Рельсотрон

Теория

В физике рельсотрона модуль вектора силы может быть вычислен через закон Био — Савара — Лапласа и формулу силы Лоренца. Для вычисления потребуются:

• μ{\displaystyle \mu _{0}} — магнитная постоянная,
• d{\displaystyle d} — диаметр рельсов (подразумевается круглое сечение),
• r{\displaystyle r} — расстояние между осями рельсов,
• I{\displaystyle I} — сила протекающего в системе тока.

Из закона Био — Савара — Лапласа следует, что магнитное поле на определённой дистанции (s{\displaystyle s}) от бесконечного провода с током вычисляется как:

B(s)=μI2πs{\displaystyle \mathbf {B} (s)={\frac {\mu _{0}I}{2\pi s}}}

Следовательно, в пространстве между двумя бесконечными проводами, расположенными на расстоянии r{\displaystyle r} друг от друга, модуль магнитного поля может быть выражен формулой:

B(s)=μI2π(1s+1r−s){\displaystyle B(s)={\frac {\mu _{0}I}{2\pi }}\left({\frac {1}{s}}+{\frac {1}{r-s}}\right)}

Для того, чтобы уточнить среднее значение для магнитного поля на арматуре рельсотрона, предположим, что диаметр рельса d{\displaystyle d} намного меньше расстояния r{\displaystyle r} и, считая, что рельсы могут считаться парой полубесконечных проводников, мы можем вычислить следующий интеграл:[источник не указан 183 дня]

Bavg=1r∫dr−dB(s)ds=μI2πr∫dr−d(1s+1r−s)ds=μIπrln⁡r−dd≈μIπrln⁡rd{\displaystyle B_{\text{avg}}={\frac {1}{r}}\int _{d}^{r-d}B(s){\text{d}}s={\frac {\mu _{0}I}{2\pi r}}\int _{d}^{r-d}\left({\frac {1}{s}}+{\frac {1}{r-s}}\right){\text{d}}s={\frac {\mu _{0}I}{\pi r}}\ln {\frac {r-d}{d}}\approx {\frac {\mu _{0}I}{\pi r}}\ln {\frac {r}{d}}}

По закону Лоренца, магнитная сила на проводе с током равна IdB{\displaystyle IdB}; предполагая ширину снаряда-проводника r{\displaystyle r}, мы получим:

F=IrBavg=μI2πln⁡rd{\displaystyle F=IrB_{\text{avg}}={\frac {\mu _{0}I^{2}}{\pi }}\ln {\frac {r}{d}}}

Формула основывается на допущении, что расстояние l{\displaystyle l} между точкой, в которой измеряется сила F{\displaystyle F}, и началом рельсов больше, чем расстояние между рельсами (r{\displaystyle r}) в 3-4 раза (l>3r{\displaystyle l>3r}). Также были сделаны некоторые другие допущения; чтобы описать силу более точно, требуется учитывать геометрию рельсов и снаряда.

«Комплекс проблем»

С середины 2000-х годов над созданием электромагнитной пушки работает британская корпорация BAE Systems вместе с учёными США. Проект реализуется в интересах американских ВМС. Испытания проходят на полигоне Центра разработки надводного оружия Военно-морских сил США в Дальгрене (штат Вирджиния). В общей сложности Пентагон инвестировал в НИОКР рельсотрона около $500 млн.

Предполагалось, что электромагнитная пушка пополнит штатное вооружение эскадренных миноносцев класса Zumwalt, выполненных по стелс-технологии. Однако программа строительства эсминцев провалилась из-за их высокой стоимости и недостаточной боевой эффективности.

Также по теме

«В новую гонку вооружений Россию втягивать бесполезно»: о чём говорят испытания «гиперскоростных снарядов» в США

ВМС США провели испытания примерно 20 «гиперскоростных снарядов». Манёвры состоялись ещё в середине прошлого года, однако…

Военно-морские силы США планировали получить 32 эскадренных миноносца Zumwalt, но сейчас в составе флота находятся только два корабля, ещё два достраиваются на американских верфях.

«Есть все основания полагать, что Zumwalt не станет носителем рельсотрона, хотя этот корабль создавался именно для этой задачи. Американцы свернули его серийное производство, потому что энергетика этого невероятно дорогого эсминца оказалась не в состоянии обеспечивать потребности электромагнитной пушки», — сказал Кнутов. 

Как полагает собеседник, в обозримой перспективе рельсотрон не будут устанавливать на боевые корабли ВМС США. По мнению Кнутова, находящиеся в составе американского флота эсминцы Arleigh Burke и крейсеры Ticonderoga не приспособлены для применения этого электромагнитного оружия.

• Эсминец класса Zumwalt Michael Monsoor

Единственным исключением может стать головной американский авианосец класса Gerald R. Ford, оснащённый атомной энергоустановкой. Однако, как отмечает эксперт, корабль испытывает серьёзные технические проблемы и требует доработки, которая растянется на несколько лет.

«На мой взгляд, обеспокоенность Ричардсона вызвана тем, что проект, запущенный в интересах ВМС США, на который было потрачено полмиллиарда долларов, не приносит конкретного практического результата флоту. На мой взгляд, наиболее реалистичным вариантом для Соединённых Штатов станет использование рельсотрона в космосе в рамках обновлённой программы ПРО», — сказал Кнутов.

Однако, как считает эксперт, BAE Systems придётся решить проблемы с генерацией и накоплением электрической энергии, а также точностью стрельбы. В частности, британские и американские инженеры должны разработать компактные энергоустановки, более мощные конденсаторы, новые снаряды и систему управления. 

По словам Кнутова, на сегодняшний день рельсотроны выстреливают неуправляемыми снарядами, точность которых может быть невысокой. По этой причине рано или поздно американским учёным придётся создавать управляемые боеприпасы.

«Это повлечёт за собой новый комплекс проблем — значительное удорожание производства и необходимость разработки электроники, которая не сгорала бы на гиперзвуковых скоростях. С большой долей вероятности можно предположить, что в ближайшие годы рельсотрон не поступит на вооружение США», — прогнозирует эксперт.

Аналогичной точки зрения придерживается и Дрозденко. Собеседник констатировал, что на сегодняшний день для электромагнитной пушки не создан подходящий снаряд. Как пояснил аналитик, для стрельбы используются боеприпасы из тугоплавкого вольфрама. Данный вид припаса отличается высокой стоимостью, а процесс его производства остаётся слишком сложным.

Электромагнитная пушка катушечного типа.

— Одна из разновидностей систем электромагнитного оружия. Отличается от рельсовых пушек большей компактностью. Принципы действия — аналогичны рельсовым пушкам. Основная часть — электромагнитная катушка.

Следует отметить одну интересную особенность данного вида вооружений. Снаряд, летящий с такой огромной скоростью может быть выпущен из ствола обычной пушки, если ее подключить к специальному электромагнитному блоку. Такие системы очень удобно использовать на новейших кораблях ВМС США, которые оснащены мощной энергетической установкой.

Перспективы электромагнитного оружия:

Перспективы — поистине огромные. Фактически, сейчас мы стоим на пороге технологической революции в военной сфере, когда возможен полный отказ от взрывчатых систем произведения выстрела. Эра «пороха» уходит в прошлое, как когда-то ушли в прошлое лук со стрелами.

Военно-морской флот США разработал рельсотрон как мощное оружие, способное одним выстрелом наносить непоправимые повреждения вражеским кораблям, уничтожать танки и другую военную технику противника.

Для такого оружия не существует бетонных укреплений и традиционных форм защиты от попадания.

Эффективными они могут оказаться и в системе ПРО (противо-ракетной обороны). Они способны сбивать ракеты во много раз более дешевым и эффетивным способом, чем существующие сейчас системы.

Май, 2016 г.

Доплнительно по теме: США успешно испытали в Персидском заливе боевое лазерное оружие

История разработки электромагнитной пушки рельсотрон

Еще до начала Первой мировой войны стало заметно, что традиционная артиллерия подходит всё ближе к пределу своего развития. Орудия еще можно было делать более мощными и дальнобойными, но это давалось слишком большой ценой. Своего рода символами этого концептуального тупика стали неимоверно дорогие и при этом практически бесполезные немецкие пушки «Колоссаль» и «Дора».

Немецкая пушка «Дора». По выражению Гудериана – «настоящее произведение искусства, однако, бесполезное»

Всё дело в том, что возможности пороха, как метательного средства, лимитированы скоростью расширения газов при его взрыве. Поэтому для того, чтобы осуществить «артиллерийскую революцию», необходимо применить что-то иное, причем речь не идет о более сильной взрывчатке, а о другой форме энергии, например, об электричестве.

Первым проектом такого рода была магнитная пушка Гаусса, представлявшая собой обыкновенный соленоид, который при включении тока стремительно втягивал в себя магнитный сердечник, исполнявший одновременно роль выключателя. Как только этот «снаряд» начинал своё движение, цепь размыкалась. В результате, набравший скорость сердечник, вылетал с противоположной стороны соленоида.

Одна из старых публикаций, посвященных пушке Гаусса. В отличие от рельсотрона, это «чудо-оружие» должно было стать еще и бесшумным

Рельсотрон стал альтернативным, и, как поначалу казалось, более простым проектом «электродинамического ускорителя масс». Название «оружие будущего» было придумано в Советском Союзе в конце 50-х годов, автором термина стал академик Лев Арцимович

Есть несколько разных версий относительно того, кто, когда и где собрал первый опытный образец, однако, это не так уж важно, поскольку теоретическая база, на основе которой создавалась «рельсовая пушка», не являлась секретной, так что соорудить нечто подобное в лабораторных условиях могли бы многие страны

Первые упоминания о «рэйлгане» появились в западной прессе в 70-е годы. Предполагалось, что такие установки будут изготавливаться для вооружения военных космических «шаттлов». Затем рельсотрон рассматривали как часть проекта, известного под названием СОИ («стратегическая оборонная инициатива»). Электромагнитная пушка должна была уничтожать советские баллистические ракеты на заатмосферных участках их траектории. Как известно, до практической реализации СОИ дело не дошло.

Новую и несколько неожиданную популярность «рэйлган» получил после появления в 90-е годы компьютерных игр «от первого лица». На этот раз он превратился в мощное ручное оружие, способное уничтожить самого сильного противника одним точным выстрелом. Всё это, разумеется, не имело никакой связи с реальностью, как и «гаусс-ружья» в руках главного героя голливудского фильма «Стиратель».

Кадр из фильма «Стиратель». В руках у главного героя – сразу два электромагнитных ружья

Разработка первых настоящих боевых рельсотронов началась в США в середине «нулевых годов». Создателем нового оружия является компания General Atomics. Американские военные планировали использовать электромагнитные пушки для оснащения своих кораблей. В первую очередь речь шла о перспективных эсминцах Zumwalt. После первых пресс-релизов последовал ряд «показательных выступлений», однако, морская версия американского рельсотрона не появилась до сих пор.

В самом начале 2020 года в целом ряде изданий появились статьи с фотографиями китайского десантного корабля, в носовой части которого можно было увидеть загадочную установку, идентифицированную как «рельсовое оружие». Некоторые эксперты считают, что Китаю удалось опередить США и создать боеспособный образец «рэйлгана», пригодного к размещению на морских судах. Так ли это на самом деле, неизвестно, но ясно, что в ближайшие годы разнообразный информационный шум вокруг этого «чудо-оружия» едва ли утихнет.

Китайский десантный корабль. Носовая башенная установка, предположительно, представляет собой рельсотрон

Примеры[править]

Литератураправить

• Гарри Гаррисон, цикл «Крыса из нержавеющей стали» — упоминаются гаусс-пистолеты.
• Роберт Хайнлайн, «Луна-суровая хозяйка» — борющиеся за независимость жители Луны использовали свою электромагнитную катапульту (обычно используемую для отправки грузов на Землю) в качестве оружия, используя как снаряды покрытые сталью камни.
• Межавторский цикл «Боло» — заглавные супертанки используют сабж статьи как вспомогательное оружие.
• Федор Березин «Пепел» — орбитальные автоматизированные рельсотроны используется земными войсками в качестве первой линии обороны от возможной агрессии их бывшей колонии.
• Вселенная Дэйла Брауна — на вооружение группы спецназа, входящей в авиационное подразделение главных героев, рельсотроны появились в 2001 году. Представляют собой «гибрид пулемета М-60 и рентгеновского аппарата», стреляют снарядами размером с сигару в темпе снайперской винтовки и могут одним выстрелом поразить Т-72 и представлять угрозу для эсминца, отдачи нет из-за системы компенсации её энергией выстрела. Для использования нужен экзоскелет, однако, при его наличии, эта бабахалка является индивидуальным оружием, типа тяжелой снайперской винтовки.

Киноправить

• «Трансформеры: Месть падших» — десептикона Девастатора уничтожают из сверхмощного засекреченного рельсотрона морского базирования армии США.
• «Стиратель» с Арнольдом Шварценеггером — ручные рейлганы, они же винтовки «ЭМ-1».

Телесериалыправить

• The Expanse — рельсотроны являются оружием среднего радиуса поражения в космических сражениях. Тяжёлые рельсотроны ставятся на корабли линкорного класса, обычно по два, хотя конструкторы марсианского типа «Доннаджер» оставили место для ещё двух на случай развития технологий. У крейсеров обычно есть по одному лёгкому рельсотрону. Долгое время считалось, что на фрегаты невозможно поставить рельсотроны. Это изменилось, когда на «Доннаджер» напало шесть стелс-фрегатов корпорации «Протоген». У этих был встроен курсовой рельсотрон. Впоследствии, некоторые фрегаты стали снабжать лёгкими рельсотронами, включая «Росинант» главных героев. А ещё на орбите Земли есть боевые спутники, вооружённые сверхтяжёлыми рельсотронами, способными поразить цель на расстоянии в 1 а.е.
• «Звёздные врата» — все космические крейсеры Земли вооружены множеством скорострельных рельсотронов. В принципе, они не способны серьёзно навредить крупным вражеским кораблям, но истребители сбивают на отлично.

Аниме, манга и ранобэправить

• Heavy Object — устанавливается на Объектах как один из видов вооружения.
• Вселенная Toaru — один из заглавных персонажей, Мисака Микото, манипулирует электромагнитными полями. Её коронный приём — разогнать монетку до сверхзвуковой скорости, за что и получила прозвище «Рейлган».
• Arifureta — Хаджимэ в весь свой огнестрел (который итак выглядит откровенно монстуозно, где то как РШ-12 или болтер, но только НА СТЕРОИДАХ) встраивает возможность дополнительного ускорения снаряда за счёт именно что за счёт сабжа, и судя по всему сделал он именно с оглядкой на Мисаку-сан. Плюс в том, что эту фичу может использовать только он, другим придётся заказывать очень дорогостоящую переделку, да и не факт что вам силёнок хватит его зарядить.

Видеоигрыправить

Рельсотрон в ручном варианте время от времени встречается в видеоиграх, особенно в FPS:

• Первопример — в Shadow Warrior Classic
• Кодификатор — в Quake 2. Там он играет роль магазинной или снайперской винтовки, но НА СТЕРОИДАХ: попадание из рельсотрона в цель габаритов «презренный хуманс» разрывает эту цель на части.
• Идущие после плазменного оружия рельсотроны Ксенонавтов справляются с броней пришельцев гораздо проще по одной причине — пришельцы не дураки и знают как защитить себя от своего же оружия.
• Starcraft II — рельсотроны установлены на летающих танках «Аспид» терранов. Единственный в игре юнит, стреляющий на ходу. Беззащитен против авиации, но опасен для тяжёлой техники.
• Call of Duty: Ghosts — именно рельсотроном размещенным на орбите и является система «Один»
• «Act of War» — рельсотроном вооружен ОБТ дивизии спецназа Коготь «Спинер»

История создания RailGun

А ведь первыми испытаниями подобного оружия занимались еще немцы во время второй мировой войны. Оружие испытывалось в железнодорожном тоннеле в Баварии, и результаты внушали надежду на создание грозного электромагнитного оружия. Прототип пушки разгонял десятиграммовый алюминиевый цилиндрик до скорости свыше 4 тысяч км/ч, но был захвачен американцами, которые оценили задумку по достоинству.

Мысли о создании подобного оружия приходили в головы канадских, австралийских, английских ученых. В годы «холодной войны» подобные работы велись и советскими учеными. Эти разработки были строго секретными, однако слухи о достижениях и планируемом вооружении советской армии оружием, основанном на подобном принципе велись до развала державы. У России не хватило экономических возможностей для продолжения работ в этом направлении, и проект был свернут на долгое время. На сегодняшний день работы по созданию электромагнитного оружия ведутся и в нашей стране, а параллельно ведутся дебаты о целесообразности внедрения подобного оружия.

Державе, которой удастся реализовать идею вооружения армии импульсным оружием, сможет диктовать свои условия миру, но пока речь идет лишь о теоретическом господстве.

«Удешевить ценник на боеприпасы»

Электромагнитная пушка относится к классу оружия на новых физических принципах. Рельсотроном она названа из-за того, что разгон токопроводящего снаряда происходит вдоль двух металлических направляющих (электродов).

Данный вид оружия поражает цель за счёт кинетической энергии летящего на сверхзвуковой или гиперзвуковой скорости боеприпаса. Отсутствие взрывчатого вещества уменьшает стоимость снарядов и повышает живучесть ударной платформы (носителя), поскольку исключает возможность детонации боекомплекта. Снаряд рельсотрона практически неуязвим для систем ПВО-ПРО. Его перехват затрудняет прежде всего необычайно высокая скорость полёта.

Рельсотрон может использоваться для поражения кораблей противника различного класса, береговых укреплений и других сухопутных целей. Военные США неоднократно заявляли о том, что появление электромагнитной пушки изменит представление о ведении боевых действий.

• Опытный образец электромагнитной пушки на полигоне в штате Вирджиния

Однако рельсотрон имеет множество недостатков. Он по-прежнему представляет собой достаточно громоздкую конструкцию, потребляющую огромное количество энергии. На сегодняшний день данное оружие невозможно установить на мобильную наземную платформу.

Также учёные не могут решить проблему низкой скорострельности рельсотрона из-за трудоёмкого процесса его перезарядки. Невелик и эксплуатационный ресурс самого орудия. При стрельбе пушка перегревается и нередко деформируется. Опытные образцы способны выдержать лишь несколько сотен выстрелов.

В беседе с RT военный эксперт журнала «Арсенал Отечества» Дмитрий Дрозденко назвал рельсотрон «перспективным оружием». По его словам, электромагнитная пушка разрабатывается для замены дорогостоящих крылатых ракет

Однако эксперт обратил внимание на ряд нерешённых проблем, которые не позволяют США достичь поставленной цели

«Стремление американцев создать электромагнитную пушку обосновано прежде всего желанием удешевить ценник на боеприпасы. Однако на текущий момент им не удалось исправить основные критические недостатки, такие как генерация необходимого количества энергии, изнашивание рельсов, деформация ствола», — отметил Дрозденко.

Конструкция

С изготовлением рельсотрона связан ряд серьёзных проблем: импульс тока должен быть настолько мощным и резким, чтобы снаряд не успел испариться и разлететься, но возникла бы ускоряющая сила, разгоняющая его вперёд. На снаряд или плазменный поршень действует сила Лоренца, поэтому сила тока важна для достижения необходимой индукции магнитного поля, и важен ток, протекающий через снаряд перпендикулярно силовым линиям индукции магнитного поля. При протекании тока через снаряд материал снаряда (часто используется ионизированный газ сзади лёгкого полимерного снаряда) и рельсы должны обладать:

• как можно более высокой проводимостью,
• снаряд — как можно меньшей массой,
• источник тока — как можно большей мощностью и меньшей индуктивностью.

Однако особенность рельсового ускорителя в том, что он способен разгонять сверхмалые массы до сверхбольших скоростей (скорость снаряда в огнестрельном оружии ограничивается кинетикой проходящей в оружии химической реакции). На практике рельсы изготавливают из бескислородной меди, покрытой серебром, в качестве снарядов используют алюминиевые брусочки или проволоку, может использоваться полимер в сочетании с проводящей средой, в качестве источника питания — батарею высоковольтных электрических конденсаторов, которая заряжается от ударных униполярных генераторов, компульсаторов, и прочих источников электрического питания с высоким рабочим напряжением, а самому снаряду перед вхождением на рельсы стараются придать как можно большую начальную скорость, используя для этого пневматические или огнестрельные пушки.
В тех рельсотронах, где снарядом является проводящая среда, после подачи напряжения на рельсы снаряд разогревается и сгорает, превращаясь в токопроводную плазму, которая далее также разгоняется. Таким образом, рельсотрон может стрелять плазмой, однако вследствие её неустойчивости она быстро дезинтегрируется. При этом необходимо учитывать, что движение плазмы, точнее, движение разряда (катодные, анодные пятна), под действием силы Лоренца возможно только в воздушной или иной газовой среде не ниже определённого давления, так как в противном случае, например, в вакууме, плазменная перемычка рельсов движется в направлении, обратном силе  — так называемое обратное движение дуги.

При использовании в рельсотронных пушках непроводящих снарядов снаряд помещается между рельсами, сзади снаряда тем или иным способом между рельсами зажигается дуговой разряд, и тело начинает ускоряться вдоль рельсов. Механизм ускорения в этом случае отличается от вышеизложенного: сила Лоренца прижимает разряд к задней части тела, которая, интенсивно испаряясь, образует реактивную струю, под действием которой и происходит основное ускорение тела.