Похоже, американские военные очень любят различные новые вещи, порой даже слишком новые: то носятся со Стратегической оборонной инициативой, то заказывают боевой лазер. Наконец, последние несколько лет компания BAE Systems по заказу агентства DARPA разрабатывает еще один образец , словно пришедший в наш мир из фантастических книг и фильмов. Это рельсовая пушка, также именуемая терминами «рейлган» (от английского railgun) или рельсотрон.

Принцип действия этого чудо-оружия сравнительно прост: на два параллельных электрода (те самые рельсы) устанавливается электропроводящий объект, который и служит снарядом. На электроды подается постоянный ток из-за чего незакрепленный снаряд, замкнув электрическую цепь, под действием силы Лоренца начинает движение. Однако у рельсотрона есть целый набор минусов, который, собственно говоря, и является главной головной болью создателей подобного оружия. Так, рейлган требует источника тока достаточной мощности, зависящей от требуемых характеристик оружия. Кроме того, нужно правильным образом подобрать материалы рельс и снаряда: во-первых, для уменьшения потерь на сопротивлении проводников, а во-вторых, во избежание их перегрева и повреждения. Иными словами, создание практически применимого рельсотрона – занятие непростое, длительное и очень дорогое.

Чем же привлек американских военных новый вид оружия? Дело в том, что рельсовая пушка может разгонять небольшие (до 10-15 килограмм) снаряды до таких скоростей, на которых они могут наносить значительные повреждения технике и объектам противника только за счет собственной кинетической энергии. Кроме явных боевых, у такого оружия есть и преимущества в сфере снабжения: боеприпас для рейлгана получается простым и удобным, а также не подверженным детонации, ведь в нем отсутствует какое-либо взрывчатое вещество.

Агентство DARPA заинтересовалось рельсовыми пушками в середине 90-х годов прошлого века. Тогда, оценив перспективы работ по теме, были определены примерные сроки поставки нового оружия в войска (после 2020 года) и его целевую нишу – замена существующих артиллерийских установок во флоте. Вскоре BAE Systems начали исследования нового направления и строительство первых, маломощных экспериментальных рейлганов. Постепенно были отработаны все нужные технологии и конструкционные находки, в результате чего в конце 2006 года начали строить полноценный опытный экземпляр с дульной энергией в 10 мегаджоулей. Проверки систем и первые пробные запуски начались во второй половине 2007-го, а в феврале следующего года о существовании этого аппарата объявили официально. Тогда же появились первые видео выстрелов и данные о параметрах установки: начальная скорость болванки составила 2520 метров в секунду, что в восемь раз превышает скорость звука. В декабре 2010 года американские конструкторы в очередной раз «похвастались», но теперь дульная энергия была уже более 32 МДж. Эта же пушка произвела юбилейный тысячный выстрел с начала работ по теме. Все эти опыты представляют определенный интерес, но пока исключительно научный. Дело в том, что экспериментальные рельсовые пушки и сами по себе не малы – они представляют собой конструкцию длинной в пару десятков метров и шириной/высотой в 2,5-3 метра. И это только собственно рельсотрон, а ведь к нему «прилагается» еще и соответствующая батарея конденсаторов с генераторами. Иными словами, нынешние рельсовые пушки – не готовое к практическому применению оружие, а сугубо лабораторные экспериментальные образцы.

Само собой, такими пушками размером с целое здание никого не заинтересуешь. По такому поводу DARPA недавно привлекли к работам компанию Raytheon. Контракт на 10 миллиардов требует от нее создание и постройку опытного образца новой энергетической установки, способной обеспечить электропитание рельсотрона. Кроме того, задание подразумевает, что энергоустановка будет иметь размеры и массу, пригодные для размещения на кораблях. Если Raytheon удастся сделать систему, получившую название PFN (Pulse Forming Network – Сеть формирования импульса), то в перспективе ее можно будет использовать не только в паре с рейлганами, но и, например, с боевыми лазерами. На разработку и изготовление первого экземпляра PFN у Raytheon не так много времени, ведь начать испытания рельсотрона, установленного на корабль, планируется уже в 2018 году. Тем не менее, нельзя исключать изменения сроков, может быть, даже неоднократного.

К тому же времени от BAE Systems и General Atomics (эту фирму привлекли к проекту для «дублирования» работ) требуют сделать пушку с дульной энергией около 64 МДж, прицельной дальностью запуска девятикилограммового снаряда не меньше 450-500 километров и скорострельностью от 6-7 выстрелов в минуту. По понятным причинам натурные испытания на дальность пока не проводились, но расчеты показывают, что 32-мегаджоульный рельсотрон «закидывает» боеприпас в 10 кг километров на 350-400. Требований к повышению скорости снаряда пока нет: вероятно, в DARPA более приоритетными задачами считают дальность полета и вес болванки. Однако куда большие проблемы ждут разработчиков пушки в сфере «ствола». Дело в том, что огромное начальное ускорение снаряда приводит к полному износу имеющихся рельс за 8-10 выстрелов. Соответственно, помимо улучшения непосредственно боевых качеств BAE Systems и General Atomics должны будут серьезно доработать конструкцию.

Первыми носителями рельсотрона должны будут стать эсминцы проекта Zumwalt. По слухам, эти корабли изначально разрабатывались таким образом, чтобы в состав их оборудования с малыми затратами можно было включить как новые системы, например, PFN, так и новое вооружение. Насколько слухи соответствуют действительности, пока неизвестно. Тем не менее, даже из информации о «Зумволтах» можно сделать соответствующие выводы. Похоже, что американские военные намерены заиметь в своем арсенале оружие со значительной дальностью боя, вдобавок к имеющимся ракетам. От них, надо заметить, рельсотрон в выгодную сторону отличается тем, что каждая ракета стоит немало денег и по достижении своей цели уничтожается. Рельсовая пушка, в свою очередь, стоит еще больше, но расходуются исключительно снаряды, которые на порядки дешевле отдельно взятой ракеты. Кроме того, болванку с гиперзвуковой скоростью почти невозможно перехватить существующими средствами. Также стоит вспомнить американскую тягу к атакам с приличного расстояния, на котором противник не сможет обеспечить адекватный ответ.

Сейчас в качестве срока принятия на вооружение «Зумволта» с рельсовой артиллерией называется середина 20-х годов. Однако для этого требуется продолжение работ, а проект рельсотрона недавно оказывался под угрозой закрытия. Напомним, осенью прошлого года сенат США требовал, как минимум, сократить расходы на «футуристические» программы, а то и вовсе отказаться от них. Военным удалось сохранить в полном объеме проект по созданию рейлганов, а вот лазеру воздушного базирования (Boeing YAL) не было суждено продолжить испытания.

Привет от Quake 3 Arena
Рельсотрон (Railgun), или в простонародье «рельса» - импульсный электродный ускоритель масс, принцип действия которого объясняется с помощью силы Лоренца, превращающей электрическую энергию в кинетическую. Является перспективным оружием, имеющим ряд преимуществ перед классической компоновкой на базе химического взрыва. И боевые испытания этой красавицы уже не за горами.

Принцип действия и ограничения

Рельсовая пушка использует электромагнитную силу, называемую силой Лоренца, чтобы разогнать электропроводный снаряд, который изначально является частью цепи. Иногда используется подвижная арматура, соединяющая рельсы. Ток I, идущий через рельсы, возбуждает магнитное поле B между ними, перпендикулярно току, проходящему через снаряд и смежный рельс. В результате происходит взаимное отталкивание рельсов и ускорение снаряда под действием силы F.

Одна из проблем рельсотрона заключается в том, что для изготовления его снарядов необходим материал с максимально возможной проводимостью, т.к. для создания движущей силы по рельсам пускается очень мощный моментальный разряд тока. Если материал снаряда обладает недостаточной проводимостью, он может испариться в рельсотроне под воздействием силы тока еще до выхода из пушки.

Второй ограничитель - источник питания. В ближайшее время ВМФ США планируют провести испытания рельсотрона на базе корабля (только корабль на сегодняшний день может выдержать выстрел из этого оружия). Для залпа из современного рельсотрона требуется импульс в 25 (!) мегаватт. Один из кораблей ВМФ США, который проектировался специально с учетом возможности комплектации рельсотроном, оснащен силовыми установками на 78 мегаватт, а самым распространенным значением эл. мощности установки на корабле является цифра в 9 мегаватт. Для одного выстрела рельсотрона требуется почти 30% мощности установки спец. корабля флота. Об использовании данного типа вооружения на рядовых судах и думать не стоит.

Видео с экспериментальной установки ВМС США:

Вопрос в зал: откуда взялась огненная вспышка на выходе? :)

Иногда, для придания снаряду рельсотрона наибольшей начальной скорости, при наличии которой выстрел будет более эффективен, производят химический взрыв (детонация пороха, к примеру). Утрируя, рельсотрон можно использовать как «ускоряющую насадку» для орудий, повышающую скорость снаряда на выходе. Но я бы не рискнул пропускать такой ток через взрывчатку.

Непроводящий снаряд

Существует еще одна разновидность рельсотрона, в которой используется непроводящий снаряд. В описываемом случае рельсы замыкаются не самим снарядом, что ведет к образованию силы Лоренца, а отдельно, за снарядом, образуя дуговой разряд. Последний приводит к испарению снаряда и образованию реактивной струи, которая, продвигая снаряд по рельсам, разгоняет его.

Не путать с пушкой Гаусса

Пушку Гаусса и рельсотрон очень часто путают. Причина тому сходная природа работы этих устройств, но они используют разные подходы и электро-физические законы для разгона снаряда. В рельсотроне реализовано использование силы Лоренца или реактивной струи, а в пушке Гаусса - использование электромагнитных полей. Снаряд из ферромагнетика разгоняется по диэлектрической трубке через ряд соленоидов, при включении образующих магнитное поле, которое «проталкивает» снаряд из ферромагнетика вперед.

Пушка Гаусса имеет КПД значительно ниже, чем рельсотрон, поэтому военными данный принцип для создания оружия не рассматривается.

Так почему же такой сложный рельсотрон такой вкусный для военных?

Все до банального просто - деньги. «Рельса» способна вести огонь на дистанцию до 180 км уже сегодня, а в будущем планируется выход на показатели до 400 км. На подобные расстояния вести огонь возможно только при помощи ракет, каждая из которых стоит миллионы долларов, плюс ко всему с ними умеют бороться. Рельсотрон уже сейчас может вести огонь снарядами массой 2-3 кг, что при скорости до 2000-2500 м/с приводит к колоссальным разрушениям. Сам же снаряд стоит порядка $20-25 тыс, по сравнению со стоимостью ракет - бесплатно, а транспортировка и эксплуатация подобных боеприпасов - одно удовольствие: боекомплект не сдетонирует, никаких проблем с погрузкой, никаких ЧП из-за человеческого фактора (если, конечно, кто-нибудь ее не уронит себе на ногу).

Ученым осталось решить вопрос только с источником питания, т.к. строить корабли конкретно под «рельсу» очень затратно (энергоустановка в 70 мегаватт - это энергопотребление небольшого города). Как только будет решен вопрос питания мы сможем увидеть рельсотроны на вооружении. И как бороться с трехкилограммовой болванкой, летящей на скорости в 7 Махов и способной потопить корабль - не понятно.

Наука не стоит на месте, в гонке за мировым господством люди изобретают все более совершенное оружие, угрожающее стабильности земного шара и держащее в узде врагов и недоброжелателей.

Американские ученые в очередной раз собираются удивить весь мир, представив новое оружие, которое уже окрестили «Оружием двадцать первого века». Под этим страшным и многообещающим названием скрывается промышленный прототип электромагнитной пушки. Самая мощная в мире электромагнитная пушка носит название «Рельсотрон» и планирует начать абсолютно новую главу мирового вооружения.

RailGun, будучи импульсным электродным ускорителем масс, позволяет превратить электрическую энергию в кинетическую. Название устройства родилось из-за внешнего вида системы. Строго говоря, то, что называют «рельсами», на самом деле параллельно расположенные электроды, подключенные к источнику постоянного тока. Снаряд располагают между ними, и замыкают электрическую цепь, чтоб придать ускорение. Основная цель разработки подобной технологии заключается в перспективном оснащении подобным оружием ВМФ США. Предполагается, что дальность выстрела будет достигать четырехсот километров.

Рельсовая пушка для разгона снаряда, являющегося частью цепи изначально, использует электромагнитную силу (силу Лоуренца).

Преимущества использования рельсотрона несомненны:

• Высокая разрушительная сила выстрела;
• Внушительная дальность стрельбы (от 150 до 350 км);
• Безопасность данного вида оружия в связи с отсутствием пороха/взрывоопасного топлива;
• Сниженный вес позволит укомплектовать технику бОльшим количеством зарядов;
• Скорость снаряда может достигать девяти тысяч километров в час.

Промышленный прототип будет отличаться большей износостойкостью. Однако, при кажущейся перспективности, проект множество ограничений, препятствующих быстрому оснащению военных кораблей США:

• Необходим четкий резкий импульс, который снаряд разгонит и толкнет до того, как он разлетится, или испарится;
• Огромное количество энергии, с помощью которой будет приводиться в действие импульсная пушка;
• Неблагоприятное воздействие влаги и соли, подвергающее систему коррозии;
• Стабилизация системы;
• Полная демаскировка пусковой установки, возникающая уже после первого выстрела;

Большие суммы, затрачиваемые на испытания и усовершенствование лабораторного образца с неясными сроками полномасштабного внедрения. Для того чтобы решить задачу оснащения RailGun энергией, параллельно ведутся дополнительные исследования. Снаряд должен обладать минимальной массой, материал для изготовления снаряда и рельс должен обладать высокой проводимостью.

Работы над рельсотроном продолжаются

Параллельно с работой над источником энергии, позволяющим совершать многократные выстрелы без полной замены, ученые работают над усовершенствованием системы: ее компактными размерами, материалами, из которых изготавливают части пушки, ее безопасностью.

Если результаты испытания пушки будут успешными, то это станет, поистине, настоящим прорывом в организации военных действий на воде. Американцы, добившись успехов в области внедрения рельсотрона, смогут без проблем доминировать в военной сфере. Станет возможным высокоточное поражение целей на большом расстоянии, а огромная скорость, достигаемая снарядом, будет способствовать огромному разрушительному действию. Немаловажен тот факт, что стоимость снаряда для рельсотрона в разы ниже стоимости прочих противокорабельных снарядов, а обслуживание системы может обеспечиваться всего одним человеком – наводчиком.

Работа над совершенствованием рельсотрона ведется в Соединенных Штатах с переменным успехом. В 2011 году возникла серьезная угроза закрытия проекта, как бесперспективного и «футуристического». Однако, Барак Обама отстоял «оружие 21 века», подписав соответствующий указ. На сегодняшний день над проектом работают ряд крупных компаний, таких как General Atomics и BAE Systems), предполагающих оснащение военных кораблей рельсотронами через десять лет. Для реализации этой программы необходимо доработать источник энергии, приводящий в действие RailGun. Он должен работать по принципу аккумулятора, запасая достаточно большое количество энергии, и полумеры не решат проблемы: какой смысл в дорогостоящем оружии, способном произвести несколько единичных выстрелов? Кроме того, заявленная скорострельность пушки от 6 до 10 выстрелов в минуту является лишь теорией, да и то недостаточной.

Работа над увеличением скорострельности сопряжена с поиском более износостойких материалов: направляющие в пушке приходится менять после каждого второго выстрела. Работа над увеличением скорости приводит к разрушению снарядов в полете, и это тоже становится серьезным препятствием для широкомасштабного внедрения рельсотрона . К этому списку можно добавить необходимость высокоточной системы наведения и прицела, и становится очевидным, что планы американцев можно смело назвать излишне оптимистичными.

История создания RailGun

А ведь первыми испытаниями подобного оружия занимались еще немцы во время второй мировой войны. Оружие испытывалось в железнодорожном тоннеле в Баварии, и результаты внушали надежду на создание грозного электромагнитного оружия. Прототип пушки разгонял десятиграммовый алюминиевый цилиндрик до скорости свыше 4 тысяч км/ч, но был захвачен американцами, которые оценили задумку по достоинству.

Мысли о создании подобного оружия приходили в головы канадских, австралийских, английских ученых. В годы «холодной войны» подобные работы велись и советскими учеными. Эти разработки были строго секретными, однако слухи о достижениях и планируемом вооружении советской армии оружием, основанном на подобном принципе велись до развала державы. У России не хватило экономических возможностей для продолжения работ в этом направлении, и проект был свернут на долгое время. На сегодняшний день работы по созданию электромагнитного оружия ведутся и в нашей стране, а параллельно ведутся дебаты о целесообразности внедрения подобного оружия.

Державе, которой удастся реализовать идею вооружения армии импульсным оружием, сможет диктовать свои условия миру, но пока речь идет лишь о теоретическом господстве.

Пушка Гаусса (англ. Gauss gun , Gauss cannon ) — одна из разновидностей электромагнитного ускорителя масс. Названа по имени учёного Гаусса, исследовавшего физические принципы электромагнетизма, на которых основано данное устройство.

Принцип действия

Пушка Гаусса состоит из соленоида, внутри которого находится ствол (как правило, из диэлектрика). В один из концов ствола вставляется снаряд (сделанный из ферромагнетика). При протекании электрического тока в соленоиде возникает магнитное поле, которое разгоняет снаряд, «втягивая» его внутрь соленоида. Снаряд при этом получает на концах полюса симметрично полюсам катушки, из-за чего после прохода центра соленоида снаряд притягивается в обратном направлении, т.е. тормозится. Но если в момент прохождения снаряда через середину соленоида отключить в нём ток, то магнитное поле исчезнет, и снаряд вылетит из другого конца ствола. Но при выключении источника питания в катушке образуется ток самоиндукции, который имеет обратное направление тока, и поэтому меняет полярность катушки. А это значит, что при резком выключении источника питания снаряд, пролетевший центр катушки, будет отталкиваться и получать ускорение дальше. В ином случае, если снаряд не достиг центра, он будет тормозиться.

Для наибольшего эффекта импульс тока в соленоиде должен быть кратковременным и мощным. Как правило, для получения такого импульса используются электрические конденсаторы. Если используется полярный конденсатор (напр. на электролите), то в цепи обязательно должны быть диоды, которые защитят конденсатор от тока самоиндукции и взрыва.

Параметры обмотки, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при выстреле к моменту подлета снаряда к середине обмотки ток в последней уже успевал бы уменьшится до минимального значения, то есть заряд конденсаторов был бы уже полностью израсходован. В таком случае КПД одноступенчатой пушки Гаусса будет максимальным.

Расчёты

Энергия запасаемая в конденсаторе

V - напряжение конденсатора (в Вольтах)
C - ёмкость конденсатора (в Фарадах)

Энергия запасаемая при последовательном и параллельном соединении конденсаторов равна.

Кинетическая энергия снаряда

m - масса снаряда (в килограммах)
u - его скорость (в м/с)

Время разряда конденсаторов

Это время за которое конденсатор полностью разряжается. Оно равно четверти периода:

L - индуктивность (в Генри)
C - ёмкость (в Фарадах)

Время работы катушки индуктивности

Это время за которое ЭДС катушки индуктивности возрастает до максимального значения (полный разряд конденсатора) и полностью падает до 0. Оно равно верхнему полупериоду синусоиды.

L - индуктивность (в Генри)
C - ёмкость (в Фарадах)

Преимущества и недостатки

Пушка Гаусса в качестве оружия обладает преимуществами, которыми не обладают другие виды стрелкового оружия. Это отсутствие гильз и неограниченность в выборе начальной скорости и энергии боеприпаса, а так же скорострельности орудия, возможность бесшумного выстрела (если скорость снаряда не превышает скорости звука) в том числе без смены ствола и боеприпаса, относительно малая отдача (равная импульсу вылетевшего снаряда, нет дополнительного импульса от пороховых газов или движущихся частей), теоретически, больша́я надежность и износостойкость, а так же возможность работы в любых условиях, в том числе космического пространства.

Однако, несмотря на кажущуюся простоту пушки Гаусса и её преимущества, использование её в качестве оружия сопряжено с серьёзными трудностями.

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 даже 27 %. Поэтому пушка Гаусса по силе выстрела проигрывает даже пневматическому оружию.

Вторая трудность — большой расход энергии (из-за низкого КПД) и достаточно длительное время 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.

Таким образом, на сегодняшний день пушка Гаусса не имеет особых перспектив в качестве оружия, так как значительно уступает другим видам стрелкового оружия. Перспективы возможны лишь в будущем, если будут созданы компактные, но мощные источники электрического тока и высокотемпературные сверхпроводники (200—300К).

RailGun

Рельсовая пушка (англ. Railgun ) — форма оружия, основанная на превращении электрической энергии в кинетическую энергию снаряда. Другие названия: рельсовый ускоритель масс, рельсотрон, рейлган (Railgun). Не путать с пушкой Гаусса.

Принцип действия

Рельсовая пушка использует электромагнитную силу, называемую силой Ампера, чтобы разогнать электропроводный снаряд, который изначально является частью цепи. Иногда используется подвижная арматура, соединяющая рельсы. Ток I , идущий через рельсы, возбуждает магнитное поле B между ними, перпендикулярно току, проходящему через снаряд и смежный рельс. В результате происходит взаимное отталкивание рельсов и ускорение снаряда под действием силы F .

Преимущества и недостатки

С изготовлением рельсотрона связан ряд серьёзных проблем: импульс тока должен быть настолько мощным и резким, чтобы снаряд не успел бы испариться и разлететься, но возникла бы ускоряющая сила, разгоняющая его вперед. Поэтому материал снаряда и рельс должен обладать как можно более высокой проводимостью, снаряд как можно меньшей массой, а источник тока как можно большей мощностью и меньшей индуктивностью. Однако особенность рельсового ускорителя в том, что он способен разгонять сверхмалые массы до сверхбольших скоростей. На практике рельсы изготавливают из бескислородной меди, покрытой серебром, в качестве снарядов используют алюминиевые брусочки или проволоку, в качестве источника питания — батарею высоковольтных электрических конденсаторов, генераторы Маркса, ударные униполярные генераторы, компульсаторы, 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 проволока, после подачи напряжения на рельсы проволока разогревается и сгорает, превращаясь в токопроводную плазму, которая далее также разгоняется. Таким образом рельсотрон может стрелять плазмой, однако вследствие её неустойчивости она быстро дезинтегрируется.

Сила Ампера действует и на рельсы, приводя их к взаимному отталкиванию.

История

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

В 1970-х годах рельсотрон был спроектирован и построен Джоном П. Барбером из Канады и его научным руководителем Ричардом А. Маршаллом из Новой Зеландии в Исследовательской школе физических наук Австралийского национального университета . [ ]

Теория

В физике рельсотрона модуль вектора силы может быть вычислен через закон Био - Савара - Лапласа и формулу силы Ампера . Для вычисления потребуются:

Из закона Био - Савара - Лапласа следует, что магнитное поле на определённой дистанции ( s {\displaystyle s} ) от бесконечного провода с током вычисляется как:

B (s) = μ 0 I 2 π s {\displaystyle \mathbf {B} (s)={\frac {\mu _{0}I}{2\pi s}}}

Следовательно, в пространстве между двумя бесконечными проводами, расположенными на расстоянии r {\displaystyle r} друг от друга, модуль магнитного поля может быть выражен формулой:

B (s) = μ 0 I 2 π (1 s + 1 r − s) {\displaystyle B(s)={\frac {\mu _{0}I}{2\pi }}\left({\frac {1}{s}}+{\frac {1}{r-s}}\right)}

Для того, чтобы уточнить среднее значение для магнитного поля на арматуре рельсотрона, предположим, что диаметр рельса d {\displaystyle d} намного меньше расстояния r {\displaystyle r} и, считая, что рельсы могут считаться парой полубесконечных проводников, мы можем вычислить следующий интеграл:

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

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

F = I r B avg = μ 0 I 2 π ln ⁡ r d {\displaystyle F=IrB_{\text{avg}}={\frac {\mu _{0}I^{2}}{\pi }}\ln {\frac {r}{d}}}

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

Конструкция

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 Ампера, 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 рельсы должны обладать:

• как можно более высокой проводимостью ,
• снаряд - как можно меньшей массой ,
• - 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 Ампера 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 - 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 Ампера прижимает разряд к задней части тела, которая, интенсивно испаряясь, образует реактивную струю , под действием которой и происходит основное ускорение тела .

Преимущества и недостатки

• Использование рельсотрона исключает необходимость хранить на кораблях боезапас обычных снарядов, что повышает живучесть корабля .
• Сравнительно небольшие размеры снарядов для рельсотрона позволяют увеличить боезапас . Однако размер системы в целом при том весьма не мал, и как минимум занимает места не меньше, чем несколько ПКР средних размеров.
• Дальность эффективного огня рельсотрона - до 200 км , однако на это можно возразить, что наибольшей эффективной дальностью для артиллерии является 20-40 км, а на большей дистанции приходится или использовать корректируемый в полёте снаряд, или же многократно возрастёт расход боеприпасов.
• Высокая скорость снаряда позволяет использовать рельсотрон в качестве средства ПВО . Скорость снаряда перспективной пушки, испытания которой планировались на 2016 год , должна была составить 6 , что существенно ниже многих зенитных ракет (9 М для одной из ракет С-300 В4) , маневрирование снаряда невозможно; на практике удалось достичь лишь скорости 3,6 М .
• Никаких доказательств эффективности не предъявлено за много лет , особенно в смысле точности и разрушительной силы. Более того, при сверхдальней стрельбе возникает проблема неоднородной кривизны Земли, гравитационные неравномерности, перепад температур и соответственно плотности воздуха, как и влажности и многие другие проблемы, ограничивающие точную стрельбу артиллерии некорректируемыми снарядами дальностью в считанные десятки км.
• Пробиваемость , в частности (на больших дальностях), и воздействие в целом при попадании не превышает показатели артиллерии средних калибров (скорость в несколько раз больше, но масса в несколько раз меньше, взрывчатого вещества вместо многих килограмм - ноль, единственная разница - в росте дальности из-за сочетания массы, скорости и, в первую очередь, сократившихся размеров, что снижает аэродинамическое сопротивление). Кинетическая энергия снаряда при пробитии не передаётся сверх необходимого для преодоления преграды именно в силу высокой скорости снаряда. Т.е. если снаряд имеет энергию 3 единицы, а чтобы пробить мишень, хватает 1 единицы, то снаряд пробивает дырку и с оставшейся энергией движется дальше. У него нет заряда, поэтому всё воздействие на цель ограничивается пробитием в ней дырки. Правда, при очень высоких скоростях тут есть нюансы, но по поражающему действию они несравнимы со взрывчаткой. [прояснить ] [ ]

Преимущества

• При условии решения всех задач, связанных с реальным применением, такие орудия могут обеспечивать тактическую стационарную ПРО против никак не маневрирующих баллистических ракет , либо расширить горизонт дальности стрельбы.

Программа ВМС США

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 . Предполагается его использование в космонавтике для вывода на орбиту полезных грузов, но кроме этих слов никаких достоверных фактов пока не было.