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

Принцип действия

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 Ампера , действующей на замкнутый проводник с током в его собственном магнитном поле . Сила Ампера действует и на рельсы, приводя их к взаимному отталкиванию.

История

Рельсотрон был изобретён французским изобретателем Андре Луи Октавом Фошон-Вильпле в 1917 году во время первой мировой войны . В русском языке 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 . ^{[ источник не указан 3246 дней ]}

Теория

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

• ${\displaystyle \mu _{0}}$ — магнитная постоянная ,
• ${\displaystyle d}$ — диаметр рельсов (подразумевается круглое сечение),
• ${\displaystyle r}$ — расстояние между осями рельсов,
• ${\displaystyle I}$ — сила протекающего в системе тока.

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

${\displaystyle \mathbf {B} (s)={\frac {\mu _{0}I}{2\pi s}}}$

Следовательно, в пространстве между двумя бесконечными проводами, расположенными на расстоянии ${\displaystyle r}$ друг от друга, модуль магнитного поля может быть выражен формулой:

${\displaystyle B(s)={\frac {\mu _{0}I}{2\pi }}\left({\frac {1}{s}}+{\frac {1}{r-s}}\right)}$

Для того, чтобы уточнить среднее значение для магнитного поля на арматуре рельсотрона, предположим, что диаметр рельса ${\displaystyle d}$ намного меньше расстояния ${\displaystyle r}$ и, считая, что рельсы могут считаться парой полубесконечных проводников, мы можем вычислить следующий интеграл: ^{[ источник не указан 1480 дней ]}

${\displaystyle B_{\text{avg}}={\frac {1}{r}}\int _{d}^{r-d}B(s){\text{d}}s={\frac {\mu _{0}I}{2\pi r}}\int _{d}^{r-d}\left({\frac {1}{s}}+{\frac {1}{r-s}}\right){\text{d}}s={\frac {\mu _{0}I}{\pi r}}\ln {\frac {r-d}{d}}\approx {\frac {\mu _{0}I}{\pi r}}\ln {\frac {r}{d}}}$

По закону Ампера, магнитная сила на проводе с током равна ${\displaystyle IrB}$ ; предполагая ширину снаряда-проводника ${\displaystyle r}$ , мы получим:

${\displaystyle F=IrB_{\text{avg}}={\frac {\mu _{0}I^{2}}{\pi }}\ln {\frac {r}{d}}}$

Формула основывается на допущении, что расстояние ${\displaystyle l}$ между точкой, в которой измеряется сила ${\displaystyle F}$ , и началом рельсов больше, чем расстояние между рельсами ( ${\displaystyle r}$ ) в 3-4 раза ( ${\displaystyle l>3r}$ ). 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 или имел достаточную стойкость, но возникла бы ускоряющая сила , разгоняющая его вперёд. На снаряд или плазменный поршень 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,
• источник тока — 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 для разгона самих пробивающих элементов — таких как вольфрамовые стержни, сплавы на основе титана и других металлов, может использоваться полимер в сочетании с проводящей средой. В качестве источника питания — батарея высоковольтных электрических конденсаторов , которая заряжается от ударных униполярных генераторов , , 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 пневматическое или огнестрельное оружие .

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 . 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

Преимущества

• Экономия: стоимость выстрела рельсотрона существенно ниже таковой для аналогичной по дальности ракеты корабельного базирования: 25 000 долларов США против 1 000 000 долларов .
• 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.
• Высокая скорость снаряда позволяет использовать рельсотрон в качестве средства ПВО . Скорость снаряда перспективной пушки, испытания которой планировались на 2016 год , должна была составить 6 М , что существенно ниже многих зенитных ракет (9 М для одной из ракет С-300В4 ) , маневрирование снаряда невозможно; на практике удалось достичь лишь скорости 3,6 М .
• Использование рельсотрона исключает необходимость хранить на кораблях взрывоопасный боезапас обычных снарядов, что повышает живучесть корабля .

Недостатки

• 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 километров.
• 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 килограммов — ноль, единственная разница — в росте дальности из-за сочетания массы, скорости и, в первую очередь, сократившихся размеров, что снижает аэродинамическое сопротивление ).
• Ресурс ствола существующих на данный момент прототипов измеряется десятками выстрелов.

Неоднозначно

• 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.
• 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.

Программа ВМС США

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

• General Atomics разработала орудие, способное доставлять снаряд весом в 10 кг на расстояние более 200 км со средней скоростью около 2000 м/с. По мнению экспертов, такое орудие имеет настильную траекторию на расстоянии до 30 км .
• В феврале 2008 года было продемонстрировано орудие с дульной энергией 10 МДж и дульной скоростью 2520 м/с (9000 км/час) . 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 . 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 мДж . 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.
• В 2015 году планировалось произвести первые испытания на корабле .
• К 2020 году эти орудия должны поступить на вооружение строящихся в США эсминцев типа «Замволт» , их модульная конструкция и электрическая трансмиссия рассчитывались с учётом перспективного электромагнитного вооружения .
• К 2025 году планировалось достичь дульной энергии 64 МДж. С длиной около 10 метров и скоростью полета снаряда около 2000 метров в секунду.
• В 2021 году финансирование проекта было прекращено.

Разработки в России

Согласно заявлению первого зампреда комитета Совета Федерации по обороне и безопасности Франца Клинцевича от 2016 года, 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.

См. также

• Космическая пушка
• Пусковая петля

Примечания

Ссылки

• (недоступная ссылка) Журнал «Российский космос» № 9, 2011.
• на YouTube
• — проблемы и перспективы применения рельсотронных орудий в ВМС США (англ.)