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

Общие сведения

Термин рельсотрон был предложен в конце 1950-х годов советским академиком Львом Арцимовичем для замены существовавшего громоздкого названия «электродинамический ускоритель массы»^[1]. Причиной разработки подобных устройств, являющихся перспективным оружием^[2], стало то, что, по оценкам экспертов, использование порохов для стрельб достигло своего предела — скорость выпущенного с их помощью заряда ограничена 2,5 км/сек^[1].

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

Теория

В физике рельсотрона модуль вектора силы может быть вычислен через закон Био — Савара — Лапласа и формулу силы Лоренца. Для вычисления потребуются магнитная постоянная (${\displaystyle \mu _{0}}$), диаметр рельс (подразумевается круглое сечение) (${\displaystyle d}$), расстояние между серединами рельс (${\displaystyle r}$) и текущая сила тока в системе (${\displaystyle I}$).

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 выражен формулой:

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

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:

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

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

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

Формула основывается на допущении, что расстояние ${\displaystyle l}$ между точкой, в которой измеряется сила ${\displaystyle F}$, и началом рельс больше, чем расстояние между рельсами (${\displaystyle d}$) в 3-4 раза (${\displaystyle l>3d}$). Также были сделаны некоторые другие допущения; чтобы описать силу более точно, требуется учитывать геометрию рельс и снаряда.

Преимущества и недостатки

Физика

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 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 лёгкого полимерного снаряда) и рельса 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, 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 Лоренца 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 Лоренца — 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 Лоренца прижимает разряд к задней части тела, которая, интенсивно испаряясь, образует реактивную струю, под действием которой и происходит основное ускорение тела^[3].

Тактика

• Использование рельсотрона исключает необходимость хранить на кораблях боезапас обычных снарядов, что повышает живучесть корабля^[4].
• Сравнительно небольшие размеры снарядов для рельсотрона позволяют увеличить боезапас^[4].
• Дальность эффективного огня рельсотрона — до 200 км^[5]
• Высокая скорость снаряда позволяет использовать рельсотрон в качестве средства ПВО^[4]. Скорость снаряда перспективной пушки, испытания которой планировались на 2016 год^[6], должна была составить 6 М, что существенно ниже многих зенитных ракет (9 М для одной из ракет С-300В4)^[7], маневрирование снаряда невозможно. На практике удалось достичь лишь скорости 3,6 М^[8].

Экономика

• Стоимость выстрела рельсотрона существенно ниже таковой для аналогичной по дальности ракеты корабельного базирования: $25 тыс. долл. США против $1 млн.^[4].

История

• 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.^{[источник не указан 715 дней]}

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^[9].

• 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^[9].
• В феврале 2008 года было продемонстрировано орудие с дульной энергией 10 МДж и дульной скоростью 2520 м/с (9000 км/час)^[10]. 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.^[11] 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 мегаджоулях^[12]. 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.^[13]
• В 2015 году планировалось произвести первые испытания на корабле^[4].
• 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 планируется достичь дульной энергии 64 МДж.

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^[14]. Предполагается его использование в Воздушно-космических войсках^[15], а также в космонавтике для вывода на орбиту полезных грузов^[16].

См. также

• Космическая пушка
• Пусковая петля

Примечания