4erniy4elovek

Рой роботов

Миниатюрные роботы Kilobot разработаны в Гарварде специально для изучения группового поведения. Система позволяет загружать программы и передавать команды сразу целому рою, подзаряжать всю стаю одновременно. 33-миллиметровые аппараты взаимодействуют на дистанции до 7 см.

Стремительное уменьшение электроники, микромеханики и оптики, которое продолжается все последние годы, дает надежду на то, что такие устройства могут быть созданы обычным инженерным подходом «сверху вниз», за счет все большей миниатюризации уже существующих технологий. Появились беспроводная связь, подходящие материалы, способные менять форму, например под действием слабого тока, — теоретически они позволят микро-, а затем и нанороботам гибко реагировать и подстраиваться под условия и друг под друга. Все предпосылки к прорыву сложились еще в начале 2000-х, и профессор Университета Карнеги — Меллона Сет Голдштейн одним из первых стал работать над таким проектом.

Прототипы атомов

«Инъецируемые хирургические инструменты, морфируемые мобильные телефоны — все это только вершина айсберга», — говорит профессор Голдштейн. Концепция, которую его команда совместно с исследовательским центром Intel в Питтсбурге прорабатывает уже больше десяти лет, известна под названием клэйтроника и успела войти даже в арсенал научной фантастики. Это бесчисленное множество крошечных программируемых роботов, «к-атомов», которые способны двигаться и соединяться друг с другом, образуя формы трехмерных объектов.

Теоретически каждое такое устройство в отдельности не должно быть слишком сложным: ему достаточно нести микропроцессор, модуль беспроводной связи, набор датчиков, однопиксельный дисплей, аккумулятор и электромагниты для контролируемого соединения с соседями. Еще в 2005-м были созданы прототипы таких «к-атомов» в виде невысоких цилиндров диаметром 44 мм, по периметру каждого из которых располагалось по 24 магнита. Энергия поступала через поверхность стола, на который роботы опирались контактными ножками. Получая команду, они включали то один, то другой электромагнит, перемещаясь друг относительно друга, соединяясь и разъединяясь.

Позднее Голдштейн и его соавторы с помощью литографии собрали «к-атомы» диаметром уже около миллиметра. Эти крошечные устройства неспособны разве что передвигаться, однако уже несут компоненты для беспроводного получения энергии и для связи. По расчетам разработчиков, чтобы добиться полноценной клэйтроники, осталось уменьшить размеры устройств еще на порядок, до величины около микрометра. Куда более сложной задачей выглядит не физическая, а программная сторона поведения «к-атомов».

Язык стаи

Будь то морфируемый смартфон или скальпель, каждый «к-атом» должен легко и быстро занимать положенное место и выполнять соответствующие функции. Количество возможных степеней свободы в системе, состоящей из миллионов подвижных и активных участников, оказывается очень велико. Для того чтобы просто рассчитать положение каждого наноробота, потребуется колоссальная вычислительная мощность. Поэтому разработчики пытаются распределить решение большинства задач между всеми «к-атомами» так, чтобы они лишь получали общие инструкции, а затем могли просто реагировать на свое локальное окружение. Создаются специальные высокоуровневые языки программирования, отдающие базовые вычисления отдельным узлам, а ученые, биологи и робототехники разных стран ищут оптимальные алгоритмы поведения для роботизированных стай.

Занимается этим и исследователь из лаборатории Sheffield Robotics Андреаджованни Рейна*. На его столе двигается и взаимодействует, переключая разноцветные светодиоды, целая стая микроскопических роботов на питающих их ножках. Работая с этим роем, ученый старается определить законы, которые позволяют простым, не требующим больших затрат действиям и реакциям приводить к возникновению очень сложных форм поведения. Так организованы движение птичьей стаи и насекомых в муравейнике, активность пользователей социальных сетей и нейронов головного мозга. Так же сможет действовать и рой нанокомпьютеров «умной» материи.

Каждый Kilobot стоит $14, но целый рой может обойтись недешево. Поэтому иногда ученые создают их виртуальные модели, исследуя поведение стаи в тысяче устройств.

«Речь идет о смене парадигмы управления, — рассказал нам Андреаджованни. — Сегодня роботы выполняют команды, которые обеспечивают реализацию разных функций в зависимости от данных, поступающих от сенсоров. Агенты программируемой материи должны быть такими крошечными, что не смогут исполнять такой сложный код. Поэтому главным принципом действия стаи должна стать децентрализация, отсутствие единого управляющего и контролирующего модуля. Система работает без команды, на основе самоорганизации, которая происходит в результате локальных взаимодействий и обмена данными. Управляющая команда лишь решает, какие типы частиц и в каком количестве требуются. Затем уже реализуется не управляющий код, а самосборка, приводящая к формированию объекта с нужными свойствами. Пока что мы еще работаем над концепциями этой новой парадигмы».

Снизу вверх

В то время как одни разработчики движутся «сверху вниз», создавая технологии миниатюризации роботов, химики, следуя путем Жан-Мари Лена, идут в обратном направлении, с самого «низа» — от атомов, молекул и молекулярных комплексов. Полученные ими прототипы мало напоминают будущие частицы программируемой материи, однако демонстрируют массу полезных способностей. Коллоидные частицы диаметром около сотни нанометров имитируют работу реактивных двигателей и перемещаются под действием струи газа, образующегося внутри них в ходе химической реакции. Твердые частицы по «команде» перекристаллизовываются, меняя форму. Совершенствуются и технологии управления их поведением — с помощью радиосигналов, слабых токов или магнитных полей.

Рано или поздно обе эти тенденции сольются друг с другом, как это уже случилось ранее с идеями Жан-Мари Лена, Марголуса и Тоффоли. Тогда решения, найденные биологами и информатиками, позволят в полной мере использовать разработки супрамолекулярной химии, а крошечные нанороботы «умной» материи начнут исполнять любую нашу прихоть. Сет Голдштейн уверен, что этот моментса настанет достаточно скоро, и считает, что главные препятствия перед пришествием нанороя — вовсе не технологические и не программные.

Персональный комок «умной» материи, способный превратиться в личный микробеспилотник или смартфон, должен включать миллионы, а то и сотни миллионов наноразмерных «к-атомов». Во сколько обойдется производство каждого такого устройства? Даже если оно будет стоить всего доллар, то приобрести полноценную армаду нанороботов смогут лишь очень богатые люди. Да и при себестоимости в цент они окажутся слишком дороги для настоящего массового использования. Впрочем, оптимисты считают, что те революции, которые уже происходят в информатике, микроэлектронике и химии, сами вскоре приведут к очередной революции в промышленности. И тогда «умный» нанорой сможет позволить себе каждый.

Начальные попытки создания рельсотронов, или рейлганов, приходятся на Первую мировую войну, но и сегодня, сто лет спустя, это экспериментальное оружие имеет неплохие перспективы совершить революцию в конвенциональных вооружениях. Что же мешает электромагнитной пушке воцариться на полях сражений?

Высокий показатель рельсотронного разгона обусловлен работой электромагнитных сил Лоренца в механизме пушки. Они возникают и начинают действовать на снаряд при коротком замыкании двух параллельных токонесущих (со знаком минус и со знаком плюс) направляющих рельсов после подачи на них очень мощного, но очень короткого импульса тока. В качестве токозамыкательного элемента используется специальная арматура со встроенным в нее снарядом или сам снаряд, лежащий на рельсах и их замыкающий. Силы Лоренца направлены так, чтобы вытолкнуть снаряд из пушки, и он вылетает из ствола с гиперзвуковой скоростью. Разгону снаряда также способствует давление плазмы, которая образуется за снарядом от действия мощного дугового разряда. Плазма со скоростью 50−100 км/ч действует на снаряд, как своеобразная мощная реактивная струя.

Рельсы — дорогие и уязвимые

В американских опытах по созданию электромагнитного оружия в качестве арматуры, как правило, используется специальной формы «башмак», в котором закреплен снаряд. Такая конструкция исключает контакт снаряда с рельсами. Направляющие, изготовленные из бескислородной меди с серебряным покрытием, сильно подвержены износу от трения и эрозии. При использовании металлических снарядов, выполняющих замыкание своим «телом», замена рельсов требуется после двух-трех выстрелов.

Название «рельсотрон» в 50-е годы прошлого века придумал академик Л. Арцимович, мировой специалист в области термояда и физики высокотемпературной плазмы. Изобретенный им ускоритель плазмы был выдвинут на Нобелевскую премию, но СССР снял кандидатуру ученого с обсуждения из-за секретности разработки.

Сам снаряд изготавливают из тугоплавкого вольфрама. Высокая плотность этого металла позволяет даже тяжелый снаряд сделать малогабаритным, что решает проблему размещения боеприпасов в ограниченных объемах зарядных отделений или снарядных погребов.

Однако не только быстрый износ рельсов мешает рельсотрону превратиться в супероружие, есть и другие препятствия. Прежде всего это источники питания. Рельсотрон требует мощной системы электропитания в виде униполярных генераторов, компульсаторов, мегаваттных конденсаторов-ионисторов. Эти устройства позволяют формировать очень мощный короткий электрический импульс, передаваемый на рельсы. В лабораторных условиях можно мириться с солидными по размеру и весу блоками аппаратуры. На флоте фактор веса и объема тоже не столь существен: у корабля вполне хватит водоизмещения, чтобы упаковать 130 т оборудования вдобавок к самим стволам пушек.

Рейлган Blitzer производства компании General Atomics (США) размещен на двух трейлерах — на одном собственно пушка, на другом — энергетическая установка. Разработка ЭМП началась в 2005 году и завершилась в 2011-м.

Для наземных же армейских рельсотронов проблема представляется более сложной. Если разместить оборудование на танковых шасси, пришлось бы вести в бой 78-тонного монстра. Выходом стало распределение установки между двумя автомобильными трейлерами (на одном сама пушка, на другом — «энергетика»), этот вариант был реализован в американской армейской пушке Blitzer. Еще один тягач с прицепом отдали станции управления. Для питания корабельных рельсотронов (на напичканных хай-теком эсминцах проекта Zumwalt их предположительно будет два) предусмотрен запас мощности судовой установки (зарезервированный только для рельсотронов) не менее 35−45 МВт. Энергии должно хватить, чтобы обеспечить разгон снаряда до 2000−2500 м/с. Тогда он, получив дульную энергию в 64 МДж, сможет улететь на расстояние до 400 км и, сохранив 20 МДж энергии, поразить цель мощным кинетическим ударом. Уже подсчитано, что попадание такого снаряда весом 18−20 кг в авианосец произведет эффект ядерного удара.

32 «Гольфа» по цели

У армейских пушек меньшая дальность стрельбы — 80−160 км, отчего «энергетики» на выстрелы потребуется примерно вдвое меньше корабельной. Для справки: энергией 1 МДж обладает легковой Golf при скорости 160 км/ч. Снаряд рельсотрона весом 10 кг с дульной энергией 32 МДж при скорости 2500 м/с способен пробить три бетонные стенки или шесть 12-миллиметровых стальных листов, что по эффекту равносильно взрыву 150 кг тротила.

Серьезными препятствиями на пути широкого использования рейлганов являются резонансные явления в рельсовой системе и эффект расталкивания рельсов от действия сил Лоренца, электромагнитная совместимость с электронными системами пушки, необходимость охлаждения ствола и блоков электроники и др.

В процессе натурных испытаний была выявлена также необходимость в быстром перезаряжании пушки для увеличения темпа стрельбы по крайней мере до 6−10 выстрелов в минуту. В этом году работающая в кооперации с американским ВПК британская компания BAE Systems провела огневые испытания на полигоне ВМС США в штате Виргиния. Как заявляют британцы, они рассчитывают в ближайшие пару лет увеличить скорострельность своей установки до 10 выстрелов в минуту при весе снаряда 16 кг, так что эта проблема постепенно находит решение.

Электромагнитная пушка морского базирования, разрабатываемая компанией BAE SYSTEMSПредполагаемый вес снаряда: 18 кг; Дульная скорость: 2,5 км/с (7,5 Маха), вдвое больше, чем у обычных пушек; Дальность действия: 400 км (у обычных корабельных орудий — не более 80 км); Снаряд: уничтожает цель за счет энергии удара, взрывчатых веществ не содержит; Длина ствола орудия: 10 м

Неубиваемая электроника

Снаряд имеет наиболее приемлемую для гиперзвука коническую удлиненную форму с небольшим затуплением носка — это своего рода заостренный стержень. Стабилизатор в хвостовой части позволяет удерживать снаряд на траектории полета. Создание такого боеприпаса — это еще одна проблемная область рельсотронной программы.

США с 2012 года ведет разработку унифицированного гиперзвукового снаряда HVP, сегодня он уже проходит испытания стрельбой. Унифицированный он потому, что будет использоваться не только в рельсотронах, но и в обычных корабельных пушках разных калибров, которые хотят оставить в смешанном составе с рельсотронами на эсминцах Zumwalt. Эти же боеприпасы будут применяться и в наземных пушках.

Чтобы HVP подходил для пушек разных калибров, его будут изготавливать в вариантах подкалиберных выстрелов со снарядом в поддоне под каждый конкретный калибр. Поддон при вылете сборки из ствола разбивается на части, дальше летит только снаряд. В испытаниях 2015 года стреляли HVP калибром 90 мм и длиной 609 мм. Собственно снаряд весит 12,7 кг, а вся сборка — 18,5 кг. Остальные 5,8 кг — это поддон.

Рейлган

Снаряд помещается между двух токопроводящих рельсов. Арматура защищает рельсы от непосредственного соприкосновения со снарядом

Снаряды HVP планируют сделать корректируемыми в полете, для чего их оснастят модулем точного наведения, работающим с системой GPS. Американцы заявили, что у них уже имеются работоспособные электронные системы управления, выдерживающие перегрузки 30 000 — 40 000 g при разгоне, воздействие плазмы температурой 20 000 — 25 000 градусов и электромагнитные поля сверхвысокой мощности. Есть данные об успешных испытаниях подобных снарядов в 2016 году. Ожидается, что полная отработка HVP завершится к 2020 году, а в серию они будут переданы к 2025 году. Блок управления приведет к удорожанию снаряда, который и в исходном (без электроники) варианте стоит 25 тысяч долларов. Но все равно это существенно дешевле корабельных управляемых ракет ценой 0,5−1,5 млн.

Три грамма чудовищной мощи

Особенность американского подхода к разработке рельсотрона состоит в поэтапном наращивании возможностей с последовательным достижением улучшенных параметров: скорости разгона снаряда от 2000 до 3000 м/с, дальности стрельбы с 80−160 до 400−440 км, дульной энергии снаряда от 32 до 124 МДж, веса снаряда от 2−3 до 18−20 кг, скорострельности от 2−3 выстрелов в минуту до 8−12, мощности источников энергии от 15 до более чем 40−45 МВт, ресурса ствола от промежуточных 100 выстрелов к 2018 году до 1000 выстрелов к 2025 году, длины ствола от начальной 6 м до конечной 10 м.

Подобных сведений официально в России не публикуют, однако в прошлом году первый заместитель председателя Комитета Совета Федерации по обороне Франц Клинцевич за-явил, что в нашей стране активно ведутся работы в области создания электромагнитного оружия.

Хорошо известны успешные испытания рельсотрона (правда, не боевого, а лабораторного класса) в подмосковной Шатуре, которые провели в филиале Объединенного института высоких температур РАН под руководством академика В. Фортова. Рельсотрон с длиной ствола 2 м стрелял пульками массой в единицы-десятки граммов. Российское ноу-хау — предварительный разгон снаряда перед подачей в ствол — позволяет получать дульные скорости выше американских. Так, в январе 2017 года снаряд из плотного пластика весом 15 г был разогнан до скорости 3000 м/с и пробил мишень из металла толщиной во много сантиметров. Несколько раньше снаряд весом 3 г был разогнан до скорости 6250 м/с (почти первая космическая) и при попадании в стальную мишень попросту ее испарил.

Китай, по сообщениям прессы, находится на стадии НИР и НИЭР, которые сосредоточены в специально созданной корпорации CASIC в научном центре Ухань (WUHAN). Представители КНР заявили, что разрабатывают наземный рельсотрон наподобие американского Blitzer и обещают по проекту 055А к 2020 году создать орудие калибра 130 мм.

Статья «Магнитные войны» опубликована в журнале «Популярная механика» (№7, Июль 2017).

"Красуха". Название, не так давно ставшее достоянием общественности. Нечто грозное и могучее. Нам удалось познакомиться вблизи с этим чудом отечественной техники, и оно нас не разочаровало.

Идёт развёртывание.

Двигатель, обеспечивающий энергией антенный комплекс. Современный и максимально защищенный от наведения по ИК.

"Красуха" — комплекс "С", то есть предназначена для работы по воздушным целям. Все, что летает и использует при этом радар, гарантированно получит по своим электронным мозгам. Радиус действия комплекса до 300 км, высота цели от 10 метров. Максимальная высота... ну как мне сказали, "там почти никто не летает".

Радиус разворота антенны по горизонту все 360 градусов, по вертикали 90. "Мертвых зон" практически нет. Принцип работы прост: обнаруживается цель, захватывается, ведется, в случае получения приказа, ловится радарный сигнал, искажается, усиливается и по тому же каналу отправляется обратно. Ловите, как говорится, подачу. Привет радарам. Можно, конечно, и без радаров и прочей электроники попробовать, но на дворе как бы не 20-й век... Не получится.

Красивая, мощная, удобная машина. Как жаль, что ее производство так не вовремя притормозили наши проблемы. Но и сегодня "Красуха" — это нечто, заставляющее дрожать коленки и расслаблять сфинктеры у всех потенциальных противников.

А по секрету скажу, что в войсках уже есть комплексы, которые являются следующим поколением после "Красухи". Но это будет другая история. Надеюсь, в ближайшем будущем.

Автор Роман Скоморохов, Роман Кривов