковых генераторов он сделал 20 лет назад в Новосибирске на Третьей международной Мегагауссной конференции, проводившейся тогда Институтом гидродинамики и оргкомитетом под руководством В. Титова. Директор НТЦ-1 ВНИИЭФ (Саров) профессор Виктор Дмитриевич Селемир и профессор Макс Фаулер (Лос-Аламосская национальная лаборатория, США) Доклад К. Фаулера содержал обзор истории развития работ по магнитной кумуляции. Особое значение для прогресса и достижений имели, по его мнению, прямые контакты и встречи на Мегагауссных конференциях советских и американских исследователей, в налаживании и регулярном проведении которых Институт гидродинамики, его руководители и сотрудники сыграли исключительную роль. В заключение своего выступления К. Фаулер поделился своими разочарованиями и надеждами. Он разочарован, что до сих пор не оправдались надежды на успех в лайнерной имплозии DT-плазмы, что не удалось реализовать большой нейтронный выход из плотного плазменного фокуса и что всегда не хватает средств (сегодня особенно). А надежды он связывает с той же лайнерной имплозией при запитке ее от дисковых генераторов, проведением физических исследований в полях 20 мегагаусс и с использованием размыкающих ключей в установках с плотным плазменным фокусом. Анализ, приведенный в докладе руководителя работ по получению максимальных магнитных полей В. Селемира из ВНИИЭФ, приводит к выводу, что 25-30 мегагаусс представляют предел для взрывных генераторов с традиционными взрывчатыми веществами. Так как эксперименты с такими полями достаточно дороги, их стоимость должна оправдываться ценностью проводимых исследований. С большим интересом были восприняты аудиторией обзоры работ по проводимости продуктов взрыва и созданию на этой основе серии взрывных размыкающих ключей для цепей сильноточных индуктивных накопителей, представленные Л. Лукьянчиковым и П. Зубковым. Эти работы были инициированы авторами в Институте гидродинамики около 30 лет назад и открыли значительные перспективы для многих областей энергетики экстремальных мощностей. В 1979 году Е. Биченков (ИГиЛ) с сотрудниками сформулировал и реализовал принципиально новый метод ударно-волновой компрессии магнитного поля с веществом, в котором поле захватывается и усиливается потоком вещества, переходящего при ударном нагружении из непроводящего в проводящее состояние. Работы в этом направлении привели к постановке нового класса задач, в которых гидродинамические вопросы распространения ударных волн замыкаются на электродинамические проблемы генерации полей и растекания токов по границам проводящих материалов, формируемым в ударно-волновых процессах. Представленный Е. Биченковым доклад содержит анализ ряда физических эффектов, сопровождающих распространение подобного рода волн в конденсированных материалах. Интересный доклад о возможности получения импульсных магнитных полей мегегауссного диапазона в неразрушаемых квазибессиловых магнитах представил профессор Г. Шнеерсон из Санкт-Петербургского политехнического института. В докладе предложены оригинальные подходы к уравновешиванию сил, действующих на витки магнита, и найдены совершенно нетривиальные геометрические и конструктивные решения возникающих при этом проблем. Усиление магнитного поля в кумулятивных проводящих струях рассмотрено в совместной работе сотрудников ИГиЛ и МГТУ им. Н. Э. Баумана, с которой выступил на семинаре С. Федоров. Эта работа представляет собой новый пример генерирования сильных магнитных полей при совместной деформации поля и вещества. Возможность получения потока мягкого рентгеновского излучения с энергией во вспышке 10 мегаджоулей при схлопывании высокоплотного плазменного лайнера и запитке от взрывных генераторов рассмотрена в докладе коллектива исследователей из ВНИИЭФ (23 автора), представленном на семинаре В. Демидовым. Выполнение этой очень масштабной работы планируется провести в 4 этапа. В докладе представлены результаты завершенного первого этапа. В настоящей публикации нет возможности подробно остановиться на других 15 докладах, заслушанных на первой секции. Ограничимся лишь перечислением их тематики: 3 доклада были посвящены исследованию устойчивости МГД течений; в восьми докладах описывались оригинальные электродинамические установки и их ключевые элементы, в двух — компьютерное моделирование в области гидродинамики высоких плотностей энергии. В докладе Ф. Быковского из ИГиЛ обсуждался вопрос использования непрерывной спиновой детонации в МГД-системах и двигателях летательных аппаратов, доклад Л. Егорова из ВНИИЭФ содержит интересные результаты рентгенодифракционного исследования структуры ряда ударно-сжатых кристаллов. Ускорению твердых тел до высоких скоростей и поиску новых возможностей разгона были посвящены доклады, представленные на второй секции. Эти вопросы входят в состав задач, принесших известность Институту гидродинамики. Научной общественности хорошо известны газокумулятивный заряд В. Титова и цикл работ по электродинамическому ускорению, выполненных Г. Швецовым с сотрудниками. На заседаниях секции был заслушан 21 доклад, тематика которых распределилась следующим образом: в 6 докладах были рассмотрены вопросы электродинамического ускорения, еще в 6 — разгон тел в пушках, в 4 — взрывные и комбинированные методы ускорения; пять докладов относились к изучению поведения материалов при действии сильных токов, высоких температур и давлений и технологиям получения новых эрозионностойких и жаропрочных композитных материалов. Обзор Г. Швецова подвел некоторые итоги попыткам разогнать тело массой около грамма до скоростей порядка 10 км/сек в рельсовых системах с плазменным поршнем. Оказалось, абляция материала со стенок электродинамического канала приводит к радикальному изменению характера движения плазменного поршня и приводит к ограничению достигнутых скоростей разгона довольно скромной величиной около 7 км/сек. Несмотря на разочаровывающий результат со скоростью, положительным выходом этих исследований оказалось смещение научных интересов в сторону физического материаловедения и разработка новых материалов и технологий для работы при экстремальных потоках энергии, действующих на материал. Среди этих работ наибольший интерес представили работа по механохимическому синтезу материалов, стойких к высокоэнергетическим воздействиям, выполненная сотрудниками Института химии твердого тела и механохимии СО РАН и ИГиЛ и представленная О. Ломовским, и доклад группы сотрудников из ВНИИТФ (г. Снежинск), ИОФ РАН и ИХФ РАН (г. Москва), посвященный получению металлоуглеродных соединений на основе наноалмазов и нанотрубок углерода методом ударно-волнового нагружения. Проблемы разгона небольших тел в ствольных системах пушечного типа рассмотрены в докладах группы исследователей из Томска, возглавляемой Ю. Хоменко. В этих работах основные усилия направлены на форсирование процесса ввода энергии в систему как за счет повышения плотности заряжания, так и ускорения скорости горения порохов с помощью электродугового стимулирования. Работа нескольких систем двухступенчатого разгона компактных тел до скоростей ближнего космического диапазона описана в докладе В. Могилева из ВНИИЭФ (г. Саров). Их отличает прозрачность постановки проблемы, высокая газодинамическая культура постановки баллистического эксперимента и довольно невысокая стоимость при примечательных по скорости и размерам тел результатах. Интересные результаты экспериментов по групповой баллистике тел и созданию дальнодействующих газодинамических систем приведены в двух докладах Ю. Ведерникова с коллегами из Института математики СО РАН. Директор Института перспективных технологий Техасского университета (США) Гарри Фэйр и директор отделения этого же института Иан Мак-Наб С особым интересом были восприняты доклад директора основанного в 1990 году в составе Техасского университета (г. Остин) Института передовых технологий Г. Фэйра «Развитие науки и технологии по электромагнитному ускорению в Соединенных Штатах» и доклад руководителя отдела того же института И. Мак-Наба «Технические проблемы космических запусков с помощью электромагнитной рельсовой пушки». Г. Фэйр обстоятельно представил все направления работ по электромагнитному ускорению. При этом он подчеркнул, что в отличие от СССР и ныне России, где все исследования замкнулись на проблему получения первой (или второй) космической скорости на частице в 1 грамм, в США основные усилия и затраты направлены на построение систем ускорения, способных разгонять огромные массы, например, самолет при старте его с авианосца — масштабы и направления несопоставимые. Еще более эта несоизмеримость масштабов проявилась в докладе И. Мак-Наба. Здесь речь шла о проблемах вывода в космос грузов в несколько сотен, а может быть и тысяч тонн, для сборки на околоземной орбите корабля, стартующего к Марсу. Базой для такого рода ошеломляющего проекта служит простой долларовый подсчет: подъем 1 кг на шаттле обходится в 20 тысяч долларов — стоимость 1 килограмма золота. Достаточно трезвые и реалистические оценки позволяют надеяться, что для многократно используемой электродинамической пушки эти расходы окажутся в 30 раз меньше — около 600 долларов на килограмм груза. Естественно, подобного рода работа может быть осуществлена лишь в масштабах национального проекта общей стоимостью порядка 130 миллиардов долларов. В этом докладе поражает не научная или техническая идея или достижение. Поражает масштаб и объем работ, о которых серьезный ученый позволяет себе размышлять и на обдумывание деталей которых может тратить свое время и силы. Для нас в России это стало запредельной фантазией. А вот США и их граждане, кажется, извлекли большие уроки из космического соревнования с СССР и никогда не откажутся от приобретенного ими в программах «Аполлон» и «Спэйс Шаттл» опыта концентрации ресурсов всего государства и выгод получаемых нацией за счет этого. Работа третьей секции сосредоточилась на проблемах гидродинамической кумуляции, создателем теоретических основ которой был Михаил Алексеевич Лаврентьев. На секции были заслушаны 15 докладов, посвященных динамике формирования кумулятивных струй, их деформации и разрушению в полете, механике проникания в различные преграды и рассмотрению особенностей работы кумулятивных зарядов в присутствии сильных магнитных полей. По причине широкого использования кумулятивных зарядов с целью поражения боевой техники подобного рода вопросы находились и продолжают находиться под пристальным контролем органов, обеспечивающих безопасность государства, и вывод отдельных, даже чисто научных вопросов на открытое обсуждение строго дозируется. Что касается технологий, то до сих пор на открытых встречах ученых позволено говорить лишь об «отдельных выступах этого айсберга», огромное тело которого упрятано в глубинах непрозрачного океана секретности. Вопросы формирования струй из профильных облицовок совершенно нетрадиционной для кумуляции формы и получения множественного потока струй, создаваемых при взрыве одного заряда ВВ, осветил в интересном по идеям и нестандартным подходам докладе Ю. Тришин (ИГил). Обзор современных методов исследования кумулятивных струй представлен с докладе сильной научной группы из ВНИИЭФ, представленном О. Свирским. Физические аспекты растяжения и разрыва струй в свободном полете рассмотрены в докладе А. Бабкина с коллегами из Бауманского института (МГТУ, г. Москва). Влияние системы инициирования и дефектности заряда ВВ на появление нерегулярностей на фронте детонационной волны и в потоке продуктов взрыва подробно и ярко проиллюстрированы в докладе В. Соловьева и А. Козырева из того же института. Разрушение кумулятивных струй сильным импульсным током как результат проявления токовой неустойчивости струйных течений проводящей жидкости довольно всесторонне исследовано в совместной работе группы сотрудников ИГиЛ и МГТУ. Важнейшие особенности высокоскоростного пробивания очень твердых керамических материалов подробно представил в своем докладе А. Кожушко (ФТИ, г. Санкт-Петербург). Пробивание воды при взрыве кумулятивного заряда под водой рассмотрено в работе С. Ладова с коллегами (МГТУ, г. Москва). Результаты изучения зависимости струеобразования и пробивания преграды от некоторых деталей обработки материала кумулятивной выемки и его текстуры представлены в 5 докладах сотрудников Института машиностроения (г. Дзержинск) и Института прикладной физики (г. Новосибирск). Общее фото участников семинара В целом, семинар был проведен четко (в чем немалая заслуга 12 человек из технического комитета), прошел динамично и сопровождался хорошими дискуссиями и обсуждениями. Участники семинара покинули его, обогатившись новыми знаниями и идеями. Фото А. Земцова. стр. 5