Пo рельсам в ад: cверхзвуковой экспресс смерти

Рельсотрон напоминает игрушечную железную дорогу для взрослых: по параллельным рельсам так же течет электрический ток, только вместо поезда по ним несется сверхзвуковой экспресс смерти.

Скорость снаряда, вылетающего из ствола огнестрельного орудия, теоретически ограничена тепловой скоростью молекул сгорающего пороха — около 2 км/с. Даже если все молекулы разом забудут о броуновском движении и организованно бросятся толкать снаряд, он не полетит быстрее. На практике результаты в 1,2−1,5 км/с для традиционных видов вооружений уже считаются выдающимися.

Испытания электромагнитной пушки в исследовательской лаборатории ВМС США в Далгрене, состоявшиеся 31 января этого года, прогремели на весь мир. Самый мощный в мире рельсотрон (он же рэйлган — этот английский термин знаком любому поклоннику компьютерных игр и фантастических фильмов) разогнал снаряд массой более 3 кг до скорости 2,52 км/с. Энергия выстрела составила 10,64 мегаджоуля, и это только треть от номинального энергетического потенциала орудия. 2,5 км/с — далеко не предел для электромагнитного оружия. В теории рельсотроны могут разгонять тела до десятков километров в секунду. Лабораторные установки для исследования высокоскоростного удара отправляют в цель частицы массой менее 1 г со скоростью до 15 км/с.

Справка из учебника

Направление линий магнитного поля определяется по правилу правого буравчика: если ток течет в направлении от наблюдателя, линии поля направлены по часовой стрелке. Направление силы Лоренца определяется правилом левой руки: если расположить руку по направлению течения тока так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, большой палец укажет направление силы.

На волне интереса

Хотя сила Ампера, положенная в основу работы рельсотрона, известна физикам с середины XIX века, более ста лет никто даже не помышлял о подобной конструкции и тем более о ее применении для практических целей (по причине отсутствия достаточно мощных импульсных источников энергии). Только в 1952 году профессор Университета Тафтса, американец Уинстон Бостик, опубликовал статью, в которой описал формирование «плазмоидов» — плазменных колец, возникающих при разряде между двумя титановыми электродами, насыщенными водородом, и выталкиваемых из пластиковой трубки магнитным полем. Хотя схема этого устройства была очень далека от современного рельсотрона, можно сказать, что это было первой ласточкой (в 1956 году газета New York Times посвятила первую страницу «плазменной пушке» Бостика, хотя сам он называл это устройство «пуговицей»). В 1955 году по другую сторону Атлантики, в СССР, молодой ученый Алексей Морозов (будущий разработчик электроракетных плазменных двигателей — см. «ПМ» № 12'2005) отослал в Журнал экспериментальной и теоретической физики (ЖЭТФ) статью «Об ускорении плазмы магнитным полем». В 1957 году она была опубликована и вызвала большой интерес в профессиональных кругах. В этой статье был описан ускоритель плазмы, состоящий из двух проводников (между которыми формировалась дуга), находящихся в постоянном магнитном поле. А через полгода в ЖЭТФ вышла статья Льва Арцимовича «Электродинамическое ускорение сгустков плазмы», в которой он предлагал использовать собственное магнитное поле проводников для разгона плазмы — схема, которую сейчас и принято называть рельсотроном. О разгоне значительных масс в виде твердых тел речь не заходила еще несколько десятков лет.

В погоне за магнитным полем

Одна из альтернатив рельсотрона – индукционная пушка, которую чаще называют пушкой Гаусса в честь ученого Карла Фридриха Гаусса, исследовавшего физические принципы электромагнетизма. В основе ее конструкции лежит серия соленоидов, надетых поверх диэлектрического ствола. При подаче электрического импульса на соленоид металлический снаряд устремляется к его центру. В момент подлета к центру катушки питание переключается на следующий соленоид. В погоне за движущимся магнитным полем снаряд разгоняется до сопоставимых с рэйлганом скоростей. К неоспоримым преимуществам пушки относится самолевитация снаряда внутри ствола и, как следствия, отсутствие потерь на трение и минимальная абляция ствола. Но центровка снаряда в стволе и скоростная коммутация катушек при такой скорости и силе тока превращаются в реальные конструктивные проблемы. Гауссова пушка проигрывает рельсотрону и по энергетической эффективности.

В начале 1980-х в Австралии появился импульсный униполярный генератор, который позволил построить действующий образец мощного рельсоторона. С тех пор в США регулярно проходят международные симпозиумы, посвященные электромагнитным ускорителям. В 1980-х перспективы электромагнитного оружия казались бескрайними. В лабораториях разных стран один за другим строились опытные образцы, демонстрирующие все более впечатляющие результаты. Исследованиями в этой области интересовались ученые и специалисты космической отрасли, но больше всех, конечно, вдохновились военные. Неудивительно, что столь интенсивная экспериментальная деятельность достаточно быстро привела разработчиков электромагнитного оружия к технологическому барьеру. Все принципиальные результаты по соотношению скорости и массы снаряда были получены до середины 1990-х. Ожидания ученых и военных по дальнейшему росту показателей не оправдались, и исследователи практически прекратили эксперименты, перейдя к изучению и систематизации физики процесса, моделированию и отработке отдельных технических решений. Им удалось добиться определенного успеха.

Сверхпроводящий соленоид большого адронного коллайдера, построенного Европейской организацией по ядерным исследованиям, запечатлен непосредственно перед охлаждением до температуры 20 К (–253°C).

Любопытно, что в сравнении с результатами экспериментов до 1995 года показатели пушки из Далгрена не выглядят революционными. Скорее орудие можно назвать обобщением предыдущего опыта, выполненным на очень высоком техническом уровне. Чему же мы обязаны таким грандиозным шоу, облетевшим все мировые СМИ? Все очень просто: электромагнитными ускорителями вновь всерьез заинтересовались военные. В марте 2006 года Пентагон заключил 5,5-миллионный контракт с американским подразделением корпорации BAE Armament Systems на разработку и строительство прототипа артиллерийской системы с энергией выстрела 32 МДж. После успешных испытаний компания установит для себя следующую планку — 64 МДж. Ожидается, что скорость снаряда массой в несколько килограммов, выпущенного из этой артиллерийской установки, будет достигать 6 км/с.

Кинетическая смерть

Преимущества орудий с высокой дульной скоростью очевидны. Дальность поражения корабельной электромагнитной пушки, которую ВМС США планируют установить на эсминец нового поколения DD (X), обещает составить около 500 км. Возрастет и точность стрельбы: там, где д"