Проблема подачи энергии для электромагнитных пушек

Испытания, проведенные в 1960-е годы со многими различными типами электромагнитных пушек, показали, что эти пушки могут обес­печивать более высокие начальные скорости, чем традиционные пушки. Но испытания не могли продемонстрировать дульные энергии, необходимые для применения оружия, так как все же не было требуемых источников питания.

Заслуживает внимания то, что Хэнслер отдавал должное многим аспектам этой проблемы. Он писал: "Разработку электромагнитной пушки можно разделить на две части:

разработку устройства ускорения снаряда или, как можно сказать по аналогии с обычной пушкой, ствола;

разработку устройства накопления энергии.

Энергия, которую может подавать устройство накопления энер­гии, составляет порядка миллиона киловатт, а требуемые токи сос­тавляют порядка миллиона ампер.

Я не хочу рассматривать обыденные неодобрения, так часто повторяемые в этом контексте теми, кто безнадежно ориентируется на прошлое, а именно, что энергетические потребности будут пре­пятствовать решению проблемы электромагнитной пушки.

... обычные пушки имеют те же самые энергетические потребнос­ти. Бесспорно, что такие энергетические потребности (в электри­ческих единицах) имеют порядок величины, эквивалентный энергии, Производимой большими электростанциями. Никто не попытается про­изводить большие количества энергии, которые обычной пушке требу­ются на 1/100 с, на постоянной базе. Почему же должен быть кто-то настолько наивным, чтобы делать это для электромагнитной пушки?!

... Понятным подходом является попытка накопления энергии в соответствии о одним из следующих четырех процессов: электростатическим, электромагнитным, электрохимическим и механическим. Техническим проявлением этих четырех процессов являются, соответ­ственно, конденсатор (емкость), преобразователь импульсов, акку­муляторная батарея и импульсный генератор.

... Существующие конденсаторы, что касается их запаса энергии на единицу объема, не особенно подходят. После многих лет работы наш коллега О.Мукк открыл методы, которые могут увеличить величины запаса энергии на единицу объема на несколько порядков.

... Преобразователь импульсов очень подходит о точки зрения объема.

/.../ Первый эксперимент был полностью успешным. Основным нашим источником энергии была аккумуляторная бата­рея. Из всех имеющихся в промышленности типов мы выбрали один с самым большим энергоснабжением на единицу объема. Пользуясь идеями Капицы, мы добились успеха в разработке лабораторного варианта аккумуляторной батареи, увеличенной в 10-20 раз.

... Импульсные генераторы должны обеспечивать броски (пики) тока примерно 1,6 миллиона ампер.

... Современные импульсные генераторы являются "дальнейшими разработками" генераторов, разработанных для непрерывной работы. Их самоиндукция, следовательно, слишком велика, чтобы они могли обеспечивать такие импульсы. Хотя накопленная энергия в несколько раз больше требуемой, электросистему может выдать лишь часть требуемой энергии.

... Импульсный генератор, в виде униполярного устройства (см. рис. 5), является в настоящее время лучшей средой хранения энергии о точки зрения требуемого объема. Но в этой области мы также начали разработку по новому принципу, так как самоиндукция обычных устройств слишком велика.

Рис. 5. Принцип униполярного генератора: 1 - магнитное поле В; 2 - ток возбуждения; 3 - катушка возбуждения; 4 - щетки; 5 – ротор

/.../ Направление будущих разработок по электромагнитной пушке ясно на основе... проведенных экспериментов. Как и более ранние исследователи, мы убедились, что электромагнитные пушки могут быть реализованы при современном уровне технологии, если разработка щедро обеспечивается (6).

Достижения

С тех пор разработки в области энергоснабжения постоянно продвигались вперед. В начале 1970-х годов была представлена первая возможность (в австралийском национальном университете в г. Канберра) продемонстрировать потенциальные возможности электромагнитной рельсовой пушки (19, 20).

Двухступенчатый униполярный генератор, который был разработан Марком Олифант для экспериментов в области физики частиц вы­соких энергий, был приспособлен для экспериментов с рельсовыми пушками. Маховик генератора способен накапливать энергию вращения 500 МДж, выдаваемую импульсами тока до 1,6 МА. Доктор Ричард Маршалл, докторант Джон Барбер и другие исследователи подсоединили этот чрезвычайно мощный источник тока к рельсовой пушке длиной 5м. Сначала генератор не мог подавать необходимую энергию рельсовой пушке. После установки в систему катушки и дополнитель­ного переключателя Маршаллу и Барберу удалось наконец достичь ускорения массы поликарбоната 3,3 г до скорости 5,9 км/с. Среднее ускорение было более 10 мс².

После этого было проведено много испытаний рельсовых пушек. Первоначально эти испытания проводились в условиях экспериментов по нуклеосинтезу и ударным волнам. В 1982г. группа под руковод­ством Р.Хока из Лоренских ливерморских национальных лабораторий в сотрудничестве с группой под руководством М. Фаулера представила малокалиберную (12,7 мм) рельсовую пушку длиной 5 м, которая могла разгонять 2,2 г массы до скоростей примерно 10 км/с (21). Источником энергии являлся так называемый генератор сжатия магнитного потока, который преобразует энергию, накопленную во взрывчатых веществах, в электрическую энергию.

Эти результаты, выдающиеся по сравнению с результатами, полученными в более ранних испытаниях, вселили в исследователей высшую степень оптимизма. Предполагалось, что скорости 150 км/с, которые требовались для экспериментов по нуклеосинтезу, могут быть достигнуты снарядами массой 0,1 г (22). Для обычных пушек основной предел снаряд-скорость определяется термодинамическими параметрами пороховых газов. Для электромагнитных пушек этот предел определяется предельными факторами характеристик материалов, из которых изготовлены ствол и снаряд. Теоретическим пределом скорости, вероятно, будет скорость света (23). Эти предложения привели к тому, что электромагнитная пушка стала частью программы СОИ. Дальнейшие испытания привели к отрезвляющей вести: фактически достижимых скоростей значительно не хватает. А. Швецов (СССР), который разогнал массы в 1,3 г до скорости примерно 5 км/с, обнаружил в 1983 г., что очень трудно будет получить скорости снарядов, значительно превышающие уже достигнутые (24). В 1985г. Р.Хок и его группа безуспешно закончили свои испытания: они не смогли разогнать массы в 1 г до скоростей более 7 км/с – расчетной же была скорость 15 км/с (26).

Однако электромагнитная пушка становилась все интереснее для ее боевого использования в пределах "обычных" боевых средств. Первоначальной причиной этого была работа Маршалла и Барбера, которая привела к значительному техническому прогрессу в области энергоснабжения в США.

В 1980г. фирма "Вестингауз" создала лабораторную модель рельсовой пушки, которая привлекла большое внимание. Эта рельсовая пушка, которая получала энергию от униполярного генератора в 17,5 МДж (см. рис. 6), использовалась для разгона снаряда массой примерно 300 г до скорости свыше 4 км/с, что соответствует дульной энергии 2,8 МДж (19). Это послужило доказательством того, что электромагнитная пушка может производить высокие дульные энергии и высокие начальные скорости. Кроме того, это был показ успехов, достигнутых в области накопления энергии, главным обра­зом; униполярными генераторами, "компульсаторами" (см. ниже) и конденсаторами.

Рис. 6. Схематическое изображение системы рельсовой пушки фирмы "Вестингауз": 1 - приводной двигатель; 2 - униполярный гене­ратор; 3 - тороидальная катушка; 4 - рельсовая пушка; 5 - тоннель; 6 - ловушка; 7 – переключатель

Использовался компактный униполярный генератор (рис. 7), отношение массы к накопленной энергии которого значительно улучшено по сравнению с таковым у вышеупомянутых систем. Дальней­шие уменьшение массы должен обеспечить "самовозбуждающийся униполярный генератор с воздушным сердечником".

Рис. 7. Униполярный генератор компактной конструкции (слева) с индукционной катушкой (справа). Катушка разработана для рельсовой пушки

Новый тип генератора "компульсатор" является производным от традиционного генератора переменного тока (27). Его характерной чертой является дополнительная стационарная катушка, соединенная последовательно с вращающейся катушкой (рис. 8). Дополнительная катушка периодически изменяет индуктивность устройства. Если стационарная катушка располагается в магнитном поле В, диэлект­рическая проницаемость L достигает своего минимального зна­чения при t=t точно в точке, в которой электродвижущая сила самоиндукции имеет максимальное значение. В результате при раз­мыкании цепи к потребителю энергии подводится очень мощный раз­ряд тока.

Способность компульсатора производить периодически очень мощные разряды тока в соответствии с его частотой вращения например, 50 Гц) делает его особенно привлекательным в качестве источника энергии для электромагнитных пушек, которые должны обладать высокой скорострельностью (28). Кроме того, продолжительность пика тока составляет порядка 0,3-2 мс, что в пределах времени, необходимого снаряду для прохождения через стволы орудий малого и среднего калибра. В результате компульсатор устраняет потребность в катушке и переключателе для образования импульсов.

Рис. 8. Принцип работы компульсатора: 1 - стационарная катушка; 2 - вращающаяся катушка Значителен также успех в технологии конденсаторов. За последние 10 лет плотности энергии конденсаторов возросли примерно в 50 раз.

Значителен также успех в технологии конденсаторов. За последние 10 лет плотности энергии конденсаторов возросли примерно в 50 раз.

Перезаряжаемые батареи с высокими характеристиками, такие как литиевые батареи, могли бы стать серьезным конкурен­том униполярным генераторам и конденсаторам. Удельная энергия 125кДж/кг считается хорошей величиной для таких конденсаторов, но в 1978г. была опубликована концепция батареи с удельной энергией 700 кДж/кг (29).

Современная работа также направлена на совершенствование самой рельсовой пушки, в частности, ствола и якоря снаряда. Для области мегоампер (МА) разрабатывается новый переключатель и повышается эффективность всей системы.

По сравнению с рельсовой пушкой пушка катушечного типа и электротермическая пушка находятся все еще на ранней стадии раз­работки. Недавно было сообщение об успешном испытании пушки катушечного типа, в которой снаряд массой 1 кг разгонялся до скорости свыше 1 км/с. Электротермическая пушка разгоняла снаряд массой 50г до скорости 1,8 км/с. Электротермическая пушка фирмы "Рейн-металл" разгоняла снаряд массой 3 г до скорости 2 км/с (30).

Использование электромагнитных пушек

В настоящее время, когда становится ясно, что электромагнитные пушки полезны для боевого применения, возникает вопрос, какие случаи применения будут полезны. Хэнслер писал также по этому вопросу:

"Не мыслимо, чтобы электромагнитная пушка стала конкурентом традиционной пушки в пределах скоростей, достигаемых традицион­ной пушкой. С другой стороны для электромагнитной пушки имеются возможности применения в случаях, в которых традиционная пушка терпит неудачу, так как начальная скорость ее снарядов слишком низка.

... Современная война, конечно, для определенных целей тре­бует более высоких скоростей снарядов. Особенно насущным этот вопрос является для зенитных пушек, которые не могут идти в ногу о возрастанием скорости и высоты полета самолетов-штурмовиков. Разработки в области скорости и высоты самолетов осуществлялись быстро. Увеличение начальной скорости снарядов увеличит и даль­ность, и вероятность попадания для дальностей стрельбы, встречаю­щихся до сих пор.

... Баллистические соображения ведут, несомненно, к 4-см стреловидному оперенному снаряду с начальной скоростью, по крайней море, 2000 м/с. "Стреловидный снаряд PEENEMUNDE" является формой снаряда с требуемыми баллистическими характеристи­ками. в этом контексте сразу возникает вопрос, какой будет самая большая начальная скорость из-за внешней баллистики. Теоретичес­кие исследования показали, что она составляет от 3000 до 4000 м/с. Еще более высокие начальные скорости вряд ли обеспечивают даль­нейшее преимущество из-за возрастания сопротивления воздуха. Следовательно, начальная скорость 2000 м/с считается первоначаль­ной целью, а от 3000 до 4000 м/с - желаемой окончательной целью разработки зенитной пушки.

... Наличие этой зенитной пушки будет определять - предпола­гая приблизительно равные данные для обеих противостоящих сторон - будет ли война выиграна или проиграна" (6).

Никто не сомневается в угрозе с воздуха и, следовательно, в необходимости эффективной противовоздушной обороны. Возрастаю­щее число аэротранспортабельных систем, их возрастающие скорости (особенно полетов на малой высоте) и способность к скрытым дейст­виям представляют основные проблемы для обороняющегося. Одним из основных требований к противовоздушной системе является спо­собность быстро реагировать.

Увеличения начальной скорости могут уменьшить продолжитель­ность обстрела и, следовательно, повысить эффективность против быстро движущихся целей. На рис. 9 показано сравнение традицион­ной пушки (начальная скорость 1300 м/с) с электромагнитной душкой (предполагаемая начальная скорость 4000 м/с). Предполагается, что первоначальные дальности обстрела одинаковые, то есть, что обе системы имеют одни и те же приборы обнаружения и сопровождения цели.

Рис. 9. Графическое представление влияния скорости снаряда и цели на успех обстрела в противо­воздушной обороне: 1 - время полета снаряда; 2 - дальность; 3 - пороховая пушка; 4 - электрическая пушка; 5 - успех обстрела; 6 - скорость цели; 7 - начальная скорость

Увеличение начальной скорости может дать дополнительные преимущества. Все ствольное оружие, не стреляющее управляемыми на коночном участке траектории боеприпасами, требует чрезвычайно точного управления огнем, включающего расчет упрежденного место­положения цели для интервала в несколько секунд, соответствующего времени полота снаряда. Предположим самый удобней случай полета цели прямо вперед (линейная гипотеза управления огнем), поперечная ошибка по дальности, вызванная ошибкой в управлений огнем, пропор­циональна времени полота снаряда. Увеличение начальной скорости с 1.300 до 4000 м/с обеспечивает 60% уменьшение ошибки по дальности. Для реального поведения цели, включая, например, поперечные ускорения (часто не определяемые системами управления огнем), ошибка по дальности зависит от квадрата времени полета. В таких случаях электромагнитная пушка с высокой начальной скоростью мо­жет уменьшить влияние ошибки управления огнем на 80-90%.

Такие ясные прогнозы невозможны для противотанковых обстрелов, так как требования по внешней баллистике конечного участка траектории будут меняться с изменением брони. Кроме того, ясное, обычно действующее отношение между увеличенной окончательной ско­ростью и усовершенствованной бронепробиваемостью не может быть в настоящее время определено для негомогенной брони - оно может быть определено только для гомогенной брони и частично для простой экранированной брони. Тем не менее, можно ожидать, что пушка с более высокими начальными скоростями также будет обеспечивать преимущества в противотанковых обстрелах.