Экзоскелеты: новый облик пехотинца

Быстрые успехи роботостроения позволили реализовать на практике мечту некоторых военных об экзоскелете, превращающем любого бойца в несокрушимого терминатора - по крайней мере до тех пор, пока не кончится питание. Широкое внедрение экзоскелетов - по всей видимости, уже не за горами. Со следующего года начнется их серийное производство. Вероятно, первыми и основными их покупателями станут военные.

Экзоскелеты идут на конвейер

Разнообразные варианты экзоскелетов уже не раз появлялись на публике. Однако ни один из них не был пущен в серийное производство. Причины достаточно тривиальны: высокая стоимость готовых «силовых костюмов» и несовершенство технологий, из-за чего экзоскелеты получались слишком громоздкими.

Самым оптимальным по компактности, автономности и стоимости на сегодняшний день оставался японский экзоскелет HAL-5 (Hybrid Assistive Limb), созданный инженером Йошиюки Санкая (Yoshiyuki Sankai) из университета города Цукуба. Как сообщили конструкторы университета, разрабатывавшийся ими 10 лет экзоскелет полностью готов к серийному производству. В 2007 году первые роботизованные костюмы появятся на рынке.

Первоначально планируется выпустить в 2007 году 20 экзоскелетов, в 2008 - уже от 400 до 500 их штук. Цена на HAL-5 оказалась выше ранее заявленной (около $15 тыс.) - от $42273 до $59182 в зависимости от модификаций. Однако возможна аренда экзоскелета всего за $600 в месяц.

Конструктивно HAL-5 представляет собой классический экзоскелет. Это облегченный механический костюм с многочисленными датчиками, который человек надевает на себя.

Костюм содержит ряд электрических приводов, которые позволяют поднимать до ста килограмм, при этом для человека такая нагрузка окажется незаметной - она ложится на экзоскелет, человек оказывает лишь «управляющее» воздействие. Кроме поднятия тяжестей, экзоскелет, например, помогает облегчить жизнь инвалидам.

Медицинский потенциал HAL-5 был продемонстрирован 7 августа 2006, когда прикованному к инвалидному креслу 43-летнему японцу Сэйдзи Утида (Seiji Uchida) удалось пройти полпути на вершину 4,5 километровой горы Брейтгорн (Breithorn) в швейцарских Альпах с помощью силового роботизированного костюма.

Как уже продемонстрировали ученые, экзоскелеты будут, в первую очередь, улучшить механику человеческого тела. Кроме этого они будут незаменимы в специфических областях - например, при работе в космическом пространстве.

Успехи солдатского нанотеха

Однако параллельно с разработкой «силовых» экзоскелетов учеными из Института Солдатских Нанотехнологий (Institute for Soldier Nanotechnologies) ведутся исследования с целью создать непробиваемую солдатскую броню, которая служила бы и экзоскелетом одновременно.

Так, учеными из ИСН уже созданы отдельные компоненты "динамической наноброни", - одной из основных деталей экипировки солдата 2020 года. Она должна облегать человека наподобие водолазного костюма. При этом в его тонком слое будут содержаться довольно сложные молекулярные компоненты - наноактюаторы и сенсоры, с помощью которых новая форма будет и бронежилетом, и универсальным медицинским диагностическим инструментом, и силовым экзоскелетом.

Все жизненно важные параметры солдата (пульс, кровяное давление, энцефалограмма, температура тела и др.) будут измеряться встроенными в костюм датчиками. Состояние солдата будет выведено как на проектор на шлеме, так и на медицинский компьютер, который будет принимать решения о трансформировании костюма в экзоскелет или броню мгновенно и независимо от солдата.

Ряд полимерных наноактюаторов, из которых будет состоять костюм, по сигналу от медицинского компьютера будут делать определенные его участки жестче или мягче. Если, например, солдат поломает ногу, местный экзоскелет позволит захватить ее в искусственные шины, сформированные тканью костюма.

Для обеспечения нужного быстродействия актюаторы должны быстро принимать нужное положение в зависимости от поступившего сигнала. Для этого необходимо поработать с уже имеющимися полимерами, найти методы их "быстрой" самосборки в нужные структуры, и сделать их электропроводными. Далее необходимо узнать, будут ли эти полимерные материалы совместимы с живой тканью при длительном контакте. И, наконец, воспользовавшись математическим моделированием, вычислить наиболее оптимальные места для размещения датчиков, их количество и типы. Затем действуют программисты - они пишут программное обеспечение для медицинского компьютера.

Надежды и реалии

На мультфильме, представленном на одном из заседаний Конгресса США, политики увидели историю про солдата, потерявшего сознание от ранения. Но медицинский компьютер вовремя включил экзоскелет, и это спасло солдату жизнь.

Однако в реальности пока существует только мультфильм-анимация и ряд разработок в области наноактюаторов, МЭМС-датчиков и сверхпрочных материалов. Ученые говорят, что ожидать первые появления «суперкостюма» на публике стоит не раньше 2015 года.

Пушка Гаусса
Магнитный ускоритель масс

Если вы не имеете ни малейшего представления о магнитных ускорителях масс и новичок в этой области, то коротко принцип действия магнитного ускорителя масс или “гаусс гана” (от англ. Gauss gun - пушка Гаусса - По имени ученого и математика Гаусса, в честь имени которого названы единицы измерения магнитного поля. 10000Гс = 1Тл) можно описать так. В цилиндрической обмотке (соленоиде) при протекании через нее электрического тока возникает магнитное поле. Это магнитное поле начинает втягивать внутрь соленоида железный снаряд, который от этого начинает разгоняться. Если в тот момент, когда снаряд окажется в середине обмотки ток в последней отключить, то втягивающее магнитное поле исчезнет и снаряд, набравший скорость, свободно вылетит через другой конец обмотки. Чем сильнее магнитное поле и чем быстрее оно отключается – тем сильнее вылетает снаряд.

На практике конструкция простейшего гаусс-гана представляет собой намотанную в несколько слоев на диэлектрическую трубку медную проволоку и конденсатор большой емкости. Внутрь трубки перед самым началом обмотки устанавливается железный снаряд (часто гвоздь со спиленной шляпкой) и предварительно заряженный конденсатор при помощи электрического ключа замыкается на обмотку.

Параметры обмотки, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при выстреле к моменту подлета снаряда к середине обмотки ток в последней уже успевал бы уменьшится до минимального значения, т.е. заряд конденсаторов был бы уже полностью израсходован. В таком случае КПД одноступенчатого МУ будет максимальным.

Перед тем, как браться за самостоятельное изготовление чего-либо, советую прочитать технику безопасности. С теми, кто считает, что техника безопасности “для лохов”, встретимся на кладбище, другим же советую коротко ознакомится с основными моментами ТБ, знание которых поможет вам быстрее изготовить задуманную электромагнитную пушку, не теряя времени на отлежки в больнице.

Другие типы электромагнитного оружия.

Помимо магнитных ускорителей масс, существует множество других типов оружия, использующих для своего функционирования электромагнитную энергию. Рассмотрим наиболее известные и распространенные их типы.

Электромагнитные ускорители масс.

Помимо “гаусс ганов”, существует ещё как минимум 2 типа ускорителей масс – индукционные ускорители масс (катушка Томпсона) и рельсовые ускорители масс, так же известные как “рэйл ганы” (от англ. “Rail gun” – рельсовая пушка).

В основу функционирования индукционного ускорителя масс положен принцип электромагнитной индукции. В плоской обмотке создается быстро нарастающий электрический ток, который вызывает в пространстве вокруг переменное магнитное поле. В обмотку вставлен ферритовый сердечник, на свободный конец которого надето кольцо из проводящего материала. Под действием переменного магнитного потока, пронизывающего кольцо в нём возникает электрический ток, создающий магнитное поле противоположной направленности относительно поля обмотки. Своим полем кольцо начинает отталкиваться от поля обмотки и ускоряется, слетая со свободного конца ферритового стержня. Чем короче и сильнее импульс тока в обмотке, тем мощнее вылетает кольцо.

Иначе функционирует рельсовый ускоритель масс. В нем проводящий снаряд движется между двух рельс - электродов (откуда и получил свое название - рельсотрон), по которым подается ток. Источник тока подключается к рельсам у их основания, поэтому ток течет как бы в догонку снаряду и магнитное поле, создаваемое вокруг проводников с током, полностью сосредоточенно за проводящим снарядом. В данном случае снаряд является проводником с током, помещённым в перпендикулярное магнитное поле, созданное рельсами. На снаряд по всем законам физики действует сила Лоренца, направленная в сторону противоположную месту подключения рельс и ускоряющая снаряд. С изготовлением рельсотрона связан ряд серьезных проблем - импульс тока должен быть настолько мощным и резким, чтобы снаряд не успел бы испарится (ведь через него протекает огромный ток!), но возникла бы ускоряющая сила, разгоняющая его вперед. Поэтому материал снаряда и рельс должен обладать как можно более высокой проводимостью, снаряд как можно меньшей массой, а источник тока как можно большей мощностью и меньшей индуктивность. Однако особенность рельсового ускорителя в том, что он способен разгонять сверхмалые массы до сверх больших скоростей. На практике рельсы изготавливают из безкислородной меди покрытой серебром, в качестве снарядов используют алюминиевые брусочки, в качестве источника питания - батарею высоковольтных конденсаторов, а самому снаряду перед вхождением на рельсы стараются придать как можно большую начальную скорость, используя для этого пневматические или огнестрельные пушки.

Помимо ускорителей масс к электромагнитному оружия относятся источники мощного электромагнитного излучения, такие как лазеры и магнетроны.

Лазер известен всем. Состоит из рабочего тела, в котором при выстреле создается инверсная населенность квантовых уровней электронами, резонатора для увеличения пробега фотонов внутри рабочего тела и генератора, который эту самую инверсную населённость будет создавать. В принципе, инверсную населённость можно создать в любом веществе и в наше время проще сказать, из чего НЕ делают лазеры. Лазеры могут классифицироваться по рабочему телу: рубиновые, СО2, аргоновые, гелий-неоновые, твердотельные (GaAs), спиртовые, и т.д., по режиму работы: импульсные, непрерывные, псевдонепрерывные, могут классифицироваться по количеству используемых квантовых уровней: 3х уровневый, 4х уровневый, 5и уровневые. Так же лазеры классифицируют по частоте генерируемого излучения - микроволновые, инфракрасные, зеленые, ультрафиолетовые, рентгеновские, и т.д. КПД лазера обычно не превышает 0,5%, однако сейчас ситуация изменилась – полупроводниковые лазеры (твердотельные лазеры на основе GaAs) имеют КПД свыше 30% и в наши дни могут обладать мощностью выходного излучения аж до 100(!) Вт, т.е. сравнимую с мощными "классическими" рубиновыми или СО2 лазерами. Кроме того, существуют газодинамические лазеры, менее всего похожие на другие типы лазеров. Их отличие в том, что они способны производить непрерывный луч огромной мощности, что позволяет использовать их для военных целей. В сущности, газодинамический лазер представляет собой реактивный двигатель, перпендикулярно газовому потоку в котором стоит резонатор. Раскаленный газ, выходящий из сопла, находится в состоянии инверсной населённости. Стоит добавить к нему резонатор – и многомеговаттный поток фотонов полетит в пространство.

Микроволновые пушки - основным функциональным узлом является магнетрон - мощный источник микроволнового излучения. Недостатком микроволновых пушок является их чрезмерная даже по сравнению с лазерами опасность применения - микроволновое излучение хорошо отражается от препятствий и в случае стрельбы в закрытом помещении облучению подвергнется буквально все внутри! Кроме того, мощное микроволновое излучение смертельно для любой электроники, что так же надо учитывать.

А почему, собственно, именно "гаусс ган", а не дискометы Томпсона, рельсотроны или лучевое оружие?

Дело в том, что из всех типов электромагнитного оружия он наиболее прост в изготовлении именно гаусс ган. Кроме того, он имеет довольно высокий по сравнению с другими электромагнитными стрелялками КПД и может работать на низких напряжениях.

На следующей по сложности ступени стоят индукционные ускорители – дискометы (или трансформаторы) Томпсона. Для их работы требуются несколько более высокие напряжения, нежели для обычной гауссовки, затем, пожалуй, по сложности стоят лазеры и микроволновки, и на самом последнем месте стоит рельсотрон, для которого требуются дорогие конструкционные материалы, безупречный расчет и точность изготовления, дорогой и мощный источник энергии (батарея высоковольтных конденсаторов) и ещё много всего дорогого.

Кроме того, гаусс ган, несмотря на свою простоту, обладает неимоверно большим простором для конструкторских решений и инженерных изысканий - так что это направление довольно интересное и перспективное.