Рейлган

Пусковая установка электромагнитных снарядов с электрическим приводом Пусковая установка электромагнитных снарядов с электрическим приводом Центр наземной войны ВМФ испытательный огонь (Январь 2008 г.)

A рельсотрон - это устройство с линейным двигателем, обычно разработанное как оружие, которое использует электромагнитную силу для запуска высокоскоростных скоростных снарядов.. Снаряд обычно не содержит взрывчатых веществ, вместо этого полагаясь на высокую скорость, массу и кинетическую энергию снаряда для нанесения урона. В рельсотроне используется пара параллельных проводов (рельсов), по которым скользящий якорь ускоряется электромагнитным воздействием тока, который течет по одному рельсу в якорь, а затем обратно по другому рельсу. Он основан на принципах, аналогичных принципам униполярного двигателя.

. С 2020 года рельсотроны были исследованы как оружие, использующее электромагнитные силы для передачи очень высокой кинетической энергии снаряду . (например, APFSDS ) вместо использования обычных ракетных топлив. В то время как боевые орудия с приводом от взрывных устройств не могут легко достичь начальной скорости более ≈2 км / с, рельсотрон легко может превысить 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 использования, а также низкая стоимость снарядов по сравнению с обычным оружием являются дополнительными преимуществами.

Несмотря на вышеуказанные преимущества, рельсотрон все еще находится на стадии исследования. после десятилетий НИОКР, и еще неизвестно, будут ли они когда-либо использованы 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.

В дополнение к военному применению, НАСА предложило использовать рельсотрон для запуска «клиновидных самолетов с ГПВД » на большую высоту со скоростью 10 Махов, где Затем они запустят небольшую полезную нагрузку на орбиту, используя обычные ракетные двигатели. 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.

• 1 Основы
• 2 История
• 3 Дизайн
  • 3.1 Теория
  • 3.2 Электромагнитный анализ
  • 3.3 Соображения по конструкции
  • 3.4 Используемые материалы
  • 3.5 Рассеивание тепла
• 4 Области применения
  • 4.1 Запуск или помощь при запуске космического корабля
  • 4.2 Вооружение
  • 4.3 Винтовой рельсотрон
  • 4.4 Плазменный рельсотрон
• 5 Испытания
  • 5.1 Вооруженные силы США
    • 5.1.1 Военно-морской центр наземных боевых действий Дальгрен, дивизия
    • 5.1.2 Армейская исследовательская лаборатория
  • 5.2 Китайская Народная Республика
  • 5.3 Индия
• 6 Проблемы
  • 6.1 Основные трудности
  • 6.2 Триггер для термоядерного синтеза с инерционным удержанием
• 7 См. Также
• 8 Ссылки
• 9 Внешние ссылки

Рейлган в своей простейшей форме отличается от традиционного электродвигатель, в котором 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. Эти устройства уменьшают ток, необходимый для данного ускорения. В терминологии электродвигателей, усиленные рельсотроны обычно имеют конфигурации с последовательным заводом. 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 могут использоваться плазменные или «гибридные» арматуры. Плазменный якорь образован дугой из 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. Твердые якоря также могут «переходить» в гибридные якоря, обычно после превышения определенного порогового значения скорости.

Рельсотрон требует импульсного источника питания постоянного тока . Для потенциальных военных применений рельсотроны обычно представляют интерес, потому что они могут развивать гораздо большую дульную скорость, чем орудия, работающие на обычном химическом топливе. Увеличенная дульная скорость с улучшенными аэродинамически обтекаемыми снарядами может продемонстрировать 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 для взрывчатого вещества. снаряды. Поэтому типичные конструкции военных рельсотронов нацелены на дульную скорость в диапазоне 2,000–3,500 м / с (4,500–7,800 миль / ч; 7,200–12,600 км / ч) с дульной энергией 5–50 мегаджоулей (МДж).. 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). 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 воздушные сердечники, т. Е. Они не используют ферромагнитные материалы, такие как железо, для усиления магнитного потока. Однако, если ствол изготовлен из магнитопроницаемого материала, напряженность магнитного поля увеличивается из-за увеличения проницаемости (μ = μ 0*μr, где μ - эффективная проницаемость, μ 0 - проницаемость константа, а μ r - относительная проницаемость ствола). Это автоматически увеличивает силу.

Скорости рельсотрона обычно находятся в пределах диапазона, достижимого 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, должна была достичь скорости 2500 м / с со стволом калибра 0,70. В некоторых гиперскоростных 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 такая же энергия должна быть доставлена ​​за несколько миллисекунд, а не за несколько миллисекунд). 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.

Немецкие диаграммы рейлганов

Концепция рейлгана был впервые представлен французским изобретателем Андре Луи Октавом Фошон-Вильпле, который создал небольшую рабочую модель в 1917 году с помощью Société anonyme des Accumulatorurs Tudor (теперь Tudor Batteries ). Во время Первой мировой войны директор по изобретениям Министерства вооружений Жюль-Луи Брентон поручил Фошон-Вильпле разработать электрическую пушку калибра 30-50 мм 25 июля 1918 года после того, как делегаты из Комиссия по изобретениям стала свидетелем испытательных испытаний действующей модели в 1917 году. Однако проект был заброшен после того, как Первая мировая война закончилась позже в том же году, 3 ноября 1918 года. Фошон-Виллепле подал заявку на патент США 1 April 1919, который был выдан в июле 1922 года под № 1,421,435 «Электроаппарат для метательных снарядов». В его устройстве две параллельные шины соединены крыльями снаряда, и все устройство окружено магнитным полем. Пропуская ток через шины и снаряд, создается сила, которая толкает снаряд по шинам и летит.

В 1923 году русский ученый А.Л. Корольков подробно изложил свою критику конструкции Фошона-Виллепле, аргументируя это тем, что против некоторых утверждений 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.

В 1944 году, во время Второй мировой войны, Иоахим Хэнслер из Управления боеприпасов нацистской Германии предложил первый теоретически жизнеспособный рельсотрон. К концу 1944 года теория, лежащая в основе его электрического зенитного орудия, была достаточно проработана, чтобы позволить зенитному командованию Люфтваффе выпустить спецификацию, в которой требовалась начальная скорость пули 2000 м / с (4500 миль / ч). ; 7200 км / ч; 6600 футов / с) и снаряд, содержащий 0,5 кг (1,1 фунта) взрывчатого вещества. Орудия должны были быть установлены в батареи по шесть, выстреливая двенадцать выстрелов в минуту, и это должно было соответствовать существующим установкам 12,8 cm FlaK 40. Его так и не построили. Когда подробности были обнаружены после войны, это вызвало большой интерес, и было проведено более подробное исследование, завершившееся отчетом 1947 года, в котором был сделан вывод о том, что это теоретически осуществимо, но что для каждого орудия потребуется достаточно мощности, чтобы осветить половину Чикаго.

В течение 1950 года сэр Марк Олифант, австралиец физик и первый директор Исследовательской школы физических наук в новом Австралийский национальный университет инициировал разработку и строительство самого большого в мире (500 мегаджоулей) униполярного генератора. Эта машина работала с 1962 года и позже использовалась для питания крупномасштабного рельсотрона, который использовался в качестве научного эксперимента.

В 1980 году Лаборатория баллистических исследований (позже объединенная в Исследовательская лаборатория 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. Темы исследований включали динамику плазмы, электромагнитные поля, телеметрию, перенос тока и тепла. В то время как в последующие десятилетия в Соединенных Штатах постоянно велись военные исследования технологии рельсотрона, их направление и фокус резко изменились в связи с серьезными изменениями в уровнях финансирования и потребностях различных государственных учреждений. В 1984 году образование Организации стратегической оборонной инициативы привело к смещению исследовательских целей 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 большой перегрузкой из рельсотрона с плазменным якорем сверхвысокой скорости. Но после публикации важного исследования Defense Science Board в 1985 году США Армия, Корпус морской пехоты и DARPA получили задание разработать противотанковые технологии электромагнитного пуска для мобильных наземных боевых машин . В 1990 году армия США в сотрудничестве с Техасским университетом в Остине основала Институт передовых технологий (IAT), который сосредоточился на исследованиях, связанных с твердотельными и гибридными арматурами, взаимодействием рельсов с арматурой и материалами электромагнитных пусковых установок.. Объект стал первым научно-исследовательским центром, финансируемым из федерального бюджета, и в нем размещалось несколько армейских электромагнитных пусковых установок, таких как пусковая установка среднего калибра.

С 1993 года правительства Великобритании и США сотрудничают на проекте рельсотрона в Центре испытаний оружия Дандреннана, который завершился испытанием 2010 года, когда BAE Systems выпустила снаряд 3,2 кг (7 фунтов) со скоростью 18,4 мегаджоулей [3390 м / с ( 7 600 миль / ч; 12 200 км / ч; 11 100 фут / с)]. В 1994 г. DRDO Центр исследований и разработок вооружений Индии разработал рельсотрон с батареей конденсаторов с низкой индуктивностью 240 кДж и мощностью 5 кВ, способной запускать снаряды массой 3–3,5 g. вес до скорости более 2000 м / с (4500 миль / ч; 7200 км / ч; 6600 футов / с). В 1995 году Центр электромагнетизма Техасского университета в Остине спроектировал и разработал скорострельную пусковую установку рельсотрона, названную электромагнитной пушкой калибра. Позже прототип пусковой установки был испытан на США. Армейская исследовательская лаборатория, где продемонстрировала эффективность затвора более 50 процентов.

В 2010 году ВМС США испытали компактный рельсотрон, разработанный BAE Systems для установки на корабле, который разогнал снаряд массой 3,2 кг (7 фунтов) до гиперзвуковой скорости примерно 3390 м / с (7600 миль / ч; 12 200 км / ч; 11 100 футов / с) или примерно 10 Махов с кинетической энергией 18,4 МДж.. Впервые в истории был достигнут такой уровень производительности. Они дали проекту девиз «Velocitas Eradico», латинский для «Я, [кто] скорость, искореняй», или, говоря на просторечии, «Speed ​​Kills». Более ранний рельсотрон той же конструкции (32 мегаджоули) находится в Центре испытаний оружия Дандреннана в Соединенном Королевстве.

Маломощные рельсотроны малой мощности также стали популярными в колледжах и любительских проектах. Некоторые любители активно занимаются исследованиями рельсотрона. Практическое рельсотронное оружие не разработано и не ожидается в ближайшем будущем по состоянию на январь 2020 года.

Теория

Рельсотрон состоит из двух параллельных металлические рельсы (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.

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, которая ускоряет снаряд по рельсам, всегда вне контура (независимо от полярности питания). и от источника питания к дульному концу направляющих. На рельсы также действуют силы Лоренца, которые пытаются раздвинуть их, но поскольку рельсы жестко установлены, 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 точно равна 0,2 микроньютона. Кроме того, как правило, 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 произвести 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.

Электромагнитный анализ

В этом разделе представлен элементарный анализ фундаментальных теоретических принципов электромагнитного поля, которые определяют механику рельсотрона.

Если рельсотрон должен обеспечивать однородное магнитное поле напряжённостью $B\; \{\backslash \; displaystyle\; B\}$, ориентированное под прямым углом как к якорю, так и к оси канала ствола, тогда с ток якоря $I\; \{\backslash \; displaystyle\; I\}$и длина якоря $\ell \; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; boldsymbol\; \{\backslash \; ell\}\}\}$, сила $F\; \{\backslash \; displaystyle\; F\}$ускорение снаряда будет задано формулой:

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

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 рельсовых ружей магнитное поле $B\; \{\backslash \; displaystyle\; B\}$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.

Чтобы проиллюстрировать задействованные принципы, может быть полезно рассматривать рельсы и арматуру как тонкие проволоки или «нити». С помощью этого приближения величина вектора силы может быть определена из формы закона Био – Савара и результата силы Лоренца. Сила может быть получена математически с помощью постоянной проницаемости ($\mu \; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mu\; \_\; \{0\}\}$), радиуса рельсов (которые предполагается круглым в поперечном сечении) ($r\; \{\backslash \; displaystyle\; r\}$), расстояние между центральными осями рельсов ($d\; \{\backslash \; displaystyle\; d\}$) и ток ($I\; \{\backslash \; displaystyle\; I\}$), как описано ниже.

Во-первых, из закона Био-Савара можно показать, что на одном конце полубесконечного токоведущего провода магнитное поле на заданном перпендикулярном расстоянии ($s\; \{\backslash \; displaystyle\; s\}$) от конца провода определяется выражением

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

Обратите внимание, это если провод идет от места расположения якоря, например от x = 0 до $x\; =\; -\; \infty \; \{\backslash \; displaystyle\; x\; =\; -\; \backslash \; infty\}$и $s\; \{\backslash \; displaystyle\; s\}$измеряется относительно оси провода.

Итак, если якорь соединяет концы двух таких полубесконечных проводов, разделенных расстоянием, $d\; \{\backslash \; displaystyle\; d\}$, довольно хорошее приближение, предполагающее длину провода намного больше, чем $d\; \{\backslash \; displaystyle\; d\}$, общее поле от обоих проводов в любой точке якоря составляет:

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

где $s\; \{\backslash \; displaystyle\; s\}$- перпендикулярное расстояние от наведите якорь на ось одного из проводов.

Обратите внимание, что $\phi \; ^\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; widehat\; \{\backslash \; varphi\}\}\}$между рельсами составляет $z\; ^\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; widehat\; \{z\}\}\; \}$при условии, что рельсы лежат в плоскости xy и проходят от x = 0 обратно до $x\; =\; -\; \infty \; \{\backslash \; displaystyle\; x\; =\; -\; \backslash \; infty\}$, как предложено выше.

Затем, чтобы оценить силу, действующую на якорь, приведенное выше выражение для магнитного поля на якоре можно использовать вместе с Законом силы Лоренца,

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

Чтобы задать силу как

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

Это показывает, что сила будет пропорциональна произведению $\mu \; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mu\; \_\; \{0\}\}$и квадрат тока, $I\; \{\backslash \; displaystyle\; I\}$. Поскольку значение μ 0 мало (4π × 10 H /m ), следует, что мощным рельсотронам требуются большие токи возбуждения.

Приведенная выше формула основана на предположении, что расстояние ($l\; \{\backslash \; displaystyle\; l\}$) между точкой, в которой действует сила ($F\; \{\backslash \; displaystyle\; F\}$) измеряется, и начало рельсов больше, чем расстояние между рельсами ($d\; \{\backslash \; displaystyle\; d\}$) примерно в 3 или 4 раза ($l>3\; d\; \{\backslash \; displaystyle\; l>3d\}$). Были сделаны и некоторые другие упрощающие предположения; для более точного описания силы необходимо учитывать геометрию рельсов и снаряда.

С большинством на практике рельсотрон, нелегко создать электромагнитное выражение для силы рельсотрона, которое было бы одновременно простым и достаточно точным. Для более работоспособной простой модели полезной альтернативой является использование модели с сосредоточенными параметрами, чтобы описать взаимосвязь между движущимися объектами. g ток и сила 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

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

Таким образом, общая мощность, поступающая в рейлган, будет просто произведением $VI\; \{\backslash \; displaystyle\; VI\}$. Эта мощность представляет собой поток энергии в трех основных формах: кинетическая энергия в снаряде и якоре, энергия, запасенная в магнитном поле, $B\; \{\backslash \; displaystyle\; B\}$и энергия, теряемая из-за нагрева электрического сопротивления рельсы (и арматура).

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, $x\; \{\backslash \; displaystyle\; x\}$, поэтому эти величины моделируются как

$R\; =\; R\; \text{'}Икс\; L\; знак\; равно\; L\text{'}\; Икс\; \{\backslash \; Displaystyle\; \{\backslash \; begin\; \{Выровненный\}\; R\; =\; R\text{'}x\; \backslash \backslash \; L\; =\; L\text{'}x\; \backslash \; end\; \{align\}\}\}$

где $R\; \text{'}\{\backslash \; Displaystyle\; R\text{'}\; \}$- это сопротивление на единицу длины, а $L\; \prime \; \{\backslash \; displaystyle\; L\; \text{'}\}$- это индуктивность на единицу длины или градиент индуктивности. Отсюда следует, что

$d\; (LI)\; dt\; =\; I\; d\; L\; dt\; +\; L\; d\; I\; dt\; =\; L\; \prime \; I\; dxdt\; +\; L\; \prime \; xd\; I\; dt\; =\; IL\; \prime \; v\; +\; L\; \prime \; xd\; I\; dt\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; mathrm\; \{d\}\; (LI)\}\; \{\backslash \; mathrm\; \{d\}\; t\}\}\; =\; I\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; mathrm\; \{d\}\; L\}\; \{\backslash \; mathrm\; \{d\}\; t\}\}\; +\; L\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; mathrm\; \{d\}\; I\}\; \{\backslash \; mathrm\; \{d\}\; t\}\}\; =\; L\text{'}I\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; mathrm\; \{d\}\; x\}\; \{\backslash \; mathrm\; \{d\}\; t\}\}\; +\; L\text{'}x\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; mathrm\; \{d\}\; I\}\; \{\backslash \; mathrm\; \{d\}\; t\}\}\; =\; IL\text{'}v\; +\; L\text{'}x\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; mathrm\; \{d\}\; I\}\; \{\backslash \; mathrm\; \{d\}\; t\}\}\}$

где $dx\; /\; dt\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; mathrm\; \{d\}\; x\}\; /\; \{\backslash \; mathrm\; \{d\}\; t\}\}$- важнейшая скорость снаряда, $v\; \{\backslash \; displaystyle\; v\}$. Тогда

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

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

Эта простая модель предсказывает, что ровно половина электромагнитной работы будет использоваться для хранения энергии в магнитном поле вдоль ствола, $L\; \prime \; x\; I\; 2/2\; \{\backslash \; displaystyle\; L\text{'}xI\; ^\; \{2\; \}\; /\; 2\}$, когда длина текущего цикла увеличивается.

Другая половина электромагнитной работы представляет собой более полезный поток энергии - в кинетическую энергию снаряда. Поскольку мощность может быть выражена как сила, умноженная на скорость, это показывает, что сила, действующая на якорь рельсотрона, определяется как

$F\; =\; L\; \prime \; I\; 2\; 2\; \{\backslash \; displaystyle\; F\; =\; \{\backslash \; frac\; \{L\text{'}I\; ^\; \{2\}\}\; \{2\; \}\}\}$

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

Поскольку модель с сосредоточенными параметрами описывает силу рельсотрона в терминах довольно нормальных уравнений цепи, становится возможным задать простую модель рельсотрона во временной области. 5yg Без учета трения и сопротивления воздуха ускорение снаряда определяется выражением

$dvdt\; =\; L\; \prime \; I\; 2\; 2\; m\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; mathrm\; \{d\}\; v\}\; \{\backslash \; mathrm\; \{d\}\; t\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{L\text{'}I\; ^\; \{2\}\}\; \{2m\}\}\}$

где m - масса снаряда. Движение по стволу определяется выражением

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

и указанными выше условиями 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:

$L\; \prime \; Знак\; равно\; \mu \; 0\; \pi \; ln\; d\; (d\; -\; rr)\; \{\backslash \; displaystyle\; L\; \text{'}=\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; mu\; \_\; \{0\}\}\; \{\backslash \; pi\}\}\; \backslash \; ln\; \backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{dr\}\; \{r\}\}\; \backslash \; right)\}$

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

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

Используя практическую геометрию рельсотрона, можно рассчитать гораздо более точные двух- или трехмерные модели распределения тока рельса и якоря (и соответствующих сил), например, с помощью использование методов конечных элементов для решения формулировок, основанных либо на скалярном магнитном потенциале, либо на векторном магнитном потенциале.

Соображения по конструкции

Источник питания должен быть способен обеспечивать 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. Наиболее распространенными формами источников питания, используемых в рельсотронах, являются конденсаторы и компрессоры, которые медленно заряжаются от других непрерывных источников 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 шин 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. Системы.

Используемые материалы

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. 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.

Рассеивание тепла

В современных конструкциях большое количество тепла создается за счет электричества, протекающего по рельсам, а также за счет трения снаряда, покидающего устройство. Это вызывает три основные проблемы: плавление 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, подвержены эрозии при каждом запуске. Кроме того, снаряды могут подвергаться некоторой степени абляции, и в некоторых случаях это может серьезно ограничить срок службы рельсотрона.

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

Запуск или помощь при запуске космического корабля

Изучено электродинамическое обеспечение запуска ракет. Космические применения этой технологии, вероятно, будут включать специально сформированные электромагнитные катушки и сверхпроводящие магниты. Композитные материалы, вероятно, будут использоваться для этого приложения.

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 в себя более длинную спиральную (спиральную) траекторию или конструкцию с большим кольцом, в соответствии с которой космический аппарат будет многократно облетать кольцо, постепенно набирая скорость, прежде чем будет выпущен в коридор запуска, ведущий в небо. Тем не менее, если это технически осуществимо и рентабельно построить, придание сверхскорости скорости убегания снаряду, запускаемому на уровне моря, где атмосфера является наиболее плотной, может привести к потере большей части скорости запуска. 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 относительно космической скорости ).

В 2003 году Иэн Макнаб изложил план по превращению этой идеи в реализованную технологию. Из-за сильного ускорения эта система запускала бы 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 за кг по сравнению с 5000 долларов за кг на обычной ракете. 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 пуск в этих условиях составляет более 400 кг. 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.

Оружие

Чертежи снарядов электрических пушек Электромагнитный рельсотрон, расположенный в Центре боевых действий ВМФ

Рельсотроны исследуются как оружие со снарядами, которые не содержат взрывчатых веществ или метательных веществ, но имеют чрезвычайно высокую высокие скорости: 2500 м / с (8200 футов / с) (приблизительно Маха 7 на уровне моря) или более. Для com parison, винтовка M16 имеет начальную скорость 930 м / с (3050 футов / с), а пушка Mark 7 16 дюймов / 50 калибра, на вооружении американских линкоров времен Второй мировой войны. имеет начальную скорость 760 м / с (2490 футов / с)), что из-за гораздо большей массы снаряда (до 2700 фунтов) генерировало дульную энергию в 360 МДж и кинетическую энергию удара в нижнем диапазоне с энергией более 160 МДж ( см. также Project HARP ). Путем стрельбы меньшими снарядами на чрезвычайно высоких скоростях рельсотрон может производить удары по кинетической энергии, равные или превосходящие разрушительную энергию 5 "/ 54 калибра пушки Mark 45 Военно-морское ружья (которые достигают 10 МДж у дульного среза), но с большей дальностью. Это уменьшает размер и вес боеприпасов, позволяя перевозить больше боеприпасов и устраняя опасности, связанные с переносом взрывчатых веществ или ракетного топлива в танке или на платформе морского 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 практической традиционной системы орудия. "

Современные технологии рельсотрона требуют длинного и тяжелого ствола, но баллистика рельсотрона намного превосходит обычные пушки с одинаковой длиной ствола. Рейлганы также могут наносить урон по площади, взрывая разрывной заряд в снаряде, который выпускает рой более мелких снарядов по большой площади.

Предполагая, что многие технические проблемы, с которыми сталкиваются полевые рейлганы, преодолены, в том числе такие проблемы, как рельсотрон. наведение снаряда, выносливость рельсов, боевая живучесть и надежность электроснабжения, увеличенные скорости пуска рельсотронов могут обеспечить преимущества по сравнению с более обычными орудиями для различных наступательных и оборонительных сценариев. 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 высоте 1600 м. / с (5200 футов / с) (приблизительно 5 Маха) с ускорениями, превышающими 60 000 g n. Во время одного из испытаний снаряд смог преодолеть дополнительные 7 километров (4,3 мили) вниз по дальности после пробития стального листа толщиной ⁄ 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 является самофинансируемым.

В октябре 2013 года General Atomics представила наземную версию рельсотрона Blitzer. Официальный представитель компании заявил, что пушка может быть готова к производству в течение «двух-трех лет».

Рейлганы исследуются на предмет использования зенитного оружия для перехвата воздушных угроз, в частности Противокорабельные крылатые ракеты, помимо наземных бомбардировок. Сверхзвуковая противокорабельная ракета , скользящая по морю, может появиться над горизонтом в 20 милях от военного корабля, оставляя кораблю очень короткое время реакции для ее перехвата. 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. Снаряд рельсотрона без возможности изменения курса может поражать быстро движущиеся ракеты на максимальной дальности 30 миль (35 миль; 56 км). Как и в случае с Phalanx CIWS, для выстрелов неуправляемой рельсовой пушки потребуется несколько / много выстрелов, чтобы сбить маневрирующие сверхзвуковые противокорабельные ракеты, и вероятность попадания в ракету резко возрастает по мере приближения. Военно-морской флот планирует использовать рельсотроны для перехвата внутриатмосферных баллистических ракет, скрытых воздушных угроз, сверхзвуковых ракет и множества наземных угроз; прототип системы для поддержки задач по перехвату должен быть готов к 2018 году и введен в эксплуатацию к 2025 году. Эти временные рамки предполагают, что это оружие планируется установить на надводных кораблях ВМФ следующего поколения, строительство которых ожидается к 2028 году.

<376 В какой-то момент компания BAE Systems была заинтересована в установке рейлганов на свои пилотируемые наземные машины Future Combat Systems. Эта программа была третьей попыткой армии США заменить стареющий M2 Bradley.

Индия успешно провела испытания собственного рейлгана. Россия, Китай и турецкая оборонная компания ASELSAN также разрабатывают рейлганы.

Helical railgun

Helical railgun - это многооборотные рельсотроны, уменьшающие и ток щетки с коэффициентом, равным 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 представляет собой нечто среднее между рейлганом и койлганом . В настоящее время они не существуют в практической, пригодной для использования форме.

Винтовой рельсотрон был построен в Массачусетском технологическом институте в 1980 году и питался от нескольких батарей больших на то время конденсаторов (примерно 4 фарад ). 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

A Плазменный рельсотрон - это линейный ускоритель и плазменное энергетическое оружие, которое, как рельсотрон со снарядом, использует два длинных параллельных электрода для ускорения «скользящего короткого» якоря. Однако в плазменном рельсотроне якорь и выброшенный снаряд состоят из плазмы или горячих ионизированных газоподобных частиц, а не из твердой порции материала. МАРАУДЕР (Магнитно-ускоренное кольцо для достижения сверхвысокой направленной энергии и излучения) - это или был проект Исследовательской лаборатории ВВС США, связанный с разработкой коаксиального плазменного рельсотрона. Это одна из нескольких попыток правительства США разработать плазменные снаряды. Первое компьютерное моделирование произошло в 1990 году, а его первый опубликованный эксперимент появился 1 августа 1993 года. По состоянию на 1993 год проект, казалось, находился на ранней экспериментальной стадии. Оружие могло производить кольца плазмы в форме пончиков и шары молний, ​​которые взрывались с разрушительными эффектами при поражении своей цели. Первоначальный успех проекта привел к тому, что он стал засекреченным, и после 1993 года появилось лишь несколько ссылок на MARAUDER.

Диаграмма, показывающая поперечное сечение пушки с линейным двигателем

Полномасштабные модели имеют были построены и запущены, в том числе орудие 90 мм (3,5 дюйма) с кинетической энергией 9 мегаджоулей, разработанное US DARPA. 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 хребте Дандреннан в Кирккадбрайт, Шотландия. Эта система была создана в 1993 году и эксплуатируется более 10 лет.

Югославский военно-технический институт в 1985 году разработал в рамках проекта EDO-0 рельсотрон с кинетической энергией 7 кДж. В 1987 году был создан его преемник, проект EDO-1. который использовал снаряд массой 0,7 кг (1,5 фунта) и достиг скорости 3000 м / с (9800 футов / с), а с массой 1,1 кг (2,4 фунта) достиг скорости 2400 м / с (7900 футов / с). 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 в настоящее время 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). Спутниковые снимки в конце 2010 года показали, что испытания проводились на бронетанковом и артиллерийском полигоне около Баотоу, в автономном районе Внутренняя Монголия.

Вооруженные силы США

Соединенные Штаты Военные государства выразили заинтересованность в проведении исследований в области технологии электрического оружия 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 обеспечивает 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 США Армия потратила более 150 миллионов долларов на исследования электрического оружия. В Центре электромеханики Техасского университета в Остине военные рельсотроны, способные доставлять вольфрамовые бронебойные пули с кинетической энергией девять мегаджоули (9 МДж). 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 ).

Центр наземных боевых действий ВМС Дивизия Дальгрена

США Дивизия Дальгрена ВМС США продемонстрировали в октябре 2006 г. рельсотрон 8 МДж, стреляющий снарядами массой 3,2 кг (7,1 фунта). прототип оружия 64 MJ, который будет использоваться на кораблях ВМФ. 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 током в миллионы ампер, необходимым для стрельбы снарядами с мегаджоулями энергии. Хотя такое оружие и близко не такое мощное, как крылатая ракета, такая как BGM-109 Tomahawk, доставляющая 3000 МДж разрушительной энергии к цели, такое оружие теоретически позволило бы ВМФ обеспечить более грандиозную огневую мощь на часть стоимости ракеты, и ее будет намного сложнее сбить по сравнению с будущими оборонительными системами. Для контекста еще одно уместное сравнение - это 120-мм пушка Rheinmetall , используемая на основных боевых танках, которая генерирует дульную энергию 9 МДж.

В 2007 году BAE Systems поставила ВМС США прототип 32 МДж (дульная энергия). 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 ( 8,270 фут / с). Электропитание обеспечивалось новым прототипом конденсаторной батареи емкостью 9 мегаджоулей с использованием твердотельных переключателей и конденсаторов с высокой плотностью энергии, поставленных в 2007 году, а также более старой импульсной системой питания мощностью 32 МДж, разработанной Исследовательским и опытно-конструкторским центром Green Farm. в конце 1980-х годов, который ранее был отремонтирован подразделением General Atomics Electromagnetic Systems (EMS). Ожидается, что он будет готов в период с 2020 по 2025 год.

10 декабря 2010 года ВМС США провели испытания рейлгана в Военно-морском центре надводных боевых действий Дальгрен. Во время испытаний Управление военно-морских исследований установило мировой рекорд, произведя выстрел в 33 МДж из рельсотрона, построенного компанией BAE Systems.

Испытание проводилось в феврале 2012 года в Центре наземных боевых действий ВМС Дивизия Дальгрена. По энергии такое же, как и в вышеупомянутом испытании, используемое рельсотрон значительно компактнее и имеет более традиционный ствол. Созданный General Atomics прототип был доставлен для испытаний в октябре 2012 года.

Внешнее видео
Дополнительные кадры
Испытания в феврале 2012 года

В 2014 году ВМС США планировали интегрировать рельсотрон с дальностью более 16 км (10 миль) на корабль к 2016 году. Несмотря на то, что это оружие имеет форм-фактор, более типичный для морской пушки, в нем будут использоваться компоненты, в значительной степени общие с теми, которые были разработаны и продемонстрированы в Дальгрене. Снаряды с гиперскоростью весят 10 кг (23 фунта), имеют длину 18 дюймов (460 мм) и стреляют со скоростью 7 Маха.

Будущая цель - разработать самонаводящиеся снаряды - необходимое требование. для поражения удаленных целей или перехватывающих ракет. Когда будут разработаны управляемые снаряды, ВМС прогнозируют, что каждый снаряд будет стоить около 25 000 долларов, 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 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. Большинство современных эсминцев могут сэкономить лишь девять мегаватт дополнительной электроэнергии, в то время как для выведения снаряда на желаемую максимальную дальность (то есть для запуска снарядов 32MJ со скоростью 10 выстрелов в минуту) потребуется 25 мегаватт. Даже если современные корабли, такие как Arleigh Burke-class эсминец, могут быть модернизированы с помощью электроэнергии, достаточной для работы рельсотрона, пространство, занятое на кораблях за счет интеграции дополнительная система вооружения может вынудить удалить существующие системы оружия, чтобы освободить место. Первые судовые испытания должны были проводиться с помощью рельсотрона, установленного на (EPF), но позже они были заменены на наземные испытания.

Хотя снаряды весом 23 фунта не имеют взрывчатых веществ, их скорость в 7 Маха дает им 32 мегаджоули 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.

Рельсотрон будет частью военно-морского флота, который предполагает будущие наступательные и оборонительные возможности предоставляются поэтапно: лазеры для обеспечения обороны на близком расстоянии, рельсотрон для обеспечения атаки и защиты на среднем расстоянии и крылатые ракеты для обеспечения атаки на дальние расстояния; хотя рейлганы будут прикрывать цели на расстоянии до 100 миль, для которых раньше требовалась ракета. Военно-морской флот может со временем усовершенствовать технологию рельсотрона, чтобы он мог вести огонь на расстоянии 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 оружейные материалы.

Наиболее многообещающее краткосрочное применение для рельсотрона и рельсотрона оружейного класса. Электромагнитные пушки, в общем, вероятно, находятся на борту морских кораблей 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 сообщалось, что ВМС хотят вывести прототип рейлгана Управления военно-морских исследований из научного эксперимента на территорию полезного оружия. По словам главы подразделения военно-морской авиации и вооружения ONR, цель - десять выстрелов в минуту на скорости 32 мегаджоулей. 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. 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 электроснабжение корабля должно будет обеспечивать около 25 МВт, пока продолжается стрельба.

Армейская исследовательская лаборатория

Исследования в области технологии рельсотрона были основным направлением деятельности Лаборатории баллистических исследований (BRL) на протяжении 1980-х годов. В дополнение к анализу рабочих характеристик, электродинамических и термодинамических свойств рельсотрона в других учреждениях (например, рельсотрон CHECMATE Maxwell Laboratories), BRL закупил для исследования свои собственные рельсотроны, такие как их однометровые рельсотроны и их четырехметровые рельсотроны. рельсовая пушка. В 1984 году исследователи BRL разработали методику анализа остатков, оставшихся на поверхности канала ствола после выстрела, чтобы исследовать причину прогрессирующего износа канала ствола. В 1991 году они определили свойства, необходимые для разработки эффективного пускового комплекса, а также критерии проектирования, необходимые для того, чтобы рельсотрон мог включать в себя снаряды с оребрением и длинными стержнями.

Исследования в области рельсотрона продолжались после того, как Лаборатория баллистических исследований была объединена с шесть других независимых армейских лабораторий, чтобы сформировать США Армейская исследовательская лаборатория (ARL) в 1992 году. Одним из основных проектов исследования рельсотрона, в котором участвовала ARL, была программа Электромагнитная пушка пушечного калибра (CCEMG), которая проводилась в Центре исследований Электромеханика в Техасском университете (UT-CEM) при спонсорской поддержке США. Корпус морской пехоты и США Научно-технический центр армейского вооружения. В 1995 году в рамках программы CCEMG компания UT-CEM спроектировала и разработала электромагнитную пусковую установку Cannon-Caliber - скорострельную рельсовую пушку. Имея 30-миллиметровый ствол с круглым стволом, гранатомет был способен стрелять тремя пятизарядными залпами. Пусковые пакеты массой 185 г при начальной скорости 1850 м / с и скорострельности 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. ARL отвечал за оценку характеристик пусковой установки, которая была испытана на экспериментальной установке ARL Transonic в Абердинском испытательном полигоне, Мэриленд.

. Исследовательская лаборатория армии США также следила за разработкой электромагнитных и электротермических пушек в Институте перспективных технологий. Technology (IAT) в Техасском университете в Остине, одной из пяти университетских и промышленных лабораторий, объединенных ARL для получения 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.

В 1999 году сотрудничество между ARL и IAT привело к разработке радиометрического метода измерения распределения температуры якоря рельсотрона во время импульсный электрический разряд без нарушения магнитного поля. В 2001 году ARL стала первой компанией, которая получила набор данных о точности запускаемых из электромагнитных пушек снарядов с помощью прыжковых испытаний. В 2004 году исследователи ARL опубликовали статьи, посвященные взаимодействию высокотемпературной плазмы с целью разработки эффективных воспламенителей рельсотрона. 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.

Китайская Народная Республика

Китай разрабатывает свою собственную систему рельсотрона. Согласно отчету CNBC американской разведки, 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.

В начале февраля 2018 года были опубликованы фотографии того, что якобы является китайским рейлганом. онлайн. На фотографиях орудие установлено на носу десантного корабля типа Тип 072III Хайяншань. СМИ предполагают, что система готова или скоро будет готова к тестированию. В марте 2018 года сообщалось, что Китай подтвердил, что начал испытания своей электромагнитной рельсовой пушки в море.

Индия

В ноябре 2017 года Организация оборонных исследований и разработок Индии провела успешное испытание электромагнитного рельсотрона с квадратным стволом 12 мм. Планируется проведение испытаний 30-мм версии. Индия стремится запустить снаряд весом 1 кг со скоростью более 2000 метров в секунду, используя батарею конденсаторов емкостью 10 мегаджоулей.

Основные трудности

Основные технологические и Перед развертыванием рельсотрона необходимо преодолеть эксплуатационные препятствия:

1. Прочность рельсотрона: На сегодняшний день демонстрации рельсотрона, хотя и впечатляющие, 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 ". 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 быть способны стрелять 6 выстрелов в минуту со сроком службы рельса около 3000 выстрелов, выдерживая ускорение в десятки тысяч g, экстремальные давления и мегаамперные токи, однако это невозможно с нынешними технологиями.
2. Наведение снаряда: В будущем, критически важным для использования настоящего рельсотрона, является разработка надежного пакета наведения, который позволит рельсотрону вести огонь по удаленным целям или поражать приближающиеся ракеты. Разработка такого пакета - настоящая проблема. ВМС США RFP Navy SBIR 2012.1 - Тема N121-102 для разработки такого пакета дает хорошее представление о том, насколько сложным является наведение снаряда рельсотрона:

Пакет должен соответствовать массе (< 2 kg), diameter (< 40 mm outer diameter), and volume (200 cm) constraints of the projectile and do so without altering the center of gravity. It should also be able to survive accelerations of at least 20,000 g (threshold) / 40,000 g (objective) in all axes, high electromagnetic fields (E>5000 В / м, B>2 Тл), а температура поверхности>800 ° C.Комплект должен работать в присутствии любой плазмы, которая может образовываться в канале ствола или на выходе из дульного среза, а также должен быть защищен 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 периода действия. Чтобы быть доступным, стоимость производства 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 все условия 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. для термоядерного синтеза с инерционным удержанием

Плазменные рельсотроны используются в физических исследованиях, и они были исследованы в качестве потенциального спускового механизма магнитоинерциального синтеза. Однако плазменные рельсотроны сильно отличаются от твердых массовых двигателей или оружия, и они разделяют только базовую операционную концепцию.

• Таранный ускоритель
• Проект Вавилон
• Нераакетный космический запуск
• Список безгильзового огнестрельного оружия
• Электротермино-химическая технология
• Катушка
• Пушка V-3 : еще одна ступенчатая силовая установка
• USNS Trenton (T-EPF-5), первый корабль, на котором установлено рельсотрон.
• Teleforce, аналогичное устройство, разработанное Никой Тесла, в котором использовались снаряды, разгоняемые до высоких скоростей за счет электростатического отталкивания

• Only My Railgun

Викискладе есть материалы, связанные с Railgun.

Найдите railgun в Викисловаре, бесплатном словаре.

• Смотрите военно-морской огонь из рейлгана со всех сторон Рейлган делает первый снимок из серии пусконаладочных работ. включает YouTube видео от ноября 2016 г.