Рельсотрон как электромагнитное орудие¶

Рельсотрон — разновидность электромагнитного ускорителя массы, в котором разгон снаряда или иного проводящего тела осуществляется силой Ампера, действующей на проводник с током в магнитном поле. Конструктивно представляет собой два параллельных токопроводящих рельса, между которыми размещается подвижная перемычка (снаряд, якорь или плазменный сгусток). При пропускании через контур тока силой в сотни килоампер возникает магнитное поле, и перемычка ускоряется вдоль рельсов. Рельсотрон относится к классу электромагнитных пушек наряду с катушечной пушкой (гаусс-ганом) и рельсовым ускорителем с последовательным включением секций.

¶История и происхождение

Принцип действия рельсотрона описан в 1845 году британским физиком Чарльзом Уитстоном, однако практическая реализация долгое время оставалась невозможной из-за отсутствия мощных импульсных источников тока. В 1917 году французский изобретатель Луи Октав Фошон получил патент на электромагнитную пушку, использовавшую рельсовую схему. В 1920-е годы французский инженер Андре Луи Октав Фошон и его соотечественник Эмиль Башеле демонстрировали устройства, разгонявшие снаряд до 200 м/с, но КПД оставался крайне низким.

Второй этап развития связан с работами австралийского физика Ричарда Маршалла в 1970-х годах в Австралийском национальном университете. Маршалл и его коллеги применили импульсные униполярные генераторы и получили скорости порядка 5–6 км/с для снарядов массой несколько граммов. Эти эксперименты доказали принципиальную возможность гиперзвукового разгона и стимулировали военные исследования в США, СССР и других странах.

В СССР работы по электромагнитным ускорителям велись в Институте высоких температур АН СССР, в Физико-техническом институте имени А. Ф. Иоффе и ряде оборонных организаций. В 1980-е годы в США в рамках программы Strategic Defense Initiative («Стратегическая оборонная инициатива») рельсотроны рассматривались как средство противоракетной обороны и космического оружия.

¶Устройство и принцип работы

Основные элементы рельсотрона:

• Рельсы — два параллельных проводника из меди, сплава меди с хромом или тугоплавких материалов, выдерживающих импульсные токи и электродинамические нагрузки.
• Якорь (перемычка) — проводящий элемент, замыкающий цепь между рельсами; может быть твердым (металлический снаряд) или плазменным (плазменная дуга).
• Источник питания — конденсаторная батарея, униполярный генератор, индуктивный накопитель или магнитогидродинамический генератор.
• Система коммутации — быстродействующие размыкатели, обеспечивающие формирование импульса длительностью от долей миллисекунды до нескольких миллисекунд.
• Направляющая и корпус — механическая конструкция, удерживающая рельсы и снаряд.

Сила, действующая на якорь, пропорциональна квадрату тока и обратно пропорциональна расстоянию между рельсами: F = (μ₀·I²)/(2π·d)·L, где I — сила тока, d — зазор между рельсами, L — индуктивность контура. Для достижения скоростей 2–3 км/с требуются токи порядка 1–5 МА.

¶Характеристики

Ключевые проблемы рельсотрона — эрозия рельсов под действием плазмы и трения, нагрев токоведущих элементов, необходимость мощных накопителей энергии и систем охлаждения. Высокий износ ограничивает ресурс ствола, что затрудняет создание серийных боевых образцов.

¶Применение и исследования

¶Военное направление

С 2005 года ВМС США вели программу Electromagnetic Railgun, предусматривавшую создание корабельной артиллерийской установки с дальностью стрельбы до 200 морских миль и скоростью снаряда около 2,5 км/с. В 2010-х годах демонстраторы достигали дульной энергии 32–33 МДж. Программа столкнулась с проблемами энергоснабжения, износа ствола и стоимости, и в 2021 году финансирование было приостановлено.

В Китае с середины 2010-х годов велись испытания корабельных рельсотронов, в том числе на десантном корабле «Хайяншань». Сообщалось о достижении скоростей снаряда свыше 2,5 км/с и дальности до 200 км, однако официальные данные ограничены.

¶Научные и гражданские применения

Рельсотроны используются в физике высоких энергий и ударной физике для изучения поведения веществ при сверхвысоких давлениях и скоростях деформации, в экспериментах по гиперзвуковой аэродинамике, для имитации метеоритных ударов, а также в исследованиях по управляемому термоядерному синтезу (ускорители плазмы). В 1990-х годах рельсотрон рассматривался как средство вывода полезной нагрузки в космос (проект запуска с Луны), однако технические сложности и низкий КПД не позволили реализовать эту идею.

¶Сравнение с другими типами орудий

В отличие от пороховых орудий, где скорость снаряда ограничена скоростью звука в продуктах горения (примерно 1,5–2 км/с), рельсотрон теоретически позволяет достигать 5–10 км/с. По сравнению с гаусс-ганом рельсотрон проще конструктивно и обеспечивает большие ускорения, но требует значительно больших токов и вызывает эрозию контактов. Электротермохимические орудия занимают промежуточное положение по энергетике.

¶Критика и ограничения

Основные претензии к рельсотрону как к боевому оружию:

• низкий ресурс ствола из-за эрозии рельсов;
• огромные энергозатраты и необходимость компактных накопителей;
• сложность системы охлаждения и коммутации;
• демаскирующие тепловые и электромагнитные поля;
• высокая стоимость выстрела по сравнению с традиционными боеприпасами.

Сторонники указывают на отсутствие пороха, возможность управления скоростью и траекторией, а также потенциально большую дальность и точность.

¶Значение

Рельсотрон остаётся одним из наиболее изученных электромагнитных ускорителей и важным инструментом экспериментальной физики. Несмотря на то что боевое применение пока ограничено испытательными образцами, технология стимулировала развитие импульсной энергетики, силовой электроники, материаловедения и гиперзвуковых исследований.

Источники: Marshall R. A., Wang Y. Railguns: Their Science and Technology; Fair H. D. Advances in Electromagnetic Launch Science and Technology; материалы ВМС США по программе Electromagnetic Railgun; публикации Института высоких температур РАН; отчёты Sandia National Laboratories.