A fegyverek fizikája és kémiája

Most olvasom Csányi Vilmos: Az emberi viselkedés című könyvét. Ebben, többek közt azt írja, hogy fajunk sokkal kevésbé agresszív, mint pl. legközelebbi rokonaink a csimpánzok. Ugyanakkor azt is megemlíti, hogy miközben az ember csoporton belüli agresszivitása nagyon alacsony, a csoportok egymás közötti agresszivitása jelentős. Azt hiszem, ezt gyakran tapasztalhatjuk.

Arról sem feledkezhetünk meg, hogy a műszaki fejlődés legjelentősebb területe éppen a fegyverkezés, illetve az azzal közvetlenül vagy közvetve összefüggő területek. Elég csak arra gondolnunk, hogy a repülőgépek, vagy a rakéták fejlesztése "első körben" nem éppen békés célokat szolgált. Sok esetben a hadiipari fejlesztések "békés célú másodvonala" kerül ki a mindennapi életbe.

Ebben a részben megpróbálom a fegyverek fizikai és kémiai hátterét kicsit összefoglalni és valamennyi történeti áttekintést is nyújtani.


 


Főbb témakörök:
Történet, Mozgási energiájú fegyverek, Robbanóanyagok, Vegyi, biológiai fegyverek, Nukleáris fegyverek, Jövő

 

Egy kis fegyvertörténet

Nem vagyok szakértője a témának, csak úgy fejből próbálom összeszedni a nagyvonalú, történeti áttekintést.

Jelenlegi ismereteink szerint kb. 6 millió éve váltunk külön legközelebbi rokonainktól a csimpánzoktól.
Ők még leginkább puszta kézzel pusztítják egymást, legfeljebb valami kezük ügyébe kerülő tárgyat használnak fel.
Minden bizonnyal mi is így kezdtük, de aztán "töretlenül fejlődtünk" egészen a GPS vezérléssel célba juttatott nukleáris fegyverekig.

Az első "fegyver" bizonyára valamilyen "készen talált" bot lehetett, amit eleinte "egyszer használatos" eszközként vettek igénybe.
Azután nyilván rájöttek, hogy egy különösen célszerű alakú botot magukkal is vihetnek és így mindig rendelkezésre áll egy ilyen "kézifegyver".

Aztán, pár millió év múlva, jött a kőkorszak. Különböző célokra kezdtek köveket gyűjteni, megmunkálni, használni.
A sokkal keményebb és nehezebb, mint mondjuk a fa. Egy botra kötött kővel sokkal kisebb erővel beszakítható az ellenség feje.

Később biztosan felismerték, hogy egy hosszabb botot, a végére kötött és megfelelően kialakított kővel, el is lehet dobni. Így máris megszülettek a mozgási energiájú, vagy "idegenesebben" mondva kinetikus energiájú fegyverek első képvislői.
Innen már "szinte csak egy ugrás" az uránlövedékes harckocsi elhárító fegyver kifejlesztése, de azért persze eltelt néhány év közben.

Viszonylag hamar megjelentek a "vegyi fegyverek" is.
Az indiánok nyílmérge, tulajdonképpen ennek tekinthető, bár ez még nem tartozott a tömegpusztító fegyverek kategóriájába.
Különböző mérgeket elég hamar megismertek és használtak. Bizonyos időszakokban "Divat volt" például a kutak megmérgezése.
Alkalmazták elég hamar a "biológiai fegyvereket" is. Például pestises hullát lőttek be katapulttal a várba. Ha sikerült egy "jó kis járványt" előidézni, az már a tömegpusztító fegyverek kategóriájába sorolható. Persze, ha nem volt szerencséjük, könnyen maguk is áldozatul eshettek.

A kínaiak úgy a 10. században fedezték fel a puskaport, Európában a 14. században kezdték használni, és ezzel elkezdődött a "robbanóanyagok kora". Egészen a 19. sz. végéig ez volt a legfontosabb katonai robbanóanyag, de azután jött a "nitro-glicerin", a belőle készült dinamit, és a többi...

A nukleáris fegyverekre egészen 1945-ig kellett várni. De aztán "szépen elterjedtek" és nem sokára talán újabb háború tör ki, hogy a "továbbterjedését" megakadályozzák. (Természetesen azok, akiknek már van.) Csak remélni lehet, hogy a megakadályozást "hagyományos fegyverekkel" kívánják megoldani.

Ez egy nagyon rövid történeti áttekintés volt, hiszen nem is célom a részletek kifejtése.
Azt azért mindenképpen meg kell említeni, hogy a "háttér" is rengeteget fejlődött. Ez alatt a fegyverek célbajuttatását, előállítását, kifejlesztését és egyebeket értem.
Ha jobban belegondolunk szinte nincs olyan terület, aminek ne lenne valamilyen köze a fegyverkezéshez. Elég ha csak az első számítógép kifejlesztésére gondolunk, annak fő célja a katonai számítások gyorsabb elvégzése volt. Ugyanígy a repülés vagy az űrkutatás fejlesztésének egyik "fő hajtóereje" a hadiipar.

 

Mozgási energiájú fegyverek

A mozgási energiájú fegyverek közé tartozik minden olyan fegyver, amely romboló hatását tisztán a becsapódás erejével éri el.
Ide tartozik a már említett dárda, az íjból kilőtt nyílvessző (kép), a parittyával elhajított kő, a puskából kilőtt lőszer, a páncéltörő ágyúból nagy sebességgel kilőtt uránmagos lövedék.
Valamennyi említett fegyver csak a lövedék mozgási energiáját használja fel.

A mozgási energia összefüggéséből (Em = 1/2 mv2 ) kiindulva jól látszik, hogy a roncsolás mértékét a lövedék sebessége és tömege határozza meg.
Az is látható, hogy elsősorban a sebességet célszerű növelni, mert kétszer olyan tömegű lövedék csak kétszer akkorát, viszont kétszer akkora sebességű már négyszer akkorát "üt".

Arra is hamar rájöhettek, hogy lehetőleg minél nagyobb sűrűségű anyagot kell kilőni, hiszen akkor kisebb helyen fér el nagyobb tömeg. Ez nagyobb becsapódási energiát és ugyanakkor kisebb légellenállást eredményez.

Az első mozgási energiájú fegyver valószínűleg egy eldobott kő lehetett.

A hosszabb bot végére kötött és megfelelően kialakított kő lehetett a dárda őse. (Ebből egyúttal az is látható, milyen régóta használunk "kompozit anyagokat".)
Feltehetően a dárda "fejlődéstörténetéről" önmagában is könyvet lehetne írni, de nézzük inkább a többi mozgási energiájú fegyvert, persze koránt sem a teljesség igényével.

A fejlődés következő lépéseit bizonyára az íj, a nyílpuska, és a különböző hajítógépek jelenthették.

És aztán a 14. században a puskaporral kezdetét vette a "robbanóanyagok kora" és ezzel együtt a mozgási energiájú fegyverek is nagyot fejlődtek.
Rájöttek, hogy a puskapor elégésekor keletkező nagy mennyiségű gáz feszítő ereje sokkal nagyobb sebességre képes felgyorsítani mondjuk egy vas vagy egy ólom golyót, mint a kilőtt nyílvessző. Vagyis a kémiai energiát kezdték használni katonai célokra.

Az első lőfegyverek találati pontossága nem lehetett valami tökéletes, de aztán ezek is nagymértékű fejlődésnek indultak.
Később megjelent a füstnélküli lőpor, a gyutacs, a "kész" lőszerek, a huzagolás, a sorozatlövésre alkalmas fegyverek. Ezek azonban a lőfegyverek fizikai és kémiai alapelveit nem változtatták meg.
Jelenleg is rengeteg lőfegyvert használnak (legálisan és illegálisan egyaránt).

Mozgási energiájú fegyverek a dárdától az uránlövedékig...


 

 

Robbanóanyagok

A pontosság kedvéért inkább úgy kellene mondani "kémiai robbanóanyagok".
Robbanásuk során a keletkező anyagok hirtelen kitágulnak és igen nagy nyomásváltozást okoznak, általában fényfelvillanás és erős hanghatás kíséretében.
A robbanóanyagoknál gyakorlatilag ugyanaz a gázképződés történik, mint pl. a sütőpor esetén, csak rendkívül rövid idő alatt.
Képzeljük el azt, amikor mondjuk egy decinyi térfogatú szilárd robbanóanyag, a másodperc tört része alatt több köbméternyi forró gázzá alakul!

Íme a jól ismert "eredmény", amit robbanásnak nevezünk, egy gépkocsiba rejtett pokolgép esetén.

A képre kattintva indul a filmrészlet, a végén visszaáll a kezdő helyzetbe.

Az első, és hosszú ideig (a 19. sz. végéig) az egyetlen alkalmazott kémiai robbanóanyag a puskapor (fekete lőpor) volt.
Ezt használták a lőszerek "hajtóanyagaként" és robbantásra egyaránt.

Később felfedezték a "nitro-glicerint", majd Alfred Nobel ennek "használhatóbbá tételével" kialakította a dinamitot (1866).

Ma már számos robbanóanyagot használnak katonai (és egyéb) célokra, (fekete lőport viszont inkább csak tűzijátékokhoz).
Nagyon elterjedt például a trinitro-toluol (TNT), (illetve ennek más robbanóanyagokkal alkotott keverékei), a ciklotrimetilén-trinitramin (hexogén, RDX, cyclonite), a pentaeritrit-tetranitrát (nitropenta, semtex, C4).

trinitro-toluol ciklotrimetilén-trinitramin pentaeritrit-tetranitrát

A lőszerekben általában az úgynevezett füstnélküli lőport használják, ami kevésbé nitrált cellulóz acetonban duzzasztva és kiszárítva.

A képen egy sörétes lőszerből kiöntött füstnélküli lőpor látható.

"Indításra", vagyis gyutacsként, detonátorként általában higany-fulminátot, vagy ólom-azidot használnak.

Különböző típusú detonátorok.

A kémiai robbanóanyagok is hatalmas pusztításra képesek, de azért a filmekben "kicsit túloznak" általában.
Olyan kémiai robbanóanyag nem létezik, amiből pár dekányi lerombol egy házat!
Az USA hadserege különleges célokra alkalmazott 10 tonnás "hagyományos robbanóanyagú" bombákat. Ezeknek tényleg óriási rombolóereje van, de még ez is nagyságrendekkel marad el a kb. 20 kilotonnás, Hirosimára ledobott, "ványadt kis" atombombáétól!

Lexikonom összes "hagyományos robbanóanyaggal" kapcsolatos címszava legyűjthető a Szójegyzék kereső mezőjébe beírva a robbanóanyag keresőszót.

 

Vegyi, biológiai fegyverek
(vegyi fegyverek, biológiai fegyverek, tömegpusztító fegyverek)

Mint fentebb már említettem viszonylag hamar megjelentek a "vegyi fegyverek" is.
Mérgezett nyílvesszők használata, kutak megmérgezése, mérgeskígyók átdobása az ellenség hajójára.
Viszonylag hamar megjelentek a "biológiai fegyverek" is. Például pestises hullát lőttek be katapulttal a várba.

Ezek persze mind "kispályás" módszerek voltak a 20. században kifejlesztett módszerek mellett.

Az első igazán nagy "méregkeverőnek" a "vegyi fegyver atyjának" Fritz Habert tekintik, aki az első világháború során fejlesztett ki olyan eljárásokat, amelyekkel már tömegpusztító fegyverként lehetett használni a vegyi fegyvereket. (A Nobel-díjat persze nem ezért kapta.)

Bár voltak korábban is próbálkozások, az első vegyi fegyverrel végrehajtott támadásnak az I. Világháborúban Ypern közelében történt "akciót" tekintik, amikor a németek 160 tonna klórgázzal történő támadásának 10000 áldozata lett!
A hatástól - szerencsére - még a támadók is annyira megrettentek, hogy az I. Világháború után (1925-ben) nemzetközi egyezménnyel tiltották be a vegyi és bakteriológiai fegyverek alkalmazását.

Ennek ellenére számos, tömegpusztításra alkalmas vegyi anyagot fejlesztettek ki, de az első I. Világháború után "élesben" csak az Iraki-Iráni hadszíntéren vetették be.

Ilyen vegyi fegyverként alkalmazott "nyalánkságok" a már említett klórgáz mellett, pl. a foszgén (Cl2C=O), kén-mustár [Cl - (CH2)2 - S - (CH2)2 - Cl], hidrogén-cianid (H-C=N).
Ilyen a hírhedt ideggáz a sarin is (a molekulaképen).

A biológiai fegyverek is sokat "fejlődtek", mindenféle tiltás ellenére.
Sok helyen vannak jelentős készletek felhalmozva pl. olyan kórokozókból, amelyek már régóta nincsenek jelen, és e miatt már védőoltást sem adnak ellenük (pl. himlő).

 

Nukleáris fegyverek

A fentebb már említett kémiai robbanóanyagok "hatása" eltörpül a II. Világháború során, illetve azt követően kifejlesztett nukleáris fegyvereké mellett, bár azokkal is sikerült több tízmillió embert megölni.

 

Nukleáris fegyvereknek az atommaghasadáson illetve magfúzión alapuló, igen nagy rombolóerejű, és/vagy nagyon erős sugárhatást keltő fegyverek összefoglaló neve.

Egy jellegzetes nukleáris robbanás animációja látható a Robbanás gombra kattintva.

Ide tartozik az (egyfázisú) atombomba, a hidrogénbomba és a neutronbomba vagy más néven fokozott sugárhatású fegyver.

Eddig mindössze két ilyen fegyvert vetettek be "élesben" a II. Világháború vége felé Japánban (Hirosimában, illetve Nagaszakiban). Mindkettő (egyfázisú urán, illetve plutónium) atombomba volt. Szerencsére a sokkal pusztítóbb hidrogénbomba csak később került kifejlesztésre, és eddig még csak kísérleti robbantásokat végeztek.

Érdemes megjegyezni, hogy az eddigi legnagyobb erejű hidrogénbomba 60 megatonnás volt!
Ez háromezerszer akkora rombolóerő, mint a Hirosimára ledobott atombomba volt és hatmilliószor akkora, mint a már említett 10 tonnás "hagyományos bombáé"!

Az atomhatalmak jelenlegi "készleteinek" esetleges bevetése globális katasztrófát okozna. A túlélők közül sem sokan élnék túl a következményeket! Szinte mindent újra kellene kezdeni!

Lexikonom összes nukleáris fegyverekkel kapcsolatos címszava legyűjthető a Szójegyzék kereső mezőjébe beírva a nukleárisfegyver keresőszót.

 

Jövő
(antianyag annihiláción alapuló lövedékek, lézerfegyverek, elektromágneses ágyú /railgun/, nem halálos fegyverek, mikrohullámú tömegoszlató fegyver, Active Denial System, ADS)

Az eddig történtek ismeretében a jövő sem tűnik túl bíztatónak.

Pillanatnyilag ugyan nem tudunk olyan eszközök kifejlesztéséről, amelyek esetleg még a nukleáris fegyvereknél is pusztítóbbak. De ilyenekre nincs is szükség, hiszen "ép ésszel" a jelenlegi tömegpusztító fegyvereket sem lehet bevetni.

Az utóbbi időben elsősorban a "háttér technika" fejlődött (pl. a célbajuttatás pontossága, a csapatok tájékozódási lehetőségei, a kommunikáció, stb.).

 

Antianyag annihiláción alapuló lövedékek.
Nem rég olvastam róla, hogy felmerült ilyen, tulajdonképpen a nukleáris fegyverek közé sorolható eszközök kifejlesztése.
Rombolóerejük - elvileg - valahol a vegyi robbanóanyagok és a nukleáris robbanóeszközök között lennének, de nincs sem alsó, sem felső korlátjuk.
Gyakorlatilag az annihiláció jelenségén alapulnak, vagyis azon, hogy az anyag és az antianyag "találkozásukkor" teljes egészében energiává alakulnak gamma-sugárzás formájában.
Kicsit kevésbé tűnik "kézbentarthatónak", mint a "hagyományos nukleáris eszközök". Antianyag ugyanis csak akkor létezhet "békésen", ha nem érintkezik semmivel. Tehát állandóan vákuumban és mágneses térben lebegve kell(ene) tartani, különben bekövetkezik az annihiláció.
Eddig még viszonylag kevés olyan rendszert sikerült alkotnunk, ami 100%-os biztonsággal működik hosszú távon. (A többit mindenkinek a fantáziájára bízom.)
Van még egy másik "apró" probléma is ezekkel a fegyverekkel kapcsolatban. Sajnos (vagy szerencsére) ilyesmit nem annyira egyszerű előállítani. A CERN-ben másodpercenként tízmillió antiprotont tudnak létrehozni. A Hirosimában ledobotthoz hasonló, 20 kilotonna TNT robbanóerejű bombát mindössze fél gramm antianyagból létre lehetne hozni. A fél gramm igazán nem tűnik soknak, de a másodpercenként tízmillió darabos gyártási teljesítménnyel röpke egymilliárd évre (!) lenne szükség a legyártásához.

 

Lézerfegyverek
Ilyenek már most is léteznek, az USA haditengerészete már az idén (2014) tervezi a hadrenbe állítását (szóval ez már a jelen).
Az alkalmazott lézer 30 kilowatt teljesítményű.
Sűrű ködben, esőben vagy esésben nem igazán hatékony.
A sugara nem látható, de igen nagy hatást fejt ki a célon.
Előnye, hogy sokkal olcsóbb a rakétáknál és mindaddig működhet, amíg az áramforrás rendelkezésre áll.

 

Elektromágneses ágyú (Railgun)

Maga az ötlet nem új. Már az első világháború után felvetődött az elektromágneses ágyú ötlete.
Az Egyesült Államok haditengerészete megbízásából a BAE Systems brit védelmi fejlesztőcég kezdte el a kutatásokat a tűzgyorsaság növelésére.
A railgun nagy erejű elektromágneses impulzusokkal gyorsítja fel a tömör, vezető anyagú lövedéket.
A lövedék pusztán a mozgási energiájával pusztít (nem szükséges robbanóanyag, "csak" jelentős elektromos teljesítmény).
A BAE Systems által a tesztekre használt fegyver a lövedék mögött hoz létre elektromágneses mezőt, így a lövedék elérheti a 9000 km/óra (2.500 m/másodperc) sebességet.
A fegyverrel akár 100 tengeri mérföldre (185 kilométerre) lehet majd ellőni.
Az első, 64 megajoule mozgási energiájú példányok kb. egy évtizeden belül jelenhetnek meg a szolgálatban lévő hajókon.

A baloldali ábrán a működési elve, a jobboldali a kísérleti ágyú lövedékének töltése látható.

 

Nem halálos fegyverek
Kifejlesztés alatt, illetve már használatra készen vannak olyan fegyverek, amelyek nem ölik meg az ellenséget, csak harcképtelenné teszik.
Az egyik ilyen eszköz a mikrohullámú tömegoszlató fegyver (Active Denial System, ADS) (a képen), amivel az amerikai hadsereg állítása szerint sérülések nélkül lehet jobb belátásra bírni a feldühödött tömegeket.
Hatását tekintve a bőr felső rétegét felmelegíti és olyan fájdalmat okoz, amitől mindenki "észnélkül elmenekül".
Feltehetően számtalan szebbnél szebb ötlete van még az új fegyverek kiagyalóinak.
Mindig is arra fordította a legtöbb energiát az emberiség, hogy új fegyvereket találjon ki. (Persze kizárólag védelmi célokkal. Viszont a legjobb védekezés a támadás.)

 

Drónok
Az 1960-as években kezdtek el drónokat alkalmazni az USA hadseregében, és jelenleg egyre többet használnak ezekből a pilóta nélküli, távolról irányított eszközökből felderítési és csapásmérő célokra egyaránt. A jövőben úgy tűnik egyre jobban felváltják a "hagyományos" repülőgépeket.

Csapásmérő szárnyas-légcsavaros
Lopakodó gázturbinás
"Normál" helikopter változat


Felhasznált irodalom