В небольшом полигоне филиала Объединенного института высоких температур РАН (ОИВТ РАН) в Шатуре людно: ученые собираются провести демонстрационный запуск рельсотрона. Интерес подогрело и разлетевшееся по Интернету видео демонстрации опытного образца рельсотрона для военно-морских сил США в конце мая. Впрочем, при длине американской пушки в 10 метров и весе снаряда более 10 килограмм (если быть точнее, то 25 фунтов) российский рельсотрон выглядит куда скромнее. Длина его ствола составляет 70 сантиметров, а вес ударников, как ученые называют снаряды, пока не доходит даже до десятков граммов. Тем не менее такая компактность не мешает достигать высоких, близких к космическим, скоростей. По словам заведующего лабораторией плазмодинамических процессов ОИВТ РАН Владимира Полищука, максимальная скорость, с которой в России рельсотрон разгонял снаряд, была 5,5 километра в секунду.

Где у пушки рельсы

Наш рельсотрон выглядит довольно неожиданно: это металлическое устройство прямоугольной формы, утыканное крепежами, без какого-либо намека на рельсы. Но они есть. Внутри. Это две металлические пластины внутри бандажа, к которым подсоединена батарея. Электрический ток течет от электрода к электроду, а магнитный импульс выталкивает зажатый между рельсами снаряд. Его делают из диэлектрика, то есть материала, не проводящего ток. В ОИВТ РАН его изготавливают из поликарбоната — пластика, из которого часто делают зубные протезы.

Размер ударников, которыми стреляют из рельсотрона в Шатурском филиале ОИВТ РАН, не превышает нескольких сантиметров. Фото: Сергей Савостьянов / ТАСС

«С этим рельсотроном мы можем выйти на массу снаряда в десятки грамм. У нас увеличилась емкость источника энергии в полтора раза. Есть еще четыре секции, но мы их увезли на полигон, — сказал Полищук. — Сейчас у нас здесь запасенной энергии 1 мегаджоуль. В полном комплекте у нас 4 мегаджоуля. Американский накопитель на большую пушку — 32 мегаджоуля, но они собираются его увеличить до 64 мегаджоулей».

Не новая разработка

«Это разработка не новая, мы сейчас выходим на новый уровень энергетики. Мы увеличили энергию примерно в пять раз», — сказал Полищук. Действительно, рельсовые ускорители известны уже более 50 лет. Однако интерес к ним, по словам ученого, появился лет 40 назад, когда научное сообщество заинтересовалось достижением скоростей, близких к космическим, — от 7,9 км/с (первая космическая скорость) и выше.

Мишени, пробитые ударником рельсотрона. Фото: Сергей Савостьянов / ТАСС

«Мировой рекорд, чему можно верить, где-то 6,5 км/с. По нашим представлениям, максимально достижимая скорость — 10-12 км/с. Это очень интересно, такие параметры не освоены», — сказал Полищук.

Физика высоких скоростей

Над лежащей в основе рельсотрона технологией активно работает Китай. По словам участвовавшего в демонстрации на полигоне ОИВТ РАН президента РАН Владимира Фортова, китайские ученые за год опубликовали около 150 статей в этой области. В то же время США сконцентрировались на метании больших масс, а не на увеличении скорости, отмечает Полищук.

«Американцы задачи получения сверхвысоких скоростей свернули. Они занимаются метанием больших масс. Цель — электромагнитная пушка и, что более реально, катапульты для разгона ракет. А пушка — это перспективы, лет через 10, не раньше», — сказал ученый, добавив, что СССР в 80-х годах достиг хороших результатов в разработке катапульт, но технология не получила развития, поскольку у страны почти не было авианосцев, на которых ее можно было бы использовать.

Российские же ученые сейчас заинтересованы не массами, а высокими скоростями и давлением.

«Наша задача — попытаться получить в лабораторных условиях при помощи таких систем такие большие давления и исследовать поведение вещества при экстремальных высоких температурах и давлениях. Это надо для понимания того, как устроена Вселенная, потому что 95% всего видимого вещества Вселенной находится как раз в сильно сжатом и разогретом состоянии. Мы пытаемся при помощи этих систем получать состояния со многими миллионами атмосфер», — сказал Фортов.

От сварки до астероидов

Рельсотрон можно применять не только в военных целях, но и в мирных, даже «благородных». Например, изучение того, как снаряд на очень больших скоростях сталкивается с мишенью, поможет изучить историю обстрела метеоритами планет, включая нашу, и в перспективе создать систему защиты космических аппаратов от небольших частиц в межзвездном пространстве.

Правда, Фортов сильно сомневается в возможности использовать рельсотрон для защиты Земли от крупных астероидов и метеоритов. А Полищук, наоборот, уверен, что выпущенный рельсотроном снаряд со скоростью 10—15 км/с мог бы отклонить с курса астероид размером в десятки или даже сотни метров. Кроме того, принцип рельсотрона в будущем можно будет использовать для ввода термоядерного топлива в реактор.

Выстрел ударником весом 2 грамма со скоростью 3,2 км/с из рельсотрона на полигоне филиала ОИВТ РАН. Видео: ОИВТ РАН

«Нужно вводить частицы дейтерий-тритиевой смеси внутрь токамака (тороидальная камера с магнитными катушками, удерживающая плазму, чтобы создать условия для протекания управляемого термоядерного синтеза — прим. «Чердака» ), скорость должна быть большая: километры в секунду, иначе оно просто не влетит, а испарится по дороге», — сказал Полищук.

Если из рельсотрона убрать ударник, то вылетающий из него сгусток плазмы можно использовать для упрочнения материалов в 3-4 раза, заметил Фортов.

«Кроме того, есть такое направление, как сварка взрывом, когда ударяются две пластины, которые обычно не свариваются, но из-за воздействия больших, хоть и краткосрочных, давлений они дают очень прочную сварку. Эта сварка используется, например, для изготовления ракетных сопел», — добавил президент РАН.

Большой ба-бах

По словам Фортова, российские ученые пока «очень далеки от световых скоростей».
«Ток, который течет по схеме, создает очень большое магнитное давление, оно находится на уровне нескольких тысяч атмосфер. Эти силы пытаются «раздвинуть» электроды. Поэтому конструкция очень мощная. И часто, когда что-то идет не так, то винты разрывает. Есть и другая проблема, связанная с тем, что плазма неустойчива. Когда она разгоняет ударник, она сама расслаивается на элементы и снижается скорость ускорения», — сказал президент РАН.

Президент РАН Владимир Фортов рядом с рельсотроном. Выстрелом из ускорителя вырвало пару крепежных шпилек на вертикальных стенках прибора. Фото: Сергей Савостьянов / ТАСС

Видимо, в этот раз что-то действительно пошло не так. После оглушительного взрыва, пробившись через облако пыли, журналисты увидели, что выстрел двухграммовым ударником, скорость которого была 3,2 км/ч, начисто вырвал пару увесистых крепежных шпилек из рельсотрона.

«Оторвались крепежные шпильки, потому что слишком большое усилие было. Бандаж используется многократно, десятки раз, — сказалась усталость», — объяснил Полищук.

В то же время Фортов заявил, что ученые «на правильном пути» и уже через несколько часов устройство починят.

Принцип действия

Принцип действия.

Рельсотрон состоит из двух параллельных электродов, называемых рельсами, подключенных к источнику мощного постоянного тока. Разгоняемая электропроводная масса располагается между рельсами, замыкая электрическую цепь, и приобретает ускорение под действием силы Лоренца , которая возникает при замыкании цепи в возбужденном нарастающим током магнитном поле . Сила Лоренца (cила Ампера) действует и на рельсы, приводя их к взаимному отталкиванию. Иногда используется подвижная арматура , соединяющая рельсы.

Преимущества и недостатки

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 вперед. На снаряд или плазму 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 легкого полимерного снаряда) и рельса должны обладать:

• как можно более высокой проводимостью ,
• снаряд - как можно меньшей массой ,
• - 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 генератора Маркса , 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 определенного давления, так как в противном случае, например, в вакууме, плазменная перемычка рельсов движется в направлении обратном силе Лоренца - т. н. 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.

Существующие образцы

Испытания рельсотрона в Naval Surface Warfare Center, ВМС США, январь 2008 года

Первый крупный рельсотрон был спроектирован и построен в 1970-х годах Джоном П. Барбером из Канады и его научным руководителем Ричардом А. Маршаллом из Новой Зеландии в Исследовательской школе физических наук Австралийского национального университета .

В середине 80-х советскими учёными был создан прототип рельсотрона который на данный момент мощнее аналогичных систем нашего времени. Скорость снаряда изготовленного из пластмассы размером сравнимым с бутылочной пробкой достигала 9960м/с и прошибала 3 слоя дюралюминия толщиной 4 см. [источник? ]

К 2018 году планируется произвести первые испытания на воде. К 2020 году эти орудия должны поступить на вооружение строящихся в США эсминцев типа «Замволт» , их модульная конструкция и электрическая трансмиссия рассчитывались с учетом перспективного ЭМ-вооружения. К 2025 году планируется достичь дульной энергии 64 МДж.

В массовой культуре

В литературе

• В книгах серии Halo рельсотронами оборудованы некоторые космические корабли людей.
• В фантастической книге Армагеддон серий Империя автор Роман Злотников описывает рельсовые станковые пулемёты а также пушки установленные на доспехах Латников

Кинематограф

• В фильме «Трансформеры: Месть падших » рельсотрон установлен на корабле ВМС США.
• В фильме «Стиратель » протагонист борется с нелегальным распространением ручных рельсотронов.
• В сериале «Звездные врата SG-1 » на земные корабли устанавливались рельсотроны.
• В аниме и манге «To Aru Majutsu no Index » эспер Мисака Микото благодаря своей силе может использовать способность схожую с выстрелом рельсотрона.
• В фильме «Терминатор » сам терминатор стреляет из двух рельсотронов

Компьютерные игры

• В Quake II , Quake III Arena и Quake 4 рельсотрон стреляет снарядами из обедненного урана и является популярным снайперским оружием вследствие высокой точности стрельбы и убойной силы. Во всех трех играх выстрел имеет характерный закрученный винтом дымный след (в Quake III Arena - опционально).
• В игре Mass Effect 3 спаренные рельсотроны представляют собой колоссальное оружие класса "земля-космос", установленные на родине расы кроганов - планете Тучанка.
• В игре Eve Online рельсотроны являются штатным оружием рас Галленте и Калдари.
• В игре Санитары подземелий также используется рельсотрон. Подразумевается, что это «тот самый» Рэйлган из Quake.
• В Command & Conquer: Tiberian Sun рельсотроном вооружены GDI Mammoth Mk. 2 и ghost stalker. Также рельсотрон присутствует в Command & Conquer: Renegade .
• В Command & Conquer 3: Tiberium Wars и Command & Conquer 3: Kane"s Wrath рельсотрон можно установить на танки: "Мамонт" и "Раптор", оборонительную структуру GDI "Гуардиан" им вооружены штурмовики по умолчанию, а также он добавляется на эпический юнит СТ-ТМ.
• В Metal Gear Solid рельсотроном вооружен передвижной пусковой комплекс Metal Gear REX; в Metal Gear Solid 2: Sons of Liberty и Metal Gear Solid 4: Guns of the Patriots встречается переносной рельсотрон, причём в последней он доступен игроку в качестве личного оружия.
• В Warhammer 40000 рельсотроны используются Империей Тау.
• Рельсотрон ("Рельса") присутствует в Танки Онлайн
• В играх серии Red Faction (первой и второй части) в качестве личного переносного вооружения присутствует рельсотрон («railgun» / «rail driver»), а в третьей части (Red Faction: Guerrilla) - болтер («bolter»), по принципу действия напоминающий рельсовую пушку.
• В игре Metro 2033 в качестве личного переносного вооружения присутствует рельсотрон.
• В MMOTPS игре S4 League в качестве снайперского оружия используется рейлган.
• В игре Ace Combat X2: Joint Assault присутствует вражеский рельсотрон, способный стрелять на огромное расстояние.
• В игре Duke Nukem Forever есть рельсотрон со снайперским прицелом.
• В игре Shadow_Warrior есть прекрасно выглядящий и довольно мощный рэйлган.
• В игре Warzone 2100 можно разработать и использовать как рельсотроны, так и пушки Гаусса (впрочем, судя по описанию и внешнему виду, все они на самом деле - разновидности пушки Гаусса).
• В игре Resident Evil 3: Nemesis главная героиня Джил уничтожает выстрелом из рельсотрона финального босса.
• Космическая стратегия «Sins of a Solar Empire » демонстрирует путаницу между рельсотроном и пушкой Гаусса во всей красе: линкоры и стационарные спутники-батареи оснащены «рельсовыми пушками Гаусса» (англ. Gauss Rail Guns ).
• В игре (Galaxy on fire 2) в качестве основного оружия

Никакой взрывчатки. Так вылетает из электромагнитной рельсовой пушки снаряд, разогнанный в считанные мгновения с нуля до 2,5 километров в секунду (фото с сайта navy.mil).

Какова кинетическая энергия большого самосвала, с горкой гружёного песком и разогнанного до 100 километров в час? Такова была энергия снаряда, выпущенного вчера из электромагнитной пушки ВМС США. И ведь тест проходил лишь на трети её полной силы.

31 января 2008 года в исследовательской лаборатории ВМС США (Naval Surface Warfare Center), расположенной в Далгрене (Dahlgren), успешно проведены испытания самой мощной в мире электромагнитной пушки (Electromagnetic Railgun - EMRG) на рекордном (для "рейлганов") уровне энергии выстрела в 10,64 мегаджоуля.

Джим Пойнор (Jim Poynor), инженер Naval Surface Warfare Center, инспектирует самый мощный в мире "рейлган" (фото John F. Williams/U.S. Navy).

Заметим, два с половиной километра в секунду, это не самая большая скорость, достигнутая в опытах с "рейлганами". Так, на схожей (по устройству, но не по размеру) пушке в университете Канберры (University of Canberra) учёные разгоняли снаряд до 5,9 километров в секунду. Вот только весил он всего 16 граммов – несравнимо меньше, чем снаряд в американской установке (свыше 3 килограммов).

Это ещё далеко не боевая система, но хорошее к ней приближение.

Когда инженеры и учёные закончат проект аналогичной корабельной установки, она должна будет выбрасывать снаряд, используя энергию уже в 64 мегаджоуля.

По некоторым данным, скорость вылета снаряда корабельной рельсовой установки может достигать почти 6 километров в секунду. Причём вес "ядра", принятого для такой морской пушки, может быть, к примеру, выше, чем вес болванки, разгоняемой в тестовой установке. Но он же будет значительно ниже, чем вес снарядов для современных корабельных орудий главного калибра.

Это, по мнению разработчиков комплекса, позволит эсминцам и линкорам брать с собой больший боезапас (считая не по весу, а по числу выстрелов).

В любом случае, цель военных - получить электромагнитное рельсовое орудие, способное уничтожать морские и наземные цели на большом расстоянии. По плану специалистов ВМС США (US Navy), скорость его снаряда в момент соударения с объектом (при полёте в атмосфере тело, конечно, тормозится) должна составлять не менее 5 махов или 1,7 километра в секунду!

Достаточно большая величина, чтобы массивный и прочный "молоток", и без всякой взрывчатки, пробил в цели здоровенную дыру, разрушил объект, пронзив при этом толстый лист стали или бетонную стену, или даже проник в не слишком глубокий подземный бункер. Разумеется, такой снаряд можно ещё и взрывчаткой начинить.

Скорострельность корабельной установки EMRG должна составить от 6 до 12 выстрелов в минуту.

Схема "рейлгана". Показан дизель-генератор, который в течение некоторого времени заряжает колоссальный набор конденсаторов (серый квадрат). Последние в момент выстрела подают напряжение на два параллельных рельса суперпушки (иллюстрация с сайта military.com).

Как устроен "рейлган"? Его ствол оборудован двумя параллельными металлическим пластинами, на которые при выстреле подают электрический ток в миллионы ампер.

Этот ток создаёт вокруг рельсов магнитное поле. Снаряд движется между рельсами, причём позади него размещена специальная вставка, которая как раз и замыкает цепь между двумя пластинами. В этой вставке ток также наводит сильное магнитное поле, которое взаимодействует с полем вокруг рельсов, разгоняя "арматуру" и, следовательно, снаряд.

DefenseTech пишет, что дальнобойность электромагнитных орудий для перспективный кораблей США должна составить 250 морских миль (463 километра), а по заданию военных она должна составлять "по меньшей мере 200 миль" (370 километров), что в разы больше, чем у традиционных пороховых орудий.

DD(X) должен быть оснащён разным оружием, в частности, крылатыми ракетами с вертикальным стартом (из шахты). Запуск одной из них и показан на рисунке (иллюстрация с сайта ddxnationalteam.com).

Такую же и куда большую дальность могут обеспечить крылатые ракеты, но у них ниже скорость полёта, а значит – больше времени от принятия решения до уничтожения цели. Так что электромагнитная пушка может дать кораблю определённое преимущество перед противником.

Согласно Military.com, "рейлган" может получить эсминец XXI века DD(X), разрабатываемый совместно компаниями Northrop Grumman, Raytheon, Lockheed Martin, General Dynamics и BAE Systems.

По информации Naval Surface Warfare Center, ВМС США, возможно, получат на вооружение корабли с EMRG в 2020-2025 годах.

В фантастическом фильме "Стиратель" (Eraser) электромагнитную пушку можно было поднять на руках, и даже удержать две таких. А вот инженеры крупных компаний чаще "помещали" такое оружие в "танки будущего", понимая, сколько оно на самом деле может весить. В конце концов, специалисты пришли к выводу, что наибольшего толка от "рейлганов" можно добиться только в очень большом масштабе, а потому им прямая дорога на борт кораблей (кадр с сайта trailerfan.com и иллюстрация Lockheed Martin с сайта military.com).

От исследовательской лаборатории ВМС США нам остаётся ждать тестов "рейлгана" на полной мощности.

Высокий показатель рельсотронного разгона обусловлен работой электромагнитных сил Лоренца в механизме пушки. Они возникают и начинают действовать на снаряд при коротком замыкании двух параллельных токонесущих (со знаком минус и со знаком плюс) направляющих рельсов после подачи на них очень мощного, но очень короткого импульса тока. В качестве токозамыкательного элемента используется специальная арматура со встроенным в нее снарядом или сам снаряд, лежащий на рельсах и их замыкающий. Силы Лоренца направлены так, чтобы вытолкнуть снаряд из пушки, и он вылетает из ствола с гиперзвуковой скоростью. Разгону снаряда также способствует давление плазмы, которая образуется за снарядом от действия мощного дугового разряда. Плазма со скоростью 50−100 км/ч действует на снаряд, как своеобразная мощная реактивная струя.

Рельсы — дорогие и уязвимые

В американских опытах по созданию электромагнитного оружия в качестве арматуры, как правило, используется специальной формы «башмак», в котором закреплен снаряд. Такая конструкция исключает контакт снаряда с рельсами. Направляющие, изготовленные из бескислородной меди с серебряным покрытием, сильно подвержены износу от трения и эрозии. При использовании металлических снарядов, выполняющих замыкание своим «телом», замена рельсов требуется после двух-трех выстрелов.

Название «рельсотрон» в 50-е годы прошлого века придумал академик Л. Арцимович, мировой специалист в области термояда и физики высокотемпературной плазмы. Изобретенный им ускоритель плазмы был выдвинут на Нобелевскую премию, но СССР снял кандидатуру ученого с обсуждения из-за секретности разработки.

Сам снаряд изготавливают из тугоплавкого вольфрама. Высокая плотность этого металла позволяет даже тяжелый снаряд сделать малогабаритным, что решает проблему размещения боеприпасов в ограниченных объемах зарядных отделений или снарядных погребов.

Однако не только быстрый износ рельсов мешает рельсотрону превратиться в супероружие, есть и другие препятствия. Прежде всего это источники питания. Рельсотрон требует мощной системы электропитания в виде униполярных генераторов, компульсаторов, мегаваттных конденсаторов-ионисторов. Эти устройства позволяют формировать очень мощный короткий электрический импульс, передаваемый на рельсы. В лабораторных условиях можно мириться с солидными по размеру и весу блоками аппаратуры. На флоте фактор веса и объема тоже не столь существен: у корабля вполне хватит водоизмещения, чтобы упаковать 130 т оборудования вдобавок к самим стволам пушек.

Рейлган Blitzer производства компании General Atomics (США) размещен на двух трейлерах — на одном собственно пушка, на другом — энергетическая установка. Разработка ЭМП началась в 2005 году и завершилась в 2011-м.

Для наземных же армейских рельсотронов проблема представляется более сложной. Если разместить оборудование на танковых шасси, пришлось бы вести в бой 78-тонного монстра. Выходом стало распределение установки между двумя автомобильными трейлерами (на одном сама пушка, на другом — «энергетика»), этот вариант был реализован в американской армейской пушке Blitzer. Еще один тягач с прицепом отдали станции управления. Для питания корабельных рельсотронов (на напичканных хай-теком эсминцах проекта Zumwalt их предположительно будет два) предусмотрен запас мощности судовой установки (зарезервированный только для рельсотронов) не менее 35−45 МВт. Энергии должно хватить, чтобы обеспечить разгон снаряда до 2000−2500 м/с. Тогда он, получив дульную энергию в 64 МДж, сможет улететь на расстояние до 400 км и, сохранив 20 МДж энергии, поразить цель мощным кинетическим ударом. Уже подсчитано, что попадание такого снаряда весом 18−20 кг в авианосец произведет эффект ядерного удара.

32 «Гольфа» по цели

У армейских пушек меньшая дальность стрельбы — 80−160 км, отчего «энергетики» на выстрелы потребуется примерно вдвое меньше корабельной. Для справки: энергией 1 МДж обладает легковой Golf при скорости 160 км/ч. Снаряд рельсотрона весом 10 кг с дульной энергией 32 МДж при скорости 2500 м/с способен пробить три бетонные стенки или шесть 12-миллиметровых стальных листов, что по эффекту равносильно взрыву 150 кг тротила.

Серьезными препятствиями на пути широкого использования рейлганов являются резонансные явления в рельсовой системе и эффект расталкивания рельсов от действия сил Лоренца, электромагнитная совместимость с электронными системами пушки, необходимость охлаждения ствола и блоков электроники и др.

В процессе натурных испытаний была выявлена также необходимость в быстром перезаряжании пушки для увеличения темпа стрельбы по крайней мере до 6−10 выстрелов в минуту. В этом году работающая в кооперации с американским ВПК британская компания BAE Systems провела огневые испытания на полигоне ВМС США в штате Виргиния. Как заявляют британцы, они рассчитывают в ближайшие пару лет увеличить скорострельность своей установки до 10 выстрелов в минуту при весе снаряда 16 кг, так что эта проблема постепенно находит решение.

Предполагаемый вес снаряда: 18 кг; Дульная скорость: 2,5 км/с (7,5 Маха), вдвое больше, чем у обычных пушек; Дальность действия: 400 км (у обычных корабельных орудий — не более 80 км); Снаряд: уничтожает цель за счет энергии удара, взрывчатых веществ не содержит; Длина ствола орудия: 10 м

Неубиваемая электроника

Снаряд имеет наиболее приемлемую для гиперзвука коническую удлиненную форму с небольшим затуплением носка — это своего рода заостренный стержень. Стабилизатор в хвостовой части позволяет удерживать снаряд на траектории полета. Создание такого боеприпаса — это еще одна проблемная область рельсотронной программы.

США с 2012 года ведет разработку унифицированного гиперзвукового снаряда HVP, сегодня он уже проходит испытания стрельбой. Унифицированный он потому, что будет использоваться не только в рельсотронах, но и в обычных корабельных пушках разных калибров, которые хотят оставить в смешанном составе с рельсотронами на эсминцах Zumwalt. Эти же боеприпасы будут применяться и в наземных пушках.

Чтобы HVP подходил для пушек разных калибров, его будут изготавливать в вариантах подкалиберных выстрелов со снарядом в поддоне под каждый конкретный калибр. Поддон при вылете сборки из ствола разбивается на части, дальше летит только снаряд. В испытаниях 2015 года стреляли HVP калибром 90 мм и длиной 609 мм. Собственно снаряд весит 12,7 кг, а вся сборка — 18,5 кг. Остальные 5,8 кг — это поддон.

Снаряд помещается между двух токопроводящих рельсов. Арматура защищает рельсы от непосредственного соприкосновения со снарядом

Снаряды HVP планируют сделать корректируемыми в полете, для чего их оснастят модулем точного наведения, работающим с системой GPS. Американцы заявили, что у них уже имеются работоспособные электронные системы управления, выдерживающие перегрузки 30 000 — 40 000 g при разгоне, воздействие плазмы температурой 20 000 — 25 000 градусов и электромагнитные поля сверхвысокой мощности. Есть данные об успешных испытаниях подобных снарядов в 2016 году. Ожидается, что полная отработка HVP завершится к 2020 году, а в серию они будут переданы к 2025 году. Блок управления приведет к удорожанию снаряда, который и в исходном (без электроники) варианте стоит 25 тысяч долларов. Но все равно это существенно дешевле корабельных управляемых ракет ценой 0,5−1,5 млн.

Три грамма чудовищной мощи

Особенность американского подхода к разработке рельсотрона состоит в поэтапном наращивании возможностей с последовательным достижением улучшенных параметров: скорости разгона снаряда от 2000 до 3000 м/с, дальности стрельбы с 80−160 до 400−440 км, дульной энергии снаряда от 32 до 124 МДж, веса снаряда от 2−3 до 18−20 кг, скорострельности от 2−3 выстрелов в минуту до 8−12, мощности источников энергии от 15 до более чем 40−45 МВт, ресурса ствола от промежуточных 100 выстрелов к 2018 году до 1000 выстрелов к 2025 году, длины ствола от начальной 6 м до конечной 10 м.

Подобных сведений официально в России не публикуют, однако в прошлом году первый заместитель председателя Комитета Совета Федерации по обороне Франц Клинцевич за-явил, что в нашей стране активно ведутся работы в области создания электромагнитного оружия.

Хорошо известны успешные испытания рельсотрона (правда, не боевого, а лабораторного класса) в подмосковной Шатуре, которые провели в филиале Объединенного института высоких температур РАН под руководством академика В. Фортова. Рельсотрон с длиной ствола 2 м стрелял пульками массой в единицы-десятки граммов. Российское ноу-хау — предварительный разгон снаряда перед подачей в ствол — позволяет получать дульные скорости выше американских. Так, в январе 2017 года снаряд из плотного пластика весом 15 г был разогнан до скорости 3000 м/с и пробил мишень из металла толщиной во много сантиметров. Несколько раньше снаряд весом 3 г был разогнан до скорости 6250 м/с (почти первая космическая) и при попадании в стальную мишень попросту ее испарил.

Китай, по сообщениям прессы, находится на стадии НИР и НИЭР, которые сосредоточены в специально созданной корпорации CASIC в научном центре Ухань (WUHAN). Представители КНР заявили, что разрабатывают наземный рельсотрон наподобие американского Blitzer и обещают по проекту 055А к 2020 году создать орудие калибра 130 мм.

Сила Ампера действует и на рельсы, приводя их к взаимному отталкиванию.

История

Термин рельсотрон был предложен в конце 1950-х годов советским академиком Львом Арцимовичем для замены существовавшего громоздкого названия «электродинамический ускоритель массы» . Причиной разработки подобных устройств, являющихся перспективным оружием , стало то, что, по оценкам экспертов, использование порохов для стрельб достигло своего предела - скорость выпущенного с их помощью заряда ограничена 2,5 км/сек .

В 1970-х годах рельсотрон был спроектирован и построен Джоном П. Барбером из Канады и его научным руководителем Ричардом А. Маршаллом из Новой Зеландии в Исследовательской школе физических наук Австралийского национального университета . [ ]

Теория

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

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

B (s) = μ 0 I 2 π s {\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) = μ 0 I 2 π (1 s + 1 r − 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:

B avg = 1 r ∫ d r − d B (s) d s = μ 0 I 2 π r ∫ d r − d (1 s + 1 r − s) d s = μ 0 I π r ln ⁡ r − d d ≈ μ 0 I π r ln ⁡ r d {\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 Ампера, магнитная сила на проводе с током равна I d B {\displaystyle IdB} ; предполагая ширину снаряда-проводника r {\displaystyle r} , мы получим:

F = I r B avg = μ 0 I 2 π ln ⁡ r d {\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 > 3 r {\displaystyle l>3r} ). Также были сделаны некоторые другие допущения; чтобы описать силу более точно, требуется учитывать геометрию рельсов и снаряда.

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 плазму действует сила Ампера, 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 ,
• - 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 Ампера 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 Ампера прижимает разряд к задней части тела, которая, интенсивно испаряясь, образует реактивную струю , под действием которой и происходит основное ускорение тела .

Преимущества и недостатки

• Использование рельсотрона исключает необходимость хранить на кораблях боезапас обычных снарядов, что повышает живучесть корабля .
• Сравнительно небольшие размеры снарядов для рельсотрона позволяют увеличить боезапас . Однако размер системы в целом при том весьма не мал, и как минимум занимает места не меньше, чем несколько ПКР средних размеров.
• Дальность эффективного огня рельсотрона - до 200 км , однако на это можно возразить, что наибольшей эффективной дальностью для артиллерии является 20-40 км, а на большей дистанции приходится или использовать корректируемый в полёте снаряд, или же многократно возрастёт расход боеприпасов.
• Высокая скорость снаряда позволяет использовать рельсотрон в качестве средства ПВО . Скорость снаряда перспективной пушки, испытания которой планировались на 2016 год , должна была составить 6 , что существенно ниже многих зенитных ракет (9 М для одной из ракет С-300 В4) , маневрирование снаряда невозможно; на практике удалось достичь лишь скорости 3,6 М .
• Никаких доказательств эффективности не предъявлено за много лет , особенно в смысле точности и разрушительной силы. Более того, при сверхдальней стрельбе возникает проблема неоднородной кривизны Земли, гравитационные неравномерности, перепад температур и соответственно плотности воздуха, как и влажности и многие другие проблемы, ограничивающие точную стрельбу артиллерии некорректируемыми снарядами дальностью в считанные десятки км.
• Пробиваемость , в частности (на больших дальностях), и воздействие в целом при попадании не превышает показатели артиллерии средних калибров (скорость в несколько раз больше, но масса в несколько раз меньше, взрывчатого вещества вместо многих килограмм - ноль, единственная разница - в росте дальности из-за сочетания массы, скорости и, в первую очередь, сократившихся размеров, что снижает аэродинамическое сопротивление). Кинетическая энергия снаряда при пробитии не передаётся сверх необходимого для преодоления преграды именно в силу высокой скорости снаряда. Т.е. если снаряд имеет энергию 3 единицы, а чтобы пробить мишень, хватает 1 единицы, то снаряд пробивает дырку и с оставшейся энергией движется дальше. У него нет заряда, поэтому всё воздействие на цель ограничивается пробитием в ней дырки. Правда, при очень высоких скоростях тут есть нюансы, но по поражающему действию они несравнимы со взрывчаткой. [прояснить ] [ ]

Преимущества

• При условии решения всех задач, связанных с реальным применением, такие орудия могут обеспечивать тактическую стационарную ПРО против никак не маневрирующих баллистических ракет , либо расширить горизонт дальности стрельбы.

Программа ВМС США

Разработки в России

По данным первого зампреда комитета Совета Федерации по обороне и безопасности Франца Клинцевича , работа по созданию электромагнитной пушки (рельсотрона) активно ведётся и в России . Предполагается его использование в космонавтике для вывода на орбиту полезных грузов, но кроме этих слов никаких достоверных фактов пока не было.