Скорость снаряда рельсотрона. Электромагнитная пушка: рельсотрон и его перспективы. Так почему же такой сложный рельсотрон такой вкусный для военных

Сила Ампера действует и на рельсы, приводя их к взаимному отталкиванию.

История

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 . [ ]

Теория

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

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

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

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

B (s) = μ 0 I 2 π (1 s + 1 r − s) {\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 d {\displaystyle d} намного меньше расстояния r {\displaystyle r} и, считая, что рельсы могут считаться парой полубесконечных проводников, мы можем вычислить следующий интеграл:

B avg = 1 r ∫ d r − d B (s) d s = μ 0 I 2 π r ∫ d r − d (1 s + 1 r − s) d s = μ 0 I π r ln ⁡ r − d d ≈ μ 0 I π r ln ⁡ r d {\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 I d B {\displaystyle IdB} ; предполагая ширину снаряда-проводника r {\displaystyle r} , мы получим:

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

Формула основывается на допущении, что расстояние l {\displaystyle l} между точкой, в которой измеряется сила F {\displaystyle F} , и началом рельсов больше, чем расстояние между рельсами ( r {\displaystyle r} ) в 3-4 раза ( l > 3 r {\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, но возникла бы ускоряющая сила , разгоняющая его вперёд. На снаряд или плазму 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 ,
- 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, может использоваться полимер в сочетании с проводящей средой, в качестве источника питания - батарею высоковольтных электрических конденсаторов , которая заряжается от ударных униполярных генераторов , компульсаторов, и прочих источников электрического питания с высоким рабочим напряжением, а самому снаряду перед вхождением на рельсы стараются придать как можно большую начальную скорость, используя для этого пневматические или огнестрельные пушки . В тех рельсотронах, где снарядом является проводящая среда, после подачи напряжения на рельсы снаряд разогревается и сгорает, превращаясь в токопроводную плазму , которая далее также разгоняется. Таким образом, рельсотрон может стрелять плазмой, однако вследствие её неустойчивости она быстро дезинтегрируется . При этом необходимо учитывать, что движение плазмы, точнее, движение разряда (катодные, анодные пятна), под действием силы 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

Использование рельсотрона исключает необходимость хранить на кораблях боезапас обычных снарядов, что повышает живучесть корабля .
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.
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.
Высокая скорость снаряда позволяет использовать рельсотрон в качестве средства ПВО . Скорость снаряда перспективной пушки, испытания которой планировались на 2016 год , должна была составить 6 , что существенно ниже многих зенитных ракет (9 М для одной из ракет С-300 В4) , маневрирование снаряда невозможно; на практике удалось достичь лишь скорости 3,6 М .
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 км.
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 килограмм - ноль, единственная разница - в росте дальности из-за сочетания массы, скорости и, в первую очередь, сократившихся размеров, что снижает аэродинамическое сопротивление). Кинетическая энергия снаряда при пробитии не передаётся сверх необходимого для преодоления преграды именно в силу высокой скорости снаряда. Т.е. если снаряд имеет энергию 3 единицы, а чтобы пробить мишень, хватает 1 единицы, то снаряд пробивает дырку и с оставшейся энергией движется дальше. У него нет заряда, поэтому всё воздействие на цель ограничивается пробитием в ней дырки. Правда, при очень высоких скоростях тут есть нюансы, но по поражающему действию они несравнимы со взрывчаткой. [прояснить ] [ ]

Преимущества

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.

Программа ВМС США

Разработки в России

По данным первого зампреда комитета Совета Федерации по обороне и безопасности Франца Клинцевича , 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.

Неужели резерв для дальнейшего развития разных видов оружия близок к исчерпанию и придать ему новый импульс способно только появление его разновидностей, действующих на основании совершенно иных физических принципов? Да, это так, но первые кандидаты на роль оружия будущего уже имеются. Наиболее перспективными из них считаются "рельсотроны".

Сегодня у публицистов и футурологов стало хорошим тоном рассказывать про остановку прогресса. "Техническая история человечества, — говорят они — прекратила течение свое. В каждое новое открытие приходится вкладывать миллионы денег, сотни тысяч человеко-часов, а прогресс в результате уже не идет семимильными шагами, а ползет с скоростью миллиметр в год ".

В отношении огнестрельного оружия это утверждение отчасти кажется справедливым. Если мысленно положить рядом китайское "огненное копье" X века (бамбуковую палку с трубкой., начиненную порохом и камешками) и современную штурмовую винтовку — прогресс кажется очевидным. А уж если мысленно поставить неподалеку, скажем, французскую кулеврину "Убийцу" образца XIV века и САУ "Коалиция -СВ", то все эти орудия из музеев и вовсе начинают казаться чем-то вроде дубины неандертальца.

А вот если "разобрать и посмотреть что там внутри", то выяснится что огнестрельное оружие за 7 веков своего развития прошло куда меньший путь чем авиация со времен опытов Бартоломеу де Гусмана и полета братьев Монгольфье, и никаких "революций", подобных появлению летательных аппаратов тяжелее воздуха в его истории не наблюдалось. Фактически и САУ "Коалиция" и "огненное копье" используют один и тот же принцип — вместо мускульной или механической энергии, снаряд в сторону противника выбрасывается при помощи газа, образующегося в ограниченном объеме в ходе химической реакции самоокисления, то есть сгорания вещества, из которого состоит метательный заряд. Все инновации в этой области можно пересчитать по пальцам: многовековая эволюция системы заряжания от засыпки пороха прямо в ствол до унитарных зарядов, путь от вставлявшегося в отверстие фитиля до современной автоматики, обеспечивающей скорострельность в 6000 выстрелов в минуту, нарезка канала ствола, изобретение нитроцеллюлозы и баллистита…

Сегодня инженерная мысль нацелена на решение трех основных проблем: полного сгорания гильзы, совершенствования активно-реактивных боеприпасов и создания пуль с корректируемой траекторией полета для ручного огнестрельного оружия. Общий принцип остается точно таким же, каким он был в X веке. Резерв для дальнейшего развития и модернизации близок к исчерпанию и придать развитию новый импульс способно только появление оружия, действующего на основании совершенно иных физических принципов.

Первую попытку сойти в сторону с проторенного пути предпринял не кто иной, как Леонардо да Винчи, предложивший выталкивать снаряд из ствола при помощи пара. С тех пор паровую пушку пытались изобрести неоднократно, но каждый новый образец по своим баллистическим характеристикам, надежности и сложности изготовления бесславно проигрывал соревнование с "традиционными" пороховыми системами. Скорострельность наиболее известного экземпляра отечественного парового орудия — 7-линейной (17,5 мм) пушки Карелина по меркам 1829 года, была впечатляющей — 50 выстрелов в минуту и все равно она осталась экспонатом Артиллерийского музея в Санкт-Петербурге, существующим в единственном экземпляре. Такая же судьба постигла и современную ей паровую пушку Перкинса, делавшую на 10 выстрелов в минуту больше.

Интереснее сложилась история орудий, принцип действия которых основывался на выталкивании метательного снаряда из ствола при помощи силы сжатого газа. Но, несмотря на то, что дело дошло до вооружения специальных подразделений и даже до корабельной артиллерии, понятие "пневматика" у нас в большей степени ассоциируется в основном с игрушечным, спортивным и охотничьим оружием, но никак не с боевым. Почему так сложилось — тема для отдельной публикации, пока лишь можно заметить, что одним из важнейших препятствий на пути внедрения "воздушек" стал непреложный закон, выявившийся в ходе конструирования всех подобных систем: при достижении баллистических характеристик сходных с пороховым аналогом, вес пневматического орудия увеличивается в три раза.

Одним словом, ни пар, ни сжатый газ на роль "оружия будущего" не подходят хотя бы потому, что основной принцип действия паровых пушек и пневматики фактически просто имитирует порох другими средствами. Период бурного развития науки и техники в конце XIX-первой половине XX века породил совершенно новые концепции того, чем предстоит заменить привычный "огнестрел", но их практическое воплощение пока что остается уделом авторов фантастических романов и создателей компьютерных игр. Инженерная мысль пока лишь осторожными шагами приближается к практическому воплощению оружия на новых физических принципах и существует оно,в основном, в виде лабораторных установок. Но "тройка лидеров" уже определилась — это лазер, пушка Гаусса и рельсовая пушка, она же "рельсовый ускоритель массы".

"Рельсотроны" и "гауссы" наиболее близки к нашим устоявшимся представлениям об оружии. Поражение цели в них осуществляется материальным снарядом, а не "лучами смерти", действенность которых ограничивается прежде всего самой атмосферой Земли, и, например, тем, что человеческое тело более чем на 70% состоит из воды, нагреть которую тепловым лучом на порядок сложнее. Зато электромагнитное оружие, способное выбросить снаряд со скоростью почти девятикратно превышающей скорость звука дает множество неоспоримых преимуществ в сравнении с "традиционным" огнестрелом.

"Гауссы", несмотря на внешнюю простоту схемы пока что безнадежно проигрывают соревнование "рельсотронам" и, скорее всего, боевое оружие, основанное на данном принципе вряд ли появится вообще. Разгон снаряда обеспечивается за счет прохождения пули, сделанной из электропроводящего материала, по стволу из диэлектрика, через ряд создающих магнитное поле катушек. На примере домашних поделок, способных загнать гвоздик в мишень для дартса с расстояния в несколько метров, выглядит эффектно, но при этом дает крайне низкий КПД (1-2 процента).

Даже при применении многоступенчатой системы разгона с последовательным переключением катушек, в кинетическую энергию переходит только 27 процентов заряда (для сравнения — у современного огнестрельного оружия этот показатель колеблется в районе 30-35 процентов). Достаточно высокий расход энергии в сочетании с большим весом установки и относительно низкой разгонной скоростью снаряда, делает развитие "гауссов" делом бесперспективным, по крайней мере — на нынешнем уровне технологий.

Схема рельсовых ускорителей дает конструкторам оружия будущего куда больше преимуществ над порохом, в первую очередь за счет возможности разгонять сверхмалые массы до сверхвысоких скоростей. В общем виде схема выглядит следующим образом: по двум электродам, подключенным к источнику постоянного тока, силой воздействия электромагнитного поля разгоняется, снаряд, одновременно замыкая цепь. Сам принцип, согласно которому электрическая энергия переходит в кинетическую в физике называется "силой Лоренца" .

Первый патент на рельсовое оружие был получен французом Андрэ Луи-Октавом Фошоном Виепле еще в 1902 году. Испытания проводились с 1916 по 1918-й год, причем велись крайне небрежно, измерения силы тока и начальной скорости снаряда не проводились, и в результате удалось установить только саму возможность создания такого оружия.

Во время следующей мировой войны трофейными материалами по рельсовым пушкам заинтересовалось руководство германского Управления вооружений, судорожно хватавшееся за любой проект, который мог бы сыграть роль чудо-оружия. Тема по электромагнитному оружию (включавшая как рельсотроны, так и пушки Гаусса) была поручена доктору Иоахиму Хэнслеру, испытания проводились в 1944-45 годах в железнодорожном тоннеле близ города Клайс в Верхней Баварии. Первый созданный группой Хэнслера прототип рельсовой пушки LM-2 с длиной направляющих в 2 метра разгонял алюминиевый цилиндр весом в 10 граммов до скорости в 1080 м/с; при наращивании длины ствола вдвое, скорость возросла до 1200 м/c. Для сравнения — лучшее германское зенитное орудие периода Второй мировой войны — 12,8 sm. Flak 40 имело начальную скорость всего в 880 м/c.

Неудивительно что результатами испытаний очень заинтересовалось командование Люфтваффе, выдавшее Хэнслеру заказ на рельсовое зенитное орудие, способное вести огонь снарядами, содержащими по полкило взрывчатого вещества, со скоростью разгона в 2000 м/c и скорострельностью в 10-15 выстрелов в минуту. Однако такое орудие так и не было построено, а прототип LM-2 в 1945 году был захвачен американцами, выдавшими после новой серии испытаний следующее заключение: баллистические характеристики безусловно выдающиеся, однако для каждого выстрела требуется количество электроэнергии, "которого хватило бы на освещение половины Чикаго".

И тем не менее попытки продолжались. Новые модели рельсотронов разрабатывались в США, Австралии, Великобритании, СССР и даже в Югославии. Но о том что эпоха оружия без пороха все-таки уже видна на горизонте, все заговорили только после того, как 10 декабря 2010 года в США успешно прошли испытания рельсовой пушки разработки компании BAE Systems мощностью в 33 мегаджоуля с начальной скоростью снаряда в 2520 м/с. С тех пор прототип успел сделать более десятка тысяч выстрелов (видео можно посмотреть на Youtube) и речь уже идет об установке первого поколения таких орудий на эсминцы типа DDG-1000 Zumwalt.

Скорость снаряда в дальнейшем планируется довести до 5,8 тысячи м/c, скорострельность — до 6-15 выстрелов в минуту, а дальность прицельного огня — до 370 километров. Мощность приэтом возрастет до 64 мегаджоулей и энергии такая установка будет потреблять не менее 16 Мвт, что существенно даже по меркам корабельных 72 Мвт газотурбинных генераторов, которые планируется установить на "Цумвальты". Пока же энергетическая установка, необходимая для произведения выстрела из рельсотрона, занимает небольшой зал в Центре разработки надводного вооружения ВМС США Дальгрен, где проходят его испытания. Судя по тому, что программу до сих пор не подвели под сокращение военного бюджета — результаты были признаны значимыми и появления рельсовых орудий на вооружении американского флота следует ожидать в течении 10-15 лет.

В России разработкой рельсового оружия занимаются ученые из Шатурского филиала Объединенного института высоких температур РАН, причем там пошли по пути несколько отличному от американского. Создатели отечественной "рельсы", не мудрствуя лукаво, решили что все новое — это хорошо забытое старое и предложили для решения проблемы подачи энергии устройство, в чем-то напоминающее о привычных нам артиллерийских снарядах. Роль гильзы с порохом в "рельсотроне Арцимовича" играет взрывомагнитный генератор, полное сгорание которого создает мощный электромагнитный импульс, необходимый для разгона снаряда силой Лоренца.

Внутри генератора находится… еще одна пушка, на сей раз — электротермическая, в которую изначально и помещен снаряд. От рельсовой пушки она отличается отсутствием собственно "рельс", разгон осуществляется при помощи давления, создаваемого мгновенным выбросом высокотемпературной плазмы. Кадры с испытаний, хоть и выглядят не столь красочно как у американцев, тем не менее, впечатляют: отлитая из легких полимеров пулька весом всего в 2 грамма насквозь прошибает несколько поставленных в ряд мишеней из сплава стали с дюралем, оставляя в каждой из них огромные рваные дыры.

Сотрудники шатурского филиала, кстати, предлагают использовать свои "гильзы" отдельно от рельсовой пушки — в качестве боевых частей зенитных ракет, что даст возможность не только наносить воздушным целям физические повреждения, но и выжигать всю их электронную "начинку" импульсом от подрыва взрывомагнитного генератора.

На сей оптимистической ноте заставим фанфары умолкнуть и поговорим о тех проблемах, к решению которых разработчики "рэйлганов" и "рельсотронов" еще не приступали. Источниками энергии их список далеко не исчерпывается, для нового оружия понадобятся еще и новые материалы. Дело в том что пресловутая сила Лоренца в момент выстрела действует не только на снаряд, но еще и на сами рельсы, стремясь развести их в разные стороны. Кроме того, разгоняющийся снаряд от нагревания расширяется и, ускоряясь, буквально снимает с рельсов стружку.

Направляющие у американской пушки сделаны из покрытой серебром бескислородной меди, и после каждых двух-трех выстрелов их приходится менять, так что скорострельность в 10-15 выстрелов в минуту может быть достигнута лишь теоретически. Кроме того, не очень понятно из чего должен быть сделан снаряд, учитывая что даже наиболее тугоплавкие из используемых нами материалов, на скорости, превышающей 7500 м/с, попросту разрушаются от трения о воздух, превращаясь в сгустки плазмы. А еще придется создать совершенно иные системы наведения и прицелы, пригодные для решения задачи "попасть пулей в пулю". Работы, как говорится — непочатый край.

Осталось ответить на последний вопрос — а зачем вообще все это нужно? Зачем тратить огромные средства на создание оружия на новых физических принципах, если существуют проверенные сотнями войн пороховые пушки и винтовки для которых, к тому же, активно разрабатываются "умные" снаряды и пули, способные достать цель практически при любых обстоятельствах?

Главное преимущество "рельсового оружия" заключается в его способности поражать цель снарядом относительно малого калибра на скорости, превышающей скорость распространения звука в материале, из которого состоит эта цель. И, разумеется, в возможности регулировать скорость полета снаряда в зависимости от того эффекта, которого мы хотим добиться.

К примеру при стрельбе из "рэйлгана" по танку по желанию можно будет пробить броню, устроить взрыв на ее поверхности или добиться такой силы соударения, что снаряд превратится в поток ионизированных частиц, гарантированно уничтожающих всю электронику, а заодно и весь экипаж. Того же эффекта можно будет добиться и при стрельбе по укрытым живым целям.

Еще можно будет создать зенитные орудия для того чтобы "снимать" спутники с низкой орбиты. И рельсовые катапульты для того чтобы их же туда запускать. Как видите, осталось всего-то навсего решить пару десятков физических и инженерных проблем — и будущее уже не за горами.

Принцип действия

Принцип действия.

Рельсотрон состоит из двух параллельных электродов, называемых рельсами, подключенных к источнику мощного постоянного тока. Разгоняемая электропроводная масса располагается между рельсами, замыкая электрическую цепь, и приобретает ускорение под действием силы Лоренца , которая возникает при замыкании цепи в возбужденном нарастающим током магнитном поле . Сила Лоренца (cила Ампера) действует и на рельсы, приводя их к взаимному отталкиванию. Иногда используется подвижная арматура , соединяющая рельсы.

Преимущества и недостатки

С изготовлением рельсотрона связан ряд серьёзных проблем: импульс тока должен быть настолько мощным и резким, чтобы снаряд не успел испариться и разлететься, но возникла бы ускоряющая сила, разгоняющая его вперед. На снаряд или плазму действует сила Лоренца , поэтому сила тока важна для достижения необходимой индукции магнитного поля и важен ток, протекающий через снаряд перпендикулярно силовым линиям индукции магнитного поля. При протекании тока через снаряд, материал снаряда (часто используется ионизированный газ сзади легкого полимерного снаряда) и рельса должны обладать:

как можно более высокой проводимостью ,
снаряд - как можно меньшей массой ,
- 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, может использоваться полимер в сочетании с проводящей средой, в качестве источника питания - батарею высоковольтных электрических конденсаторов которая заряжается от генератора Маркса , ударных униполярных генераторов, компульсаторов, и прочих источников электрического питания с высоким рабочим напряжением, а самому снаряду перед вхождением на рельсы стараются придать как можно большую начальную скорость , используя для этого пневматические или огнестрельные пушки . В тех рельсотронах, где снарядом является проводящая среда, после подачи напряжения на рельсы снаряд разогревается и сгорает, превращаясь в токопроводную плазму , которая далее также разгоняется. Таким образом, рельсотрон может стрелять плазмой, однако вследствие её неустойчивости она быстро дезинтегрируется. При этом необходимо учитывать, что движение плазмы, точнее, движение разряда (катодные, анодные пятна), под действием силы Лоренца возможно только в воздушной или иной газовой среде не ниже определенного давления, так как в противном случае, например, в вакууме, плазменная перемычка рельсов движется в направлении обратном силе Лоренца - т. н. обратное движение дуги. При использовании в рельсотронных пушках непроводящих снарядов, снаряд помещается между рельсами, сзади снаряда тем или иным способом между рельсами зажигается дуговой разряд , и тело начинает ускоряться вдоль рельсов. Механизм ускорения в этом случае отличается от вышеизложенного: сила Лоренца прижимает разряд к задней части тела, которая, интенсивно испаряясь, образует реактивную струю, под действием которой и происходит основное ускорение тела.

Существующие образцы

Испытания рельсотрона в Naval Surface Warfare Center, ВМС США, январь 2008 года

Первый крупный рельсотрон был спроектирован и построен в 1970-х годах Джоном П. Барбером из Канады и его научным руководителем Ричардом А. Маршаллом из Новой Зеландии в Исследовательской школе физических наук Австралийского национального университета .

В середине 80-х советскими учёными был создан прототип рельсотрона который на данный момент мощнее аналогичных систем нашего времени. Скорость снаряда изготовленного из пластмассы размером сравнимым с бутылочной пробкой достигала 9960м/с и прошибала 3 слоя дюралюминия толщиной 4 см. [источник? ]

К 2018 году планируется произвести первые испытания на воде. К 2020 году эти орудия должны поступить на вооружение строящихся в США эсминцев типа «Замволт» , их модульная конструкция и электрическая трансмиссия рассчитывались с учетом перспективного ЭМ-вооружения. К 2025 году планируется достичь дульной энергии 64 МДж.

В массовой культуре

В литературе

В книгах серии Halo рельсотронами оборудованы некоторые космические корабли людей.
В фантастической книге Армагеддон серий Империя автор Роман Злотников описывает рельсовые станковые пулемёты а также пушки установленные на доспехах Латников

Кинематограф

В фильме «Трансформеры: Месть падших » рельсотрон установлен на корабле ВМС США.
В фильме «Стиратель » протагонист борется с нелегальным распространением ручных рельсотронов.
В сериале «Звездные врата SG-1 » на земные корабли устанавливались рельсотроны.
В аниме и манге «To Aru Majutsu no Index » эспер Мисака Микото благодаря своей силе может использовать способность схожую с выстрелом рельсотрона.
В фильме «Терминатор » сам терминатор стреляет из двух рельсотронов

Компьютерные игры

В Quake II , Quake III Arena и Quake 4 рельсотрон стреляет снарядами из обедненного урана и является популярным снайперским оружием вследствие высокой точности стрельбы и убойной силы. Во всех трех играх выстрел имеет характерный закрученный винтом дымный след (в Quake III Arena - опционально).
В игре Mass Effect 3 спаренные рельсотроны представляют собой колоссальное оружие класса "земля-космос", установленные на родине расы кроганов - планете Тучанка.
В игре Eve Online рельсотроны являются штатным оружием рас Галленте и Калдари.
В игре Санитары подземелий также используется рельсотрон. Подразумевается, что это «тот самый» Рэйлган из Quake.
В Command & Conquer: Tiberian Sun рельсотроном вооружены GDI Mammoth Mk. 2 и ghost stalker. Также рельсотрон присутствует в Command & Conquer: Renegade .
В Command & Conquer 3: Tiberium Wars и Command & Conquer 3: Kane"s Wrath рельсотрон можно установить на танки: "Мамонт" и "Раптор", оборонительную структуру GDI "Гуардиан" им вооружены штурмовики по умолчанию, а также он добавляется на эпический юнит СТ-ТМ.
В Metal Gear Solid рельсотроном вооружен передвижной пусковой комплекс Metal Gear REX; в Metal Gear Solid 2: Sons of Liberty и Metal Gear Solid 4: Guns of the Patriots встречается переносной рельсотрон, причём в последней он доступен игроку в качестве личного оружия.
В Warhammer 40000 рельсотроны используются Империей Тау.
Рельсотрон ("Рельса") присутствует в Танки Онлайн
В играх серии Red Faction (первой и второй части) в качестве личного переносного вооружения присутствует рельсотрон («railgun» / «rail driver»), а в третьей части (Red Faction: Guerrilla) - болтер («bolter»), по принципу действия напоминающий рельсовую пушку.
В игре Metro 2033 в качестве личного переносного вооружения присутствует рельсотрон.
В MMOTPS игре S4 League в качестве снайперского оружия используется рейлган.
В игре Ace Combat X2: Joint Assault присутствует вражеский рельсотрон, способный стрелять на огромное расстояние.
В игре Duke Nukem Forever есть рельсотрон со снайперским прицелом.
В игре Shadow_Warrior есть прекрасно выглядящий и довольно мощный рэйлган.
В игре Warzone 2100 можно разработать и использовать как рельсотроны, так и пушки Гаусса (впрочем, судя по описанию и внешнему виду, все они на самом деле - разновидности пушки Гаусса).
В игре Resident Evil 3: Nemesis главная героиня Джил уничтожает выстрелом из рельсотрона финального босса.
Космическая стратегия «Sins of a Solar Empire » демонстрирует путаницу между рельсотроном и пушкой Гаусса во всей красе: линкоры и стационарные спутники-батареи оснащены «рельсовыми пушками Гаусса» (англ. Gauss Rail Guns ).
В игре (Galaxy on fire 2) в качестве основного оружия

Пушка Гаусса (англ. Gauss gun , Gauss cannon ) — одна из разновидностей электромагнитного ускорителя масс. Названа по имени учёного Гаусса, исследовавшего физические принципы электромагнетизма, на которых основано данное устройство.

Принцип действия

Пушка Гаусса состоит из соленоида, внутри которого находится ствол (как правило, из диэлектрика). В один из концов ствола вставляется снаряд (сделанный из ферромагнетика). При протекании электрического тока в соленоиде возникает магнитное поле, которое разгоняет снаряд, «втягивая» его внутрь соленоида. Снаряд при этом получает на концах полюса симметрично полюсам катушки, из-за чего после прохода центра соленоида снаряд притягивается в обратном направлении, т.е. тормозится. Но если в момент прохождения снаряда через середину соленоида отключить в нём ток, то магнитное поле исчезнет, и снаряд вылетит из другого конца ствола. Но при выключении источника питания в катушке образуется ток самоиндукции, который имеет обратное направление тока, и поэтому меняет полярность катушки. А это значит, что при резком выключении источника питания снаряд, пролетевший центр катушки, будет отталкиваться и получать ускорение дальше. В ином случае, если снаряд не достиг центра, он будет тормозиться.

Для наибольшего эффекта импульс тока в соленоиде должен быть кратковременным и мощным. Как правило, для получения такого импульса используются электрические конденсаторы. Если используется полярный конденсатор (напр. на электролите), то в цепи обязательно должны быть диоды, которые защитят конденсатор от тока самоиндукции и взрыва.

Параметры обмотки, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при выстреле к моменту подлета снаряда к середине обмотки ток в последней уже успевал бы уменьшится до минимального значения, то есть заряд конденсаторов был бы уже полностью израсходован. В таком случае КПД одноступенчатой пушки Гаусса будет максимальным.

Расчёты

Энергия запасаемая в конденсаторе

V - напряжение конденсатора (в Вольтах)
C - ёмкость конденсатора (в Фарадах)

Энергия запасаемая при последовательном и параллельном соединении конденсаторов равна.

Кинетическая энергия снаряда

m - масса снаряда (в килограммах)
u - его скорость (в м/с)

Время разряда конденсаторов

Это время за которое конденсатор полностью разряжается. Оно равно четверти периода:

L - индуктивность (в Генри)
C - ёмкость (в Фарадах)

Время работы катушки индуктивности

Это время за которое ЭДС катушки индуктивности возрастает до максимального значения (полный разряд конденсатора) и полностью падает до 0. Оно равно верхнему полупериоду синусоиды.

L - индуктивность (в Генри)
C - ёмкость (в Фарадах)

Преимущества и недостатки

Пушка Гаусса в качестве оружия обладает преимуществами, которыми не обладают другие виды стрелкового оружия. Это отсутствие гильз и неограниченность в выборе начальной скорости и энергии боеприпаса, а так же скорострельности орудия, возможность бесшумного выстрела (если скорость снаряда не превышает скорости звука) в том числе без смены ствола и боеприпаса, относительно малая отдача (равная импульсу вылетевшего снаряда, нет дополнительного импульса от пороховых газов или движущихся частей), теоретически, больша́я надежность и износостойкость, а так же возможность работы в любых условиях, в том числе космического пространства.

Однако, несмотря на кажущуюся простоту пушки Гаусса и её преимущества, использование её в качестве оружия сопряжено с серьёзными трудностями.

Первая трудность — низкий КПД установки. Лишь 1-7 % заряда конденсаторов переходят в кинетическую энергию снаряда. Отчасти этот недостаток можно компенсировать использованием многоступенчатой системы разгона снаряда, но в любом случае КПД редко достигает даже 27 %. Поэтому пушка Гаусса по силе выстрела проигрывает даже пневматическому оружию.

Вторая трудность — большой расход энергии (из-за низкого КПД) и достаточно длительное время перезарядки конденсаторов, что заставляет вместе с пушкой Гаусса носить и источник питания (как правило, мощную аккумуляторную батарею). Можно значительно увеличить эффективность, если использовать сверхпроводящие соленоиды, однако это потребует мощной системы охлаждения, что значительно уменьшит мобильность пушки Гаусса.

Третья трудность (следует из первых двух) — большой вес и габариты установки, при её низкой эффективности.

Таким образом, на сегодняшний день пушка Гаусса не имеет особых перспектив в качестве оружия, так как значительно уступает другим видам стрелкового оружия. Перспективы возможны лишь в будущем, если будут созданы компактные, но мощные источники электрического тока и высокотемпературные сверхпроводники (200—300К).

RailGun

Рельсовая пушка (англ. Railgun ) — форма оружия, основанная на превращении электрической энергии в кинетическую энергию снаряда. Другие названия: рельсовый ускоритель масс, рельсотрон, рейлган (Railgun). Не путать с пушкой Гаусса.

Принцип действия

Рельсовая пушка использует электромагнитную силу, называемую силой Ампера, чтобы разогнать электропроводный снаряд, который изначально является частью цепи. Иногда используется подвижная арматура, соединяющая рельсы. Ток I , идущий через рельсы, возбуждает магнитное поле B между ними, перпендикулярно току, проходящему через снаряд и смежный рельс. В результате происходит взаимное отталкивание рельсов и ускорение снаряда под действием силы F .

Преимущества и недостатки

С изготовлением рельсотрона связан ряд серьёзных проблем: импульс тока должен быть настолько мощным и резким, чтобы снаряд не успел бы испариться и разлететься, но возникла бы ускоряющая сила, разгоняющая его вперед. Поэтому материал снаряда и рельс должен обладать как можно более высокой проводимостью, снаряд как можно меньшей массой, а источник тока как можно большей мощностью и меньшей индуктивностью. Однако особенность рельсового ускорителя в том, что он способен разгонять сверхмалые массы до сверхбольших скоростей. На практике рельсы изготавливают из бескислородной меди, покрытой серебром, в качестве снарядов используют алюминиевые брусочки или проволоку, в качестве источника питания — батарею высоковольтных электрических конденсаторов, генераторы Маркса, ударные униполярные генераторы, компульсаторы, а самому снаряду перед вхождением на рельсы стараются придать как можно большую начальную скорость, используя для этого пневматические или огнестрельные пушки. В тех рельсотронах, где снарядом является проволока, после подачи напряжения на рельсы проволока разогревается и сгорает, превращаясь в токопроводную плазму, которая далее также разгоняется. Таким образом рельсотрон может стрелять плазмой, однако вследствие её неустойчивости она быстро дезинтегрируется.

Американская компания «General Atomics Electromagnetic Systems (GA-EMS)» сообщила на своем сайте об успешных испытаниях пушки-рельсотрона. Тестовые стрельбы производились на наземном полигоне «Dugway» в штате Юта.

Рельсотрон (английское название - railgun), или рельсовый ускоритель масс «Blitzer» с дульной энергией (muzzle velocitie) около трех мегаджоулей выпустил на полигоне пять снарядов класса «guidance electronics unit» (GEU) с высоким начальным ускорением. Сообщается, что снаряды и их критические компоненты показали стабильную и устойчивую «работу» как в электромагнитной среде внутри рельсотрона, так и в полёте.

стати, само словечко «рельсотрон» придумал знаменитый советский физик академик Л.Арцимович.

General Atomics — компания США, занимающаяся проектами в области ядерных технологий и оборонными заказами. Расположена в Сан-Диего, Калифорния. General Atomics разрабатывает широкий спектр систем: от частей цикла ядерного топлива до БПЛА, авиационных сенсоров, современной электроники и лазерных технологий.

Группа электромагнитных систем (EMS, Electromagnetic Systems Group), занимается поставками для оборонных, энергетических и коммерческих применений. В частности, производит линейные двигатели, сверхпроводящие и обычные электродвигатели, инверторы, оборудование для высоковольтных систем и другие приборы конвертации, запасания и передачи энергии. Также EMS разрабатывает электромагнитные системы запуска и торможения летательных аппаратов (EMALS и AAG), электромагнитные пушки (рельсотрон «Blitzer» для ВМФ США и армии, и транспортные системы Maglev.

Компания разработала и успешно испытала два рельсотрона: один, мощностью в 3 МДж по своей инициативе, и второй, мощностью 33 МДж - по заказу Пентагона. Разработан и построен также источник электромагнитных импульсов для обоих орудий и разрабатывается снаряд для противовоздушной и противоракетной обороны и для высокоточной стрельбы.

Рельсотрон — импульсный электродный ускоритель масс, принцип действия которого объясняется с помощью силы Лоренца, направленной на расширение (расталкивание) замкнутого проводника с током и превращающей электрическую энергию в кинетическую энергию. Является перспективным оружием.

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

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

Рельсотрон теоретически имеет несомненные преимущества как перед обычными пушками, так и перед ракетами. Рельсотрон разгоняет снаряды до такой громадной скорости, что не нужен даже пороховой заряд. Дульная скорость рельсотронного снаряда массой не свыше 100 граммов может быть 6-10 километров в секунду, Напомним, что это почти вторая космическая скорость (11.2км/с.), что делает траекторию снаряда настильной на очень большом расстоянии. Уже существующие рельсотроны могут стрелять на расстояние до 180 километров, а в перспективе планируется дальность 400 километров.

На таком расстоянии сейчас можно стрелять только ракетами, которые стоят миллионы долларов, кроме того их научились перехватывать.

А трехкилограммовая стальная болванка, летящая со скоростью в семь раз быстрее звука, может потопить крупный корабль за счет своей кинетической энергии. Конечно, попасть с расстояния не то что в несколько сот, даже в несколько десятков километров в движущийся объект непросто.

Простой пример:

Если дистанция стрельбы 180 км, а средняя скорость снаряда 2,5 км/с, то подлетное время составит 72 с. То есть снаряд, выпущенный из «рельсы» с дульной скоростью в 7км/с, долетит до цели через минуту с небольшим.
Скорость атомного ракетного крейсера «Петр Великий» 32 узла или чуть больше 16м/с.
Таким образом за время полета снаряда корабль пройдет 1152 метра на полной ходу или 576 метра на крейсерской скорости. С учетом того, что длина крейсера 262 метра, а снаряд неуправляемый, то стальная болванка промахнется на несколько сот метров.