Иоганн Карл Фридрих Гаусс (нем. Johann Carl Friedrich Gauß), 30 апреля 1777, Брауншвейг — 23 февраля 1855, Гёттинген) — выдающийся немецкий математик, астроном и физик, считается одним из величайших математиков всех времён
Принцип действия ЭДУМ индукционного типа - "классической" Гаусс-пушки
Гаусс-пушка в качестве оружия обладает преимуществами, которыми не обладают другие виды стрелкового оружия. Это отсутствие гильз и неограниченность в выборе начальной скорости и энергии боеприпаса, возможность бесшумного выстрела (если скорость снаряда не превышает скорости звука), относительно малая отдача, равная импульсу вылетевшего снаряда, отсутствие движущихся частей, большая надёжность и износостойкость, а также возможность работы в любых условиях, в том числе - в космическом пространстве.
Одним из первых опытов в этой области был эксперимент, проведённый в 1916 году французами Фашоном и Виллепле. Используя в качестве ствола цепочку катушек-соленоидов, на которые последовательно подавался ток, их действующая модель "чудо-пушки" успешно разогнала снаряд массой 50 г до скорости 200 м/с. По сравнению с настоящими артиллерийскими установками результат, конечно, получился достаточно скромный, однако показавший принципиальную возможность создания оружия, в котором снаряд разгоняется без помощи пороховых газов.
Проект электромагнитной пушки Фашона и Виллепле (иллюстрация из замечательного журнала - «Техника-молодежи», №5/1987)
Справедливости ради следует отметить, что талантливые русские инженеры Подольский и Ямпольский со своим проектом 50-метровой «магнитно-фугальной» пушки, действующей по аналогичному принципу, опередили французских коллег на целый год. Однако финансирования для воплощения своего проекта им получить так и не удалось. Впрочем, и у французов тогда дальше модели дело так и не пошло, что, впрочем, и неудивительно – для того времени разработки казались слишком фантастическими.
Систематические научные работы по созданию ЭлектроДинамических Ускорителей Массы (ЭДУМ) начались в мире в 50-х годах XX века. Одним из родоначальников отечественных разработок в этой области был выдающийся советский ученый, исследователь плазмы, Л.А. Арцимович, который, по-видимому, и ввел в отечественную терминологию понятие «рельсотрон» (в англоязычной литературе принят термин «railgun») для обозначения одной из разновидностей ЭДУМ.
Что же не устраивало создателей ЭДУМ в существующем уже несколько столетий, простом и надежном оружии, работающем на эффекте разгона снаряда под действием расширения пороховых газов? Прежде всего, конечно, скорость. Пороховые газы обладают достаточно большим молекулярным весом и, как следствие, относительно малой скоростью расширения. На практике это означает, что предельная скорость, достигаемая снарядом в традиционных артиллерийских системах, ограничена величиной порядка 2-2,5 км/с. Это совсем немного, если мы хотим выстрелом прошивать броню вражеского танка как масло или сбивать с орбиты военные спутники противника.
Однако прежде чем говорить о достижениях и перспективах в области создания ЭДУМ, рассмотрим физические принципы их действия.
Различают ЭДУМ индукционного и кондукционного типов. Принцип действия первых, индукционных систем, основан на движении разгоняемого тела под воздействием внешнего магнитного поля, создаваемого системой обмоток, включаемых синхронно с движением ускоряемого тела для создания бегущей магнитной волны.
Именно эта разновидность ЭДУМ - индукционного типа получила в литературе название «пушка Гаусса». Как видим, никаких принципиальных новшеств по сравнению с французской конструкцией 1916 года, та же самая многоступенчатая схема из соленоидов, поочередно втягивающих в себя ускоряемое тело из ферромагнетика.
На практике, при создании таких систем, приходится решать задачу синхронизации работы соленоидов. Во-первых, напряжение на каждую катушку должно подаваться в момент подхода к ней разгоняемого тела, во-вторых, необходимо вовремя прерывать ток в катушке – ведь как только тело минует ее геометрический центр, магнитное поле вместо придания ускорения начнет препятствовать его движению. Значит, нужна система датчиков положения и достаточно хитроумная электронная схема управления. Лучше всего поручить эту задачу микропроцессору, но и в этом случае понадобится кропотливый расчёт и целая серия экспериментов, прежде чем разгон будет происходить оптимальным образом: как с точки зрения достигаемой скорости, так и с точки зрения КПД преобразования электрической энергии в механическую (последний показатель особенно важен для портативных носимых устройств, у которых ёмкость источника питания сильно ограничена).
«Пушка Гаусса» отличается простотой конструкции, неудивительно, что идея её создания появилась почти 100 лет назад. Простейшую действующую модель одноступенчатого индукционного ЭДУМ сможет за полчаса соорудить в домашних условиях даже школьник, имеющий хотя бы минимальные познания в электротехнике. Намотанная на бумажном каркасе катушка из нескольких десятков витков, конденсатор, примитивное устройство зарядки и железный гвоздь подходящих размеров в качестве снаряда. Замыкаем провода и «снаряд» благополучно приземляется в нескольких метрах от точки старта. Обратите внимание – «выстрел» происходит абсолютно бесшумно! Действительно, если речь идёт о дозвуковых скоростях разгона, «пушка Гаусса» не имеет в этом себе равных. Даже пневматическому оружию по этому показателю трудно с ней тягаться. При экспериментах необходимо, конечно, соблюдать элементарные правила техники безопасности и помнить, что при неудачном выборе исходного положения «снаряда» он может неожиданно полететь не вперёд, а назад, к «казенной части» – прямо в незадачливого экспериментатора. Следует также помнить об ограничениях, накладываемых российским законодательством на кинетические параметры подобных самоделок. Желающим узнать больше о домашних экспериментах с ЭДУМ, можно порекомендовать посетить ресурс www.coilgun.ru, ставший в последнее время настоящей Меккой любительского «гауссганеростроения» в России.
Электромагнитный пистолет конструкции Евгения Васильева
Многоступенчатые индукционные ЭДУМ способны разгонять сравнительно массивные тела (до 3-5 кг) до скоростей 1,5-2 км/с. При этом ствол пушки не испытывает больших нагрузок и может быть выполнен из не очень прочного материала (главное требование – он не должен являться ферромагнетиком). Собственно, можно вообще обойтись без ствола как такового, но в этом случае необходимо принять дополнительные меры по центровке разгоняемого тела в процессе разгона, обеспечив снаряду магнитный подвес. Прибегнув к ряду технических ухищрений в принципе можно придать снаряду вращательное движение для его стабилизации в полете, как в настоящей артиллерийской установке с нарезным стволом.
Однако главным камнем преткновения для конструкторов ЭДУМ индукционного типа остаётся скорость. К сожалению, достигнутых значений пока явно недостаточно, чтобы на равных конкурировать даже с традиционными пороховыми системами. Впрочем, ожидаемые в ближайшие годы очередные практические достижения в области высокотемпературной сверхпроводимости позволяют рассчитывать на создание ускорительных соленоидов, эффективность которых будет на порядок выше существующих. Кроме того, определённые перспективы сулит идея использовать индукционный ЭДУМ в качестве второй ступени разгона снаряда, выпускаемого из пороховой или легкогазовой пушки. Так что надеемся, индукционные ЭДУМ ещё поборятся за место под солнцем.
А пока перейдем ко второй разновидности электромагнитных пушек – кондукционным ЭДУМ.
Кондукционные ЭДУМ, называемые иногда рельсовыми ускорителями или рельсотронами, представляют собой систему, состоящую из источника электроэнергии (батареи конденсаторов, МГД-генератора, униполярного генератора и др.), коммутационной аппаратуры и электродов в виде параллельных электропроводящих рельсов длиной от 1 до 5 метров, находящихся в стволе на небольшом расстоянии друг от друга (порядка 1 см).
Принцип действия рельсотрона
Электрический ток от источника энергии подводится к одному рельсу и возвращается через плавкую вставку, находящуюся за ускоряемым телом и замыкающую электрическую цепь на второй рельс. Чаще всего в качестве снаряда для экспериментов с рельсотроном используют пластиковый контейнер с металлическим сердечником. На заднюю стенку контейнера наклеивается медная фольга, играющая роль плавкой вставки. В момент подачи высокого напряжения на рельсы (десятки тысяч вольт) вставка моментально сгорает, превращаясь в облако плазмы (его называют «плазменным поршнем» или «плазменной арматурой»). Причем плазмы электропроводящей! А это означает, что гигантский ток (сотни тысяч ампер) в цепи, образованной рельсами и плазменным облаком продолжает течь. Ток, протекающий в рельсах и поршне, образует между рельсами сильное магнитное поле. Взаимодействие магнитного потока с током, протекающим через плазму, генерирует электромагнитную силу Лоренца, толкающую ускоряемое тело вдоль рельсов.
а — схема «рельсотрона»: Р — рельсы; П — плазменная перемычка; С — ёмкость; К — ключ;
б — схема коаксиального импульсного плазменного ускорителя. Быстродействующий клапан БК подаёт газ в зазор между внутренним ВЭ и наружным НЭ электродами (ДВ — диэлектрическая вставка между электродами). После замыкания ключа К в цепи возникает ток, который ионизует газ
Весь процесс ускорения занимает считанные миллисекунды. В качестве коммутационной аппаратуры обычно используются сверхбыстродействующие взрывные коммутаторы. Рельсовые ускорители позволяют ускорять небольшие тела (до 100 г) до весьма и весьма значительных скоростей (6-10 км/с). Собственно, можно обойтись вообще без снаряда и разгонять плазменный поршень сам по себе. В этом случае плазма вырывается из ускорителя с поистине фантастической скоростью– до 50 км/с. В качестве оружия от такого ускорителя проку не много, так как для разгона очень малого снаряда необходимо очень много энергии, да и о портативности не может быть и речи, зато ускорители плазмы имеют целый ряд вполне мирных профессий – как исследовательских, так и вполне утилитарных.
Попытки увеличить массу снаряда при сохранении высокой скорости разгона приводят к значительному увеличению габаритов установки и предъявляют жёсткие требования к мощности источника питания. В свое время в США существовал полуфантастический проект по подключению гигантского супермощного рельсотрона непосредственно к высоковольтной линии электропередач. Таким образом, в течение кратковременного процесса разгона на ускоритель работает вся энергосистема огромной страны. Расчеты показали принципиальную возможность такого решения, однако до его практического воплощения дело, кажется, так и не дошло.
Выстрел рельсотрона это всегда исключительно эффектное зрелище – оглушительный грохот, огненный выхлоп, капли расплавленного металла. И весьма дорогостоящее, ведь при взаимодействии с раскаленной плазмой рельсы неизбежно разрушаются. На практике уже после 3-5 запусков из лабораторной установки необходимо проводить трудоемкий комплекс работ по замене рельсов.
Выстрел из лабораторного рельсотрона конструкции Сэма Бэрроза
Принцип действия рельсотрона предъявляет также жёсткие требования к его конструкции, ведь в отличие от «пушки Гаусса», давление в стволе кондукционного ЭДУМ достигает весьма значительных величин, да и рельсы под воздействием протекающего по ним гигантского тока изо всех сил стремятся «разбежаться» друг от друга. Сделать такую конструкцию прочной и вместе с тем разборной – непростая инженерная задача.
Есть и еще один недостаток, присущий рельсотронам с плазменной арматурой – нестабильность скорости. Ускоряемая магнитным полем плазма – очень капризный и непредсказуемый объект. Ширина плазменного поршня в процессе разгона постоянно меняется – плазма пульсирует. Иногда часть плазменного облака просачивается в промежуток между ускоряемым телом и рельсами и возникает т.н. «плазменный лидер». Эрозия рабочей поверхности рельсов также влияет на стабильность характеристик разгона. В результате скорость снаряда на выходе из установки подвержена случайным колебаниям, а значит, и траектория полета снаряда будет сильно меняться от выстрела к выстрелу. Решить проблему позволяет управляемый разгон. Анализируя информацию с датчиков положения ускоряемого объекта, микропроцессорное устройство управления подает команды на подключение или отключение дополнительных источников энергии. Целью является достижение строго заданной скорости на выходе снаряда из ствола. Технически проблема не выглядит совсем уж непреодолимой, но ее решение потребует еще долгих лет кропотливой исследовательской работы.
В годы холодной войны работы по созданию электромагнитных пушек активно велись и в СССР и в США. Предпочтение отдавалось ускорителям кондукционного типа, позволяющим достичь больших скоростей разгона. К середине 80-х годов прошлого века обе стороны вплотную приблизились к возможности размещения рельсотронной пушки с автономным источником питания на мобильном носителе – гусеничном или колесном шасси.
Выстрел из экспериментальной рельсотронной установки Sandia National Research Laboratories на колесной платформе
Однако после развала СССР отечественные разработки в области военных применений ЭДУМ были практически полностью свёрнуты. В то же время есть признаки, что США активно продолжают эти работы. Известен, например, проект, финансируемый ВМФ США и разрабатываемый компанией General Atomics из Сан-Диего. Электромагнитная пусковая установка на базе рельсотрона будет размещена на надводном корабле и позволит поражать цели на дистанции до 300 морских миль при помощи управляемых ракет, запускаемых на скорости до 7 махов. Ввиду огромной скорости такие ракеты будут практически неуязвимы для ПВО противника на участке от старта до подхода к цели, когда ракета включает собственный двигатель и начинает маневрировать.
Но нужно помнить, что возможность создания ракеты, начинка которой способна выдерживать ускорение порядка 100 000 g вызывает определённые "сомнения", однако уже к началу 2009 года General Atomics обещала продемонстрировать свои достижения. Пока, наверное, что-то не получается.
С выходом США из договора по ПРО возобновились и работы по размещению электромагнитных пушек на орбите. В этой области известны разработки компаний General Electric, General Research, Aerojet, Alliant Techsystems и др. по контрактам с управлением DARPA ВВС США.
Выстрел из прототипа рельсотрона Navy Electromagnetic (видео)
Несмотря на прекращение финансирования военных разработок электромагнитного оружия в России, отечественная наука также не стоит на месте. Ведь электродинамические ускорители имеют и целый ряд «мирных профессий» – исследования физики высокоскоростного удара, создание покрытий со специальными свойствами методом плазменного напыления, запуск микрокосмических аппаратов. Свидетельство тому – систематическое появление русских фамилий в материалах ежегодной международной конференции по электромагнитному разгону EML Technology Symposium (www.emlsymposium.org). А раз так, то и возобновление отечественных работ по созданию оружия будущего вполне возможно, прояви наше государство вновь интерес к этой перспективной теме.
Резюмируя: несмотря на кажущуюся простоту "пушки Гаусса" и её преимущества, использование её в качестве оружия сопряжено с серьёзными трудностями. Кондукционные ЭДУМ невозможно сделать портативными, они потребляют колоссальное количество энергии, приходят в негодность уже после 3-5 выстрелов и очень капризны. Индукционные тоже имеют ряд существенных недостатков:
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 27 %. Поэтому пушка Гаусса по силе выстрела проигрывает даже пневматическому оружию.
Вторая трудность — большой расход энергии (из-за низкого КПД) и достаточно длительное время накопительной 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.
Вот интересно, а модель, в уменьшенном варианте, уже есть 
