Текст книги "Журнал "Компьютерра" №772"

Автор книги: Компьютерра Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 7 страниц)

Бомбы дружною семьею…

Автор: Ваннах Михаил

Наверное, ни один вид оружия не оброс таким количеством постмодернистских мифов и страшилок, как боеприпасы объемного взрыва. Давайте же взглянем, что это такое.

Вся история цивилизации есть непрерывное состязание брони и снаряда, крепости и стенобитной машины. Осадные орудия обесценили оборонные возможности средневековых замков – их вертикальные стены, часто сложенные из известняка с минимумом раствора, рассыпались от ядер каменных, крушились чугунными… Отказались от изящной, укрывавшей стрелков по грудь, брустверной стенки; верхнюю часть укреплений закруглили; укрыли нижнюю часть крепостных стен землей…

Не вдаваясь глубоко в историю фортификации, отметим, что колоссальный вклад в нее внес не кто иной, как Альбрехт Дюрер. Великий художник и гравер, автор работ по теории перспективы и по геометрическим построениям с циркулем изложил свои оборонные идеи, на сто и более лет обогнавшие эпоху, в работе "Etliche underricht, zu befestigung der Stett, Schloß und Flecken" ("Руководство к укреплению городов, замков и теснин"), увидевшей свет в 1527 году в Нюрнбергской печатне другого известного гуманиста, по слухам – члена тайных обществ, Иеронима Андре. Знание геометрии позволило ему предложить полигональные формы укреплений, обеспечивающих поражение наступающих продольным огнем и могущих быть разрушенными тогдашней артиллерией только с кратчайших дистанций и с самых неудобных позиций, вроде дна рва. А предложенные Дюрером круглые укрепления стали прообразами фортов-застав, запиравших узости. И, грубо говоря, до середины XIX века фортификация вертелась вокруг идей германского гуманиста. Дело в том, что в распоряжении человечества было только одно взрывчатое и метательное вещество – черный порох. А развитие химии дало и пироксилиновые пороха, и бризантные взрывчатки, начиная с нитроглицерина и динамита. Бризантностью (от французского brizant, дробящий) была названа способность ВВ разрушать при взрыве среду, непосредственно соприкасающуюся с зарядом. Традиционно считалось, что дробящий эффект проявляется на расстояниях, не превышающих двух-двух с половиной размеров заряда. Зависит бризантность от плотности заряда и скорости детонации взрывчатого вещества в прямой пропорции.

И если динамит для своего использования в снарядах требовал экзотику, вроде пневматических орудий, то уже прессованная пикриновая кислота – мелинит, шимоза – резко повысила разрушительную мощь артогня, что стало в Японской войне гибельным для Первой и Второй Тихоокеанских эскадр. А уж к Первой мировой был готов целый букет бризантных взрывчаток – работяга тринитротолуол, энергичный тетрил… Даже армированный бетон, сменивший в крепостном строительстве камень и кирпич, не мог спасти крепости. Российский Осовец – под огнем 42-сантиметровых орудий, в облаках хлора и брома шесть с половиной месяцев 1915 года сдерживавший 8-ю армию кайзера, – был уже прообразом укрепрайонов.

Ну а к началу Второй мировой искусство разрушения фортификационных сооружений достигло апогея. Примененная гитлеровцами против защитников Севастополя 800-миллиметровая пушка "Дора" имела ствол длиной "2,5 метра, весила в боевом положении 1"50 тонн и с помощью бетонобойного снаряда весом 7100 кг разрушила склад боеприпасов, заглубленный на 27 метров… Британская бомба Grand Slam, применявшаяся Бомбардировочным командованием Королевских ВВС, имевшая длину 7,7 метра и вес 9,98 тонны, могла проникать в грунт на 40 метров. Именно с ней сравнили мощь бомбы, сброшенной на Хиросиму. Всё, мощь оружия стала слишком большой для нашей маленькой планеты.

Но сущность человека не изменилась, и перерезать горло ближнему хочется по-прежнему. А тот, собака, забивается в укрытие. И добро бы в деревоземляное, легко разваливаемое не только дивизионной, но и полковой артиллерией. А он же, мерзавец, норовит заползти в пещерку какую, за скалы залечь. А крушить скалы бризантными снарядами сверхтяжелой артиллерии из-за одного инсургента слишком дорого даже для богатых сверхдержав; и слишком абсурдно даже для нашего постмодернистского времени. И вот вспомнили, что иногда колоссальные по мощности взрывы происходят в угольных копях и на мукомольных фабриках, где бризантных взрывчаток отродясь не бывало. Да и поныне в Нечерноземье увидишь раскрывшийся как цветок домик, один из обитателей которого, открыв газ в колонке, решил спьяну подремать с сигареткой…

Эти эффекты порождает объемный взрыв. Возьмем горючее вещество, твердое, жидкое или газообразное. Смешаем его с воздухом, взвесив в первом и втором случае мельчайшие пылинки или капельки. Чиркнем спичкой. Что имеем? Горение! Очень быстрое – площадь его велика. С огромными перепадами давления в ту и иную сторону, – пожарные стоят у дома и недоумевают: как это стены падали в одну сторону, а окна вылетали в другую?

Сразу несколько эффектов. В обычной взрывчатке значительная часть веса приходится на окислитель. А здесь – халявный кислород воздуха. Да, скорость детонации много ниже, чем у бризантных ВВ (Советская Военная энциклопедия называет цифры от 1000 до "500 м/с), но перепад давления очень велик – достаточен для того, чтобы нанести забившимся в пещеру басмачам несовместимые с жизнью внутренние повреждения.

Прообразом боеприпасов объемного взрыва были огнеметы Первой мировой. Потом – слышал рассказы ветеранов – бензиновыми бомбами в нашей стране занимался энтузиаст безоткатных орудий Леонид Васильевич Курчевский, сгинувший в 19"7 году в расстрельных подвалах. Во Второй мировой и мы, и союзники применяли (в ограниченно-экспериментальных объемах) бомбы, снаряженные оксиликвитом – смесью горючей органики с залитым непосредственно перед вылетом жидким кислородом.[Вклад в испепеление Дрездена, описанное К. Воннегутом в "Бойне номер пять", они внесли.]

Во Вьетнаме янки использовали объемно-детонационные смеси для уничтожения бойцов Вьетконга в тоннелях, для расчистки минных полей. 21 апреля 1975 года по приказу генерал-майора Гомера Симп… тьфу, виноват, Смита[Пытавшегося продлить дни Сайгонского режима, столь же демократичного, честного и бескорыстного, как наш постсоветский.] кассетные бомбы CBU-55 были сброшены на наступающие северовьетнамские части. Из каждой "00-кг кассеты вылетело по три боеприпаса, снаряженных пропаном. Огненный шар накрыл площадь 1,6 га. Погибло, преимущественно от удушения, а не от огня, 250 человек. Видимо, отсюда и пошел термин – вакуумная бомба. Потом на вооружении США появились моноблочные вакуумные бомбы BLU-96, кассетные CBU-7", снаряженные окисью этилена. Они применялись во время войн в Заливе.

Но для MOAB (GBU-4"/B Massive Ordnance Air Blast bomb, или Mother of All Bomb, наследницы Большого Шлема) – 9,5-тонной бомбы с GPS-наведением и цельнотянутыми (у российской оборонки) решетчатыми стабилизаторами, янки выбрали обычную взрывчатку H-6[.H-6 – это смесь гексогена, тола и алюминиевого порошка, имеющая мощность в 1,35 раза более высокую, чем тринитротолуол, и развивающая более высокую температуру.]" Почему? – да еще Советская Военная энциклопедия отмечала как недостаток сложность конструкций боеприпасов объемного взрыва. Сложность, объективно обусловленную сложностью процессов взрывоподобного сгорания топливно-воздушной смеси. (Так что такой боеприпас при кажущейся простоте требует колоссального инженерного, в том числе и вычислительного, труда.) Да еще добавим, что облако аэрозоли может быть снесено ветром, прибито дождем. То есть такие боеприпасы позиционировались как специальные (GBU-4"/B произведена в количестве аж семнадцати штук… ).[Полумистические свойства, приписываемые советскому гранатомету "Шмель" (оружию эффективному, но специализированному) писателями-постмодернистами и литературными барышнями, оставим за скобками. Равно как и звучавшие в 90-е годы в губернских парламентах предложения срыть Чечню вакуумными бомбами…]

Впрочем, после испытаний в России 11 сентября 2007 года боеприпаса объемного взрыва, обозванного "Папа всех бомб" и превосходящего MOAB по мощности вроде бы вчетверо, США тоже решили пополнить "вакуумный" арсенал. Ждем прибавления в дружной семье?

ТЕХНОЛОГИИ: 3D в натуре

Автор: Юрий Ревич

Невозможно назвать ни одну область человеческой деятельности, которую бы не затронул технический прогресс с его ошеломляющими темпами. Причем о революционных преобразованиях, касающихся повседневного быта миллионов людей, мы узнаем фактически в реальном времени – о существовании электронной почты, мобильной связи или цифровой фотографии осведомлен любой человек, даже ни разу в жизни не державший в руках «Компьютерру». Но есть такие сферы деятельности, где изменения гораздо меньше заметны широкой публике, однако их значимость от этого ничуть не меньше. К таким сферам, безусловно, относится 3D-печать.

Нечастые сообщения в СМИ о новых технологиях изготовления трехмерных моделей "вживую", в пластике или металле, своей тональностью обычно лишь свидетельствуют о непонимании журналистским сообществом всей глубины революционных преобразований в этой области. То, что технологии 3D-печати уже перестали быть просто игрушкой для дизайнеров и художников, доказала фирма Lockheed Martin, продемонстрировавшая на аэрошоу в Англии в 2006 году беспилотник-невидимку P-175 Polecat. Львиная доля элементов конструкции этого сверхзвукового аппарата с размахом крыльев 27 метров была изготовлена на 3D-принтерах. Впрочем, большинство современных технологий 3D-печати уходят корнями в конец 1980-х годов.

Лазерные: SLA и другие

Первой использовавшейся на практике технологией для автоматического изготовления физических моделей из пластика по компьютерным «чертежам» была стереолитография (SLA), придуманная американским инженером Чарльзом Халлом еще в 1986 году. Халл основал компанию 3D Systems, которая и поныне является одним из главных производителей 3D-принтеров.

Принцип стереолитографии заключается в использовании фотополимера в жидком состоянии, поверхность которого отверждается лучом УФ-лазера в соответствии с рисунком текущего слоя (здесь обычно добавляют, что подобные фотоотверждаемые полимеры издавна применяются дантистами для пломбирования зубов). Рисунок получается послойной "нарезкой" исходной компьютерной 3D-модели с помощью специального софта. После формирования текущего слоя стол с моделью опускается на толщину слоя, а поверхность с помощью специального выравнивателя опять заливается жидким полимером, из которого формируется следующий слой [1]. Готовый образец промывается, дабы удалить остатки полимера, и некоторое время выдерживается под УФ-лампой для окончательного затвердевания.

На SLA-принтерах можно печатать довольно крупные изделия (до 75 сантиметров по максимальному габариту). Такой принтер даже с не очень большим рабочим объемом (например, 250х250х250 мм) представляет собой внушительное устройство величиной со шкаф и весом полтонны. Современные SLA-принтеры имеют самую высокую точность среди своих собратьев (так, аппараты от 3D Systems позволяют выдержать толщину слоя в одну-две тысячные дюйма – 0,025–0,05 мм), в них получаются гладкие и прочные модели с отличной проработкой мелких деталей. Недостатки их – крайняя медлительность (скорость роста образца – несколько миллиметров в час по высоте заготовки), ограниченный ассортимент исходных материалов и дороговизна. Цена таких принтеров обычно не указывается (ибо продаются они поштучно), но, порывшись в Сети, можно узнать, что для модели Viper SLA (не самой дешевой, правда) она начинается от 150 тысяч евро. Видимо, по этой причине SLA-продукты 3D Systems в нашей стране не очень популярны.

Версия SLA-технологии под названием SGC (Solid Ground Curing) работает гораздо быстрее, но и с несколько меньшим разрешением. В первоначальном варианте, разработанном израильской фирмой Cubital еще в 1987 году, процесс напоминал ксерокопирование: на специальном стекле с помощью тонера формируется маска текущего слоя, через которую фотополимер засвечивается уже не лазером, а УФ-лампой сразу по всей поверхности. В современной модификации вместо маски используют DLP-матрицу, как в проекторах изображений. Такой SGC-аппарат (например, Perfactory от немецкой фирмы EnvisionTEC) может иметь скорость печати до 20 мм/час и разрешение по высоте (минимальную толщину слоя) 0,1 мм. Стоит Perfactory (за рубежом) около 55 тысяч евро.

Недостатка, заключающегося в специфичности и дороговизне исходного материала, лишены лазерные 3D-принтеры, использующие технологию спекания (Selective Laser Sintering, SLS). Метод был запатентован в 1989 году выпускником Техасского университета Карлом Декардом. SLS-принтер устроен гораздо проще, чем SLA: луч лазера плавит предварительно подогретый почти до температуры плавления порошок, формируя рисунок слоя. После его застывания насыпается очередная порция порошка, и формируется следующий слой. Очевидное преимущество такого подхода – возможность использования почти любого термопластичного материала, от полимеров до воска. Кроме того, модели, изготовленные по такой технологии, считаются самыми прочными. Разрешение SLS меньше, чем у SLA, а скорость работы выше (например, для принтеров EOSINT немецкой фирмы EOS толщина слоя – 0,1–0,15 мм, скорость формирования слоев – до 35 мм/час). Недостатки – поверхность изделий получается шероховатой, и требуется относительно большое время подготовки к работе, то есть для нагрева исходного полимера и стабилизации температуры.

Зато SLS-принтеры обладают одним очень полезным свойством: они позволяют "печатать" металлические изделия. Делается это при помощи специального порошка, представляющего собой стальные частицы, покрытые полимером. Модель, изготовленная на принтере из порошка, помещается в печь, где пластик выгорает, а поры заполняются легкоплавкой бронзой, в результате получается очень прочное композитное изделие. Есть также порошки на основе стекла или керамики, из них получают термостойкие и химически стойкие детали.

Традиционно в обзорах 3D-принтеров упоминается LOM-технология (Laminated Object Manufacturing), изобретенная Михаилом Фейгеном еще в 1985 году. Здесь лучом лазера раскраивают листовой материал, в качестве которого может выступать что угодно (бумага, ламинат, металлическая фольга и даже керамика), а затем нагреваемые валки склеивают полученные слои друг с другом. Недостатки метода понятны: грубая поверхность изделий, возможность расслоения и ошибок при не полностью прорезанном листе. Зато можно без проблем удалить испорченные слои и сделать их заново. Судя по результатам в поисковых системах (точнее, по их отсутствию), подобные принтеры уже не в моде, тем не менее на сайте фирмы Landfoam можно увидеть восхитительные образчики ландшафтов и архитектурных объектов, изготавливающихся по заказам с помощью подобной технологии.

К сожалению, повторимся, лазерные 3D-принтеры любого типа очень дороги: так, цена SLS-устройств фирмы EOS, которые даже трудно назвать принтерами из-за их размеров, вполне может достигать миллиона долларов. А вот цены другой разновидности 3D-принтеров – струйных – становятся все демократичнее.

Струйные

Самый очевидный струйный способ 3D-печати: выдавливание жидкого полимера на поверхность заготовки. Таким образом работает технология FDM (Fused Deposition Modeling), идея которой принадлежит Скотту Крампу, основателю компании Stratasys. Первый принтер по технологии FDM был выпущен в 1991 году. Сейчас Stratasys выпускает несколько разновидностей FDM-принтеров, из которых наиболее известна у нас серия Dimension (по названию одноименного подразделения компании). Машины Dimension – одни из самых дешевых среди 3D-принтеров, цена моделей начального уровня опускается ниже $20 тысяч, а в январе Dimension анонсировала «персональный» 3D-принтер uPrint дешевле $15 тысяч. Впрочем, более «продвинутые» FDM-устройства (вроде FDM Titan) могут стоить и вдесятеро больше. Что же нам предлагают за эти деньги?

FDM-принтеры используют нить термопластичного пластика (в дешевых Dimension применяется менее прочный и стойкий полистирол АВС, в более дорогих – поликарбонат РС), которая расплавляется и через фильеру укладывается печатающей головкой на поверхность образца [2]. Так как тонкие нависающие элементы могут деформироваться в процессе печати, в головке предусмотрена вторая фильера, при необходимости автоматически формирующая элементы поддержки. Из готового изделия эти элементы вымываются водным раствором в ультразвуковой ванне. Изделия получаются гладкими и прочными, однако точность изготовления невелика: лучшие FDM-модели имеют толщину слоя 0,127 мм, рядовые – 0,178 мм и более. Кроме того, процесс довольно медленный.

В принципе FDM-принтеры позволяют получать многоцветные образцы (стандартно доступно до семи цветов пластика, или любой другой цвет по специальному заказу), но для этого нужно менять картридж с нитью по ходу работы. Заметное достоинство принтеров от Stratasys – способность работать по принципу plug&play, все операции предельно автоматизированы. Говорят, NASA рассматривает технологию FDM в качестве кандидата на "космическую фабрику".

Другой способ струйной печати под названием Polyjet разработан израильской фирмой Objet Geometries, чьи устройства с красивым названием Eden ("Эдем") хорошо известны, в том числе и в нашей стране. Polyjet является родственником лазерной технологии SLA, только вместо ванны с жидким фотополимером используется струйная головка, выдавливающая его на поверхность детали. Затем, как в технологии SGC, полимер отверждается под ультрафиолетовой лампой. Цена "Эдемов" довольно велика – $60–100 тысяч для начальных "офисных" моделей, что, впрочем, в несколько раз ниже, чем у SLA-аналогов. Скорость работы – около 20 мм/час, толщина слоя – от 0,16 мм.

На том же принципе основана технология Multi-Jet Modeling от знакомой нам 3D Systems. Год назад на выставке SolidWorks World 2008 эта фирма продемонстрировала 3D-принтер под названием ProJet HD 3000 3-D Production System и пообещала в течение ближайшей пятилетки опустить его цену ниже 2000 долларов, во что верится с большим трудом: пока за рубежом его предлагают за $68–70 тысяч. Новость быстро разнеслась не в последнюю очередь благодаря удачному маркетинговому ходу: мол, ProJet относится к устройствам "высокой четкости" (на что указывают буковки HD), хотя многие другие 3D-принтеры ничуть не менее "высокочеткие" (см. врезку).

Видимо, по той же технологии должен работать принтер от Desktop Factory с ценой якобы ниже $5000. Пару лет назад СМИ заполонило сообщение о начале предварительного приема заказов на этот принтер, однако, судя по официальному сайту фирмы, она и до сих пор продолжает их принимать. Так что о дешевых домашних устройствах 3D-печати, несмотря на широковещательные заявления, пока остается лишь мечтать, но, с другой стороны, давно ли мы убивались по поводу дороговизны цветной лазерной печати?

Наконец, еще один популярный способ струйной 3D-печати под простым названием 3DP (Three-Dimensional Printing) был разработан в Массачусетском технологическом институте, и в настоящее время на этой ниве трудится в основном фирма Z Corporation. Способ состоит в склеивании порошка твердого материала (гипса, целлюлозы, керамики, крахмала) компаундом, выдавливаемым из печатающей головки. Уникальность способа в том, что это единственный из методов 3D-печати, позволяющий получать модели с 24-битным цветом. В цветных 3D-принтерах от Z Corporation (например, Spectrum Z510[У нас принтеры этой фирмы можно встретить под маркой Contex.]), как во всяком приличном струйнике, имеются четыре печатающие головки с компаундом основных CMYK-цветов. Разрешение обычное для подобных методов (толщина слоя 0,1 мм), скорость работы одна из самых высоких – 25–50 мм/час по высоте модели. Недостаток 3DP очевиден: модели получаются не слишком прочными и с зернистой поверхностью. Правда, их можно упрочнить закрепляющим составом или пропитать специальным резиноподобным полимером, получив гибкие модели, а с применением особого порошка можно делать готовые к применению литьевые формы (технология Zcast), что недоступно технологиям, использующим пластик. Причем принтеры Z Corporation дешевле других[От $15 тысяч за монохромную модель и от $40 тысяч за цветную, в России в полтора-два раза дороже.] и в целом довольно популярны, в том числе и у нас.

Вообще, разновидностей технологий 3D-печати еще довольно много, но в основном они представляют собой ту или иную модификацию перечисленных. Так почему я с самого начала заговорил о революции?

Кому и зачем?

О главном назначении всех технологий 3D-печати недвусмысленно говорит их часто употребляемое общее название – rapid prototyping (RP), быстрое изготовление прототипов. Сегодня без 3D-принтеров не могут обойтись медицинское моделирование (протезирование, моделирование органов и пр.), обувная промышленность, мелкосерийное литейное производство, картография, геодезия, ландшафтный и архитектурный дизайн и многие другие отрасли. В машиностроении, автомобильной или авиационной промышленности проведение конструкторских работ без технологий быстрого прототипирования уже и не мыслится. Любопытно, что при подготовке этой статьи я сплошь и рядом натыкался на сайты, посвященные ювелирному делу: оказывается, представители этой старинной профессии чуть ли не первыми взяли RP-технологии на вооружение. Не страдают RP-технологии от недостатка внимания и со стороны художников-скульпторов.

Из-за дороговизны 3D-принтеры нередко сдают в лизинг, или фирмы просто предлагают изготовить модели по вашим оригиналам. Стоит последняя услуга в России в среднем около доллара за кубический сантиметр готовой модели для технологий типа 3DP, но, конечно, цена сильно зависит и от объема заказа, и от материала, и от технологии. Специалисты уже мечтают о Distance Manufacturing on Demand (DMD, "дистанционное производство по требованию"): составил 3D-модель, отправил по Интернету – получил готовый заказ по почте. Эдакое производство на диване. Несомненно, так и будет, когда 3D-печать подешевеет до приемлемого уровня, и вряд ли этого придется ждать дольше, чем в других областях.

О высокой четкости и маркетинговых ухищрениях

Точность работы ProJet HD 3000 3-D Production System, судя по спецификациям, довольно высока: 0,001–0,002 дюйма, что характерно для продукции 3D Systems. А вот под «высокой четкостью», видимо, подразумевается, что кроме стандартного режима (разрешение 328х328х606 dpi, то есть 0,08 мм по горизонтали и 0,05 мм по вертикали) есть специальный режим «ультравысокой четкости». В нем высота образца не превышает двух дюймов, зато на эту величину приходится 1600 точек (800 dpi). Тем не менее большинство 3D-принтеров имеют сходные характеристики и даже выше: например, разрешение отнюдь не hi-end-устройства Eden 250 от Objet, работающего по той же самой технологии, составляет 300х600 dpi в горизонтальной плоскости и 1600 dpi в вертикальной (что совпадает с упомянутыми в тексте 0,16 мм толщины слоя). Причем это действительно для любого размера образца, вплоть до максимальных 200 мм по высоте. Разница в цене девайсов минимальна, Eden 250 даже чуть дешевле, да и габаритами поменьше, при почти такой же максимальной величине образца. Так что термин «высокая четкость» в данном случае следует считать просто удачной рекламной находкой. Конечно, если 3D Systems и правда удастся снизить цену, пусть не до двух, но хотя бы до пяти тысяч долларов, то цены ему, извините за каламбур, не будет.