Ледяной щит из ии-пневмо-установки

Перспективы создания скорострельных пневмо-систем активной защиты объектов на основе массового применения специально подготовленных ледяных кинетических элементов

1. Новая концепция защиты: использование местных ресурсов вместо дорогостоящих противоракет

Современные системы противовоздушной и противоракетной обороны сталкиваются с серьёзной экономической проблемой. Стоимость перехвата нередко оказывается несопоставимой со стоимостью атакующего средства. Особенно остро эта проблема проявляется при массированных атаках, когда относительно недорогие, снаряды, бомбы, беспилотники, боеприпасы и другие средства поражения вынуждают обороняющуюся сторону расходовать дорогостоящие заряды, ракеты-перехватчики и другие, зачастую ограниченные по количеству, - средства защиты.

В результате возникает необходимость поиска не сколько дополнительных способов защиты, а искать сбалансированные по затратам/эффекту решения, которые могли бы существенно снизить стоимость противодействия, в т. ч. массовым, т. н роевым угрозам.

Одно из возможных направлений исследований — использование сжатого воздуха и льда (в качестве исходного материала) для создания недорогих кинетических завес, т. е.  малозатратного, но скорострельного "пневмо-выброса" ледяных снарядов с целью обеспечения защитных и противоаварийных задач.

Основная идея заключается в создании на охраняемом объекте собственного производственного, складского и скорострельного комплекса, способного:

Производить сжатый воздух высокого давления и хранить его в баллонах/ресиверах для обеспечения работы многоствольной скорострельной пневмо-установки;

получать воду или другую подходящую жидкость из местных источников;

замораживать её в заранее подготовленных формах и оболочках (в т. ч. в кевлар, пластик и т.п.);

хранить значительные запасы готовых ледяных элементов и сжатого воздуха;

поддерживать необходимый температурный режим с помощью промышленного холодильного оборудования;

Обеспечивать при отражении атак противника работу пневмо-установок, производство и хранение сжатого воздуха, автоматизированное производство и доставку ледяных снарядов, - в объемах и с давлением, необходимым для скорострельных прицельных выстрелов ледяными снарядами в 50 кг. на расстояние - до 100 метров.

автоматически пополнять запасы по мере расходования;

интегрироваться с системами раннего обнаружения угроз, средствами оповещения, распознаванием, подбором класса снаряда и массовой скорострельностью.

Таким образом, охраняемый объект получает возможность использовать собственные ресурсы для формирования значительного запаса относительно дешёвого материала и малозатратных выстрелов с использованием пневматики (сжатого воздуха).

Это принципиально отличается от традиционной модели, при которой каждый защитный выстрел требует приобретения, доставки и хранения дорогостоящего специализированного боеприпаса.

2. Почему именно лёд?

Вода обладает рядом свойств, представляющих интерес для разработки защитных технологий.

Во-первых, это доступность исходного сырья. Вода имеется практически на любом промышленном, энергетическом, транспортном или инфраструктурном объекте. В крайнем случае, - она может быть получена из воздуха, или из подземных источников.

Во-вторых, лёд позволяет получать изделия различной массы, формы и размеров. Теоретически можно создавать десятки элементы для каждой из возможных систем и угроз противника, в т. ч. например, систем воздействия на лёгкие объекты и значительно более массивные изделия для иных инженерных задач.

В-третьих, производство ледяных заготовок не требует сложного химического производства. Основные технологические процессы — подготовка жидкости, производство/использование специальных оболочек, формование, замораживание, хранение, роботизированное боепитание с использованием машинного зрения и ИИ.

В-четвёртых, вода, в т. ч. после таяния не оставляет характерных для многих материалов угроз, обломков и отходов, хотя оболочки, добавки и загрязнения могут потребовать отдельной утилизации.

При этом, необходимо учитывать важное обстоятельство: лёд не является универсальным конструкционным материалом. Его недостаточная механическая прочность (даже в условно кевларовой оборочке) не обеспечивает идеальную защиту объекта и эту систему желательно рассматривать в качестве одного из составляющих общей комплексной системы безопасности, когда за счет скорострельности и массовости защитной т. н. ледяной стены, - обеспечивается кинетическое воздействие на приближающийся объект противника.
В отдельных случаях, при угрозе того, что после поражения объекта - от него может исходить угроза возгорания/термитного поражения и т.п. - ледовая пневмосистема - может использовать и противопожарные "боеприпасы" в т. ч. с ИИ-анализом температуры, структуры, наличия дефектов и условий поражения. Например, при ударе об объект противника, - противо-снаряд может раскалываться и участвовать в снижении ущерба от падения обломков и др. Отдельные решения могут потребоваться, когда противник будет устанавливать на свои бомбы, снаряды - взрыватели с замедлением. В этих случаях возможно понадобятся противо-снаряды с взрывчатыми веществами.

Поэтому перспективность использования льда (или иных материалов) определяется не одной только его массой, а соответствием конкретной задачи его физическим свойствам.

3. Специальные формы и оболочки

Одно из направлений исследований связано с изготовлением ледяных элементов в специальных оболочках.

В качестве исследовательских вариантов можно рассматривать:

полимерные оболочки;

многослойные композитные материалы;

текстильные оболочки;

материалы, обеспечивающие лучшую сохранность изделия при выстреле;

оболочки, позволяющие контролировать процесс замораживания и последующего хранения.

Отдельного изучения заслуживают высокопрочные волокнистые материалы, в том числе кевлар.

Но здесь существует принципиальное различие между оболочкой, предназначенной для сохранения формы ледяного изделия, и оболочкой, которая должна выдерживать экстремальные механические нагрузки. Эти свойства нельзя автоматически приравнивать друг к другу.

Необходимо также учитывать, что оболочка способна не только изменить характер разрушения ледяного элемента, но и создать дополнительные опасные фрагменты.

Поэтому для гражданской инфраструктуры приоритетом должны быть безопасное хранение, предсказуемое поведение материалов и отсутствие опасного вторичного поражения.

4. Хранение больших запасов ледяных элементов

Одним из наиболее интересных аспектов данного решения является возможность создания на территории защищаемого объекта специализированного холодильного хранилища.

Такое помещение может иметь объём в несколько десятков кубических метров.

В отличие от хранения большого количества готовых металлических или взрывчатых боеприпасов, здесь основная задача заключается в поддержании отрицательной температуры и предотвращении преждевременного разрушения или изменения свойств изделий.

Современные промышленные холодильные установки позволяют организовывать длительное хранение больших объёмов замороженной продукции.

При этом необходимо учитывать:

качество теплоизоляции;

скорость автоматизированной подачи снарядов в скорострельную пневмосистему;

теплопритоки через стены, пол и потолок;

частоту открывания дверей;

тепловыделение оборудования;

влажность и образование конденсата;

необходимость резервного электроснабжения;

автоматический контроль температуры;

возможность обслуживания холодильных агрегатов без остановки всей системы.

Особенно важна организация резервирования. Защищаемый объект не должен зависеть от единственного компрессора, единственной холодильной установки или одного источника электроэнергии.

При грамотном проектировании холодильное хозяйство может использоваться не только для хранения ледяных заготовок, но и для других производственных и аварийных нужд предприятия.

5. Энергетическая и экономическая составляющая

Одно из главных преимуществ концепции — использование доступной электроэнергии, воды и систем  производства и хранения сжатого воздуха высокого давления.

Вместо постоянной закупки специализированных средств защиты объект получает собственную инфраструктуру производства и хранения исходного материала.

Но важно правильно оценивать экономику.

Сравнительно небольшие затраты связаны с:

работой холодильных машин;

циркуляцией теплоносителей;

вентиляцией и осушением;

транспортировкой готовых изделий;

поддержанием температуры;

потерями при открывании холодильных камер;

изготовлением и заменой оболочек;

производством и хранением сжатого воздуха;

обслуживанием оборудования.

Следовательно, утверждать, что производство ледяных элементов практически бесплатно, было бы неправильно.

Тем не менее использование местной воды и электричества может дать экономическое преимущество в тех областях, где замороженные изделия действительно способны выполнять полезную защитную функцию.

Для определения реальной себестоимости необходимо сравнивать не стоимость одного килограмма льда со стоимостью одного килограмма промышленного материала (кубометра сжатого воздуха), а полную стоимость обеспечения конкретного защитного результата.

6. Проблема кинетического воздействия и ограничения физических возможностей льда

Центральный вопрос концепции — способность ледяного элемента оказывать достаточное механическое воздействие на приближающийся объект.

Здесь необходимо учитывать несколько фундаментальных физических обстоятельств.

Кинетическая энергия зависит от массы и квадрата скорости. Поэтому увеличение массы само по себе не гарантирует достаточного воздействия. Существенное значение имеют скорость, направление движения, геометрия контакта, механические свойства обоих объектов, а главное способность оболочки - усилить останавливающие свойства массы льда (например, кевларовая сетка после столкновения может придать дополнительную нагрузку на останавливаемый объект и/или заставить его взорваться на подлете).

При этом лёд имеет несколько существенных недостатков:

Он значительно менее устойчив к ударным нагрузкам, чем многие металлы.

При столкновении может разрушиться раньше, чем передаст значительную часть энергии цели.

Его свойства существенно меняются при механических нагрузках, даже при пневматическом выстреле.

Большая масса изделия не означает, что оно сохранит целостность при интенсивном механическом воздействии и\или заставит взорваться на значительном расстоянии от охраняемого объекта.

Поэтому необходимо различать три совершенно разные задачи:

Первая — механическое воздействие на заранее подобранные объекты - специально подобранными под них ледовыми снарядами, адекватными потенциальным угрозам.

Это наиболее интересная область для первоначального исследования. Например, изучение возможностей использования замороженных элементов в безопасных наземных испытаниях, где можно измерять механическую нагрузку и характер разрушения материалов.

Вторая — защита сооружений от падающих предметов, потенциальных возгораний и вторичных повреждений.

Здесь ледяные элементы (и противопожарные составы) сами по себе не обязательно являются оптимальным решением. Однако замороженные материалы могут представлять интерес для некоторых в т. ч. временных инженерных конструкций, теплоизоляционных и защитных задач.

Третья — остановка ракет, авиабомб, артиллерийских снарядов и бронебойных боеприпасов.

Это принципиально более сложная задача. Такие объекты могут обладать большой скоростью, значительной кинетической энергией, прочным корпусом и собственным взрывчатым наполнением.

Обычный лёд, даже с включением в его состав определенных взрывчатых веществ, нельзя считать достаточным средством их 100% остановки или обезвреживания. Даже если внешнее механическое воздействие повредит корпус, это не означает прекращения действия боеприпаса. Напротив, возможны непредсказуемое изменение траектории, разрушение корпуса, преждевременное срабатывание или образование опасных осколков.

Следовательно, данное направление нельзя рассматривать как замену профессиональным системам противовоздушной и противоракетной обороны.

7. Система раннего обнаружения и оценки угроз

Отдельное и значительно более перспективное направление — создание комплексной системы раннего обнаружения угроз.

Современные средства защиты объектов всё больше зависят от способности своевременно обнаружить опасность, определить её характер и обеспечить правильную реакцию.

Для этого могут использоваться:

радиолокационные средства;

оптические и инфракрасные камеры;

акустические датчики;

системы наблюдения за воздушным пространством;

датчики вибрации;

программное обеспечение для анализа поступающей информации.

Особенно важна интеграция разных источников данных.

Например, радиолокационная система может обнаружить объект, оптическая система — уточнить его внешний вид, а программный комплекс — сопоставить полученные сведения с известными признаками различных угроз.
Это позволит в автоматическом режиме своевременно подобрать адекватный угрозе набор снарядов, подготовить скорострельную пневмосистему и произвести оптимальное по затратам/эффекту поражение цели.

Разумеется, автоматическая классификация не должна считаться безошибочной. Необходимо предусматривать вероятность ложного обнаружения, ошибочной идентификации и готовить, зачастую избыточный по реакции на угрозу ответ.

В гражданских системах безопасности главной задачей такой инфраструктуры должно быть своевременное предупреждение людей, запуск защитных процедур, управление укрытиями и передача информации компетентным службам. Для многих промышленных предприятий, использование своих мощностей по производству и хранению сжатого воздуха и применение пневматических скорострельных орудий, - потребует меньших усилий по согласованию данной системы защиты с т. н. компетентными органами.

8. Масштабирование системы: от отдельного здания до крупного инфраструктурного объекта

Концепция производства и хранения сжатого воздуха и замороженных материалов интересна возможностью масштабирования.

В зависимости от назначения объекта можно рассматривать несколько уровней организации.

Первый уровень — локальный.

Небольшая холодильная установка, компрессор/баллоны/ресивер, запас замороженных материалов и автономная автоматизированные: скорострельная пневмосистема и система мониторинга/управления.

Второй уровень — промышленный.

Несколько скорострельных многоствольных пневмо-установок и холодильных агрегатов (например, на каждой из 4 сторон объекта) резервное электроснабжение, компрессорная, автоматизированная подача запасов (снарядов, баллонов), система контроля температурного режима и скоростное производство замороженных изделий и сжатого воздуха высокого давления.

Третий уровень — инфраструктурный.

Комплекс, объединяющий несколько пневмо-установок, холодильных помещений, независимые энергетические источники, системы обнаружения чрезвычайных ситуаций и централизованное управление гражданской защитой.

Для крупных предприятий особенно важна возможность автономной работы в условиях нарушения внешнего электроснабжения.

В этом отношении резервные генераторы, аккумуляторные системы и альтернативные источники энергии могут иметь не меньшее значение, чем сами холодильные мощности.

9. Многократность применения и устойчивость к массированным угрозам

Один из наиболее важных принципов современной защиты — способность продолжать функционирование после первого чрезвычайного события.

Нельзя строить систему безопасности исключительно в расчёте на единственное воздействие.

При массированной атаке объект может столкнуться с несколькими последовательными чрезвычайными ситуациями, повреждением энергоснабжения, нарушением связи, пожарами и необходимостью эвакуации.

Поэтому перспективная система должна предусматривать:

резервирование основных компонентов;

несколько независимых источников электроснабжения;

дублирование датчиков и каналов связи;

автономную работу систем оповещения;

сохранение работоспособности холодильного оборудования;

независимые контуры управления;

возможность быстрого восстановления запасов материалов.

Особое значение имеет защита самой инфраструктуры. Холодильные камеры, компрессорные помещения, электроподстанции и системы управления не должны становиться единственными уязвимыми точками всего комплекса.

10. Что необходимо исследовать в первую очередь

Прежде чем говорить о практическом внедрении концепции, необходимо провести последовательную программу научно-технических исследований.

Первое направление — изучение физических свойств различных видов льда.

Следует определить, как меняются прочность, плотность, хрупкость и устойчивость к механическим нагрузкам при различных температурах и условиях хранения.

Второе направление — исследование оболочек.

Необходимо установить, какие материалы обеспечивают сохранность замороженных изделий при обычном хранении, транспортировке и перемещении.

Третье направление — проектирование, изготовление и исследование комплексного воздействия на объекты/угрозы, -ледяных снарядов с использованием скорострельных автоматизированных многоствольных пневмосистем.

Нужно определить реальную стоимость производства и адекватного хранения больших объёмов сжатого воздуха, льда, а также потребность в электричестве и резервных мощностях.

Четвёртое направление — исследование безопасного применения замороженных материалов и пневмосистем в гражданской инженерии.

В частности, следует изучить их использование в противопожарных/противоаварийных конструкциях, временных заграждениях, защите оборудования и других задачах, не связанных с поражением летящих боеприпасов. Например, не исключается оборудование такой системой грузового а/м типа КАМАЗ для обеспечения защиты при выполнении логистических операций в определенных регионах.

Пятое направление — создание интегрированной системы обнаружения и оповещения.

Это направление имеет самостоятельную практическую ценность независимо от дальнейшей судьбы идеи ледяных кинетических элементов.

11. Главный экономический вопрос: стоимость предотвращённого ущерба

Экономическая оценка должна учитывать не только стоимость исходного материала.

Для любой системы защиты необходимо сопоставлять:

капитальные затраты на оборудование;

расходы на электроэнергию;

стоимость обслуживания;

срок эксплуатации;

стоимость расходных материалов;

вероятность предотвращения ущерба;

последствия возможного отказа;

стоимость альтернативных решений.

При этом важно понимать, что дешёвый материал и доступная пневмосистема по его доставки - не всегда означает оптимальное решение.

Тем не менее сама идея локального производства и хранения оптимального для безопасности объекта количества замороженного материала и сжатого воздуха с разработкой и использованием автоматизированных многоствольных пневмосистем со скорострельным выбросом ледяных снарядов, сравнительно большой массы, -  заслуживает изучения, особенно для предприятий, где подобные мощности могут использоваться одновременно для нескольких хозяйственных и защитных задач.

12. Заключение: перспективная идея, требующая разделения задач

Концепция «Ледяного щита» интересна прежде всего попыткой изменить экономическую модель защиты объектов.

Вместо исключительно дорогих специализированных средств предлагается использовать доступное местное сырьё, промышленное холодильное и компрессорное оборудование, автоматизированное производство и большие запасы заранее подготовленного материала.

В этой концепции есть несколько самостоятельных перспективных направлений:

Локальное производство замороженных материалов.

Создание крупных термо-изолированных хранилищ.

Использование воды и местной электроэнергии для пополнения запасов.

Разработка многоствольных и скорострельных пневмосистем, а также безопасных оболочек для замороженных изделий.

Создание автономной инфраструктуры холодильного и компрессорного хозяйств.

Интеграция с современными системами обнаружения чрезвычайных ситуаций.

Разработка экономичных средств гражданской и инженерной защиты.

Однако необходимо провести принципиальную границу между этими направлениями и идеей непосредственного перехвата ракет, снарядов и авиабомб ледяными снарядами.

Последняя задача не имеет доказанной физической и инженерной обоснованности в предложенном виде. Большая масса льда сама по себе не обеспечивает надёжного перехвата высокоскоростного боеприпаса, а попытка такого воздействия может создать дополнительные опасности для защищаемого объекта.

Поэтому наиболее рациональный путь — не отказываться от исследования концепции, но начать с тех её элементов, которые имеют понятную физическую основу, могут быть проверены безопасными экспериментами и способны дать самостоятельный практический результат.

Главная идея «Ледяного щита» — превратить воду, электроэнергию, промышленное холодильное и компрессорное оборудование, а также современные системы пневмо-оружия, ИИ-управления и обнаружения в доступную локальную инфраструктуру защиты.

Именно эту основу имеет смысл развивать, проверяя каждое предполагаемое применение отдельно, а не предполагая заранее, что один и тот же материал способен противостоять всем без исключения угрозам совершенно разной природы.