Рельсотрон

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Испытания рельсотрона в Naval Surface Warfare Center, ВМС США.
Январь 2008 года

Рельсотро́н (англ. railgun — рельсовая пушка) — электромагнитный ускоритель масс, разгоняющий токопроводящий снаряд вдоль двух металлических направляющих с помощью силы Лоренца.

Общие сведения[править | править вики-текст]

Термин рельсотрон был предложен в конце 50-х годов XX века советским академиком Л. А. Арцимовичем для замены существовавшего громоздкого названия «электродинамический ускоритель массы»[1]. Причиной разработки подобных устройств, являющихся перспективным оружием[2], стало то, что по оценкам экспертов использование порохов для стрельб достигло своего предела — скорость выпущенного с их помощью заряда ограничена 2,5 км/сек[1].

Принцип действия сил Лоренца (F) в рельсотроне.

Принцип действия[править | править вики-текст]

Рельсотрон состоит из двух параллельных электродов, называемых рельсами, подключённых к источнику мощного постоянного тока. Разгоняемая электропроводная масса располагается между рельсами, замыкая электрическую цепь, и приобретает ускорение вследствие силы Лоренца, действующей на замкнутый проводник с током в его собственном магнитном поле. Сила Лоренца (сила Ампера) действует и на рельсы, приводя их к взаимному отталкиванию.

Теория[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) (d), расстояние между серединами рельс (r) 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 r 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 диаметр рельса d намного меньше расстояния r и, считая, что рельсы могут считаться парой полубесконечных проводников, мы можем вычислить следующий интеграл:

B_{\text{avg}} = \frac{1}{d}\int_r^{d-r}B(s)\text{d}s = \frac{\mu_0 I}{ 2\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 r, 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]

Физика[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[3].

Тактика[править | править вики-текст]

  • Использование рельсотрона исключает необходимость хранить на кораблях боезапас обычных снарядов, что повышает живучесть корабля[4].
  • Сравнительно небольшие размеры снарядов для рельсотрона позволяют увеличить боезапас[4].
  • Дальность эффективного огня рельсотрона не менее 100 км, но фактически позволяет вести стрельбу с расстояния прямого выстрела по наземной или морской цели при прямой видимости, поскольку даже очень высокие объекты на удалении свыше двух — трёх десятков км оказываются полностью за горизонтом[4]. В частности, при наблюдении с высоты 25 м дальность прямой видимости 9-этажного дома приближённо равна 18 км. Потенциально возможна стрельба по настильной траектории, но на дальности, не сопоставимые с ракетами даже лёгкого класса[5]
  • Высокая скорость снаряда позволяет использовать рельсотрон в качестве средства ПВО[4]. Скорость снаряда перспективной пушки, испытания которой планировались на 2016 год[6], должна была составить 6 М, что существенно ниже многих зенитных ракет (9 М для одной из ракет С-300В4)[7], маневрирование снаряда невозможно. На практике удалось достичь лишь скорости 3,6 М[8].

Экономика[править | править вики-текст]

  • Стоимость выстрела рельсотрона существенно ниже таковой для аналогичной по дальности ракеты корабельного базирования: $25 тыс. долл. США против $1 млн.[4].

История[править | править вики-текст]

  • В середине 80-х советскими учёными был создан прототип рельсотрона. Скорость снаряда, изготовленного из пластмассы, по размерам сравнимым с бутылочной пробкой, достигала 9960 м/с и пробивала 3 слоя дюралюминия толщиной 4 см.[источник не указан 915 дней]

Программа ВМС 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[9].

  • 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[9].
  • В феврале 2008 года было продемонстрировано орудие с дульной энергией 10 МДж и дульной скоростью 2520 м/с (9000 км/час)[10]. 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.[11] 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[12]. 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.[13]
  • В 2015 году планируется произвести первые испытания на корабле[4]. 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]

  1. 1 2 Александр Агеев Электромагнитная пушка: оружие будущего // Сайт Техкульт, 21 августа 2014
  2. Пентагон решил выпустить на поле боя рельсотрон
  3. Реактивное движение при газовом разряде от внешнего токоподвода (рус.) // Письма в ЖТФ. — 1989. — Т. 13, № 15.
  4. 1 2 3 4 5 6 «Advanced weapons:Rail strike», The Economist, May 9th 2015
  5. http://www.economist.com/news/technology-quarterly/21598325-electromagnetic-launchers-hurling-objects-electrical-energy-giving
  6. Business Insider: ВМС США испытают электромагнитную пушку в 2016 году | РИА Новости
  7. Задача трудная, но решаемая | Журнал «Воздушно-космическая оборона»
  8. Julian E. Barnes A First Look at America’s Supergun // The Wall Street Journal, May 29, 2016
  9. 1 2 «Catapulting ahead», The Economist, Mar 8th 2014
  10. U.S. Navy Demonstrates World's Most Powerful EMRG at 10 Megajoules. Архивировано из первоисточника 1 июня 2012.
  11. Вести. Ru: В США испытали «пушку будущего»
  12. Электромагнитная пушка выстрелила с максимальной энергией
  13. Военные получили первую промышленную рельсовую пушку

Ссылки[править | править вики-текст]