Рельсотрон

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Рельсотрон (рельсовый ускоритель масс, рельсовая пушка, англ. railgun) — импульсный электродный ускоритель масс, принцип действия которого объясняется с помощью силы Лоренца, превращающей электрическую энергию в кинетическую энергию. Является перспективным оружием.

Принцип действия[править | править вики-текст]

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 (сила Ампера) действует и на рельсы, приводя их к взаимному отталкиванию. Иногда используется подвижная арматура, соединяющая рельсы.

Формулы[править | править вики-текст]

В физике рельсотрона модуль вектора силы может быть вычислен через закон Био — Савара — Лапласа и формулу силы Лоренца. Для вычисления потребуются магнитная постоянная (\mu_0), диаметр рельс (подразумевается круглое сечение) (r), расстояние между серединами рельс (d) и текущая сила тока в системе (I).

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

\mathbf{B}(s) = \frac{\mu_0 I}{ 2\pi s}

Следовательно в пространстве между двумя бесконечными проводами, расположенными на расстоянии d друг от друга, модуль магнитного поля имеет формулу:

B(s) = \frac{\mu_0 I}{ 2\pi}\left(\frac{1}{s}+\frac{1}{d-s}\right)

Для того, чтобы уточнить среднее значение для магнитного поля на арматуре рельсотрона, предположим, что радиус рельса r намного меньше расстояния d и, считая, что рельсы могут считаться парой полубесконечных проводников, мы можем вычислить следующий интеграл:

B_{\text{avg}} = \frac{1}{2d}\int_r^{d-r}B(s)\text{d}s = \frac{\mu_0 I}{ 4\pi d}\int_r^{d-r}\left(\frac{1}{s}+\frac{1}{d-s}\right)\text{d}s=\frac{\mu_0 I}{ 2\pi d} \ln \frac{d-r}{r} \approx \frac{\mu_0 I}{ 2\pi d} \ln \frac{d}{r}

По закону Лоренца, магнитная сила на проводе с током равна IdB; предполагая ширину снаряда-проводника d, мы получим:

F = IdB_{\text{avg}} = \frac{\mu_0 I^2}{ 2\pi}\ln \frac{d}{r}

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

Преимущества и недостатки[править | править вики-текст]

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:

Однако особенность рельсового ускорителя в том, что он способен разгонять сверхмалые массы до сверхбольших скоростей (скорость снаряда в огнестрельном оружии ограничивается кинетикой проходящей в оружии химической реакции). На практике рельсы изготавливают из бескислородной меди, покрытой серебром, в качестве снарядов используют алюминиевые брусочки или проволоку, может использоваться полимер в сочетании с проводящей средой, в качестве источника питания — батарею высоковольтных электрических конденсаторов, которая заряжается от ударных униполярных генераторов, компульсаторов, и прочих источников электрического питания с высоким рабочим напряжением, а самому снаряду перед вхождением на рельсы стараются придать как можно большую начальную скорость, используя для этого пневматические или огнестрельные пушки. В тех рельсотронах, где снарядом является проводящая среда, после подачи напряжения на рельсы снаряд разогревается и сгорает, превращаясь в токопроводную плазму, которая далее также разгоняется. Таким образом, рельсотрон может стрелять плазмой, однако вследствие её неустойчивости она быстро дезинтегрируется. При этом необходимо учитывать, что движение плазмы, точнее, движение разряда (катодные, анодные пятна), под действием силы Лоренца возможно только в воздушной или иной газовой среде не ниже 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.[1]

Существующие образцы[править | править вики-текст]

Испытания рельсотрона в Naval Surface Warfare Center, ВМС США, январь 2008 года
  • В середине 80-х советскими учёными был создан прототип рельсотрона. Скорость снаряда, изготовленного из пластмассы, по размерам сравнимым с бутылочной пробкой, достигала 9960м/с и пробивала 3 слоя дюралюминия толщиной 4 см.[источник не указан 370 дней]

Программа ВМФ США[править | править вики-текст]

В 2005 году ВМС США запустили программу по разработке рельсовых орудий под названием Velocitas Eradico. В программе участвуют корпорации General Atomics и BAE Systems[2].

  • General Atomics разработала орудие способное доставлять снаряд весом в 10 кг на расстояние более 200 км со средней скоростью около 2 000 м/с. По мнению экспертов такое орудие имеет настильную траекторию на расстоянии до 30 км[2].
  • В феврале 2008 года был продемонстрировано орудие с дульной энергией 10 МДж и дульной скоростью 2520 м/с (9000 км/час).[3] 10 декабря 2010 года в Центре разработки надводного вооружения ВМС США в Дальгрене, штат Вирджиния было проведено успешное испытание рельсотрона с дульной энергией 33 МДж.[4] Масса используемых в тестах снарядов варьировалась между 2 и 3,2 кг. В феврале 2012 года близкий к серийному образцу прототип промышленного рельсотрона от BAE Systems был доставлен в Дальгрен и испытан на 32 мегаджоулях[5]. Серийный образец этой системы должен иметь дальность стрельбы до 180 км, а в перспективе — до 400 км; инженеры разрабатывают системы автоматической подачи снарядов, охлаждения и питания установки.[6]
  • К 2016 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 электромагнитного вооружения. К 2025 году планируется достичь дульной энергии 64 МДж.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]