Импульсный униполярный генератор
За небольшой интервал времени (от десятых долей секунды до нескольких секунд) внезапного короткого замыкания цепи якоря генератора часть кинетической энергии, запасенной в процессе разгона, преобразуется в энергию электрического импульса. Первый униполярный генератор изобрел в 1831 г. Майкл Фарадей. Его назвали «Диск Фарадея» (рис. 1). Он содержит проводящий диск, источник постоянного магнитного поля, параллельного оси вращения, один токосъемник на оси диска, другой — у края диска.
В рамках классической электродинамики униполярная индукция может быть объяснена следующим образом: под действием силы Лоренца каждый свободный электрон перемещается внутри тела перпендикулярно направлениям потока магнитной индукции и скорости его перемещения до тех пор, пока в теле не возникнет электрическое поле, препятствующее этому перемещению. В результате при вращении диска возникает э.д.с. между его краем и центром.
В отличие от других электрических машин, такой генератор имеет низкую э.д.с. при низком внутреннем сопротивлении и большом токе. Его также характеризует равномерность получаемого тока и отсутствие необходимости коммутировать его коллектором ротора.
В 1956–1962 гг. в физическом институте Австралийского национального университета был создан под руководством Маркуса Лоренса Элвина Олифанта гигантский импульсный четырехдисковый униполярный генератор с рамочной магнитной системой (рис. 2). Олифант — австралийский физик-экспериментатор, участник Манхэттенского проекта в США по созданию атомной бомбы во время Второй мировой войны. Униполярный генератор в импульсе развивал мощность 1,44 × 106 кВт и давал ток 1,8 × 106 A при напряжении 800 В. Два ротора с вертикальными осями вращались в противоположные стороны со скоростью 900 об/мин. Каждый ротор состоял из двух изолированных друг от друга стальных дисков диаметром 354 см, толщиной 25,4 см и весом 20 т. Общий вес конструкции составлял 1 500 т. Цепь возбуждения питалась от генератора мощностью 750 кВт. При индукции в межполюсном пространстве в 1,6 Вб/м в каждом диске наводилась э.д.с., равная 200 в. Источники соединялись последовательно. Тип токосъемника в генераторе — жидкометаллический на основе натрий-калия. Разгон роторов униполярной машины производился в двигательном режиме при питании ее силовой цепи от выпрямительной установки постоянного тока. Кинетическая энергия двух роторов при скорости их вращения 900 об/мин составляла 600 МДж.
Рельсовая пушка Ричарда Маршалла
В 1977 г. доктор Ричард Маршалл из Новой Зеландии, канадец-докторант Джон Барбер и другие исследователи подсоединили этот чрезвычайно мощный источник тока через блок сопряжения к рельсовой пушке длиной 5 м. Сначала генератор не мог подавать энергию, необходимую рельсовой пушке, поскольку из-за индуктивности ее силовой цепи за время прохождения снаряда в стволе пушки ток не успевал возрасти до своей расчетной величины. Для решения этой задачи они предложили усовершенствованную рельсовую пушку, схема которой приведена на рис. 3, где 1 — катушка индуктивности, 2 — казенник рельсовой пушки, 3 — сердечник, 4 — инициатор дуги, 5 — снаряд, 6 — ключ, 7 — рельсовая пушка.
При подключении разогнанного до большой скорости униполярного генератора к рельсовой пушке и последующем включении его обмотки возбуждения нарастающий ток сначала протекал по цепи «левый рельс казенника 2 — сердечник 3 — правый рельс казенника 2» и ускорял сердечник примерно до скорости 100 м/с. К тому времени, когда сердечник 3 подходил собственно к стволу рельсовой пушки 7, ток через него уже достигал расчетной величины. После того как сердечник 3 перелетал вход в ствол рельсовой пушки 7 (показано пунктиром на рис. 3), ток замыкался по цепи «левый рельс казенника 2 — сердечник 3 — левый рельс пушки 7 — инициатор дуги 4 — правый рельс пушки 7 — правый рельс казенника 2».
Инициатор дуги 4 представлял собой медную фольгу, наклеенную на заднюю стенку снаряда, игравшую роль плавкой вставки. Через 0,3 мс после подачи на нее напряжения плавкая вставка сгорала, превращаясь в электрическую плазму, по которой протекал ток в сотни килоампер (к/А). Плазма устремлялась вперед, толкая, как поршень, перед собой снаряд. В конце периода ускорения снаряда взрывным патроном закрывался ключ 6, обеспечивая рассеивание энергии, запасенной в катушке индуктивности 1 и предотвращая тем самым ее рассеивание в форме деструктивной дуги в дульном срезе пушки.
Маршаллу, Барберу и Рашхлейгу удалось разогнать массу 3,3 г. поликарбоната до скорости 5,9 км/с. Результат был достигнут при весьма умеренных параметрах электрического импульса (290 кА). После этого опыта многим ученым представилось, что при таком подходе можно будет уменьшить тепловые ограничения на получение высоких скоростей.
Индукционный ускоритель масс
В эти же 60-е и в начале 70-х гг. прошлого столетия в СССР профессор (с 1983 г.) Владимир Николаевич Бондалетов и его сотрудники выполнили исследование другого типа ускорителя — индукционного — при использовании в качестве источника энергии конденсаторной батареи. При разряде этой батареи через неподвижную катушку (индуктор) возбуждается импульсное магнитное поле, индуцирующее во второй подвижной катушке (ускоряемом проводнике) ток. Взаимодействие импульсного магнитного поля индуктора с током, индуцированным в проводнике, создает ускоряющую силу. При ускорении алюминиевых шайб массой 10–30 г в импульсном магнитном поле в воздухе были получены скорости более 1 км/с при достижении к.п.д. 28–43 % . Позднее, в 1977 г. плоский кольцевой проводник массой 1–2 г экспериментально ускорялся до 5 км/с при разряде конденсаторной батареи напряжением 30–40 кВ на одноразовый одновитковый индуктор, выполненный из медной шины сечением 6 × 1,4 мм, который, как правило, при разряде взрывался. Это испытание было проведено во Всесоюзном электротехническом институте в Москве.
Электромагнитное баллистическое оружие, Darpa и Сои
В 1980 г. в США Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) провел свой первый симпозиум по электромагнитным запускам. Организатором симпозиума был Гарри Д. Фаер (Harri D. Fair), руководитель группы физиков в «Планкой Арсенал» армии (штат НьюДжерси), начавший заниматься проблемой электромагнитного запуска снарядов в середине 70-х гг. прошлого столетия. Он считал, что «…характеристики химических движителей достигли в пушках и ракетах своих предельных значений, и армии нужны принципиально новые технологии тяги».
Как следствие из выводов, сделанных учеными на этом симпозиуме, Агентство передовых оборонных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) выделило финансирование для проведения исследований в области создания электромагнитного баллистического оружия, а также средств запуска в космос. Интерес к ним определяла низкая расчетная величина расходов по запуску одного килограмма материалов на околоземную орбиту по отношению к запуску того же килограмма с помощью двигательной установки. Руководителем этого проекта стал уже упоминавшийся выше Фаер.
В работах по этому проекту приняли участие Национальная магнитная лаборатория им. Ф. Биттера, Ливерморская национальная лаборатория им. Э. Лоуренса, «Планкой Арсенал», фирма «Вестингхауз», Национальные лаборатории Сандиа. Фаер привлек к работе в этом проекте упоминавшегося выше Р. Маршалла, ученого из Австралийского национального университета, который к этому времени уже переехал в США.
23 мая 1983 г. президент США Рональд Рейган провозгласил программу Стратегической оборонной инициативы (СОИ), представлявшую собой долгосрочный комплекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию противоракетной обороны. В СОИ предусматривалось использование активных средств поражения межконтинентальных баллистических ракет, основанных на новых физических принципах, в том числе и электромагнитного баллистического оружия.
Однако в работах ученых, занятых в этом проекте, возникли проблемы, связанные в первую очередь с созданием компактного высокоэффективного источника электрической энергии, способного генерировать, хранить, а потом отдавать в течение нескольких миллисекунд огромный ток: от 500 тыс. ампер до многих миллионов ампер. Кроме того, для доставки этого тока от источника питания к рельсотрону нужны кабели очень большого диаметра, а для его коммутации — специальный переключатель, исключающий или уменьшающий колоссальную по величине дугу. В разрабатываемой электромагнитной пушке Гаусса также имелись серьезные проблемы, связанные с обеспечением надежного, быстрого и своевременного переключения ее обмоток. Форма и материал снарядов к этим пушкам также явились предметом интенсивных исследований: выходя из ствола на высокой скорости, такой снаряд имеет тенденцию к разрушению.
В 1985 г. Ливерморская национальная лаборатория им. Э. Лоуренса разрабатывала в Анчо-Каньоне (штат Нью-Мексико) рельсотрон в комплекте с взрывомагнитным генератором в качестве источника питания. Планировалось получить на выходе из рельсотрона скорость 10 км/с.
Идея о возможности превращения энергии взрывчатых веществ в энергию магнитного поля была высказана в 1951 г. советским ученым Андреем Дмитриевичем Сахаровым (академик АН СССР с 1953 г.), и им же были предложены принципиальные конструкции источников сверхсильных полей и токов, основанные на быстрой деформации взрывом токонесущих контуров. Взрывомагнитный генератор в отечественной практике получил название «магнитнокумулятивный генератор», что отражает основное в этом устройстве явление сжатия (кумуляции) магнитного потока. В 1953 г. в СССР на магнитнокумулятивном генераторе МК-2 были получены импульсные токи в 100 млн ампер.
Позже, в том же 1985 г., Национальные лаборатории Сандиа заявили о создании пушки Гаусса со скоростью вылета снаряда из ствола 15 км/с.
Однако результаты испытаний этих пушек показали, что скорости вылета снарядов из их стволов не превышают результата, достигнутого Маршаллом в 1977 г. (5,9 км/ с). Более того, при вылете снаряды размягчались, а пушки после каждого выстрела ломались. Время шло, на исследования было потрачено 1,5 млрд долларов, а электромагнитное баллистическое оружие создано не было.
В 1990–1992 гг. программы СОИ и DARPA почти полностью прекратили финансирование работ по электромагнитному запуску снарядов: проекты были остановлены, эксперименты прекратились, и исследователи увольнялись в массовом порядке.
Фаер оставил DARPA и создал в Техасском университете (г. Остин) Институт передовых технологий. Он, Маршалл и другие сторонники электромагнитного запуска укрылись в этом институте, где продолжили свои исследования, имея при этом весьма и весьма скромное финансирование.
Второй этап развития электромагнитного балистического оружия в США
Спустя некоторое время интерес к электромагнитному баллистическому оружию в США вновь возродился со стороны армии и флота. Армия нуждалась в оружии, которое можно было бы разместить на наземном транспортном средстве и с его помощью запускать кинетические снаряды против бронетехники. Флот был заинтересован в создании рельсотронов, которые могли бы стрелять вольфрамовыми снарядами со скоростью не менее 2,5 км/с и поражать цели на море и на суше на расстоянии до 500 км.
В середине 2006 г. Национальные лаборатории Сандиа (г. Альбукерке, штат Нью-Мексико) сообщили о том, что они разработали электромагнитную пушку нелинейного прицеливания, базирующуюся на наземном транспортном средстве. Разработка этой пушки была выполнена в двух вариантах, а именно: пушка Гаусса и рельсотрон. На момент публикации сообщения оба варианта находились в стадии комплектации и изготовления.
Данный проект преследовал следующие цели:
- продемонстрировать способность электромагнитной пушки запускать обычные боеприпасы 122-мм минометов;
- продемонстрировать скорость запуска 420 м/с для обеспечения дальности стрельбы снарядом весом 18 кг на 9 км, т. е. улучшить ее на 30 %.
Пушка Гаусса состоит из 45 отдельных идентичных катушек, каждая из которых питается от отдельной электрической емкости. Эти емкости различны: от 8,5 мкФ на 1-й стадии до 0,8 мкФ на 45-й стадии, и заряжаются они от 6 кВ в казенной части орудия до 20 кВ — на дульном срезе. Токи колеблются от 65 до 95 кА через катушку. Номинальный ток через четырехрельсовый рельсотрон составляет 1,8 МА (1,8 × 106 А).
Модифицированные минометные снаряды М-934 (в специальной арматуре) были разработаны и изготовлены для обоих вариантов электромагнитной пушки. Первые испытания были намечены на окончание 2006 г.
В 2011 г. Национальные лаборатории Сандиа сообщили о том, что они имеют отработанную катушечную метательную электромагнитную технологию и готовы продемонстрировать на ее основе 81-мм миномет для его развертывания на тактических сухопутных транспортных средствах. Из этого можно сделать вывод, что в 2006–2007 гг. испытания электромагнитной технологии для стрельбы минометными снарядами завершились положительно.
В ноябре 2009 г. компания «Дженерал Атомикс» (г. Сан-Диего, Калифорния), основной изготовитель беспилотных летательных аппаратов Predator и разработчик электромагнитной катапульты для авианосцев, провела первое успешное испытание электромагнитной пушки Blitzer — рельсотрона (рис. 4). Начальная скорость снаряда этой пушки — М-5 (где М — число Маха, названное в честь австрийского физика Эрнста Маха. Оно представляет собой отношение локальной скорости потока к местной скорости звука. Такое определение часто используется в характеристиках летательных аппаратов). Дальность стрельбы по прямой — 7 км. В этой пушке арматура, по которой протекает рабочий электрический ток, перемещается по рельсам как поршень, и толкает впереди себя снаряд. Пушка Blitzer сделала несколько выстрелов, оставаясь после испытаний полностью в работоспособном состоянии .
В 2005 г. в США была начата программа ВМС, назначение которой заключается в создании для надводных кораблей нового дальнобойного комплекса вооружений, основанного на использовании электрической энергии и кинетического боеприпаса. Урон противнику будет наноситься за счет кинетической энергии «болванки», летящей с очень большой скоростью. Американцы присвоили этому проекту девиз: «Velocitas Eradico», что в переводе с латыни означает: «Скорость разрушает».
Использование электромагнитного рельсотрона в качестве систем вооружения боевых кораблей позволит решить несколько проблем, а именно:
- устранит необходимость использования взрывчатки в снарядах и порохов в артиллерийских выстрелах;
- сократит объемы погребов боезапаса (они превратятся в склады металлических болванок);
- сделает возможным отказ от взрывчатки и порохов и повысит взрывопожаробезопасность кораблей.
В октябре 2006 г. на полигоне исследовательского Центра оружия надводных кораблей ВМС США (г. Дальгрен, штат Вирджиния) был выполнен из исследовательского рельсотрона выстрел снарядом массой 3,2 кг, мощность выстрела составила 8 МДж.
Полтора года спустя, 31 января 2008 г., там же был выполнен выстрел аналогичным 3,2-килограммовым алюминиевым снарядом, поразившим наполненный песком металлический бак. Начальная скорость снаряда в период испытаний составила М-7, а кинетическая энергия выстрела достигла 10,6 МДж. При этом использовалась батарея конденсаторов увеличенной емкости.
Во второй половине 2009 г. в Центр оружия надводных кораблей в Дальгрене поступил новый рельсотрон, созданный специалистами американского филиала английской компании «БАЕ Системз», расчетная мощность которого 32 МДж, начальная скорость снаряда — до М-8. Специальную батарею конденсаторов, способную запасать энергию в 100 МДж, для этой программы разработали специалисты компании «Дженерал Атомикс».
10 декабря 2010 г. из этого рельсотрона (рис. 5) был произведен выстрел стальным бруском прямоугольной формы массой 10,4 кг, скорость которого составила около М-7. Эти испытания доказали, что 32-мегаджоулевая электромагнитная пушка способна теоретически отправить снаряд массой 10–15 кг на дальность 100–110 миль.
Новое оружие планировалось устанавливать на перспективные боевые корабли ВМС США, включая строящиеся эсминцы проекта Zumwalt, чья модульная конструкция и электрическая трансмиссия рассчитывались с прицелом на перспективные рельсотроны. Элмо Рассел Зумвалт, в честь которого назван этот тип эсминца, — девятнадцатый руководитель военно-морских операций США, прошедший Вторую мировую войну, Корейскую и Вьетнамскую войны. Первый эсминец этого проекта USS Zumwalt (DDG-1000) был уже построен, спущен на воду, а с декабря 2015 г. он проходил ходовые испытания и доводку (рис. 6). 20 мая 2016 г. этот корабль был передан ВМС США.
В феврале 2011 г. ВМС США в Центре оружия надводных кораблей в Дальгрене приступили к испытаниям промышленного прототипа рельсотрона, созданного компанией «БАЕ Системз». Новый рельсотрон этой компании имеет длину 12 м, выглядит компактным и пригодным для размещения на корабле класса эсминец или фрегат. Тестовые стрельбы производятся с энергией выстрела 32 МДж, скорость снаряда при этом достигает 1600 м/с. Там же планируется проверить и промышленный прототип рельсотрона (рис. 7), созданного фирмой «Дженерал Атомикс».
О серьезности проекта также говорит тот факт, что к нему, помимо названных компаний, присоединилась крупнейшая компания «Раутеон», которая производит управляемые ракеты, радиолокационные комплексы, системы связи и управления.
Планировалось установить рельсотрон на третий корабль этой серии USS Lyndon B.Johnson (DDG-1002), который должен был вступить в строй в 2018 г.
Электромагритное баллистическое оружие в России
В 80-е гг. прошлого столетия, в разгар холодной войны, в Советском Союзе также велись работы по созданию электромагнитного баллистического оружия. Предпочтение отдавалось рельсотрону. После развала СССР отечественные разработки в области военных приложений электродинамических ускорителей масс были практически полностью свернуты.
Несмотря на прекращение финансирования разработок электромагнитного баллистического оружия, наука в России и СНГ в направлении «электродинамические ускорители масс» не стояла на месте. Эти ускорители имеют целый ряд применений в мирной жизни, а именно:
- исследования физики высокоскоростного удара;
- создание покрытий со специальными свойствами методом плазменного напыления;
- запуск микрокосмических аппаратов и др.
Результаты этих исследований систематически обсуждались на ежегодных международных конференциях по электромагнитному разгону «EML Technology Symposium».
В последнее время в России возобновились работы по созданию рельсотронов. В Троицком институте инновационных и термоядерных исследований (ГНЦ РФ ТРИНИТИ) разработаны так называемые многовитковые рельсотроны, в которых вместо одной рельсовой пары используется одновременно несколько пар. Параллельные рельсы позволяют распределять ток и трение параллельно между ними, снизив, соответственно, приходящуюся на каждый из них нагрузку. Разработанный в этом институте пятивитковый рельсотрон длиной всего 0,5 м разгоняет снаряд массой в 1,1 кг до скорости 1 км/с. При этом рабочий ток установки составляет всего 350 кА.
В 2011 г. в лаборатории Шатурского филиала Объединенного института высоких температур Российской академии наук рельсотрон разогнал снаряд массой 3,0 г до скорости 6,25 км/с. Заместитель генерального директора Фонда перспективных исследований Российской Федерации, руководитель направления физико-технических исследований Игорь Денисов считает, что российская оборонная промышленность способна создать электромагнитное оружие, так как «технологии создания электромагнитного оружия в РФ находятся на высоком уровне развития» (Круглов А. Рельсовая война/А. Круглов//Совершенно секретно. — 2014. — № 7. — С. 12–13).
Продолжение. Электромагнитное баллистическое оружие в России, Китае и США. Наши дни
Статья была опубликована в журнале "Наука и техника" в ноябре 2016 года.
