Уступит ли порох пальму первенства электромагнитной энергии?
В августе – сентябре 2011 г. в США прошла очередная, 46-я по счёту ежегодная конференция-выставка Национальной ассоциации оборонной промышленности по тематике артиллерийского и ракетного вооружения. На первый взгляд, ничего особенного, обычная военно-техническая «тусовка». Однако именно в её рамках, в секции «Нетрадиционные вооружения» были зачитаны – фактически впервые в таком контексте – доклады о перспективном применении в американских вооружённых силах электромагнитных пушек.
Ранние проекты
Впервые идея использовать электрический ток вместо пороховых зарядов для отправки в цель пуль и снарядов возникла отнюдь не в этом и даже не в прошлом веке. Так, в лондонском журнале “The Mechanics’ Magazine, Museum, Register, Journal, and Gazette”, в томе № 43 от 5 июля – 27 декабря 1845 г., на странице 16 имеется короткая заметка об «электрической пушке» Бенингфилда, в которой сообщается о том, что на Кинг-стрит в Вестминстере прошли «очень интересные эксперименты с электрической пушкой, изобретением мистера Бенингтона из Джерси».
В 1890 г. русский изобретатель Николай Николаевич Бенардос, широко известный как изобретатель дуговой электросварки, представил проект корабельной электрической пушки, а аналогичное орудие, разработанное американским изобретателем Л. С. Гарднером, как писала 27 февраля 1900 г. канзасская газета «Освего Таймс», ввиду больших размеров энергоустановки «подойдёт для обороны крепостей или для боевых кораблей». Кроме того, в 1895 г. австрийский инженер, представитель венской школы пионеров космонавтики Франц Оскар Лео Эльдер фон Гефт предложил проект катушечной электромагнитной пушки, предназначенной для… запуска космических кораблей на Луну. Впрочем, все эти проекты так и остались только прожектами – реализовать их на практике тогда не представлялось возможным.
Первый более или менее реальный план создания электромагнитной пушки предложил норвежец Кристиан Олаф Бернард Биркеланд, профессор физики в университете в Осло. В сентябре 1901 г. он получил патент на «электромагнитную пушку катушечного типа», которая должна была, согласно проведённым учёным расчётам, придать снаряду массой 0,45 кг начальную скорость порядка 600 м/с.
Под самый занавес Первой мировой войны французский инженер Андрэ Луи-Октав Фашон-Виллепле предлагает «электрический аппарат для движения снаряда», конструктивно представлявший собой два параллельных медных рельса, помещённых внутрь ствола, поверх которого были навешены катушки из провода. По проводам пропускался электрический ток от батареи или механического генератора. При движении по рельсам оперённый снаряд своими «крыльями» последовательно замыкал контакты указанных выше катушек и таким образом постепенно продвигался вперёд, набирая скорость. Фактически речь шла о первом прототипе сегодняшних рельсотронов.
Советская мегапушка и немецкое «вундерваффе»
В июне 1932 г. в журнале “Modern Mechanics and Inventions” выходит статья «Электрическая пушка не использует порох», в которой представлен проект британских изобретателей – «магнитная пушка». В ней в общем виде описывалась конструкция орудия так называемого катушечного типа, или пушки Гаусса. При её создании предлагалось использовать результаты опытов «английских экспериментаторов» доктора Уолла и… доктора Капицы. Да-да, того самого академика Петра Леонидовича Капицы – знаменитого учёного, лауреата Нобелевской премии. В те годы он работал в Великобритании, так что вполне объективно называть описанный в журнале проект не британским, а британо-советским.
Год спустя в американском журнале «Популярная механика» выходит заметка о «бесшумном пулемёте», который может практически беззвучно стрелять стальными пулями: выстрел производился при помощи 17 электромагнитов, а длина ствола «электропулемёта» составляла 81,3 см.
Наконец, в 1934 г. в США Вирджил Ригсби, американский изобретатель из Сан-Августина, что в Техасе, получает патент на автоматическую электрическую пушку, которая также была описана в указанном американском журнале. Причём катушки, которые монтировались снаружи ствола, по всей его длине, включались в работу последовательно уже посредством специального таймера.
Спустя два года Эдвин Нортруп, профессор Принстона, построил электромагнитное орудие с 18 «ствольными» катушками, тогда как уже во Вторую мировую войну, в 1944 г. в Третьем рейхе инженер Министерства вооружений Иоахим Ханслер при содействии главного инспектора Бунзеля спроектировал и построил 10-мм (по другим данным – 20-мм) пушку катушечного типа LM-2, которая имела длину ствола около 2 м. Испытания пушки проводились на Хиллерслебенском испытательном полигоне в Магдебурге, а затем – в железнодорожном тоннеле около городка Клайс в Верхней Баварии. Ханслеру удалось разогнать 10-граммовый алюминиевый «снаряд» цилиндрической формы до скорости 1080 м/с, а соединив последовательно две пушки – до скорости 1210 м/с. На основе работ Ханслера специалисты Люфтваффе даже подготовили техническое задание на электрическую зенитную пушку с начальной скоростью снаряда не менее 2000 м/с и скорострельностью 12 выстрелов в минуту. Впрочем, данная пушка, как и многие другие образцы «вундерваффе», в серию так и не пошла – «Тысячелетний рейх» рушился под ударами союзников, и промышленность Германии уже была не способна на такие «подвиги». Опытный образец и проектная документация попали в руки американских военных. По результатам своих испытаний те в 1947 г. вынесли заключение: направляющие рельсы пушки подвержены сильной тепловой эрозии, а для нормальной работы пушки требуется энергия, которой можно осветить пол-Чикаго.
Однако и советские военные были весьма охочи до «супероружия». К примеру, в 1938 г. в Государственном военном издательстве Наркомата обороны СССР выходит книга Владимира Павловича Внукова «Артиллерия», в которой в главе «Нельзя ли всё-таки чем-нибудь заменить порох?» читаем: «Электричество. Здесь уж, наверное, таятся огромные возможности! Никакого давления, ничтожная температура, почти никакого звука. Достоинств очень много… Ствол электропушки должен состоять из обмоток проводника в виде катушек. Когда по обмоткам пойдёт ток, стальной снаряд будет втягиваться последовательно в эти катушки магнитными силами, образующимися вокруг проводника. Таким образом, снаряд получит нужный разгон и после выключения тока из обмоток вылетит по инерции из ствола».
Однако дальше доходчиво разъясняется, что создание такой пушки даже в калибре 76,2 мм – не такое уж простое дело: «Для того чтобы сообщить необходимую для движения снаряда энергию в ничтожный промежуток времени, нужен ток огромной силы. Применяемое теперь оборудование не выдержит того „удара“, который последует при „коротком замыкании“ очень сильного тока. Если же удлинить время воздействия тока на снаряд, то есть уменьшить мощность выстрела, тогда нужно удлинить ствол.
Совершенно не обязательно, чтобы выстрел „длился“, например, одну сотую секунды. Делая 20 выстрелов в минуту, мы вполне могли бы удлинить время выстрела до одной секунды, то есть в 100 раз. Но тогда примерно во столько же раз нужно было бы удлинить и ствол. Иначе не разогнать снаряда до нужной скорости. Оказывается, в этом случае, для того чтобы бросить тот же 76-мм снаряд на полтора десятка километров, ствол электропушки пришлось бы сделать длиной около 200 м».
Понятно, что речи о применении таких «мегапушек» непосредственно в боевых порядках войск речи идти не могло – разве что можно было попытаться создать дальнобойное, размещаемое в глубоком тылу орудие большой мощности.
От пушки Гаусса к рельсотрону
Первые электромагнитные пушки – так называемые пушки катушечного типа, состоявшие из соленоида, внутри которого располагался ствол, – также называются пушками Гаусса – по имени Карла Гаусса, известного трудами в области теории электричества и магнетизма. В таком орудии снаряд вставлялся в ствол с «казённой» части, при подаче тока в соленоиде возникало магнитное поле, разгонявшее снаряд, который как бы втягивался в область цепи катушек.
Впрочем, у пушки Гаусса – множество недостатков: низкий КПД, который, в свою очередь, приводит к очень большому расходу энергии и, соответственно, необходимости использования мощных источников энергии; большой вес и габариты; определённые трудности с применением пушки в морской среде – обязательно требуется защитный кожух-диэлектрик; и, что больше всего не устраивало военных, длительное время перезарядки конденсаторов. В конечном итоге военные от пушки Гаусса отказались, хотя именно данная система рассматривается, к примеру, НАСА в качестве перспективной системы вывода на орбиту лёгких спутников или доставки капсул с лунным грунтом.
Но военные продолжали требовать «чудо-оружие», и во второй половине ХХ в. инженеры приступили к разработке электромагнитной пушки более простой конструкции, да ещё и с большей мощностью выстрела, – рельсотрона, в английском варианте – «рейлган» (railgun). Конструктивно рельсотронная пушка представляет собой две подсоединённые к источнику электроэнергии и расположенные параллельно электропроводные шины (металлических рельса), между которыми с «казённой» части заряжается также электропроводный снаряд, замыкающий таким образом электрическую цепь. Затем на рельсы подаётся электрический ток, после чего под действием образующейся непосредственно внутри канала ствола и направленной перпендикулярно движению тока и линиям магнитного поля силы Лоренца снаряд разгоняется до сверхвысоких скоростей – к примеру, американским разработчикам, работающим по контракту с ВМС США, удалось разогнать 10-кг «болванку» до 2,5 км/с.
Первые рельсотронные пушки, представлявшие хоть какое-то практическое значение, появились в 1970-х гг., хотя задел по теме начали набирать уже в 1940–1950-е гг. В своё время сенсацией стали работы в этой сфере Австралийского национального университета, где ещё во второй половине 1940-х гг. сэр Марк Олифант выступил инициатором создания двухступенчатого униполярного генератора мощностью 500 МДж, который затем подсоединили к «не слабому» рельсотрону. Впрочем, в июле 1962 г. генератор взорвался, и вся установка вышла из строя – сегодня части этого генератора-гиганта установлены в качестве памятника в упомянутом университете. В следующем десятилетии работами с рельсотронными пушками там же активно занимались Ричард Маршалл и Джон Барбер, причём в 1989 г. именно австралийцы построили самый мощный униполярный генератор – в кратковременном режиме он даёт ток 1500 кА при напряжении 800 В. Маршаллу и Барберу удалось при помощи своего униполярного генератора на лабораторном рельсотроне с 5-метровым стволом разогнать 3,3-граммовый поликарбонатный «снаряд» до скорости 5,9 км/с.
В последней четверти прошлого века работы по рельсотронной тематике велись даже в Югославии – мощность югославской пушки составила около 7 кДж, а в 1980-х гг. к созданию рельсотронов – калибром 30 мм и начальной скоростью «снаряда» 2,0–2,5 км/с – приступили и в СССР. Причём именно советский учёный-физик – Лев Андреевич Арцимович, академик АН СССР и Герой социалистического труда – фактически стоял у истоков теории и практики электродинамического ускорителя масс. Ещё в 1958 г. он заявил о возможности достижения при помощи рельсовой пушки очень высоких скоростей снарядов, а затем в лабораторных опытах сумел разогнать плазмы очень малой массы до скоростей более 100 м/с. Кстати, также именно Арцимовичу часть отечественных исследователей и историков приписывает введение в оборот и самого термина «рельсотрон».
«Звездные войны» и оружие для суперэсминцев
Первым документально зафиксированным проектом по рельсотронным пушкам, проводимым в интересах военных, стала разработка, осуществлявшаяся специалистами компании «Вестингауз Электрик Корпорейшн». В 1980 г. им удалось построить «рейлган», оснащённый униполярным генератором мощностью 17,5 МДж и во время испытаний разогнавший 300-граммовый снаряд-болванку до скорости более 4 км/с – это соответствовало дульной энергии 2,8 МДж.
Работы в области создания электромагнитных пушек различных типов шли с такой активностью и демонстрировали столь, как казалось, многообещающие результаты, что рельсотроны прописались даже в американской программе СОИ (Стратегическая оборонная инициатива), утверждённой президентом США Рональдом Рейганом 23 марта 1983 г. и более известной как программа «звёздных войн». В рамках СОИ планировалось создать особую «гиперзвуковую рельсовую пушку», которая должна была в ходе отражения удара баллистических ракет противника выполнять не менее чем два выстрела в сутки.
С другой стороны, вскоре стало понятно, что создание рельсотронов, способных разгонять даже граммовые снаряды до скорости 10 км/с, – очень сложная задача. Попытки разогнать снаряды массой от 1 до 1000 г даже до скоростей 6–8 км/с сопровождаются таким сонмом проблем, что о боевой пушке можно забыть минимум на пару десятилетий. Так и произошло – новый всплеск интереса к электромагнитным орудиям произошёл уже в XXI в. и был связан с определёнными успехами, которых удалось добиться в данной области в ряде стран мира.
В США вновь, как уже не раз бывало, вперёд вырвался флот. На протяжении только последних четырёх лет моряки тратили на боевой рельсотрон по 40 млн долл. в год. И вот в октябре 2006 г. на полигоне американского исследовательского центра в Дальгрене из опытного рельсотрона – первого прототипа перспективной боевой рельсотронной пушки – был выполнен выстрел снарядом массой 3,2 кг, мощность составила 8 МДж. А полтора года спустя, 31 января 2008 г., там же был произведён выстрел аналогичным 3,2-кг алюминиевым снарядом, успешно поразившим наполненный песком металлический бак.
«К настоящему времени уже почти достигнут предел возможностей для используемых в артиллерии пороховых зарядов, а нынешние опыты являются первым шагом на пути создания тактически пригодных боевых рельсотронных пушек с мощностью выстрела 64 МДж», – отметил после испытаний представитель центра в Дальгрене Чарльз Гарнетт, сообщив, что рельсотронная пушка вполне способна отправить снаряд массой 18 кг на дальность 200 миль (около 370,4 км) – на порядок дальше, чем современная американская корабельная артустановка Mk 45.
По мнению специалиста Университета Техаса Д. Кицмиллера, морякам необходимо будет решить и такую проблему, как создание соответствующих источников питания. «Для того чтобы батарея конденсаторов могла „хранить“ энергию для нескольких 64-мегаджоульных выстрелов, флоту необходимо забить конденсаторами корабль размером с авианосец», – подчеркнул Кицмиллер.
«Выстрелить из рельсотронной пушки один или два раза – значит доказать практичность технологии, – подтвердил Гарнетт. – Если же выстрелить из рельсотрона тысячу или другую раз – значит создать оружие». Пока же сотрудникам Научно-исследовательского управления ВМС США приходится после каждого выстрела заменять какой-либо из компонентов испытываемой пушки.
Следующий этап программы начат во второй половине 2009 г. – с момента поступления в центр изучения вопросов ведения надводной войны в Дальгрене рельсотрона, созданного специалистами британской компании «БиЭйИ Системз» и получившего название «Электромагнитный исследовательский рейлган». Расчётная мощность пушки – 32 МДж, начальная скорость снаряда – до М = 8 (восемь скоростей звука).
10 декабря 2010 г. специалистами Научно-исследовательского управления ВМС США в Дальгрене проведено самое амбициозное испытание прототипа боевого рельсотрона – энергия выстрела достигла 33 МДж, что сами разработчики с юмором разъяснили следующим образом: «Один мегаджоуль энергии – это когда грузовик массой в одну тонну движется со скоростью 100 миль в час», а тут, соответственно, 33 грузовика. Если такая «автоколонна» врежется даже в авианосец – мало не покажется.
Командование ВМС США пока надеется получить первый образец корабельного боевого рельсотрона в течение 2020–2025 гг. Потенциальными носителями его могут стать перспективные эсминцы УРО типа «Замволт» (с ними, впрочем, пока что с самими не всё ещё понятно), а может, даже и последние в серии эсминцы УРО типа «Арли Бёрк». Причём, согласно расчётам американских специалистов, для рельсотрона на 64 МДж потребуется ток 6 млн ампер в секунду, а скорострельность пушки 6 выстрелов в минуту возможна только при подаче на неё 16 МВт электроэнергии. Много ли это? Для сравнения: мощность главной энергоустановки перспективного эсминца УРО типа «Замволт» составит 72 МВт. Это на весь корабль, а тут в минуту на пушку надо подать 16 МВт. При этом, например, скорострельность американской 127-мм корабельной артустановки Mk 45 Mod 4 – 16–20 выстрелов в минуту.
На последнем испытании рельсотрона «Блитцер» на армейском полигоне Дагвей, о котором рассказал разработчик, компания «Дженерал Атомикс», стреловидный металлический сердечник, приобретя начальную скорость около 2 км/с, пробил навылет лист из броневой стали, а затем пролетел по инерции ещё 7 км. Американский флот уже выделил разработчикам 10 млн долл., поставив при этом задачу разработать систему автоматической подачи снарядов, систему охлаждения, а также мощные и энергоёмкие импульсные системы питания.
Впрочем, армейская тематика тоже, как оказалось, не забыта – компания «Вестингауз», например, разработала проект противотанковой электромагнитной пушки калибром 155 мм на гусеничном шасси М109. Заявленная дальность стрельбы – 50 км, причём снаряды получат устройство наведения на конечном участке траектории.
Российские разработчики хоть и отстали от своих зарубежных коллег, но всё же постепенно нарабатывают опыт по тематике рельсотронов. К примеру, регулярно отстреливают свой «рельсотрон Арцимовича» специалисты Шатурского филиала Института теплофизики экстремальных состояний Объединённого института высоких температур РАН. «В наших лабораторных испытаниях максимальная скорость достигла 6,25 км/с при массе снаряда в несколько грамм – примерно 3 г», – заявил тогда директор филиала Алексей Шурупов.
Кто будет первым?
Боевые рельсотроны имеют множество преимуществ по сравнению с традиционными видами вооружений. К их числу относятся большая скорость и дальность полёта снаряда. По оценке американских специалистов, 32-мегаджоульная электромагнитная пушка способна – пока, как говорится, чисто теоретически – послать 10–15-кг снаряд на дальность порядка 185–200 км, а его начальная скорость в 5 раз превзойдёт скорость звука, то есть составит примерно 1655 м/с. Для сравнения: 127-мм корабельная артустановка Mk 45 Mod 4, принятая на вооружение ВМС США в 2000 г., имеет дальность стрельбы 24,1 км и начальную скорость снаряда 807,7 м/с.
Далее благодаря меньшей массе снаряда и отсутствию гильзы с пороховым зарядом возможно существенное увеличение боеприпасов на носителе. Скажем, масса упомянутой 127-мм пушки – 31,75 кг, а типовая масса снаряда, предназначенного для кораблей боевого рельсотрона, – от 10 до 15 кг. Но в последнем случае болванка получает просто огромную кинетическую энергию, за счёт чего наносит больший урон, чем обычный артснаряд. С другой стороны, необходимая для питания электромагнитной пушки энергия требует наличия более мощной, с большими массой и габаритами энергетической установки. Это частично «съест» пространство, высвободившееся за счёт отказа от гильз и пороха.
Кроме того, выстрел из боевого рельсотрона – менее громкий, чем из обычной пушки (хотя и не полностью беззвучен, как пишут многие эксперты), и сопровождается менее сильными вспышкой и ударной волной, а мощность самого выстрела можно настроить – в зависимости от требуемой дальности и уровня защищённости цели. С другой стороны, имеется проблема с обеспечением защиты корабельной электроники от магнитных полей пушки.
Пытаются не отстать от своих зарубежных коллег и в России: «Создание оружия на новых физических принципах: лучевого, физического, волнового, генного, психофизического и т. д. – в реализации программы на 2011–2020 гг. заложены такие задачи», – заявил недавно министр обороны Анатолий Сердюков. Так что, по мнению экспертов, недалёк тот день, когда фантастический сюжет из фильма «Трансформеры 2. Месть падших», где инопланетного захватчика подбивают именно при помощи корабельного рельсотрона, станет вполне реальной боевой ситуацией. Вопрос только в том, по кому выстрелит первый рельсотрон?
Источник: zerkalo-mira.com
