Дистанционный электрошок

Дистанционная инжекция мощных электрических импульсов: способ защиты от террористов

Новое время требует применения новых технологий во всех сферах деятельности человека, в том числе в областях, связанных с антитеррористической деятельностью. Сейчас во всём мире ведутся работы, направленные на создание средств, позволяющих оказывать необходимое воздействие на нарушителей общественного порядка, преступников, террористов.

К таким средствам относятся электрошоковые устройства. Сегодня во многих странах широко используются ЭШУ типа AIRTASER. TASER стреляет двумя заострёнными металлическими стрелками, к которым прикреплены проводники [1]. При попадании в объект стрелки впиваются в него, и по проводникам передаются импульсы высокого напряжения. При кажущейся простоте TASER имеет некоторые ограничения и недостатки. На дистанции 3м происходит разлёт стрелок на расстояние порядка 45см, что предъявляет высокие требования к точности начального прицеливания. Если один контакт не попадёт в объект, то следовательно не будет никакого воздействия. Если стрелка попадёт в пуговицу или нечто подобное, то она просто-напросто отскочит. Попадая в глаз или шею, стрелка, летящая со скоростью ~70 м/с может нанести серьезную травму объекту воздействия.
Нами создан способ передачи высоковольтных электрических импульсов на расстояние путём формирования электропроводящих газодисперсных каналов, обладающих площадным контактом с объектом и по этой причине не требующих точного прицеливания. Помимо этого достоинства газодисперсные каналы не наносят травм объекту.

Задача по передаче электрических импульсов по газодисперсному каналу делится на две: · Формирование газодисперсного канала.
· Создание электрической проводимости в сформированном газодисперсном канале. При рассмотрении первой задачи необходимо ответить на следующие принципиальные вопросы: · Какова максимальная длина канала, и от каких параметров она зависит?
· Каким образом можно изменять геометрические характеристики канала, например, делать его уже или шире? Что касается второй задачи, то в ходе её решения необходимо: · Определить критическую пробойную концентрацию диспергирующего вещества, т.е. минимальное количество вещества в единице объёма, необходимое для возникновения электрического тока;
· Найти параметры вещества, влияющие на значение критической концентрации;
· Оценить электрическое сопротивление канала и величину протекающего по нему тока.   Рассмотрим сначала процесс формирования газодисперсного канала.
Газодисперсный канал формируется в результате диспергации скоростного аэрозольного заряда специального приготовления. Этот процесс выглядит следующим образом. При помощи пружины, сжатого воздуха или пиротехнического средства диспергируемому веществу сообщается некоторая начальная скорость. В полёте под действием набегающего потока воздуха происходит сдувание диспергирующих частиц из головной части заряда. В результате, вдоль траектории полёта заряда образуется газодисперсный канал, формируемый до полного сдувания частиц. Под действием диффузионных процессов, силы тяжести, ветра и т.д. канал может деформироваться. На рис.4 внизу показаны различные стадии формирования газодисперсного канала с течением времени [2].   Прикладные задачи требуют возможности формирования газодисперсных каналов различной геометрии, с различной угловой расходимостью. Для формирования каналов различной геометрии нами создан ряд экспериментальных устройств, изображённых на рис.5. Рис 5а,б - формирователи каналов с большой угловой расходимостью, рис.5в,г, формирователи газодисперсных каналов с малой угловой расходимостью.
На рис.6 можно увидеть используемые нами в ходе экспериментов упаковки диспергирующего вещества. На рис.6а, изображена галета диспергирующего вещества, представляющая из себя специально упакованные волокна длиной 10мм, диаметр галеты 20мм. На рис.6б показана кассета из 6 галет, общей массой ~ 12гр, наиболее часто используемая в экспериментах.   Принцип действия формирователя газодисперсного канала ясен из рис.7. После срабатывания пиротехнического заряда, образовавшиеся пороховые газы выталкивают заряд диспергирующего вещества, разгоняя его в трубке. Далее, как уже говорилось, под действием набегающего потока воздуха формируется газодисперсный канал из частиц, сдираемых с поверхности заряда.   Нами разработана математическая модель формирования газодисперсного канала. Для рассмотрении задачи о диспергировании заряда в упрощённом виде принимаем: скорость потери массы заряда зависит только от скорости его движения; движение тела переменной массы происходит по инерции при тормозящем действии силы сопротивления воздушной среды. В результате расчётов, для расстояния, пройденного зарядом, получена оценочная формула, показанная на рис.8. Где L - расстояние, пройденное диспергирующим зарядом, m0 и V0 - начальная масса и скорость заряда, mf - конечная масса заряда, d - коэффициент диспергации, показывающий сколько вещества сдувается в единицу времени., r - удельная плотность частиц, S0 - начальное поперечное сечение заряда [3,2].
Проведённые нами теоретические и экспериментальные исследования показали, что длина газодисперсного канала зависит от массы, скорости и радиуса диспергирующего заряда. Для характерной массы диспергирующего заряда 10 гр и а=0,03 с, d~1кг/с для начальной скорости V0 ~ 60 м/с длина следа L составит порядка 5м.   Путём подбора соотношения между начальной скоростью, радиусом и массой диспергирующего заряда при помощи созданных нами устройств мы можем получать нужную геометрию электропроводящей области. Рис.9а - канал с малой угловой расходимостью длиной L~4м, рис.9б - канал с большой угловой расходимостью длиной L~2,5м. При этом в экспериментах использовались одинаковые навески диспергирующего вещества m~12гр.   Перейдём к рассмотрению процесса формирования электрической проводимости в газодисперсном канале.
Для изучения электропроводящих свойств газодисперсных каналов нами создан специальный экспериментальный стенд, состоящий из формирователя газодисперсного канала, генератора высоковольтных импульсов, высоковольтного делителя напряжения, цифрового запоминающего двухлучевого осциллографа, металлизированной мишени на диэлектрической подставке. Один полюс генератора заземляется, второй прикрепляется к концу трубы формирователя. После выбрасывания диспергирующего заряда формируется электропроводящий канал между формирователем и мишенью, которая заземляется через высоковольтный делитель. При прохождении электрического тока через данную цепь, с делителя при помощи цифрового запоминающего осциллографа снимаются показания. Большое внимание уделяется электробезопасности. Управление формирователем и генератором осуществляется через оптические линии. Эта мера практически исключают попадание высокого напряжения в комнату с управляющим персоналом.   В момент формирования канала на него подаётся электрический потенциал. При достаточной концентрации диспергирующего вещества напряжённость на всей длине газодисперсного канала превышает пробивную напряжённость. Тогда вдоль цепочки аэрозолеобразующих частиц происходит пробой межэлектродного промежутка.   Критическую концентрацию диспергирующего вещества, необходимую для возникновения электрической проводимости в газодисперсном канале, можно приближённо оценить по следующей формуле [4,5,2]. При массовой плотности материала волокна примерно 2г/см3 и величине коэффициента a~10-3 критическая концентрация C~6 г/м3. Такие концентрации близки к данным, полученным в результате экспериментов по формированию газодисперсных каналов. Расчёты и эксперименты показали, что критическая пробойная концентрация сильно зависит от длины волокон. Чем длиннее волокна, тем больше вероятность возникновения электрического пробоя, то есть меньше требуемая масса вещества на единицу объёма. Однако, при выборе длины электропроводящих волокон необходимо учитывать тот фактор, что чем длиннее волокна, тем больше вероятность их слипания с другими волокнами. А это приводит к тому, что волокна не разлетаются, а выпадают в виде комков, из-за этого концентрация частиц в воздухе уменьшается, вследствие неравномерного распределения их по объёму. В результате исследований выяснилось, что оптимальное значение длины для диспергирующих частиц лежит в диапазоне 10-20 мм.   Электрическое сопротивление газодисперсного канала колеблется в диапазоне 1-100 кОм. В ходе экспериментов нам удавалось пропускать по каналу токи в широком диапазоне значений от 10мА до десятков ампер На рисунке 13 показаны эксперименты, в которых по каналу проходят импульсы а - 16А, б - (3А), в(0,02)А. В верхней части рисунка показаны снимки газодисперсного канала в момент прохождения тока, а под каждым из снимков изображена осциллограмма электрического импульса.   Таким образом, предложен способ передачи импульсов высокого напряжения на расстояние. На его основе можно реализовать компактное электрошоковое устройство дистанционного действия. Данный способ обеспечивает площадной контакт с объектом воздействия, не требует точности прицеливания, позволяет одновременно воздействовать на несколько объектов, обладает возможностью применения вблизи экологически опасных объектов.
Спектр применения подобных устройств весьма широк. Например, они могут применяться для защиты зданий и транспортных средств. С их помощью можно блокировать входы, двери, окна и т.д. Такие устройства с лёгкостью могут быть интегрированы в различные охранные и сигнализационные системы, для обеспечения безопасности охраняемых объектов.