Рейлган

Испытательные стрельбы в Дальгренском центре наземных боевых действий ВМС США в январе 2008 г. ^[1]

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. ^[2] 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 .^[3]

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 взрывчаткой не могут легко достичь начальной скоростиболее ≈2 км / с, рейлганы могут легко превышать 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 обращения, а также низкая стоимость снарядов по сравнению с обычным оружием являются дополнительными преимуществами. ^[4]

Несмотря на вышеупомянутые преимущества, после десятилетий НИОКР 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 [ править ]

Рельсотрон в своей простейшей форме отличается от традиционного электродвигателя ^[5] тем, что 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 увеличенный рельсотрон, в котором управляющий ток направляется через дополнительные пары параллельных проводников, предназначенных для увеличения («увеличения») магнитного поля, испытываемого движущимся якорем. ^[6] Эти устройства уменьшают ток, необходимый для данного ускорения. В терминологии электродвигателей усиленные рельсотроны обычноконфигурации с последовательной намоткой . 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 можно использовать плазменные или «гибридные» арматуры. ^[7] Плазменный якорь образован дугой ионизированного газа, который используется для толкания твердого, непроводящего полезного груза аналогично давлению порохового газа в обычной пушке. Гибридный якорь использует пару плазменных контактов для соединения металлического якоря с направляющими пушек. Сплошные якоря также могут «переходить» в гибридные якоря, обычно после превышения определенного порогового значения скорости.

Рейлган требует импульсного источника питания постоянного тока . ^[8] Для потенциальных военных применений рельсотроны обычно представляют интерес, потому что они могут достигать гораздо большей начальной скорости, чем пушки, работающие на обычном химическом топливе. Увеличенные дульные скорости с улучшенными аэродинамически обтекаемыми снарядами могут передать преимущества увеличенной дальности стрельбы, в то время как с точки зрения поражения цели увеличенные конечные скорости могут 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 (4500–7 800 миль в час; 7 200–12 600 км / ч) с дульной энергией 5–50 мегаджоулей. (MJ). 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). ^[9] Для одноконтурных рельсотронов эти требования требуют пусковых токов в несколько миллионов ампер , поэтому типичный источник питания рельсотрона может быть разработан для обеспечения пускового тока 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.например, 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 автоматически увеличивает силу.

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 рельсотрон имеет 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 калибра 0,70 ^{[ необходима ссылка ]} . В какой-то сверхскоростиВ исследовательских проектах, снаряды «предварительно впрыскиваются» в рельсотрон, 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 полета, 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 боевой оружейной платформы снизит ее уязвимость для вражеского огня. ^{[ необходима цитата ]}

История [ править ]

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 ). ^{[10] [11]} Во время Первой мировой войны директор по изобретениям Министерства вооружений Жюль-Луи Брентон поручил Фошон-Вильпле разработать электрическую пушку от 30 до 50 мм 25 июля 1918 года после того, как делегаты из Комиссия по изобретениям засвидетельствовала испытательные испытания действующей модели в 1917 году. Однако проект был заброшен после окончания Первой мировой войны 3 ноября 1918 года ^[11].1 апреля 1919 г. Фошон-Вильпле подала заявку на патент США, который был выдан в июле 1922 г. под № 1,421,435 «Электроаппарат для метательных снарядов». ^[12] В его устройстве две параллельные шины соединены крыльями снаряда, и весь аппарат окружен магнитным полем . При пропускании тока через шины и снаряд создается сила, которая толкает снаряд по шинам и летит. ^[13]

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-Вильпле мешали его колоссальное потребление электроэнергии и необходимость в специальном электрическом генераторе значительной мощности. чтобы привести его в действие. ^{[11] [14]}

В 1944 году, во время Второй мировой войны , Иоахим Хэнслер из Управления боеприпасов нацистской Германии предложил первый теоретически жизнеспособный рельсотрон. ^{[11] [15]} 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 снаряда 2000 м / с ; 7200 км / ч; 6600 фут / с) и снаряд, содержащий 0,5 кг (1,1 фунта) взрывчатого вещества. Орудия должны были быть установлены в батареи из шести, стреляющих 12 выстрелов в минуту, и должны были соответствовать существующим 12,8 cm FlaK 40.монтирует. 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 . ^[13]

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 . ^[16] Эта машина была в эксплуатации с 1962 года и позже использовалась для питания крупномасштабного рельсотрона, который использовался в качестве научного эксперимента. ^[17]

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 . ^{[18] [19]} Темы исследований включали плазменную динамику, ^[20] электромагнитные поля, ^[21] телеметрию ^[22], а также перенос тока и тепла. ^[23]В то время как военные исследования технологии рельсотрона в Соединенных Штатах продолжались непрерывно в последующие десятилетия, направление и акцент, которые они взяли, резко изменились 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 армия США ,Корпус морской пехоты и DARPA получили задание разработать противотанковые средства электромагнитного пуска для мобильных наземных боевых машин . ^[24] В 1990 году армия США в сотрудничестве с Техасским университетом в Остине основала Институт передовых технологий (IAT), который сосредоточился на исследованиях, связанных с твердотельной и гибридной арматурой, взаимодействием рельсов с арматурой и материалами электромагнитных пусковых установок. ^[25] Объект стал первым армейским научно-исследовательским центром, финансируемым из федерального бюджета, и в нем размещалось несколько армейских электромагнитных пусковых установок, например, пусковая установка среднего калибра. ^{[24] [26]}

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)]. ^{[27] [ не прошла проверку ]} В 1994 году в Индии DRDO «s Вооружение исследований и разработок Создание разработал рельсотрон с 240 кДж, низкая индуктивность конденсаторной эксплуатирующего при мощности 5 кВ возможность запуска снарядов 3-3,5 г массы к скорости более 2000 м / с (4500 миль / ч; 7200 км / ч; 6600 футов / с). ^[28]В 1995 году Центр электромагнетизма Техасского университета в Остине спроектировал и разработал скорострельную пусковую установку рельсового ружья, названную « Электромагнитная пушка калибра Cannon» . Позже прототип пусковой установки был испытан в Исследовательской лаборатории армии США , где продемонстрировал эффективность затвора более 50%. ^{[29] [30]}

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 в час; 12 200 км / ч; 11 100 футов). / с), или около 10 Маха, при  кинетической энергии 18,4 МДж. Впервые в истории был достигнут такой уровень производительности. ^{[27] [31] [ неудачная проверка ]} Они дали проекту девиз «Velocitas Eradico», что на латыни означает «Я, [кто] скорость, искоренить», или, говоря на просторечии, «Speed ​​Kills». Более ранний рейлган такой же конструкции (32 мегаджоули) находится в Центре испытаний оружия Дандреннана в Великобритании.^[32]

Маломощные рельсотроны также стали популярными в колледжах и любительских проектах. Некоторые любители активно занимаются исследованиями рельсотрона. ^{[33] [34]} Практическое рельсотронное оружие не разработано и не ожидается в ближайшем будущем по состоянию на январь 2020 года ^[update].

Дизайн [ править ]

Теория [ править ]

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. ^[35]

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.который ускоряет снаряд по рельсам, всегда вне контура (независимо от полярности питания) и от источника питания, к дульному концу рельсов. 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 протекает 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. Более того, в общем, сила будет 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 такой 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 со скоростью до нескольких выстрелов в минуту для тысяч выстрелов без сбоев или значительного ухудшения характеристик. Эти параметры выходят далеко за рамки современного материаловедения.^[36]

Электромагнитный анализ [ править ]

Этот раздел может быть слишком техническим для понимания большинством читателей . Пожалуйста, помогите улучшить его, чтобы он был понятен неспециалистам , не удаляя технических деталей. ( Декабрь 2017 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

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: ^{[ 3]}${\displaystyle B}$${\displaystyle I}$${\displaystyle {\boldsymbol {\ell }}}$${\displaystyle F}$

${\displaystyle {\boldsymbol {F}}=I{\boldsymbol {\ell }}\times {\boldsymbol {B}}}$

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.${\displaystyle B}$

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 получена математически через постоянную проницаемости ( ), радиус рельсов (которые считаются круглыми в поперечном сечении) ( ), расстояние между центральными осями рельсов ( ) и ток ( ) как описано ниже.${\displaystyle \mu _{0}}$${\displaystyle r}$${\displaystyle d}$${\displaystyle I}$

Во-первых, из закона Био-Савара можно показать, что на одном конце полубесконечного провода с током магнитное поле на заданном перпендикулярном расстоянии ( ) от конца провода определяется выражением ^[37].${\displaystyle s}$

${\displaystyle \mathbf {B} (s)={\frac {\mu _{0}I}{4\pi s}}{\widehat {\varphi }}}$

Обратите внимание, что это происходит в том случае, если провод проходит от места расположения якоря, например, от x = 0 обратно до оси провода и измеряется относительно оси провода.${\displaystyle x=-\infty }$${\displaystyle s}$

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:${\displaystyle d}$${\displaystyle d}$

${\displaystyle \mathbf {B} (s)={\frac {\mu _{0}I}{4\pi }}\left({\frac {1}{s}}+{\frac {1}{d-s}}\right){\widehat {z}}}$

где - расстояние по перпендикуляру от точки на якоре до оси одного из проводов.${\displaystyle s}$

Обратите внимание, что между рельсами предполагается, что рельсы лежат в плоскости xy и проходят от x = 0 назад до, как было предложено выше.${\displaystyle {\widehat {\varphi }}}$${\displaystyle {\widehat {z}}}$${\displaystyle x=-\infty }$

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

${\displaystyle \mathbf {F} =I\int \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\times \mathbf {B} (s)}$

Чтобы дать силу как

${\displaystyle \mathbf {F} =I\int _{r}^{d-r}\mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\times {\frac {\mu _{0}I}{4\pi }}\left({\frac {1}{s}}+{\frac {1}{d-s}}\right){\widehat {z}}={\frac {\mu _{0}I^{2}}{2\pi }}\ln \left({\frac {d-r}{r}}\right){\widehat {x}}}$

Это показывает, что сила будет пропорциональна произведению тока на квадрат . Поскольку значение μ ₀ мало (${\displaystyle \mu _{0}}$${\displaystyle I}$4 π × 10 ⁻⁷  Гн / м ) следует, что мощным рельсотронам необходимы 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.${\displaystyle l}$${\displaystyle F}$${\displaystyle d}$${\displaystyle l>3d}$

С большинством практичных геометрий рельсотрона нелегко произвести электромагнитное выражение для силы рельсотрона, которое было бы одновременно простым и достаточно точным. Для более работоспособной простой модели полезной альтернативой является использование модели контура 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

${\displaystyle V={\frac {\mathrm {d} (LI)}{\mathrm {d} t}}+IR}$

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.${\displaystyle VI}$${\displaystyle B}$

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${\displaystyle x}$

${\displaystyle {\begin{aligned}R&=R'x\\L&=L'x\end{aligned}}}$

где - сопротивление на единицу длины, а - индуктивность на единицу длины или градиент индуктивности. Следует, что${\displaystyle R'}$${\displaystyle L'}$

${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} (LI)}{\mathrm {d} t}}=I{\frac {\mathrm {d} L}{\mathrm {d} t}}+L{\frac {\mathrm {d} I}{\mathrm {d} t}}=L'I{\frac {\mathrm {d} x}{\mathrm {d} t}}+L'x{\frac {\mathrm {d} I}{\mathrm {d} t}}=IL'v+L'x{\frac {\mathrm {d} I}{\mathrm {d} t}}}$

где есть все важная скорость снаряда, . потом${\displaystyle {\mathrm {d} x}/{\mathrm {d} t}}$${\displaystyle v}$

${\displaystyle V=IL'v+L'x{\frac {\mathrm {d} I}{\mathrm {d} t}}+IR'x=I\left(L'v+R'x\right)+L'x{\frac {\mathrm {d} I}{\mathrm {d} t}}}$

Теперь, если управляющий ток остается постоянным, член будет равен нулю. Резистивные потери теперь соответствуют потоку мощности , а поток мощности представляет собой выполненную электромагнитную работу.${\displaystyle {\mathrm {d} I}/{\mathrm {d} t}}$${\displaystyle I^{2}R'x}$${\displaystyle I^{2}L'v}$

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.${\displaystyle L'xI^{2}/2}$

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

${\displaystyle F={\frac {L'I^{2}}{2}}}$

Это уравнение также показывает, что для высоких ускорений потребуются очень большие токи. Для идеального однооборотного рельсотрона с квадратным стволом значение параметра составляет около 0,6 микрогенри на метр (мкГн / м), но большинство практичных стволов рельсотрона имеют более низкие значения, чем это. Максимальное увеличение градиента индуктивности - лишь одна из задач, стоящих перед разработчиками стволов рельсотрона.${\displaystyle L'}$${\displaystyle L'}$

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

${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} v}{\mathrm {d} t}}={\frac {L'I^{2}}{2m}}}$

где m - масса снаряда. Движение по стволу определяется выражением

${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} x}{\mathrm {d} t}}=v}$

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:

${\displaystyle L'={\frac {\mu _{0}}{\pi }}\ln \left({\frac {d-r}{r}}\right)}$

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

${\displaystyle F={\frac {L'I^{2}}{2}}={\frac {\mu _{0}I^{2}}{2\pi }}\ln \left({\frac {d-r}{r}}\right).}$

Используя практическую геометрию рельсотрона, можно рассчитать гораздо более точные двухмерные или трехмерные модели распределений 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 [ править ]

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. ^[38] Самыми распространенными формами источников питания, используемых в рельсотронах, являются конденсаторы и компрессоры, которые медленно заряжаются от других источников непрерывной 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 дуга , которая 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.

Использованные материалы [ править ]

Рельсы и снаряды должны быть изготовлены из прочных проводящих материалов; рельсы должны выдерживать мощь разгоняющегося снаряда и нагревание из-за больших токов и трения. Некоторые ошибочные работы предполагают, 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. ^{[39] [40] [41] [42]}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 произвести более чем несколько выстрелов на полную мощность, прежде чем потребуется замена рельсов, необходимо добиться серьезных успехов в материаловедении.

Отвод тепла [ править ]

В современных конструкциях огромное количество тепла создается за счет электричества, протекающего через рельсы, а также за счет трения снаряда, покидающего устройство. Это вызывает три основные проблемы: оплавление оборудования, снижение безопасности персонала 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 ограничивать срок службы рельсотрона, в некоторых случаях сильно. ^[43]

Приложения [ править ]

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

Запуск или помощь в запуске космического корабля [ править ]

Изучено электродинамическое обеспечение запуска ракет. ^[44] Космические применения этой технологии, вероятно, будут включать в себя специально сформированные электромагнитные катушки и сверхпроводящие магниты . ^[45] Скорее всего, для этого приложения будут использоваться композитные материалы . ^[46]

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 несколько 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 создания, придания гипер-скорости параболической скорости на снаряде запуска 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. ^[47] Из-за сильного ускорения эта система может запускать только прочные материалы, такие как еда, вода и, что наиболее важно, топливо. В идеальных условиях (экватор, гора, направление на восток) система будет стоить 528 долларов / кг ^[47] по сравнению с 5000 долларов / кг на обычной ракете. ^[48]Рельсотрон McNab может производить около 2000 запусков в год, что в сумме составляет максимум 500 тонн 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. ^[47] 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 ГПРД » на большую высоту со скоростью 10 Махов, где затем он будет запускать на орбиту небольшой полезный груз с использованием обычного ракетного двигателя. ^[49] 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. ^[47]

Вооружение [ править ]

Рейлганы исследуются как оружие со снарядами, которые не содержат взрывчатых веществ или метательных веществ, 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 фут / с)), который из-за своей гораздо большей массы снаряда (до 2700 фунтов) генерировал дульную энергию в 360 МДж и кинетическую ударную нагрузку с энергией более 160 МДж (см. также Project HARP). Путем стрельбы меньшими снарядами с чрезвычайно высокой скоростью рельсотрон может производить удары с кинетической энергией, равной или превосходящей разрушительную энергию пушки Mark 45 калибра 5 дюймов / 54.Морские орудия (которые достигают дульного среза до 10 МДж), но с большей дальностью стрельбы. 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 обычной практической артиллерийской системы ». ^[50]

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 более мелких снарядов по большой площади. ^{[51] [52]}

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 рельсотрона 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. Это оружие запускает усовершенствованный подкалиберный снаряд, разработанный Boeing Phantom Works, на скорости 1600 м / с (5200 футов / с) (примерно 5 Махов). ) с ускорениями, превышающими 60 000 g _n . ^[53] Во время одного из испытаний снаряд смог проехать еще 7 километров (4,3 мили) вниз по дальности после пробития стальной пластины толщиной ¹ ⁄ ₈ дюйма (3,2 мм). Компания надеется, что к 2016 году будет проведена интегрированная демонстрация системы, а к 2019 году - производство, ожидающее финансирования. Пока что проект самофинансируется. ^[54]

В октябре 2013 года General Atomics представила наземную версию рейлгана Blitzer. Представитель компании заявил, что пистолет может быть готов к производству «через два-три года». ^[55]

Рейлганы исследуются на предмет использования в качестве зенитного оружия для перехвата воздушных угроз, особенно противокорабельных крылатых ракет , в дополнение к наземным бомбардировкам. Сверхзвуковой морской полетпротивокорабельная ракета может появиться над горизонтом в 20 милях от военного корабля, оставляя кораблю очень короткое время реакции на ее перехват. 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 обычно 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.^[56] Снаряд рейлгана без возможности изменения курса может поражать быстро движущиеся ракеты на максимальной дальности 30 миль (35 миль; 56 км). ^[57] Как и в случае с Phalanx CIWS, для выстрелов неуправляемой рельсотроны потребуется несколько / много выстрелов, чтобы сбить маневрирующие сверхзвуковые противокорабельные ракеты, при этом вероятность поражения ракеты резко возрастает по мере приближения. ВМФ планирует создать рельсотроны для перехвата внутриатмосферныхбаллистические ракеты, скрытые воздушные угрозы, сверхзвуковые ракеты и многочисленные наземные угрозы; прототип системы для поддержки задач по перехвату должен быть готов к 2018 г. и введен в эксплуатацию к 2025 г. Эти сроки предполагают, что оружие планируется установить на надводные боевые машины ВМФ следующего поколения, строительство которых ожидается к 2028 г. ^[58]

В какой-то момент компания BAE Systems была заинтересована в установке рельсотрона на свои пилотируемые наземные машины Future Combat Systems . ^{[59] [60] [61]} Эта программа была третьей попыткой армии США заменить стареющий M2 Bradley . ^{[62] [63]}

Индия успешно провела испытания собственного рейлгана. ^[64] Россия , ^[65] Китай , ^{[66] [67]} и турецкая оборонная компания ASELSAN  ^[68] также разрабатывают рельсотрон. ^[69]

Спиральный рельсотрон [ править ]

Винтовые рельсотроны ^[70] - это многооборотные рельсотроны, которые уменьшают ток рельсов и щеток в раз, равном количеству витков. Два рельса окружены спиральным стволом, и снаряд или многоразовый носитель также имеет спиральную форму. Снаряд непрерывно возбуждается двумя щетками, скользящими по рельсам, 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 [ править ]

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 один из нескольких правительственныхусилия по разработке плазменных снарядов. Первое компьютерное моделирование произошло в 1990 году, а его первый опубликованный эксперимент появился 1 августа 1993 года. ^{[71] [72]} По состоянию на 1993 год проект, казалось, находился на ранних экспериментальных стадиях. Оружие могло производить кольца плазмы в форме пончиков и шары молний, ​​которые взрывались с разрушительными эффектами при поражении своей цели. ^[73] Первоначальный успех проекта привел к тому, что он был засекречен, и после 1993 года появилось лишь несколько упоминаний о MARAUDER.

Тесты [ править ]

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 еще предстоит 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 этим, 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 сейчас 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). ^[74] Спутниковые снимки в конце 2010 г. показали, что испытания проводились на бронетанковом и артиллерийском полигоне недалеко от Баотоу в автономном районе Внутренняя Монголия . ^[75]

Вооруженные силы США [ править ]

Военные США выразили заинтересованность в проведении исследований в области технологии электрических пушек в конце 20-го века из-за того, что электромагнитные пистолеты не требуют топлива для выстрела, как обычные системы 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 сокращения времени, необходимого снаряду для достижения цели. В начале 1990-х годов армия США выделила более 150 миллионов долларов на исследования электрического оружия. ^[76] В Техасском университете в Остине.В Центре электромеханики были разработаны военные рельсотроны, способные доставлять вольфрамовые бронебойные пули с кинетической энергией в девять мегаджоулей (9 МДж). ^[77] 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 [ править ]

В октябре 2006 года дивизия Дальгрена ВМС США продемонстрировала рельсотрон 8 МДж, стреляющий снарядами массой 3,2 кг (7,1 фунта), в качестве прототипа оружия 64 МДж, которое будет использоваться 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 миллионами ампер тока, необходимого для стрельбы снарядами с мегаджоулями энергии. Хотя и далеко не такая мощная, как крылатая ракета, как BGM-109 Tomahawk., который доставит 3000 МДж разрушительной энергии к цели, такое оружие теоретически позволит флоту обеспечить более гранулированную огневую мощь за небольшую часть стоимости ракеты, и его 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). ^[78] 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). ^[79] Электроэнергия обеспечивалась новым прототипом конденсаторной батареи емкостью 9 мегаджоулей с использованием твердотельных переключателей и конденсаторов высокой плотности энергии, поставленных в 2007 году, а также более старой импульсной системой питания мощностью 32 МДж от Green Farm Electric Gun Research и Центр разработки, созданный в конце 1980-х годов, который ранее был отремонтирован подразделением General Atomics Electromagnetic Systems (EMS). ^[80] Ожидается, что он будет готов в период с 2020 по 2025 год. ^[81]

Испытание рейлгана состоялось 10 декабря 2010 года военно-морскими силами США в Военно-морском центре надводных боевых действий Дальгрен. ^[82] Во время испытаний Управление военно-морских исследований установило мировой рекорд, произведя выстрел в 33 МДж из рельсотрона, который был построен BAE Systems. ^{[38] [83]}

Испытания прошли в феврале 2012 года в Центре надводных боевых действий ВМС Дальгрен. По энергии такое же, как и в вышеупомянутом испытании, используемое рельсотрон значительно компактнее и имеет более традиционный ствол. Построенный General Atomics прототип был доставлен на испытания в октябре 2012 года. ^[84]

Внешнее видео
Дополнительные кадры
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. ^[85] Это оружие, хотя и имеет форм-фактор, более типичный для морской пушки, будет включать компоненты. во многом схожи с теми, которые были разработаны и продемонстрированы в Dahlgren. ^[86] Скоростные снаряды весят 10 кг (23 фунта), имеют длину 18 дюймов (460 мм) и стреляют со скоростью 7 Махов ^[87].

Будущая цель - разработать самонаводящиеся снаряды - необходимое требование для поражения удаленных целей или перехватывающих ракет. ^[88] Когда будут разработаны управляемые снаряды, ВМС прогнозируют, что каждый снаряд будет стоить около 25 000 долларов ^[89], хотя при разработке управляемых снарядов для орудий первоначальная смета расходов удваивалась или утроилась. Некоторые высокоскоростные снаряды, разработанные ВМС, имеют командное наведение, но точность командного наведения неизвестна, и даже если они могут выдержать выстрел на полной мощности.

В настоящее время единственными кораблями ВМС США, которые могут производить достаточно электроэнергии для достижения желаемых характеристик, являются 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 больше не будет строиться. Инженеры работают над преобразованием технологий, разработанных для кораблей серии DDG-1000, в систему батарей, чтобы другие военные корабли могли управлять рельсотроном. ^[90] Большинство современных эсминцев могут сэкономить только девять мегаватт дополнительной электроэнергии, в то время как для выведения снаряда на желаемую максимальную дальность потребуется 25 мегаватт ^[91](т.е. запускать снаряды 32MJ со скоростью 10 выстрелов в минуту). Даже если нынешние 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 вооружений в освободить место. ^[92] 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. ^[93]

Хотя снаряды массой 23 фунта не имеют взрывчатых веществ, их скорость в 7 Маха дает им 32 мегаджоулей энергии, но кинетическая энергия удара в нижнем диапазоне обычно составляет 50 процентов или меньше дульной энергии. Военно-морской флот изучает 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 использования в противовоздушной обороне, но пройдут годы или десятилетия, прежде чем оно станет эффективным. ^{[94] [95] [96]}

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 рейлганы будут прикрывать цели на расстоянии до 100 миль, для которых раньше требовалась ракета. ^[97] ВМФ может со временем усовершенствовать технологию рельсотрона, чтобы он мог вести огонь на дальности 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. ^[75]

Наиболее многообещающим в ближайшем будущем применением рельсотрона и электромагнитных пушек в целом, вероятно, будет на борту военно-морских судов с достаточной резервной электрической генерирующей мощностью и местом для хранения батарей. Взамен живучесть корабля может быть повышена за счет сопоставимого сокращения количества потенциально опасных химических ракетных топлив и взрывчатых веществ, используемых в настоящее время. 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 пороховые вещества, которые в настоящее время производятся безопасно за линией фронта и доставляются к оружию предварительно упакованными через надежную и рассредоточенную систему логистики.

В июле 2017 года Defensetech сообщила, что ВМС хотят 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 - 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. ^[98]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, то электрические источники питания корабля должны будут обеспечивать около 25 МВт, пока продолжается стрельба.

Армейская исследовательская лаборатория [ править ]

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 рельсотронное орудие. ^{[99] [100] [101]} В 1984 году исследователи BRL разработали методику анализа остатков, оставшихся на поверхности канала ствола после выстрела, чтобы исследовать причину прогрессирующей деградации канала ствола. ^[102]В 1991 году они определили свойства, необходимые для разработки эффективной пусковой установки, а также критерии конструкции, необходимые для того, чтобы рельсотрон мог включать в себя снаряды с оребренными и длинными стержнями. ^{[103] [104]}

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 . ^[105] Как часть программы CCEMG, UT-CEM спроектировал и разработал электромагнитную пусковую установку пушечного калибра, скорострельную пусковую установку рельсотрона, в 1995 году. ^[29]Пусковая установка с 30-миллиметровым круглым стволом могла вести стрельбу тремя пятизарядными залпами из стартовых пакетов массой 185 г с начальной скоростью 1850 м / с и скорострельностью 5 Гц. Скорострельность была достигнута за счет приведения в действие пусковой установки нескольких 83544 пиковых импульсов, обеспечиваемых компульсатором CCEMG. Рельсотрон CCEMG отличался несколькими особенностями: керамическими боковинами, направленным предварительным натягом и жидкостным охлаждением. ^[30] ARL отвечал за оценку характеристик пусковой установки, которая была испытана на экспериментальной установке ARL Transonic в Абердинском испытательном полигоне, штат Мэриленд . ^[106]

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 система энергоснабжения, 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. ^[107]

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. ^[108] В 2001 году ARL стала первой компанией, которая получила набор данных о точности запускаемых из электромагнитной пушки снарядов с помощью прыжковых испытаний. ^[109] В 2004 году исследователи ARL опубликовали статьи, в которых исследуется взаимодействие высокотемпературной плазмы с целью разработки эффективных воспламенителей рельсотрона. ^[110]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. ^{[111] [110] [112]}

Китайская Народная Республика [ править ]

Китай разрабатывает собственную систему рельсотрона. ^[113] Согласно отчету американской разведки CNBC , система рельсотрона в Китае 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. ^[114]

В начале февраля 2018 года в Интернете были опубликованы фотографии того, что якобы является китайским рейлганом. На фотографиях орудие установлено на носовой части десантного корабля типа 072III типа Haiyangshan . СМИ предполагают, что система готова или скоро будет готова к тестированию. ^{[115] [116]} В марте 2018 года сообщалось, что Китай подтвердил, что начал испытания своей электромагнитной рельсовой пушки в море. ^{[117] [118]}

Индия [ править ]

В ноябре 2017 года Организация оборонных исследований и разработок Индии провела успешные испытания электромагнитного рельсотрона с квадратным стволом диаметром 12 мм. Планируется проведение испытаний 30-мм версии. Индия стремится запустить снаряд весом один килограмм со скоростью более 2000 метров в секунду, используя батарею конденсаторов емкостью 10 мегаджоулей. ^{[119] [64]} Электромагнитные пушки и оружие направленной энергии входят в число систем, которые ВМС Индии намерены приобрести в рамках своего плана модернизации до 2030 года. ^[120]

Проблемы [ править ]

Основные трудности [ править ]

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 Кландер заявил: «Срок службы ствола увеличился с десятков выстрелов до более 400, с программным путем до 1000. выстрелы ". ^[86] 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 рейлганы высокого класса мегаджоулей, способные производить сотни выстрелов на полную мощность, сохраняя при этом строгие рабочие параметры, необходимые для точной и безопасной стрельбы из рейлганов. 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, однако это невозможно с нынешними технологиями. ^[121]
2. Наведение снаряда: будущая возможность, критически важная для использования настоящего рельсотрона, заключается в разработке надежного пакета наведения, который позволит рельсотрону стрелять по удаленным целям или поражать приближающиеся ракеты. Разработка такого пакета - настоящая проблема. ВМС США RFP Navy SBIR 2012.1 - Тема N121-102 ^[122] о разработке такого пакета дает хорошее представление о том, насколько сложно навести снаряд рельсотрона:

Упаковка должна соответствовать массе (<2 кг), диаметру (внешний диаметр <40 мм) и объему (200 см ^3).) ограничения 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 образоваться в канале ствола или на выходе из дульного среза, а также должна быть защищена от радиации из-за полета вне атмосферы. 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 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 выдержали всю среду запуска рельсотрона и выполнили свои намеченные функции в четырех последовательных испытаниях 9 и 10 июня на полигоне Дагвей армии США в Юте. Бортовая электроника успешно измерила внутрискважинное ускорение 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. ^[123]

Спусковой механизм термоядерного синтеза с инерционным удержанием [ править ]

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 концепцию действия.

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме рейлгана .

Поищите рельсотрон в Викисловаре, бесплатном словаре.

• Наблюдайте за стрельбой из рейлгана ВМФ со всех сторон Рейлган делает первый снимок из серии ввода в эксплуатацию. включает видео YouTube от ноября 2016 г.