К вопросу о законе сохранения энергии

Суета вокруг гидрида (часть первая)

В молодости автор отзыва увлекался спелеотуризмом (Горный Алтай, 1979г)

Эта моя статья была недавно опубликована на сайте Информационного агентства ОРУЖИЕ РОССИИ. Ее появление было вызвано необходимостью публичного ответа на появление в некоторых средствах массовой информации статей, в которых обсуждаются фантастические, если говорить мягко, способы или устройства, значительно повышающие могущество различных боеприпасов.

Ниже приведена точная копия этой публикации. Надеюсь, что кому-нибудь из моих редких читателей этот текст будет интересен.

К вопросу о законе сохранения энергии,
или что нужно делать некоторым изобретателям боеприпасов повышенного могущества, чтобы не заниматься публикацией своих разработок в открытой иностранной печати

В интернет-издании информационного агентства «ОРУЖИЕ РОССИИ» в разделе «Аналитика/Наука» 30.04.2014г. опубликована статья обозревателя этого агентства Г.Будлянского «Взрывающийся» металл, который в разы мощнее тротила». В ней изложено содержание обращения в редакцию изобретателя из города Воронеж А.И.Голодяева, в котором описываются предлагаемые им взрывные устройства, способные во много («…от 30 до 300…») раз увеличить мощность боеприпасов фугасного действия. Эти фантастические значения роста могущества средств поражения не являются рекордными. В заключительной части заметки сообщается, что при использовании более совершенных, с точки зрения А.И.Голодяева, конструкций «…при КПД 100%...» может быть достигнуто превышение мощности взрыва тротила в 7000 раз!

В качестве материала, «обеспечивающего» беспрецедентные значения обещаемой мощности боеприпасов, изобретатель предлагает использовать гидриды бериллия, алюминия или его сплавов, именуемые им «взрывным материалом». В процессе своего применения эти материалы должны быть подвергнуты импульсному нагреву, в результате которого должно произойти их разложение на атомарные составляющие, которые затем взрывоподобно расширяются в окружающую среду. При расчете объема расширения продуктов разложения А.И.Голодяев делает предположения об их температуре в начальный момент - от 10 до 30 тысяч градусов. Хотя возможность достижения таких температур никак не обоснована, это позволяет при расчете процесса расширения показать преимущество применения гидрида в качестве заряда различных боеприпасов вместо обычного ВВ.

В первой части статьи описаны примеры уже получивших патентную защиту конструкций взрывных устройств. В этих примерах предполагается, что нагрев гидрида до заявленной температуры будет осуществлен при помощи дополнительных зарядов из обычного ВВ, такого как тротил, без использования промежуточных устройств, осуществляющих преобразование энергии взрыва в ее другие формы.

Понятно, что если при взрывном испарении какого-либо материала атомы или молекулы продуктов разложения в химических реакциях или атомных реакциях деления или синтеза не участвуют, то тепловой энергии, кроме как полученной от заряда дополнительного ВВ, в процессе не возникает. Следовательно, продукты испарения этого материала не смогут иметь энергии больше, чем было получено от постороннего источника. В процессе передачи энергии взрыва в тепловую энергию «взрывающегося» металла часть ее неизбежно будет потеряна. Поэтому в случае замены гидридом части ВВ заряда любого средства поражения его мощность может только уменьшиться.

Однако, из любопытства, сделаем оценку параметров дополнительного заряда ВВ, применение которого потребуется для нагрева продуктов разложения гидрида до указанных температур.

Для этого рассмотрим процесс передачи энергии взрыва элементу заданной формы из гидрида при метании его продуктами детонации заряда ВВ. Предположим, что в момент метания изменение температуры гидрида (за счет его сжимаемости) незначительно, а вся полученная им кинетическая энергия преобразуется в тепловую энергию его компонентов. При этом обсуждать возможность получения требуемого уровня температуры не будем.

Из результатов рассмотрения газодинамических задач процесса метания взрывом оболочек заряда ВВ известно, что плоский заряд ВВ передает в кинетическую энергию движения пластины, лежащей на его поверхности, не более 35% своей энергии. Это максимальное значение может быть достигнуто при стремлении ширины и длины заряда к бесконечности и соотношении масс ВВ и пластины ~ 2.53 [1].

У имеющих конечные размеры взрывных устройств, обеспечивающих направленное метание оболочки, возникают дополнительные потери энергии взрыва за счет разлета части продуктов детонации в направлениях, отличных от направления метания. Из-за этого величина коэффициента использования энергии взрыва снижается и может составить ~ 10%. Следовательно, для того, чтобы передать метаемому элементу из гидрида кинетическую энергию, достаточную для его нагрева до заданной температуры, необходимо применить дополнительный заряд из обычного ВВ, общая энергия взрыва которого превышает требуемую примерно на порядок. Дальнейшее преобразование кинетической энергии в тепловую может быть произведено, например, в момент соударения с твердой преградой или с двигающимся на встречу таким же материалом. Пример такой конструкции приведен в статье, как иллюстрация применения «сферической имплозии взрыва».

Для определения массы такого дополнительного заряда ВВ оценим величину энергии, которая потребуется для нагрева гидрида до указанной температуры продуктов разложения ~104 К. В качестве «взрывного материала» для примера возьмем предлагаемый в патенте РФ № 2438097 «Бронебойный боеприпас» тетрагидридроборат бериллия - Ве(ВН4)2. Оценку сделаем с учетом следующих упрощений:

• величиной энергии, необходимой для испарения материала пренебрегаем,
• нагреву подвергаются отдельные компоненты состава,
• величина теплоемкости компонентов с ростом температуры не изменяется.

Это дает возможность определить, что для нагрева одного килограмма Ве(ВН4)2 до температуры 104 К потребуется не менее 70 МДж тепловой энергии¹⁾. Следовательно, при величине коэффициента использования энергии взрыва ~ 10% энергия взрыва дополнительного заряда из обычного ВВ должна быть не менее 700 МДж. При изготовлении дополнительного заряда из тротила, удельная энергия взрыва которого составляет ~ 4.3 МДж/кг [2], потребуется заряд с массой примерно 160 кг. Применение более мощных взрывчатых составов на основе гексогена или октогена, удельная энергия взрыва которых находится в пределах 5.5 – 5.8 МДж/кг [2], позволит немного уменьшить массу заряда (примерно до 120 кг).

Это дает основания для оценки массы дополнительного заряда ВВ в разных средствах поражения, увеличение параметров фугасного действия которых декларируется в патентных описаниях, автором которых является А.И.Голодяев. Результаты оценки, приведенные в табл.1, показывают, что требуемая для обеспечения их работы масса дополнительных зарядов значительно превосходит общую массу устройства, которое предлагается усовершенствовать применением «взрывающегося» материала, который «в разы мощнее тротила». При этом масса дополнительного заряда примерно в 2 раза больше величины прогнозируемого тротилового эквивалента.

Таким образом, видно, что конструкции взрывных устройств, в которых нагрев продуктов разложения гидрида до заявленной температуры предполагается осуществить при помощи дополнительных зарядов ВВ без применения промежуточных устройств для преобразования энергии взрыва в ее другие формы, практически нереализуемы. Это, в частности, должно было при рассмотрении описаний заявок на эти патенты в ФИПС стать обоснованием несоответствия их критерию патентоспособности, известному как «промышленная применимость» (п.1 ст.4 «Патентного закона Российской Федерации» от 23.09.1992 № 3517-1)²⁾.

Таблица 1 – Оценка массы дополнительного заряда ВВ, энергии которого хватит для нагрева продуктов разложения гидрида до температуры ~ 104 K во взрывных устройствах, описанных в патентах А.И.Голодяева. 

Наименование патента. Номер патента.	Масса гидрида в заряде взрывного устройства. Приведенная в патенте авторская оценка эффекта в тротиловом эквиваленте (условном ВВ).	Оценка массы дополнительного заряда ВВ
«Бронебойный боеприпас». Патент РФ № 2438097.	0.1 кг Ве(ВН4)2 в гранате гранатомета АГС 30, имеющей общую массу 0.275 кг Эффект:  8 кг условного ВВ.	16 кг тротила (12 кг гексогена).
«Ручная граната Голодяева» Патент РФ № 2467281.	0.2 кг Ве(ВН4)2 в ручной гранате общей массой 0.6 кг. Эффект:  16 кг условного ВВ.	32 кг тротила (24 кг гексогена)
«Устройство из гидрида металла для боеприпасов». Патент РФ № 2463283.	1.25 т Ве(ВН4)2 в авиационной бомбе общей массой 1.5 т. Эффект:  >100 т условного ВВ.	200 тонн тротила (150 т гексогена)

Во второй части статьи, пересказывающей сообщение А.И.Голодяева, описываются предлагаемые им технические решения, в которых для разогрева детали из гидрида до требуемых температур используется процесс прохождения через нее импульса электрического тока, вырабатываемого взрывомагнитным генератором (ВМГ). Отмечается, что он считает этот способ «наиболее приемлемым и реализуемым». В качестве обоснования возможности применения ВМГ для этих целей указывается, что: «Наиболее мощные из них (имеется ввиду ВМГ) вырабатывают энергию, которой достаточно для мгновенного превращения 1000 кг тетрагидробората алюминия - Al(ВН4)3 в низкотемпературную (20000 К) плазму.» Для иллюстрации абсурдности такого утверждения оценим массо-габаритные характеристики такого ВМГ.

Как  было  показано  выше,  для  нагрева продуктов разложения  одного  килограмма Ве(ВН4)2 до 10000 0К потребуется не менее 70 МДж тепловой энергии. Следовательно достижение температуры 20000 К для Al(ВН4)3, по характеристикам теплоемкости близкому к Ве(ВН4)2, потребует энергии примерно в два раза больше, а именно 140 МДж. В процессе срабатывания ВМГ на активную нагрузку, которой в данном случае будет являться элемент из гидрида, в нем в виде тепла выделяется примерно половина энергии импульса тока [3, 5], которая поэтому должна будет составлять примерно 280 МДж. Значение коэффициента преобразования энергии взрыва собственного заряда ВВ ВМГ в энергию импульса электрического тока для наиболее совершенных ВМГ составляет примерно 20% [4, 5]. Поэтому энергия взрыва заряда ВМГ, импульс электрического тока которого будет способен нагреть продукты разложения одного килограмма гидрида до температуры 20000 К, должна быть не менее 1.4 ГДж. При увеличении массы гидрида до указанных в статье 1000 кг энергия заряда ВВ ВМГ также должна быть увеличена примерно в тысячу раз – до 1400 ГДж.

Так как энергия взрыва составов на основе гексогена или октогена лежит в диапазоне 5.6 – 5.9 МДж/кг, то масса заряда ВВ у этого гипотетического ВМГ должна будет составить примерно 250 тонн. Масса дополнительных устройств (типа батареи высоковольтных конденсаторов), создающих в электроцепи ВМГ начальный импульс тока, увеличиваемый в процессе его работы до требуемых значений, примерно равна массе ВМГ [4, 5]. Поэтому общая масса такого ВМГ («…наиболее мощного из них…» - по определению А.И.Голодяева) может составить примерно 500-600 тонн. Для перевозки такого груза потребуется не менее десяти универсальных железнодорожных платформ.

Абсурдность возможности создания такого ВМГ очевидна³⁾.

В завершении отзыва на указанную статью хочется высказать три замечания, первое из которых вызвано ссылкой А.И.Голодяева на событие, произошедшее в небе над Челябинском 15 февраля 2013, как на пример мощного взрыва, произошедшего из-за «резкого перегрева вещества метеорита». Второе – завершающим статью риторическим вопросом автора нового «взрывного» материала: «Почему я, гражданин России, вынужден публиковать подобную информацию в открытой иностранной печати?». А третье - упомянутым на 4 странице заметки фактом, что «… гидрид алюминия может находиться в состоянии аморфного кристалла…».

Замечание первое. Мощная баллистическая ударная волна, возникшая при пролете метеорита над Челябинском, была вызвана его хрупким разрушением на большое количество мелких осколков и их дальнейшим быстрым торможением в воздухе. То, что этот процесс не представлял собой пример взрывного испарения вещества метеорита можно убедиться, посмотрев опубликованные в Интернете многочисленные фотографии метеоритных осколков. Дополнительным подтверждением их невысокой температуры являются известные факты нахождения мелких осколков Челябинского (Чебаркульского) метеорита лежащими на поверхности льда [7].

Замечание второе (скорее ответ на задаваемый А.И.Голодяевым вопрос). Для того, чтобы гражданин России, придумавший описанные выше конструкции, основанные на замене в средствах поражения обычного ВВ на гидриды различных металлов и сплавов, смог опубликовать информацию о своих «разработках» в открытой отечественной печати, ему следует более тщательно проштудировать разделы курса общей физики, в которых рассказывается о законе сохранения энергии. Полученные при этом знания позволят ему понять глубину своих заблуждений и выступить с опровержениями ранее высказанных предложений. Эти опровержения с удовольствием опубликуют отечественные научно-технические издания.

Замечание третье. Упомянутая возможность состояния материи в виде «аморфного кристалла» настолько шокирует специалистов своей «новизной», что только за теоретическое предсказание существования такой формы материи ее автору следует безоговорочно присудить Шнобелевскую премию по физике.

Примечания:

1) В одном килограмме Ве(ВН4)2 содержится 25.84 моля бериллия, 51.68 молей бора и 206.7 молей водорода. При молярной теплоемкости бериллия, бора и водорода, равной соответственно СВе=16.44 Дж/К•моль, СВ=11.09 Дж/К•моль, СН=28.47 Дж/К•моль, величина энергии, необходимой для нагрева компонентов до температуры 104 К, составит около 70 МДж, что заметно превосходит энергию испарения этой массы Ве(ВН4)2 (~ 2.8 МДж), оцененную по величине энтальпии образования, равной [6] –108 кДж/моль.

2) Часть технических решений, заявленных А.И Голодяевым для патентования, уже признана ФИПС изобретениями и получила патентную защиту на территории России. В качестве примера укажем на такие изобретения как: «Бронебойный боеприпас» по патенту № 2438097, «Устройство из гидрида металла для боеприпасов» по патенту РФ № 2463283, «Ручная граната Голодяева» по патенту РФ № 2467281 и т.д. В этих патентах расчетным образом показано, что при температуре продуктов «взрыва» нового «взрывного» материала на уровне 104 К он превосходит продукты взрыва тротила по объему расширения в 81 раз.

3) Название «Боевая часть ракеты, авиабомбы, морской мины, фугаса», помещенное в обсуждаемой заметке на рисунке с изображением этого устройства, позволило найти номера заявок на изобретения, в которых предлагается применить для разогрева гидрида импульса тока, вырабатываемого ВМГ. Оказалось, что на 01.10.2014 существуют две таких заявки на патент (№2013147151 и № 2013148357), находящиеся на этапе экспертизы. Текст формулы изобретения заявки №2013147151 соответствует приведенному в статье рисунку с названием «Эскиз БЧ с новым ВВ».

Использованные источники:

1. Забабахин Е.И. Некоторые вопросы газодинамики взрыва. г.Снежинск: РФЯЦ-ВНИИЭФ, 1997. 203 с.
2. Физика взрыва / Под ред. Л.П. Орленко. – Изд.3-е, исп. – В.2 т. Т.1. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. 832с.
3. Седой В.С. «Исследование электрического взрыва проводников и его применение в электрофизических установках». Дисс. д.т.н., 2003, Томск, ИСЭ СОРАН. 235 с.
4. Взрывомагнитные генераторы энергии и их применение в научных экспериментах // Б.Е.Гриневич, В.А.Демидов, А.В.Ивановский, В.Д.Селемир /УФН 2011, Т.181, №4. С.422-427.
5. Швецов Г.А. Взрывная магнитная гидродинамика. Учебное пособие. НГУ, 1982. 81с.
6. Тетрагидридроборат бериллия / http://www/bluedust.ru/davoeplvuwio69/% D0%A2% (дата просмотра 02.10.14)
7. Частицы найденного на льду озера Чебаркуль метеорита передали в музей/ http://ria.ru/science/20130222/924178758.html

Александр Курепин