Рейлган - Railgun

Испытательные стрельбы в Дальгренском центре наземных боевых действий ВМС США, январь 2008 г.

Рэйлган является линейным двигателем устройство, как правило , предназначен как оружие, которое использует электромагнитную силу для запуска высокой скорости снаряда. Снаряд обычно не содержит взрывчатых веществ, вместо этого полагаясь на высокую скорость , массу и кинетическую энергию снаряда для нанесения урона. Рельсотрон использует пару параллельных проводов (рельсов), по которым скользящий якорь ускоряется электромагнитными эффектами тока, который течет по одному рельсу в якорь, а затем обратно по другому рельсу. Он основан на принципах, аналогичных принципам униполярного двигателя .

В 2020, электромагнитные пушки были исследованы в качестве оружия , использующих электромагнитные силы , чтобы придать очень высокую кинетическую энергию к снаряду (например , APFSDS ) , а не с использованием обычных пропеллентов. В то время как боевые орудия с приводом от взрывных устройств не могут легко достичь начальной скорости более ≈2 км / с, рельсотроны могут легко превысить 3 км / с. Для аналогичного снаряда дальность стрельбы рельсотрона может превышать радиус действия обычных орудий. Разрушающая сила снаряда зависит от его кинетической энергии и массы в точке удара, и из-за потенциально высокой скорости снаряда, запускаемого рельсотроном, их разрушительная сила может быть намного больше, чем у обычных снарядов того же размера. Отсутствие взрывоопасных порохов или боеголовок для хранения и использования, а также низкая стоимость снарядов по сравнению с обычным оружием являются дополнительными преимуществами.

Несмотря на вышеупомянутые преимущества, после десятилетий исследований и разработок рельсотрон все еще находится на стадии исследований , и еще неизвестно, будут ли они когда-либо применены в качестве практического военного оружия. Любой анализ компромисса между электромагнитными (ЭМ) двигательными установками и химическим топливом для применения в оружии должен также учитывать его долговечность, доступность и экономичность, а также новизну, громоздкость, высокий спрос на энергию и сложность необходимых импульсных источников питания. для электромагнитных пусковых систем.

Основы

Принципиальная схема рельсотрона

Рельсотрон в своей простейшей форме отличается от традиционного электродвигателя тем, что в нем не используются дополнительные обмотки возбуждения (или постоянные магниты). Эта базовая конфигурация образована одним контуром тока и, следовательно, требует больших токов (например, порядка одного миллиона ампер ) для создания достаточных ускорений (и дульных скоростей). Относительно распространенным вариантом этой конфигурации является усиленный рельсотрон, в котором управляющий ток направляется через дополнительные пары параллельных проводников, предназначенных для увеличения («увеличения») магнитного поля, испытываемого движущимся якорем. Эти устройства уменьшают ток, необходимый для данного ускорения. В терминологии электродвигателей, рельсотроны с усилением обычно представляют собой конфигурации с последовательным заводом . Некоторые рельсотроны также используют сильные неодимовые магниты с полем, перпендикулярным току, чтобы увеличить силу, действующую на снаряд.

Якорь может быть составной частью снаряда, но он также может быть выполнен с возможностью ускорения отдельного, электрически изолированного или непроводящего снаряда. Твердые металлические скользящие проводники часто являются предпочтительной формой арматуры рельсотрона, но также могут использоваться плазменные или «гибридные» арматуры. Плазменный якорь образован дугой ионизированного газа, который используется для толкания твердой непроводящей полезной нагрузки аналогично давлению порохового газа в обычной пушке. Гибридный якорь использует пару плазменных контактов для соединения металлического якоря с направляющими пушки. Сплошные якоря также могут «переходить» в гибридные якоря, как правило, после превышения определенного порогового значения скорости. Сильный ток, необходимый для питания рельсотрона, может быть обеспечен различными технологиями электропитания, такими как конденсаторы, генераторы импульсов и дисковые генераторы.

Для потенциальных военных применений рельсотроны обычно представляют интерес, потому что они могут развивать гораздо большую дульную скорость, чем пушки, работающие на обычном химическом топливе. Повышенная дульная скорость с улучшенными аэродинамически обтекаемыми снарядами может передать преимущества увеличенной дальности стрельбы, в то время как, с точки зрения поражения цели, увеличенная конечная скорость может позволить использовать снаряды с кинетической энергией, включающие наведение на поражение, в качестве замены разрывных снарядов . Поэтому типичные конструкции военных рельсотронов нацелены на дульную скорость в диапазоне 2 000–3 500 м / с (4 500–7 800 миль в час; 7 200–12 600 км / ч) с дульной энергией 5–50 мегаджоулей (МДж). Для сравнения, 50  МДж эквивалентны кинетической энергии школьного автобуса весом 5 метрических тонн, движущегося со скоростью 509 км / ч (316 миль / ч; 141 м / с). Для одноконтурных рейлганов эти требования требуют пусковых токов в несколько миллионов ампер , поэтому типичный источник питания рейлганов может быть спроектирован так, чтобы обеспечивать пусковой ток 5 мА в течение нескольких миллисекунд. Поскольку напряженность магнитного поля, необходимая для таких запусков, обычно будет составлять приблизительно 10 тесла (100 килогаусс ), большинство современных конструкций рельсотрона фактически имеют воздушную сердцевину, то есть в них не используются ферромагнитные материалы, такие как железо, для увеличения магнитного потока. Однако, если ствол изготовлен из магнитопроницаемого материала, напряженность магнитного поля увеличивается из-за увеличения проницаемости ( μ = μ 0 * μ r , где μ - эффективная проницаемость, μ 0 - постоянная проницаемости, а μ r - относительная проходимость ствола). Это увеличивает силу, действующую на снаряд.

Скорости рельсовых пушек обычно находятся в пределах тех, которые достигаются двухступенчатыми легкими газовыми пушками ; однако последние, как правило, считаются пригодными только для лабораторного использования, в то время как рельсотроны имеют некоторые потенциальные перспективы для разработки в качестве военного оружия. Еще одна легкая газовая пушка, Combustion Light Gas Gun в виде прототипа 155 мм, была рассчитана на скорость 2500 м / с со стволом 70 калибра. В некоторых исследовательских проектах на сверхвысоких скоростях снаряды «предварительно впрыскиваются» в рельсотроны, чтобы избежать необходимости в старте с места, и для этой роли использовались как двухступенчатые легкие газовые пушки, так и обычные пороховые пушки. В принципе, если технология источников питания рельсотрона может быть разработана для обеспечения безопасных, компактных, надежных, устойчивых в бою и легких блоков, то общий объем и масса системы, необходимые для размещения такого источника питания и его основного топлива, могут стать меньше требуемого. общий объем и масса для миссии, эквивалентные количеству обычного топлива и взрывчатых боеприпасов. Возможно, такая технология была усовершенствована с введением электромагнитной системы запуска самолетов (EMALS) (хотя рельсотроны требуют гораздо большей мощности системы, потому что примерно одинаковая энергия должна быть доставлена ​​за несколько миллисекунд, а не за несколько секунд). Такое развитие событий обеспечило бы дополнительное военное преимущество в том, что устранение взрывчатых веществ с любой военной оружейной платформы снизит ее уязвимость для вражеского огня.

История

Диаграммы немецкого рейлгана

Концепция рельсотрона была впервые представлена ​​французским изобретателем Андре Луи Октавом Фошон-Вильпле, который создал небольшую рабочую модель в 1917 году с помощью Société anonyme des Accumulatorurs Tudor (ныне Tudor Batteries ). Во время Первой мировой войны, французский директор изобретений Министерства вооружения , Жюль-Луи Брентон , по заказу Фошон-Villeplee разработать 30-мм для электрической пушки 50-мм на 25 июля 1918 года после того, как делегаты из Комиссии дез изобретений засвидетельствовали испытательные испытания действующей модели в 1917 году. Однако после окончания Первой мировой войны 11 ноября 1918 года проект был заброшен. нет. 1,421,435 «Электроаппарат для метательных снарядов». В его устройстве две параллельные шины соединены крыльями снаряда, и весь аппарат окружен магнитным полем . Пропуская ток через шины и снаряд, создается сила, которая толкает снаряд по шинам и летит.

В 1923 году русский ученый А.Л. Корольков подробно изложил свою критику конструкции Фошона-Вильпле, аргументируя это некоторыми утверждениями Фошона-Вильпле о преимуществах своего изобретения. Корольков в конце концов пришел к выводу, что, хотя создание дальнобойной электрической пушки было вполне возможно, практическому применению рельсотрона Фошона-Виллепле мешали его колоссальное потребление электроэнергии и необходимость в специальном электрическом генераторе значительной мощности. чтобы привести его в действие.

В 1944 году, во время Второй мировой войны , Иоахим Хэнслер из Управления боеприпасов Германии предложил первый теоретически жизнеспособный рельсотрон. К концу 1944 года теория, лежащая в основе его электрического зенитного орудия, была проработана в достаточной степени, чтобы позволить зенитному командованию Люфтваффе выпустить спецификацию, в которой требовалась начальная скорость пули 2000 м / с (4500 миль / ч; 7200 км / ч; 6600 футов / с) и снаряд, содержащий 0,5 кг (1,1 фунта) взрывчатого вещества. Орудия должны были быть установлены в батареи по шесть, выстреливая двенадцать выстрелов в минуту, и это должно было соответствовать существующим 12,8 cm FlaK 40 . Его так и не построили. Когда подробности были обнаружены после войны, они вызвали большой интерес, и было проведено более подробное исследование, кульминацией которого стал отчет 1947 года, в котором был сделан вывод о том, что это теоретически осуществимо, но что для каждой пушки потребуется достаточно энергии, чтобы осветить половину Чикаго .

В 1950 году сэр Марк Олифант , австралийский физик и первый директор Исследовательской школы физических наук в новом Австралийском национальном университете , инициировал проектирование и строительство крупнейшего в мире (500 мегаджоулей) униполярного генератора . Эта машина использовалась с 1962 года и позже использовалась для питания крупномасштабного рельсотрона, который использовался в качестве научного эксперимента.

В 1980 году Лаборатория баллистических исследований (позже объединенная в Исследовательскую лабораторию армии США ) начала долгосрочную программу теоретических и экспериментальных исследований рельсотрона. Работа проводилась преимущественно на Абердинском полигоне , и большая часть ранних исследований была вдохновлена ​​экспериментами с рельсотроном, проведенными Австралийским национальным университетом . Темы исследований включали динамику плазмы, электромагнитные поля, телеметрию, перенос тока и тепла. В то время как военные исследования технологии рельсотрона в Соединенных Штатах продолжались непрерывно в последующие десятилетия, направление и акцент, которые они взяли, резко изменились в связи с серьезными изменениями в уровнях финансирования и потребностях различных правительственных агентств. В 1984 году с образованием Организации стратегической оборонной инициативы цели исследований сместились в сторону создания группировки спутников для перехвата межконтинентальных баллистических ракет . В результате американские военные сосредоточились на разработке небольших управляемых снарядов, которые могли бы выдержать запуск с высокой перегрузкой из сверхвысокоскоростных рельсотрон с плазменным якорем. Но после публикации в 1985 году важного исследования Министерства обороны США, армии США , корпусу морской пехоты и DARPA было поручено разработать противотанковые электромагнитные технологии запуска для мобильных наземных боевых машин . В 1990 году армия США в сотрудничестве с Техасским университетом в Остине основала Институт передовых технологий (IAT), который сосредоточился на исследованиях, связанных с твердыми и гибридными арматурами, взаимодействием рельсов с арматурой и материалами для электромагнитных пусковых установок. Объект стал первым армейским научно-исследовательским центром, финансируемым из федерального бюджета, и в нем размещалось несколько армейских электромагнитных пусковых установок, таких как пусковая установка среднего калибра.

С 1993 года британское и американское правительства сотрудничали в проекте рельсотрона в Центре испытаний оружия Дандреннана , кульминацией которого стали испытания 2010 года, когда BAE Systems выпустила снаряд массой 3,2 кг (7 фунтов) со скоростью 18,4 мегаджоулей [3390 м / с (7600 миль в час; 12 200 км / ч; 11 100 фут / с)]. В 1994 году индийское подразделение DRDO по исследованиям и разработкам вооружений разработало рельсотрон с батареей конденсаторов с низкой индуктивностью 240 кДж и мощностью 5 кВ, способной запускать снаряды массой 3–3,5 г со скоростью более 2000 м / с ( 4500 миль / ч; 7200 км / ч; 6600 фут / с). В 1995 году Центр электромагнетизма Техасского университета в Остине спроектировал и разработал скорострельную пусковую установку рельсового ружья под названием « Электромагнитная пушка пушечного калибра» . Позже прототип пусковой установки был испытан в Исследовательской лаборатории армии США , где продемонстрировал КПД с казенной части более 50 процентов.

В 2010 году ВМС США испытали компактную рельсотрону, разработанную BAE Systems, для установки на корабле, которая разгоняла снаряд массой 3,2 кг (7 фунтов) до гиперзвуковой скорости примерно 3390 м / с (7600 миль / ч; 12200 км / ч; 11100 футов). / с), или около 10 Маха, с  кинетической энергией 18,4 МДж. Впервые в истории был достигнут такой уровень производительности. Они дали проекту девиз «Velocitas Eradico», что на латыни означает « Я, [кто] скорость, искоренить», или, говоря на просторечии, «Speed ​​Kills». Более ранний рельсотрон такой же конструкции (32 мегаджоули) находится в Центре испытаний оружия Дандреннана в Соединенном Королевстве.

Маломощные рельсотроны малой мощности также стали популярными в колледжах и любительских проектах. Некоторые любители активно занимаются исследованиями рельсотрона.

Дизайн

Теория

Рейлган состоит из двух параллельных металлических рельсов (отсюда и название). На одном конце эти рельсы подключены к источнику электропитания, образуя казенную часть пистолета. Затем, если токопроводящий снаряд вставляется между направляющими (например, вставляется в казенную часть), он замыкает цепь. Электроны текут от отрицательной клеммы источника питания вверх по отрицательной шине через снаряд и вниз по положительной шине обратно к источнику питания.

Этот ток заставляет рельсотрон вести себя как электромагнит , создавая магнитное поле внутри петли, образованной длиной рельсов до положения якоря. В соответствии с правилом правой руки магнитное поле циркулирует вокруг каждого проводника. Поскольку ток идет в противоположном направлении вдоль каждого рельса, чистое магнитное поле между рельсами ( B ) направлено под прямым углом к ​​плоскости, образованной центральными осями рельсов и якоря. В сочетании со всем током ( I ) в якоре это создает силу Лоренца, которая ускоряет снаряд по рельсам, всегда вне контура (независимо от полярности питания) и от источника питания к дульному концу. рельсы. На рельсы также действуют силы Лоренца, которые пытаются раздвинуть их, но поскольку рельсы установлены прочно, они не могут двигаться.

По определению, если ток в один ампер течет в паре идеальных бесконечно длинных параллельных проводников, разделенных расстоянием в один метр, то величина силы, действующей на каждый метр этих проводников, будет ровно 0,2 микроньютона. Кроме того, как правило, сила пропорциональна квадрату величины тока и обратно пропорциональна расстоянию между проводниками. Отсюда также следует, что для рельсотрона с массой снаряда в несколько кг и длиной ствола в несколько м потребуются очень большие токи для ускорения снарядов до скоростей порядка 1000 м / с.

Очень мощный источник питания, обеспечивающий ток порядка одного миллиона ампер, создаст огромную силу на снаряде, разгоняя его до скорости многих километров в секунду (км / с). Хотя такие скорости возможны, тепла, выделяемого при движении объекта, достаточно, чтобы быстро разрушить рельсы. В условиях интенсивного использования современные рельсотроны потребуют частой замены рельсов или использования термостойкого материала, который будет достаточно проводящим, чтобы произвести тот же эффект. В настоящее время общепризнано, что для создания мощных рельсотронов, способных производить более нескольких выстрелов с одного набора рельсов, потребуются серьезные прорывы в материаловедении и смежных дисциплинах. Ствол должен выдерживать эти условия до нескольких выстрелов в минуту для тысяч выстрелов без сбоев или значительного ухудшения характеристик. Эти параметры выходят далеко за рамки современного материаловедения.

Электромагнитный анализ

В этом разделе представлен элементарный анализ фундаментальных теоретических принципов электромагнитного поля, лежащих в основе механики рельсотрона.

Если рельсотрон должен обеспечивать однородное магнитное поле напряженности , ориентированное под прямым углом как к якорю, так и к оси канала ствола, то при токе якоря и длине якоря сила, ускоряющая снаряд, будет определяться формулой:

Здесь сила, ток и поле рассматриваются как векторы, поэтому приведенное выше векторное векторное произведение дает силу, направленную вдоль оси отверстия, действующую на ток в якоре, как следствие магнитного поля.

В большинстве простых рельсотронов магнитное поле создается только током, протекающим по рельсам, то есть за якорем. Отсюда следует, что магнитное поле не будет ни постоянным, ни пространственно однородным. Следовательно, на практике сила должна быть рассчитана с учетом пространственного изменения магнитного поля по объему якоря.

Чтобы проиллюстрировать задействованные принципы, может быть полезно рассматривать рельсы и арматуру как тонкие проволоки или «нити». В этом приближении величина вектора силы может быть определена из формы закона Био – Савара и результата силы Лоренца. Сила может быть вычислена математически с помощью постоянной проницаемости ( ), радиуса рельсов (которые считаются круглыми в поперечном сечении) ( ), расстояния между центральными осями рельсов ( ) и силы тока ( ) как описано ниже.

Во-первых, из закона Био-Савара можно показать, что на одном конце полубесконечного токоведущего провода магнитное поле на заданном перпендикулярном расстоянии ( ) от конца провода определяется выражением

Обратите внимание, что это происходит в том случае, если провод идет от места расположения якоря, например, от x = 0, обратно к оси провода и измеряется относительно оси провода.

Итак, если якорь соединяет концы двух таких полубесконечных проводов, разделенных расстоянием, довольно хорошее приближение, предполагающее, что длина проводов намного больше, чем , общее поле от обоих проводов в любой точке якоря составляет:

где - расстояние по перпендикуляру от точки якоря до оси одного из проводов.

Обратите внимание на то, что между рельсами предполагается, что рельсы лежат в плоскости xy и проходят от x = 0 обратно до указанного выше.

Затем, чтобы оценить силу, действующую на якорь, приведенное выше выражение для магнитного поля на якоре можно использовать в сочетании с законом силы Лоренца:

Чтобы дать силу как

Это показывает, что сила будет пропорциональна произведению тока на квадрат . Поскольку значение μ 0 мало (4 π × 10 −7  Гн / м ) следует, что мощным рельсотронам требуются большие токи возбуждения.

Приведенная выше формула основана на предположении, что расстояние ( ) между точкой измерения силы ( ) и началом рельсов больше, чем расстояние между рельсами ( ) примерно в 3 или 4 раза ( ). Были сделаны и некоторые другие упрощающие предположения; для более точного описания силы необходимо учитывать геометрию рельсов и снаряда.

С большинством практичных геометрий рельсотрона нелегко получить электромагнитное выражение для силы рельсотрона, которое было бы одновременно простым и достаточно точным. Для более работоспособной простой модели полезной альтернативой является использование модели схемы с сосредоточенными параметрами, чтобы описать взаимосвязь между током возбуждения и силой рельсотрона.

В этих моделях рельсотрон моделируется на основе электрической цепи, и движущая сила может быть определена из потока энергии в цепи. Напряжение на затворе рельсотрона определяется выражением

Таким образом, общая мощность, поступающая в рельсотрон, - это просто продукт . Эта мощность представляет собой поток энергии в трех основных формах: кинетическая энергия в снаряде и якоре, энергия, запасенная в магнитном поле, и энергия, теряемая в результате нагрева рельсов (и якоря) электрическим сопротивлением.

По мере движения снаряда по стволу расстояние от казенной части до якоря увеличивается. Следовательно, сопротивление и индуктивность ствола также увеличиваются. Для простой модели можно предположить, что сопротивление ствола и индуктивность изменяются как линейные функции от положения снаряда , поэтому эти величины моделируются как

где - сопротивление на единицу длины, а - индуктивность на единицу длины или градиент индуктивности. Следует, что

где есть все важная скорость снаряда, . потом

Теперь, если управляющий ток остается постоянным, член будет равен нулю. Резистивные потери теперь соответствуют потоку мощности , а поток мощности представляет собой выполненную электромагнитную работу.

Эта простая модель предсказывает, что ровно половина электромагнитной работы будет использоваться для хранения энергии в магнитном поле вдоль ствола по мере увеличения длины токовой петли.

Другая половина электромагнитной работы представляет собой более полезный поток энергии - кинетическую энергию снаряда. Поскольку мощность может быть выражена как сила, умноженная на скорость, это показывает, что сила, действующая на якорь рельсотрона, определяется выражением

Это уравнение также показывает, что для высоких ускорений потребуются очень большие токи. Для идеального однооборотного рельсотрона с квадратным стволом это значение составляет около 0,6 микрогенри на метр (мкГн / м), но большинство практичных стволов рельсотрона показывают более низкие значения, чем это. Максимальное увеличение градиента индуктивности - лишь одна из проблем, с которыми сталкиваются разработчики стволов рельсотрона.

Поскольку модель с сосредоточенными параметрами описывает силу рельсотрона в терминах довольно обычных уравнений цепи, становится возможным определить простую модель рельсотрона во временной области. Без учета трения и сопротивления воздуха ускорение снаряда определяется выражением

где m - масса снаряда. Движение по стволу определяется выражением

и указанные выше члены напряжения и тока могут быть помещены в соответствующие уравнения схемы для определения изменения тока и напряжения во времени.

Также можно отметить, что формула из учебника для высокочастотной индуктивности на единицу длины пары параллельных круглых проводов с радиусом r и осевым расстоянием d:

Таким образом, модель с сосредоточенными параметрами также предсказывает силу для этого случая как:

Используя практическую геометрию рельсотрона, можно рассчитать гораздо более точные двухмерные или трехмерные модели распределения тока рельса и якоря (и связанных сил), например, с помощью методов конечных элементов для решения формулировок, основанных либо на скалярном магнитном потенциале, либо на магнитном поле. векторный потенциал.

Соображения по дизайну

Источник питания должен иметь возможность подавать большие токи, поддерживаться и контролироваться в течение полезного промежутка времени. Самый важный показатель эффективности источника питания - это энергия, которую он может передать. По состоянию на декабрь 2010 года наибольшая известная энергия, используемая для выстрела снаряда из рейлгана, составляла 33 мегаджоуля. Наиболее распространенными формами источников питания, используемых в рельсотронах, являются конденсаторы и компрессоры, которые медленно заряжаются от других непрерывных источников энергии.

Рельсы должны выдерживать огромные силы отталкивания во время стрельбы, и эти силы будут стремиться отталкивать их друг от друга и от снаряда. По мере увеличения зазоров рельса / снаряда возникает искрение , которое вызывает быстрое испарение и обширное повреждение поверхностей рельса и поверхностей изолятора. Это ограничивало некоторые ранние исследовательские рельсотроны одним выстрелом за интервал обслуживания.

Индуктивность и сопротивление рельсов и источника питания ограничивают эффективность конструкции рельсотрона. В настоящее время проходят испытания различные формы рельсов и конфигурации рельсотронов, в первую очередь ВМС США ( военно-морская исследовательская лаборатория ), Институт передовых технологий Техасского университета в Остине и BAE Systems.

Используемые материалы

Рельсы и снаряды должны быть изготовлены из прочных проводящих материалов; рельсы должны выдерживать воздействие ускоряющегося снаряда и нагревание из-за больших токов и трения. Некоторая ошибочная работа предполагает, что сила отдачи в рельсотроне может быть перенаправлена ​​или устранена; Тщательный теоретический и экспериментальный анализ показывает, что сила отдачи действует на затвор казенной части так же, как в химическом огнестрельном оружии. Рельсы также отталкиваются за счет боковой силы, создаваемой магнитным полем, толкающим рельсы, точно так же, как и снаряд. Рельсы должны выдерживать это без изгиба и должны быть очень надежно закреплены. Опубликованные в настоящее время материалы предполагают, что прежде чем можно будет разработать рельсы, которые позволят рельсотронам производить больше, чем несколько выстрелов на полную мощность, прежде чем потребуется замена рельсов, необходимо добиться серьезных успехов в материаловедении.

Рассеивание тепла

В современных конструкциях огромное количество тепла создается электричеством, протекающим по рельсам, а также трением снаряда, покидающего устройство. Это вызывает три основные проблемы: плавление оборудования, снижение безопасности личного состава и обнаружение силами противника из-за повышенной инфракрасной сигнатуры . Как вкратце обсуждалось выше, напряжения, возникающие при срабатывании такого рода устройств, требуют чрезвычайно термостойкого материала. В противном случае рельсы, бочка и все прикрепленное оборудование расплавятся или будут непоправимо повреждены.

На практике рельсы, используемые в большинстве конструкций рельсотрона, подвергаются эрозии при каждом запуске. Кроме того, снаряды могут подвергаться некоторой степени абляции , и это может сильно ограничить срок службы рельсотрона.

Приложения

Рейлганы имеют ряд потенциальных практических применений, в первую очередь для военных. Однако в настоящее время исследуются и другие теоретические приложения.

Запуск или помощь в запуске космического корабля

Изучено электродинамическое обеспечение запуска ракет. Космические применения этой технологии, вероятно, будут включать в себя специально сформированные электромагнитные катушки и сверхпроводящие магниты . Скорее всего, для этого приложения будут использоваться композитные материалы .

Для космических запусков с Земли относительно короткие дистанции ускорения (менее нескольких км) потребуют очень сильных сил ускорения, более высоких, чем может выдержать человек. Другие конструкции включают более длинную спиральную (спиральную) дорожку или конструкцию с большим кольцом, при которой космический аппарат будет много раз облетать кольцо, постепенно набирая скорость, прежде чем будет выпущен в коридор запуска, ведущий в небо. Тем не менее, если это технически возможно и экономически эффективным для сборки, передавая гипер-скорости параболической скорости к запуску снаряда на уровне моря, где атмосфера является наиболее плотной, может привести к большей части скорости запуска теряется на аэродинамическое сопротивление . Кроме того, снаряду может потребоваться некоторая форма наведения и управления на борту для реализации полезного угла орбитального ввода, который может быть недостижим на основе простого угла возвышения пусковой установки относительно поверхности земли (см. Практические соображения космическая скорость ).

В 2003 году Иэн Макнаб изложил план по превращению этой идеи в реализованную технологию. Из-за сильного ускорения эта система могла запускать только прочные материалы, такие как еда, вода и, что наиболее важно, топливо. В идеальных условиях (экватор, горы, направление на восток) система будет стоить 528 долларов за килограмм по сравнению с 5000 долларов за килограмм на обычной ракете. Рельсотрон McNab может производить около 2000 запусков в год, что в сумме дает максимум 500 тонн запусков в год. Поскольку стартовый путь будет иметь длину 1,6 км, энергия будет подаваться через распределенную сеть из 100 вращающихся машин (компрессоров), расположенных вдоль пути. Каждая машина будет оснащена 3,3-тонным ротором из углеродного волокна, вращающимся на высоких скоростях. Машину можно перезарядить за несколько часов, используя мощность 10 МВт. Эта машина может быть снабжена специальным генератором. Общий стартовый пакет будет весить почти 1,4 тонны. Полезная нагрузка на запуск в этих условиях составляет более 400 кг. Было бы пиковое рабочее магнитное поле 5 Тл, половина которого исходит от рельсов, а другая половина - от усиливающих магнитов. Это вдвое уменьшает требуемый ток через шины, что снижает мощность в четыре раза.

НАСА предложило использовать рельсотрон для запуска "клиновидного самолета с ГПВРД " на большую высоту со скоростью 10 Махов, где затем он будет запускать на орбиту небольшой полезный груз с использованием обычного ракетного двигателя. Чрезвычайные перегрузки, связанные с прямым запуском рельсотрона с земли в космос, могут ограничить использование только самых прочных полезных нагрузок. В качестве альтернативы можно использовать очень длинные рельсовые системы для уменьшения необходимого ускорения запуска.

Вооружение

Чертежи снарядов электрической пушки
Электромагнитный рельсотрон, расположенный в Центре наземных боевых действий ВМФ

Рейлганы исследуются как оружие со снарядами, которые не содержат взрывчатых веществ или метательного заряда, но имеют чрезвычайно высокую скорость: 2500 м / с (8 200 футов / с) (примерно 7 Махов на уровне моря) или более. Для сравнения, винтовка M16 имеет начальную скорость 930 м / с (3050 футов / с), а орудие Mark 7 калибра 16 дюймов / 50, которым вооружены американские линкоры времен Второй мировой войны, имеет начальную скорость 760 м / с (2490 футов / с). фут / с)), который из-за своей гораздо большей массы снаряда (до 2700 фунтов) генерировал дульную энергию в 360 МДж и кинетический удар с энергией более 160 МДж (см. также Project HARP ). При чрезвычайно высоких скоростях рельсотрон может производить удары с кинетической энергией, равной или превосходящей разрушительную энергию морских орудий Mark 45 калибра 5 дюймов / 54 (которые достигают 10 МДж на дульном срезе), но с большей дальностью. Это уменьшает размер и вес боеприпасов, позволяя перевозить больше боеприпасов и устраняя опасность переноски взрывчатых веществ или ракетного топлива в танке или морской платформе вооружения. Кроме того, стреляя более аэродинамически обтекаемыми снарядами с большей скоростью, рельсотроны могут достигать большей дальности, меньшего времени до цели и меньшего сноса ветром, минуя физические ограничения обычного огнестрельного оружия: «пределы расширения газа запрещают запуск снаряда без посторонней помощи. до скоростей более 1,5 км / с и дальности более 50 миль [80 км] от практической обычной артиллерийской системы ".

Современные технологии рельсотрона требуют длинного и тяжелого ствола, но по баллистике рельсотрон намного превосходит обычные пушки с такой же длиной ствола. Рейлганы также могут наносить урон по площади, взрывая разрывной заряд в снаряде, который выпускает рой меньших снарядов по большой площади.

Если предположить, что многие технические проблемы, с которыми сталкиваются полевые рельсотроны, будут преодолены, в том числе такие проблемы, как наведение снарядов рельсотрона, выносливость рельсов, боевая живучесть и надежность электроснабжения, увеличенные скорости запуска рельсотронов могут обеспечить преимущества по сравнению с более традиционными орудиями для различных видов оружия. наступательные и оборонительные сценарии. Рейлганы имеют ограниченный потенциал для использования как по надводным, так и по воздушным целям.

Первый боевой рельсотрон, запланированный к производству, система General Atomics Blitzer, начал полные системные испытания в сентябре 2010 года. Оружие запускает усовершенствованный сбрасываемый подрывной снаряд, разработанный Boeing Phantom Works, на скорости 1600 м / с (5200 футов / с) (приблизительно 5 Махов). ) с ускорениями, превышающими 60 000 g n . Во время одного из испытаний снаряд смог проехать еще 7 километров (4,3 мили) вниз по дальности после пробития стальной пластины толщиной 18 дюйма (3,2 мм). Компания надеется, что к 2016 году будет проведена интегрированная демонстрация системы, а к 2019 году начнется производство, в ожидании финансирования. Пока что проект самофинансируется.

В октябре 2013 года General Atomics представила наземную версию рейлгана Blitzer. Официальный представитель компании заявил, что оружие может быть готово к производству «через два-три года».

Рейлганы исследуются на предмет использования в качестве зенитного оружия для перехвата воздушных угроз, особенно противокорабельных крылатых ракет , в дополнение к наземным бомбардировкам. Сверхзвуковая противокорабельная ракета, скользящая по морю, может появиться над горизонтом в 20 милях от военного корабля, оставляя кораблю очень короткое время реакции для ее перехвата. Даже если обычные системы защиты реагируют достаточно быстро, они дороги, и можно нести лишь ограниченное количество крупных перехватчиков. Снаряд рельсотрона может достигать скорости в несколько раз быстрее, чем ракета; из-за этого он может поразить цель, например крылатую ракету, намного быстрее и дальше от корабля. Снаряды также, как правило, намного дешевле и меньше, что позволяет переносить гораздо больше (у них нет систем наведения, и они полагаются на рельсотрон в качестве источника кинетической энергии, а не сами). Скорость, стоимость и численные преимущества систем рельсотрона могут позволить им заменить несколько различных систем в нынешнем многоуровневом подходе к защите. Снаряд рельсотрона без возможности изменения курса может поражать быстро движущиеся ракеты на максимальной дальности 30 миль (35 миль; 56 км). Как и в случае с Phalanx CIWS, для неуправляемых выстрелов рельсотрона потребуется несколько / много выстрелов, чтобы сбить маневрирующие сверхзвуковые противокорабельные ракеты, при этом вероятность попадания в ракету резко возрастает по мере приближения. ВМФ планирует использовать рельсотроны для перехвата внутриатмосферных баллистических ракет, скрытых воздушных угроз, сверхзвуковых ракет и множества наземных угроз; прототип системы для поддержки задач перехвата должен быть готов к 2018 году и введен в эксплуатацию к 2025 году. Эти временные рамки предполагают, что оружие планируется установить на надводные боевые машины ВМФ следующего поколения, строительство которых ожидается к 2028 году.

В какой-то момент компания BAE Systems была заинтересована в установке рельсотрона на свои пилотируемые наземные машины Future Combat Systems . Эта программа была третьей попыткой армии США заменить стареющий M2 Bradley .

Индия успешно провела испытания собственного рейлгана. Россия , Китай , Турция «s АСЕЛСАН   и Yeteknoloji также разрабатывают рельсотрон.

Спиральный рельсотрон

Винтовые рельсотроны - это многооборотные рельсотроны, которые уменьшают ток рельсов и щеток в раз, равном количеству витков. Две направляющие окружены спиральным стволом, и снаряд или многоразовый носитель также имеет спиральную форму. Снаряд непрерывно приводится в действие двумя щетками, скользящими по направляющим, а две или более дополнительных щеток на снаряде служат для подачи энергии и коммутации нескольких витков спирального направления ствола перед и / или позади снаряда. Винтовой рейлган - это нечто среднее между рейлганом и койлганом . В настоящее время они не существуют в практической, пригодной для использования форме.

Спиральный рельсотрон был построен в Массачусетском технологическом институте в 1980 году и питался от нескольких батарей больших на то время конденсаторов (примерно 4 фарада ). Он был около 3 метров в длину и состоял из 2 метров ускоряющей катушки и 1 метра замедляющей катушки. Он мог запускать планер или снаряд на расстояние около 500 метров.

Плазменный рельсотрон

Плазмы рэйлган является линейным ускорителем и плазмы энергетического оружия , которое, как снаряд рельсотрон, использует два длинные параллельные электроды для ускорения «скользящий короткий» якоря. Однако в плазменном рельсотроне якорь и выброшенный снаряд состоят из плазмы или горячих ионизированных газоподобных частиц, а не из твердой порции материала. MARAUDER ( Магнитно-ускоренное кольцо для достижения сверхвысокой направленной энергии и излучения ) является или был проектом исследовательской лаборатории ВВС США по разработке коаксиального плазменного рельсотрона. Это одна из нескольких попыток правительства США разработать плазменные снаряды. Первое компьютерное моделирование произошло в 1990 году, а его первый опубликованный эксперимент появился 1 августа 1993 года. По состоянию на 1993 год проект, казалось, находился на ранней экспериментальной стадии. Оружие могло производить кольца плазмы в форме пончиков и шары молний, ​​которые взрывались с разрушительными эффектами при попадании в цель. Первоначальный успех проекта привел к тому, что он стал засекреченным, и после 1993 года появилось лишь несколько упоминаний о MARAUDER.

Тесты

Схема, показывающая поперечное сечение пушки с линейным двигателем

Были построены и запущены полномасштабные модели, в том числе орудие диаметром 90 мм (3,5 дюйма) с кинетической энергией 9 мегаджоулей, разработанное DARPA США . Проблемы износа рельсов и изолятора все еще необходимо решить, прежде чем рельсотрон сможет заменить обычное оружие. Вероятно, самая старая и неизменно успешная система была построена Управлением оборонных исследований Великобритании на полигоне Дандреннан в Кирккадбрайте , Шотландия . Эта система была создана в 1993 году и эксплуатируется более 10 лет.

Югославский Военно - технологический институт разработал, в рамках проекта под названием EDO-0, а рэйлган с 7 кДж кинетической энергии, в 1985 году В 1987 году преемник был создан проект EDO-1, что б снаряд массой 0,7 кг (1,5 фунта ) и достиг скорости 3000 м / с (9800 футов / с), а при массе 1,1 кг (2,4 фунта) достиг скорости 2400 м / с (7900 футов / с). Он использовал гусеницу длиной 0,7 м (2,3 фута). По словам тех, кто работал над ним, с другими модификациями он смог достичь скорости 4500 м / с (14 800 футов / с). Целью было достижение скорости снаряда 7000 м / с (23000 футов / с).

Китай в настоящее время является одним из основных игроков в электромагнитных пусковых установках; в 2012 году в Пекине прошел 16-й Международный симпозиум по технологии электромагнитных запусков (EML 2012). По спутниковым снимкам конца 2010 года можно предположить, что испытания проводились на бронетанковом и артиллерийском полигоне недалеко от Баотоу в автономном районе Внутренняя Монголия .

Вооруженные силы США

Военные США выразили заинтересованность в проведении исследований в области технологии электрического оружия на протяжении всего конца 20-го века в связи с тем, что электромагнитным пушкам не требуется топливо для выстрела, как в обычных системах оружия, что значительно повышает безопасность экипажа и снижает затраты на логистику, а также обеспечивают больший диапазон. Кроме того, было показано, что системы рельсотрона потенциально обеспечивают более высокую скорость полета снарядов, что повысит точность противотанковой, артиллерийской и противовоздушной обороны за счет уменьшения времени, необходимого снаряду для достижения цели. В начале 1990-х годов армия США выделила более 150 миллионов долларов на исследования электрического оружия. В Центре электромеханики Техасского университета в Остине были разработаны военные рельсотроны, способные доставлять вольфрамовые бронебойные пули с кинетической энергией в девять мегаджоулей (9 МДж). Девяти мегаджоулей энергии достаточно, чтобы доставить 2 кг (4,4 фунта) снаряда со скоростью 3 км / с (1,9 миль / с) - при такой скорости достаточно длинный стержень из вольфрама или другого плотного металла может легко пробить резервуар и потенциально пройти через него (см. APFSDS ).

Военно-морской центр надводной войны Дальгрен Дивизия

В октябре 2006 года дивизия Дальгрена ВМС США продемонстрировала рельсотрон 8 МДж, стреляющий снарядами 3,2 кг (7,1 фунта), в качестве прототипа оружия 64 МДж, которое будет размещено на борту военных кораблей ВМС. Основная проблема, с которой столкнулись ВМС США при внедрении системы рельсотрона, заключается в том, что орудия изнашиваются из-за огромного давления, напряжений и тепла, которые генерируются током в миллионы ампер, необходимым для стрельбы снарядами с мегаджоулями энергии. Хотя такое оружие и близко не такое мощное, как крылатая ракета, такая как BGM-109 Tomahawk , которая доставляет 3000 МДж энергии к цели, такое оружие теоретически позволило бы ВМФ обеспечить более гранулированную огневую мощь за небольшую часть стоимости ракеты-носителя. ракетой, и ее будет намного сложнее сбить по сравнению с будущими оборонительными системами. Для контекста еще одно уместное сравнение - 120-мм пушка Rheinmetall, используемая на основных боевых танках, которая генерирует дульную энергию 9 МДж.

В 2007 году компания BAE Systems поставила ВМС США прототип мощностью 32 МДж (дульная энергия). Такое же количество энергии выделяется при детонации 4,8 кг (11 фунтов) C4 .

31 января 2008 г. ВМС США испытали рельсотрон, который выпустил снаряд мощностью 10,64 МДж с начальной скоростью 2520 м / с (8270 футов / с). Электроэнергия обеспечивалась новым прототипом конденсаторной батареи емкостью 9 мегаджоулей с использованием твердотельных переключателей и конденсаторов с высокой плотностью энергии, поставленных в 2007 году, а также более старой импульсной системой питания мощностью 32 МДж, разработанной Исследовательским и опытно-конструкторским центром Green Farm армии США. в конце 1980-х годов, который ранее был отремонтирован подразделением General Atomics Electromagnetic Systems (EMS). Ожидается, что он будет готов в период с 2020 по 2025 год.

Испытание рейлгана состоялось 10 декабря 2010 года военно-морскими силами США в Центре надводных боевых действий Дальгрена. Во время испытаний Управление военно-морских исследований установило мировой рекорд, произведя выстрел в 33 МДж из рельсотрона, который был построен BAE Systems.

Еще одно испытание было проведено в феврале 2012 года в Центре надводных боевых действий ВМС Дальгрен. Хотя по энергии оно было похоже на вышеупомянутый тест, используемое рельсотрон было значительно более компактным, с более традиционным стволом. Построенный General Atomics прототип был доставлен на испытания в октябре 2012 года.

Внешнее видео
значок видео Дополнительные кадры
значок видео Тест за февраль 2012 г.

В 2014 году у ВМС США были планы по интеграции рейлгана с дальностью действия более 16 км (10 миль) на корабль к 2016 году. Это оружие, имея форм-фактор, более типичный для морской пушки, должно было использовать компоненты в основном в общие с теми, которые были разработаны и продемонстрированы в Dahlgren. Снаряды с гиперскоростью весят 10 кг (23 фунта), имеют длину 18 дюймов (460 мм) и стреляют со скоростью 7 Махов .

В будущем целью была разработка самонаводящихся снарядов - необходимое требование для поражения удаленных целей или перехвата ракет. Когда будут разработаны управляемые снаряды, ВМС прогнозируют, что каждый снаряд будет стоить около 25 000 долларов, хотя при разработке управляемых снарядов для орудий первоначальная смета расходов удваивалась или утроилась. Некоторые высокоскоростные снаряды, разработанные ВМФ, имеют командное наведение, но точность командного наведения неизвестна, и даже если они могут выдержать выстрел на полной мощности.

Единственные корабли ВМС США, которые могут производить достаточно электроэнергии для достижения желаемых характеристик, - это три эсминца класса Zumwalt (серия DDG-1000); они могут генерировать 78 мегаватт энергии, больше, чем необходимо для питания рельсотрона. Тем не менее, Zumwalt был отменен, и дальнейшие постройки производиться не будут. Инженеры работают над преобразованием технологий, разработанных для кораблей серии DDG-1000, в систему батарей, чтобы другие военные корабли могли управлять рельсотроном. По состоянию на 2014 год большинство эсминцев могут сэкономить только девять мегаватт дополнительной электроэнергии, в то время как для выведения снаряда на желаемую максимальную дальность (т. Е. Для запуска снарядов 32 МДж со скоростью 10 выстрелов в минуту) потребуется 25 мегаватт. Даже если корабли, такие как Арли Берка -класса разрушителя , может быть повышен с достаточно электроэнергии для работы рельсотрон, пространство , занимаемое на судах за счет интеграции дополнительной системы оружия может заставить удаление существующих систем оружия , чтобы сделать свободная комната. Первые судовые испытания должны были проводиться с помощью рельсотрона, установленного на экспедиционном быстром транспорте класса Spearhead (EPF), но позже это было изменено на наземные испытания.

Хотя снаряды массой 23 фунта не имеют взрывчатого вещества, их скорость в 7 Маха дает им 32 мегаджоулей энергии, но кинетическая энергия удара в нижнем диапазоне обычно составляет 50 процентов или меньше от дульной энергии. Военно-морской флот изучал другие возможности использования рельсотрона, помимо наземных бомбардировок, например, противовоздушную оборону; с правильными системами наведения снаряды могли перехватывать самолеты, крылатые ракеты и даже баллистические ракеты. Военно-морской флот также разрабатывает оружие направленной энергии для противовоздушной обороны, но потребуются годы или десятилетия, прежде чем оно станет эффективным.

Рельсотрон будет частью военно-морского флота, который предусматривает, что будущие наступательные и оборонительные возможности будут обеспечены поэтапно: лазеры для обеспечения обороны на близком расстоянии, рельсотрон для обеспечения атаки и защиты средней дальности и крылатые ракеты для дальнего нападения; хотя рельсотроны будут прикрывать цели на расстоянии до 100 миль, для которых раньше требовалась ракета. Военно-морской флот может со временем усовершенствовать технологию рельсотрона, чтобы он мог вести огонь на расстоянии 200 морских миль (230 миль; 370 км) и наносить удары с энергией 64 мегаджоулей. Для одного выстрела потребуется 6 миллионов ампер тока, поэтому потребуется много времени, чтобы разработать конденсаторы, которые могут генерировать достаточно энергии, и достаточно прочные материалы для оружия.

Наиболее многообещающим в ближайшем будущем применением рельсотрона и электромагнитных пушек в целом, вероятно, будет на борту военно-морских кораблей с достаточными запасными электрическими генерирующими мощностями и местом для хранения аккумуляторов. Взамен живучесть корабля может быть повышена за счет сопоставимого сокращения количества применяемого потенциально опасного химического топлива и взрывчатых веществ. Однако наземные боевые силы могут обнаружить, что совместное размещение дополнительного источника электроэнергии на поле боя для каждой системы орудий может быть не таким эффективным по весу и пространству, живучестью или удобным источником энергии для немедленного запуска снарядов, как обычные метательные вещества, которые производятся безопасно за линией фронта и доставляются к оружию предварительно упакованными через надежную и рассредоточенную систему логистики.

В июле 2017 года Defensetech сообщила, что военно-морской флот хотел вывести прототип рельсотрона Управления военно-морских исследований из научного эксперимента на территорию полезного оружия. По словам Тома Бейтнера , главы подразделения военно-морской авиации и вооружения ONR, цель составляла десять выстрелов в минуту при 32 мегаджоулях. Выстрел 32 мегаджоулей из рельсотрона эквивалентен примерно 23 600 000 фут-фунтам, поэтому один выстрел 32 МДж имеет такую ​​же дульную энергию, как примерно 200 000 выстрелов 0,22 калибра одновременно. В более традиционных энергоблоках мощность выстрела 32 МДж каждые 6 с составляет 5,3 МВт (или 5300 кВт). Если предполагается, что рельсотрон будет на 20% эффективен при преобразовании электрической энергии в кинетическую энергию, то электрические источники питания корабля должны будут обеспечивать около 25 МВт до тех пор, пока продолжается стрельба.

К 2020 году, после 17 лет и 500 миллионов долларов, потраченных на программу, рельсотрон ВМФ был далеко не готов к развертыванию на каком-либо корабле, а ВМС вместо этого сосредоточились на стрельбе гиперзвуковыми снарядами из существующих обычных орудий, уже имеющихся в большом количестве. 1 июня 2021 года The Drive сообщила, что в предлагаемом бюджете ВМС США на 2022 финансовый год не было финансирования на исследования и разработки рельсотрона. Невозможно было преодолеть технические проблемы, такие как огромные силы стрельбы, изнашивающие ствол после одного или двух десятков выстрелов, и слишком низкая скорострельность, чтобы быть полезной для противоракетной обороны. Приоритеты также изменились с тех пор, как началась разработка рельсотрона: военно-морской флот уделял больше внимания гиперзвуковым ракетам большей дальности по сравнению со снарядами рельсотрона сравнительно меньшей дальности.

Армейская исследовательская лаборатория

Исследования в области технологии рельсотрона были основным направлением деятельности Лаборатории баллистических исследований (BRL) на протяжении 1980-х годов. В дополнение к анализу производительности, электродинамических и термодинамических свойств рельсотрона в других организациях (например, рельсотроне CHECMATE от Maxwell Laboratories ), BRL закупила для изучения свои собственные рельсотроны, такие как их метровое рельсотронное ружье и их четырехметровое рельсовое ружье. В 1984 году исследователи BRL разработали методику анализа остатков, оставшихся на поверхности канала ствола после выстрела, чтобы исследовать причину прогрессирующей деградации канала ствола. В 1991 году они определили свойства, необходимые для разработки эффективного пускового комплекса, а также критерии проектирования, необходимые для того, чтобы рельсотрон мог включать в себя снаряды с оребрением и длинными стержнями.

Исследования рельсотрона продолжались после того, как в 1992 году Лаборатория баллистических исследований была объединена с шестью другими независимыми армейскими лабораториями, чтобы сформировать Исследовательскую лабораторию армии США (ARL) . Одним из основных проектов исследований рельсотрона, в котором участвовала ARL, была электромагнитная пушка пушечного калибра. программа (CCEMG) , который проходил в центре электромеханики в университете Техаса (UT-CEM) и спонсируется корпуса морской пехоты США и развития исследовательского армии США Вооружение и инженерный центр . В 1995 году в рамках программы CCEMG компания UT-CEM спроектировала и разработала электромагнитную пусковую установку Cannon-Caliber - скорострельную рельсовую пушку. Имея 30-миллиметровый ствол с круглым стволом, гранатомет был способен стрелять тремя пятизарядными залпами. Пусковые пакеты массой 185 г при начальной скорости 1850 м / с и скорострельности 5 Гц. Операция скорострельности была достигнута за счет приведения в действие пусковой установки нескольких 83544 пиковых импульса, обеспечиваемых компульсатором CCEMG. Рельсотрон CCEMG отличался несколькими особенностями: керамическими боковинами, направленным предварительным натягом и жидкостным охлаждением. ARL отвечала за оценку характеристик пусковой установки, которая была испытана на экспериментальной установке ARL Transonic в Абердинском полигоне, штат Мэриленд .

Исследовательская лаборатория армии США также следила за разработкой технологии электромагнитных и электротермических пушек в Институте передовых технологий (IAT) Техасского университета в Остине , одной из пяти университетских и промышленных лабораторий, объединенных в федерацию ARL для обеспечения технической поддержки. В нем размещались две электромагнитные пусковые установки, Leander OAT и AugOAT, а также пусковая установка среднего калибра. На объекте также имеется энергосистема, включающая тринадцать конденсаторных батарей мощностью 1 МДж, набор электромагнитных пусковых устройств и диагностические приборы. Основное внимание в исследовательской деятельности уделялось конструкции, взаимодействию и материалам, необходимым для электромагнитных пусковых установок.

В 1999 году сотрудничество между ARL и IAT привело к разработке радиометрического метода измерения распределения температуры якоря рельсотрона во время импульсного электрического разряда без нарушения магнитного поля. В 2001 году ARL стала первой, кто получил набор данных о точности запускаемых с помощью электромагнитных пушек снарядов с помощью прыжковых испытаний. В 2004 году исследователи ARL опубликовали статьи, посвященные взаимодействию высокотемпературной плазмы с целью разработки эффективных воспламенителей рельсотрона. Ранние статьи описывают группу взаимодействия плазмы и топлива в ARL и их попытки понять и различить химическое, тепловое и радиационное воздействие плазмы на обычное твердое топливо. Используя сканирующую электронную микроскопию и другие диагностические методы, они детально оценили влияние плазмы на конкретные пороховые материалы.

Китайская Народная Республика

Китай разрабатывает собственную систему рельсотрона. Согласно отчету американской разведки CNBC , система рельсотрона Китая была впервые обнаружена в 2011 году, а наземные испытания начались в 2014 году. В 2015 году, когда система оружия получила способность наносить удары на больших расстояниях с повышенной летальностью. Система вооружения была успешно установлена ​​на корабле ВМС Китая в декабре 2017 года, а ходовые испытания пройдут позже.

В начале февраля 2018 года в сети были опубликованы фотографии того, что якобы является китайским рейлганом. На фотографиях орудие установлено на носовой части десантного корабля типа 072III Haiyangshan . СМИ предполагают, что система готова или скоро будет готова к тестированию. В марте 2018 года сообщалось, что Китай подтвердил, что начал испытания своей электромагнитной рельсовой пушки в море.

Индия

В ноябре 2017 года Организация оборонных исследований и разработок Индии провела успешные испытания электромагнитного рельсотрона с квадратным стволом диаметром 12 мм. Планируются испытания 30-мм версии. Индия стремится запустить снаряд весом один килограмм со скоростью более 2000 метров в секунду, используя батарею конденсаторов емкостью 10 мегаджоулей. Электромагнитные пушки и оружие направленной энергии входят в число систем, которые ВМС Индии намерены приобрести в своем плане модернизации до 2030 года.

Проблемы

Основные трудности

Перед развертыванием рельсотрона необходимо преодолеть основные технологические и эксплуатационные препятствия:

  1. Долговечность рельсотрона : на сегодняшний день демонстрации рельсотрона, хотя и впечатляют, не продемонстрировали способности производить несколько выстрелов на полную мощность с одного и того же набора рельсов. ВМС США заявили о сотнях выстрелов с одного и того же набора рельсов. В заявлении, сделанном в марте 2014 года подкомитету по разведке, новым угрозам и возможностям Комитета по вооруженным силам Палаты представителей, начальник отдела военно-морских исследований адмирал Мэтью Клундер заявил: «Срок службы ствола увеличился с десятков выстрелов до более 400, с программным путем до 1000. выстрелы ". Однако Управление военно-морских исследований (ONR) не подтвердит, что 400 выстрелов являются выстрелами на полную мощность. Кроме того, нет никаких публикаций, указывающих на то, что существуют какие-либо рельсотроны высокого класса мегаджоулей, способные производить сотни выстрелов на полную мощность, оставаясь в рамках строгих рабочих параметров, необходимых для точной и безопасной стрельбы из рельсотрона. Рейлганы должны иметь возможность стрелять 6 выстрелов в минуту со сроком службы рельса около 3000 выстрелов, выдерживая ускорение запуска в десятки тысяч g, экстремальные давления и мегаамперные токи, но это невозможно с нынешними технологиями.
  2. Наведение снаряда: будущая возможность, критически важная для использования настоящего рельсотрона, заключается в разработке надежного пакета наведения, который позволит рельсотрону вести огонь по удаленным целям или поражать приближающиеся ракеты. Разработка такого пакета - настоящая проблема. ВМС США RFP Navy SBIR 2012.1 - Тема N121-102 для разработки такого пакета дает хорошее представление о том, насколько сложно наведение снаряда рельсотрона:

Упаковка должна соответствовать массе (<2 кг), диаметру (внешний диаметр <40 мм) и объему (200 см 3 ) снаряда и делать это без изменения центра тяжести. Он также должен выдерживать ускорения не менее 20000 g (порог) / 40000 g (объектив) по всем осям, высокие электромагнитные поля (E> 5000 В / м, B> 2 Тл) и температуру поверхности> 800 градусов. C. Упаковка должна быть способна работать в присутствии любой плазмы, которая может образовываться в канале ствола или на выходе из дульного среза, а также должна быть защищена от излучения из-за внеатмосферного полета. Общая потребляемая мощность должна быть менее 8 Вт (пороговая) / 5 Вт (цель), а время автономной работы должно составлять не менее 5 минут (с момента первоначального запуска), чтобы обеспечить работу в течение всего периода задействования. Чтобы быть доступным, производственная стоимость одного снаряда должна быть как можно ниже, с целью менее 1000 долларов за штуку.

22 июня 2015 года компания General Atomics 'Electromagnetic Systems объявила, что снаряды с бортовой электроникой пережили всю среду запуска рельсотрона и выполнили свои намеченные функции в четырех последовательных испытаниях 9 и 10 июня на полигоне Дагвей армии США в штате Юта. Бортовая электроника успешно измерила ускорение в стволе ствола и динамику снаряда на расстоянии нескольких километров вниз, при этом встроенный канал передачи данных продолжал работать после того, как снаряды попали в дно пустыни, что важно для точного наведения.

Спусковой механизм для термоядерного синтеза с инерционным удержанием

Плазменные рельсотроны используются в физических исследованиях, и они были изучены как потенциальный пусковой механизм магнито-инерционного синтеза . Тем не менее, плазменные рельсотроны сильно отличаются от двигателей или оружия с твердой массой, и они разделяют только базовую операционную концепцию.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки