Электромагнитная пушка - фантастика или реальность?

автор: Евгений Клюев, 2007

«Солдаты... были облачены в кевларовые шлемы и такие же доспехи. В руках, облаченных в трехслойные перчатки, они держали легкие автоматические винтовки, производящие впечатление игрушечных».

«Общая длина винтовок была небольшой, однако того, кто видел такое оружие впервые, поражала массивность приклада. Но именно там и помещались основные механизмы; туда же, позади рукоятки управления огнем, пристыковывался очень толстый магазин. Он имел такие параметры не за счет бесчисленности патронов. Просто в нем же находился добавочный, причем достаточно мощный, аккумулятор. Винтовка была плазменная, без электричества она стрелять не могла. Из-за безгильзовой механики она имела недоступную другим видам автоматов скорострельность. А за счет разгона пуль плазмой они получали солидное ускорение, однозначно недостижимое пороховыми устройствами... И только после третьего-четвертого бесшумного и невидимого залпа дошло понимание случившегося... кто-то вскрикнул, пораженный пулей, прошившей вначале впередиидущего товарища, а то и двух. Страшная штука – плазменный разгон!»

Так описывает применение в недалеком будущем электромагнитного оружия замечательный современный писатель-фантаст, «певец высоких оружейных технологий» Федор Березин в своем романе «Красный рассвет». И среди своих коллег он не одинок в своих мечтах «поженить пулю с электричеством». Пожалуй, первым был знаменитый Жюль Верн, еще в XIX веке вооруживший экипаж своего «Наутилуса» бьющими наповал даже под водой электрическими винтовками. Можно еще вспомнить фантастический роман Михаила Булгакова «Роковые яйца», герои которого лихо, хотя и не всегда успешно, стреляли в чудовищных рептилий из портативных смертоубийственных электрических револьверов.

Но, конечно, возможность применения электромагнитных сил для разгона пули или артиллерийского снаряда всегда волновала не только писателей, но и ученых. Одним из первых опытов такого рода был эксперимент, проведенный в 1916 году французами Фашоном и Виллепле. Используя в качестве ствола цепочку катушек-соленоидов, на которые последовательно подавался ток, их действующая модель чудо-пушки успешно разогнала снаряд массой 50 г до скорости 200 м/с По сравнению с настоящими артиллерийскими установками результат, конечно, получился достаточно скромный, однако показавший принципиальную возможность создания оружия, в котором снаряд разгоняется без помощи пороховых газов.

Справедливости ради следует отметить, что талантливые русские инженеры Подольский и Ямпольский со своим проектом 50-метровой «магнитно-фугальной» пушки, действующей по аналогичному принципу, опередили французских коллег на целый год. Однако финансирования для воплощения своего проекта им получить так и не удалось. Впрочем, и у французов тогда дальше модели дело так и не пошло, что, впрочем, и неудивительно – для того времени разработки казались слишком фантастическими.

Систематические научные работы по созданию электродинамических ускорителей массы (ЭДУМ) начались в мире в 50-х годах XX века. Одним из родоначальников отечественных разработок в этой области был выдающийся советский ученый, исследователь плазмы, Л.А. Арцимович, который, по-видимому, и ввел в отечественную терминологию понятие «рельсотрон» (в англоязычной литературе принят термин «railgun») для обозначения одной из разновидностей ЭДУМ.

Что же не устраивало создателей ЭДУМ в существующем уже несколько столетий, простом и надежном оружии, работающем на эффекте разгона снаряда под действием расширения пороховых газов? Прежде всего, конечно, скорость. Пороховые газы обладают достаточно большим молекулярным весом и, как следствие, относительно малой скоростью расширения. На практике это означает, что предельная скорость, достигаемая снарядом в традиционных артиллерийских системах, ограничена величиной порядка 2-2,5 км/с. Это совсем немного, если мы хотим выстрелом прошивать броню вражеского танка как масло или сбивать с орбиты военные спутники противника. Однако прежде чем говорить о достижениях и перспективах в области создания ЭДУМ, рассмотрим физические принципы их действия.

Различают ЭДУМ индукционного и кондукционного типов. Принцип действия первых основан на движении проводящего тела под воздействием внешнего магнитного поля, создаваемого системой обмоток, включаемых синхронно с движением ускоряемого тела для создания бегущей магнитной волны.

Показанная на рисунке разновидность ЭДУМ индукционного типа получила в литературе название «пушка Гаусса» (Gauss gun, coilgun). Как видим, никаких принципиальных новшеств по сравнению с французской конструкцией 1916 года, та же самая многоступенчатая схема из соленоидов, поочередно втягивающих в себя ускоряемое тело из ферромагнетика. На практике при создании таких систем приходится решать задачу синхронизации работы соленоидов. Во-первых, напряжение на каждую катушку должно подаваться в момент подхода к ней разгоняемого тела, во-вторых, необходимо вовремя прерывать ток в катушке – ведь как только тело минует ее геометрический центр, магнитное поле вместо придания ускорения начнет препятствовать его движению. Значит, нужна система датчиков положения и достаточно хитроумная электронная схема управления. Лучше всего поручить эту задачу микропроцессору, но и в этом случае понадобится кропотливый расчет и целая серия экспериментов, прежде чем разгон будет происходить оптимальным образом: как с точки зрения достигаемой скорости, так и с точки зрения КПД преобразования электрической энергии в механическую (последний показатель особенно важен для портативных носимых устройств, у которых емкость источника питания сильно ограничена).

«Пушка Гаусса» отличается простотой конструкции, неудивительно, что идея ее создания появилась почти 100 лет назад. Простейшую действующую модель одноступенчатого индукционного ЭДУМ сможет за полчаса соорудить в домашних условиях даже школьник, имеющий хотя бы минимальные познания в электротехнике. Намотанная на бумажном каркасе катушка из нескольких десятков витков, конденсатор, примитивное устройство зарядки и железный гвоздь подходящих размеров в качестве снаряда. Замыкаем провода и «снаряд» благополучно приземляется в нескольких метрах от точки старта. Обратите внимание – «выстрел» происходит абсолютно бесшумно! Действительно, если речь идет о дозвуковых скоростях разгона, «пушка Гаусса» не имеет в этом себе равных. Даже пневматическому оружию по этому показателю трудно с ней тягаться. При экспериментах необходимо, конечно, соблюдать элементарные правила техники безопасности и помнить, что при неудачном выборе исходного положения «снаряда» он может неожиданно полететь не вперед, а назад, к «казенной части» – прямо в незадачливого экспериментатора. Следует также помнить об ограничениях, накладываемых российским законодательством на кинетические параметры подобных самоделок. Желающим узнать больше о домашних экспериментах с ЭДУМ, можно порекомендовать посетить ресурс www.coilgun.ru, ставший в последнее время настоящей Меккой любительского «гауссганеростроения» в России.

Многоступенчатые индукционные ЭДУМ способны разгонять сравнительно массивные тела (до 3-5 кг) до скоростей 1,5-2 км/с. При этом ствол пушки не испытывает больших нагрузок и может быть выполнен из не очень прочного материала (главное требование – он не должен являться ферромагнетиком). Собственно, можно вообще обойтись без ствола как такового, но в этом случае необходимо принять дополнительные меры по центровке разгоняемого тела в процессе разгона, обеспечив снаряду магнитный подвес. Прибегнув к ряду технических ухищрений в принципе можно придать снаряду вращательное движение для обеспечения его устойчивости в полете, как в настоящей артиллерийской установке с нарезным стволом. Однако главным камнем преткновения для конструкторов ЭДУМ индукционного типа остается скорость. К сожалению, достигнутых значений пока явно недостаточно, чтобы на равных конкурировать с традиционными пороховыми системами. Впрочем, ожидающиеся в ближайшие годы очередные практические достижения в области высокотемпературной сверхпроводимости позволяют рассчитывать на создание ускорительных соленоидов, эффективность которых будет на порядок выше существующих. Кроме того, определенные перспективы сулит идея использовать индукционный ЭДУМ в качестве второй ступени разгона снаряда, выпускаемого из пороховой или легкогазовой пушки. Так что надеемся, индукционные ЭДУМ еще поборются за место под солнцем. А пока перейдем ко второй разновидности электромагнитных пушек – кондукционным ЭДУМ.

Принцип действия одной из разновидностей кондукционных ЭДУМ представлен на рисунке 4. Такие ЭДУМ, называемые иногда рельсовыми ускорителями или рельсотронами, представляют собой систему, состоящую из источника электроэнергии (батареи конденсаторов, МГД-генератора, униполярного генератора и др.), коммутационной аппаратуры и электродов в виде параллельных электропроводящих рельсов длиной от 1 до 5 метров, находящихся в стволе на небольшом расстоянии друг от друга (порядка 1 см). Электрический ток от источника энергии подводится к одному рельсу и возвращается через плавкую вставку, находящуюся за ускоряемым телом и замыкающую электрическую цепь на второй рельс. Чаще всего в качестве снаряда для экспериментов с рельсотроном используют пластиковый контейнер с металлическим сердечником. На заднюю стенку контейнера наклеивается медная фольга, играющая роль плавкой вставки. В момент подачи высокого напряжения на рельсы (десятки кВ) вставка моментально сгорает, превращаясь в облако плазмы (его называют «плазменным поршнем» или «плазменной арматурой»). Причем плазмы электропроводящей! А это означает, что гигантский ток (сотни кА) в цепи, образованной рельсами и плазменным облаком продолжает течь. Ток, протекающий в рельсах и поршне, образует между рельсами сильное магнитное поле. Взаимодействие магнитного потока с током, протекающим через плазму, генерирует электромагнитную силу Лоренца, толкающую ускоряемое тело вдоль рельсов.

Весь процесс ускорения занимает считанные миллисекунды. В качестве коммутационной аппаратуры обычно используются сверхбыстродействующие взрывные коммутаторы. Рельсовые ускорители позволяют ускорять небольшие тела (до 100 г) до весьма и весьма значительных скоростей (6-10 км/с). Собственно, можно обойтись вообще без снаряда и разгонять плазменный поршень сам по себе. В этом случае плазма вырывается из ускорителя с поистине фантастической скоростью– до 50 км/с. В качестве оружия от такого ускорителя проку не много, зато ускорители плазмы имеют целый ряд вполне мирных профессий – как исследовательских, так и вполне утилитарных.

 Попытки увеличить массу снаряда при сохранении высокой скорости разгона приводят к значительному увеличению габаритов установки и предъявляют жесткие требования к мощности источника питания. В свое время в США существовал полуфантастический проект по подключению гигантского супермощного рельсотрона непосредственно к высоковольтной линии электропередач. Таким образом, в течение кратковременного процесса разгона на ускоритель работает вся энергосистема огромной страны. Расчеты показали принципиальную возможность такого решения, однако до его практического воплощения дело, кажется, так и не дошло.

Выстрел рельсотрона это всегда исключительно эффектное зрелище (Рис. 5) – оглушительный грохот, огненный выхлоп, капли расплавленного металла. И весьма дорогостоящее притом. Ведь при взаимодействии с раскаленной плазмой рельсы неизбежно разрушаются. На практике уже после 3-5 запусков из лабораторной установки необходимо проводить трудоемкий комплекс работ по замене рельсов.

Принцип действия рельсотрона предъявляет также жесткие требования к его конструкции, ведь в отличие от «пушки Гаусса», давление в стволе кондукционного ЭДУМ достигает весьма значительных величин, да и рельсы под воздействием протекающего по ним гигантского тока изо всех сил стремятся «разбежаться» друг от друга. Сделать такую конструкцию прочной и вместе с тем разборной – непростая инженерная задача.

Есть и еще один недостаток, присущий рельсотронам с плазменной арматурой – нестабильность скорости. Ускоряемая магнитным полем плазма – очень капризный и непредсказуемый объект. Ширина плазменного поршня в процессе разгона постоянно меняется – плазма пульсирует. Иногда часть плазменного облака просачивается в промежуток между ускоряемым телом и рельсами и возникает т.н. «плазменный лидер». Эрозия рабочей поверхности рельсов также влияет на стабильность характеристик разгона. В результате скорость снаряда на выходе из установки подвержена случайным колебаниям, а значит, и траектория полета снаряда может сильно меняться от выстрела к выстрелу. Решить проблему позволяет управляемый разгон. Анализируя информацию с датчиков положения ускоряемого объекта, микропроцессорное устройство управления подает команды на подключение или отключение дополнительных источников энергии. Целью является достижение строго заданной скорости на выходе снаряда из ствола. Технически проблема не выглядит совсем уж непреодолимой, но ее решение потребует еще долгих лет кропотливой исследовательской работы.

В годы холодной войны работы по созданию электромагнитных пушек активно велись и в СССР и в США. Предпочтение отдавалось ускорителям кондукционного типа, позволяющим достичь больших скоростей разгона. К середине 80-х годов прошлого века обе стороны вплотную приблизились к возможности размещения рельсотронной пушки с автономным источником питания на мобильном носителе – гусеничном или колесном шасси (Рис. 6).

Однако после развала СССР отечественные разработки в области военных применений ЭДУМ были практически полностью свернуты. В то же время есть признаки, что США активно продолжают эти работы. Известен, например, проект, финансируемый ВМФ США и разрабатываемый компанией General Atomics из Сан-Диего. Электромагнитная пусковая установка на базе рельсотрона будет размещена на надводном корабле и позволит поражать цели на дистанции до 300 миль при помощи управляемых ракет, запускаемых на скорости до 7 махов. Ввиду огромной скорости такие ракеты будут практически неуязвимы для ПВО противника на участке от старта до подхода к цели, когда ракета включает собственный двигатель и начинает маневрировать (Рис. 7).

Правда возможность создания ракеты, начинка которой способна выдерживать ускорение порядка 100 000 g вызывает определенные сомнения, однако уже к началу 2009 года General Atomics обещает продемонстрировать свои достижения.

С выходом США из договора по ПРО возобновились и работы по размещению электромагнитных пушек на орбите. В этой области известны разработки компаний General Electric, General Research, Aerojet, Alliant Techsystems и других по контрактам с управлением DARPA ВВС США.

Несмотря на прекращение финансирования военных разработок электромагнитного оружия, отечественная наука также не стоит на месте. Ведь электродинамические ускорители имеют и целый ряд «мирных профессий» – исследования физики высокоскоростного удара, создание покрытий со специальными свойствами методом плазменного напыления, запуск микрокосмических аппаратов. Свидетельством тому – систематическое появление русских фамилий в материалах ежегодной международной конференции по электромагнитному разгону EML Technology Symposium (www.emlsymposium.org). А раз так, то и возобновление отечественных работ по созданию оружия будущего вполне возможно, прояви наше государство вновь интерес к этой перспективной теме. х