Передбачення фантастів стає реальністю:

У фантастичному романі радянського письменника Олександра Казанцева «Палаючий острів» ворожі всьому прогресивному людству сили запалили острів Ареніда в Тихому океані. У його полум’ї згоряє земна атмосфера і дуже скоро все живе на планеті неминуче задихнеться. Фредерік Вельт, глава американського (хто б мав сумнів!) концерну з виробництва зброї в печерах готує герметичні міста з атмосферою для своїх акціонерів. Але на допомогу людству приходять радянські вчені. Молода кандидат фізичних наук Марина Садовська під керівництвом міністра Сергеєва розробляє принципово нову зброю — електромагнітну. Залп цих гармат потопляє палаючу Ареніду в океані, тим самим гаситься пожежа і врятовується людство.

Ідея використання сили Лоренца, яка виникає в електромагнітному полі й здатна розганяти снаряд до дуже великої швидкості, виникла практично відразу після відкриття великим англійським фізиком Майклом Фарадеєм закону електромагнітної індукції. Сторіччя електротехніки почалося саме тоді. Першим практичним застосуванням цього відкриття стали електричні генератори та двигуни. Електричний телеграф ознаменував революцію в засобах зв’язку, за ним з’явилося електричне освітлення і телефон професора Белла. Його винахід настільки вразив сучасників, що в нього просто відмовлялися вірити. Втім, як і в електричну лампочку Едісона. Коли главі британської пошти запропонували почати впровадження телефону, шанований джентльмен зазначив: «Можливо, американці й передаватимуть повідомлення голосом. Нам же досить передавати нотатки хлопчиками-посильними».

Першим електромагнітну зброю описав Жюль Верн у романі «20 000 льє під водою». Екіпаж «Наутілуса» було озброєно електричними рушницями. З їх допомогою капітан Немо врятував поселенців острова Лінкольна від піратів. Але це вже в іншому творі — «Таємничий острів». Такій зброї віддав данину навіть Михайло Булгаков. У його фантастичному романі «Рокові яйця» герої стріляють у жахливих рептилій із електричних револьверів. Щоправда, не завжди успішно.

Про сучасних письменників і говорити не доводиться. У крайньому разі, якщо не електромагнітна зброя, то вже лазерна — обов’язково. Особливо любить «високі збройові технології» письменник-фантаст Федір Березін у своєму романі «Червоний світанок». «Загальна довжина рушниць була невеликою, проте того, хто бачив таку зброю вперше, приголомшувала масивність прикладу. Але саме там і вміщувалися основні механізми; туди ж, позаду рукоятки управління вогнем, пристиковувався дуже товстий магазин... Просто в ньому ж містився додатковий, причому досить потужний, акумулятор. Рушниця була плазмова, без електрики вона стріляти не могла. Через безгільзову механіку вона мала недоступну для інших видів автоматів скорострільність. А за рахунок розгону куль плазмою вони отримували солідне прискорення, однозначно недосяжне пороховими пристроям... Страшна річ — плазмовий розгін!».

Найпростішу модель електромагнітної зброї, наприклад гармати, може виготовити будь-хто, хто має лише початкові знання з електрики та магнетизму. Котушка з декількох десятків витків, конденсатор, простий пристрій зарядки та залізний брусок чи кулька як снаряд. При замиканні ланцюга вилітає «снаряд» і пролітає декілька метрів. При цьому потрібно пам’ятати, що при неправильному виборі вихідного положення «снаряд» може полетіти і в протилежний бік. Описана модель дістала назву «Гармати Гауса» (Gauss gun, coilgun) за ім’ям великого німецького математика, який займався й фізикою. 1833 року він разом із іншим видатним фізиком Вільгельмом Вебером створив один із перших у Німеччині електромагнітний телеграф, який з’єднував університетський фізичний кабінет із обсерваторією. На честь Вебера у системі СІ названо одиницю магнітного потоку.

Використання законів електромагнітного поля привернуло увагу вчених і винахідників зброї досить давно. В одному з англійських часописів 1845 року винахідник Беннінгфільд запропонував британському військовому міністерству 16-міліметрову електричну гармату, яка на дальності 36,5 метра могла пробивати дошку завтовшки 76 мм. Під час Першої світової війни у Франції було проведено експеримент інженерами Фашоном і Віллепле. Стволом їх гармати був ряд соленоїдів (котушок), на які послідовно подавався струм. Діюча модель успішно розганяла снаряд масою 50 г до швидкості 200 м/с. У порівнянні зі справжніми артилерійськими установками результат вийшов досить скромним, проте таким, що показав принципову можливість створення зброї, в якій снаряд розганяється без допомогою порохових газів.

1936 року професор Прінстонського університету Едвін Нортруп побудував електромагнітну гармату з 18 «стволовими» котушками. Дещо раніше інженер Верджіл Рігсбі отримав патент на автоматичну електричну гармату. У нацистській Німеччині інженер Міністерства озброєнь Йоахім Ганслер 1944 року спроектував і побудував 10-міліметрову гармату LM-2. Під час її випробувань алюмінієвий циліндровий снаряд масою 10 г вдалося розігнати до швидкості 1080 м/с (3888 км/год). Люфтваффе було навіть підготовано технічне завдання на електричну зенітну гармату. Початкова швидкість снаряда передбачалася не менше 2000 м/с (7200 км/год), а швидкострільність — 12 пострілів на хвилину.

Реалізувати проект не вдалося, німецькій промисловості це було вже не під силу. Дослідний зразок і проектна документація потрапили до рук американських військових. За результатами випробувань 1947 року було визначено, що для нормальної роботи гармати була потрібна енергія, якою, на той час, можна було освітити пів-Чикаго.

1915 року російські інженери Подольський і Ямпольський підготували проект далекобійної електричної гармати, яка мала калібр 300 мм і передбачала стрільбу снарядами масою 1000 кг. Ідею, зі зрозумілих причин, не було реалізовано. У СРСР в 1920—1930 рр. обговорювалася ідея створення 76-мм електрогармат. Олександр Казанцев, автор згаданого роману «Палаючий острів», 1931 року продемонстрував створену ним модель стріляючої електрогармати наркомові Серго Орджонікідзе і був переведений до Всесоюзного електротехнічного інституту (ВЕІ) до відповідного підрозділу. Ідея після ряду років активної розробки, як писав Казанцев у своїх спогадах, зайшла в глухий кут. Першою й найскладнішою проблемою стали джерела електричної енергії. Нагромаджувати, зберігати тривалий час і видавати її у вигляді короткого імпульсу тодішня технологія не могла.

Систематичні наукові роботи зі створення електродинамічних прискорювачів маси (ЕДПМ), окремим випадком яких є електрогармати, почалися в світі в 1950-х рр. Одним із родоначальників вітчизняних розробок у цій галузі був видатний радянський учений, академік Лев Арцимович. 1957 року він опублікував у «Журнале экспериментальной и теоретической физики» (ЖЭТФ) статтю «Електродинамічне прискорення згустків плазми», в якій пропонував використовувати власне магнітне поле провідників для розгону плазми.

Мабуть, він увів термін «рейкотрон» (у англомовній літературі прийнятий термін electromagnetic railgun— електромагнітна рейкова гармата, рейлган) для позначення одного з різновидів ЕДПМ. Дещо раніше, цього ж року і в цьому ж часописі, було опубліковано статтю майбутнього розробника електроракетних плазмових двигунів Олексія Морозова «Про прискорення плазми магнітним полем». У ній було описано прискорювач плазми, який складається з двох провідників (між якими формувалася дуга), котрі містяться в постійному магнітному полі.

Виникає запитання: навіщо створювати настільки складний вид зброї, якщо вже досить давно існує простіший, який працює на ефекті розгону снаряда під дією розширення порохових газів? Перш за все, швидкість. Порохові гази мають чималу молекулярну масу і, як наслідок цього, відносно малу швидкість розширення. Це означає, що гранична швидкість, яка досягається снарядом у звичайних артилерійських системах, обмежена величиною 2— 2,5 км/с. Цього недостатньо для пробиття броні сучасних танків або щоб збивати з орбіти супутники супротивника. Друга проблема порохових артилерійських систем — недостатня за сучасними вимогами швидкострільність. Вона також обмежена фізичними властивостями порохових газів, ствола та механізму заряджання.

Прорив у розробці електромагнітної зброї намітився в другій половині минулого сторіччя. Попри простоту конструкції «гармати Гауса», її реалізація зіткнулася з такими інженерними проблемами, що найближчим часом від неї відмовилися. На перший план вийшла конструкція на рейках — рейкотрон. Першу великомасштабну рейкову гармату було спроектовано й побудовано в 1970-х рр. канадцем Джоном Барбером і його науковим керівником Ричардом Маршаллом з Нової Зеландії в Дослідницькій школі фізичних наук Австралійського національного університету. Так це й залишилося б експериментальною моделлю, якби такою новинкою не зацікавилися військові.

З 2005 року відповідні роботи велися за замовленням ВМС США американським відділенням англійської фірми BAE Systems. 2008 року було проведено успішні випробування макету рейкотрону з енергією накачування 10 МДж і тим самим доведено практичну можливість створення бойової установки.

І ось буквально напередодні Нового року (10 грудня) фахівцями Науково-дослідного управління ВМС США на території розташованого в місті Дальгрен, штат Вірджинія, одного з підрозділів Центру зброї надводних кораблів ВМС США, було проведено чергові випробування удосконаленої моделі рейкотрону. Під час їх проведення було зроблено постріл, для якого було використано, як сказано у звіті, «рекордну кількість енергії — 33 мегаджоулі (МДж)». На відеоролику можна бачити, як сталевий брусок масою 10,4 кг вилітає з рейкотрону зі швидкістю близько М7 (8400 км/год, 2333 м/с). У прес-релізі Науково-дослідного управління ВМС США наведено порівняльний приклад: 1 МДж енергії — це коли вантажівка масою в 1 т рухається зі швидкістю 100 миль/год (185 км/год, 51,4 м/с).

Рейкотрон є досить простим і чимось нагадує дитячу залізницю. На рейки подається електричний струм великої сили, між ними розташовується рухомий провідний снаряд. Струм, який іде провідною рейкою, створює навколо неї магнітне поле. Лінії магнітного поля спрямовані проти годинникової стрілки навколо плюсової рейки і за годинниковою стрілкою довкола мінусової. У результаті між рейками створюється вертикальне магнітне поле. На провідник, який перебуває в електромагнітному полі, діє сила Лоренца, спрямована перпендикулярно до руху струму і ліній магнітного поля. У результаті снаряд, який виконує роль провідника, починає розганятися вздовж рейок. Услід за снарядом, який рухається, утворюється хмара плазми. У перспективі її також можна буде використати в бойових цілях.

Цей простий принцип доволі складно реалізувати на практиці. Довести силу Лоренца до необхідної величини можна двома шляхами: або подовжуючи рейки, або збільшуючи струм. Довжину рейок обмежено зі зрозумілих причин, тому залишається друга можливість — пропускати рейками струм у сотні тисяч ампер.

Але тут розробники стикаються із двома проблемами. За відомим зі шкільної фізики Законом Джоуля-Ленца, при проходженні електричного струму по провіднику виділяється тепло, що пропорційне електричному опорові, часові проходження струму і, найголовніше, квадратові величини цього струму. Час проходження струму залежить від швидкості руху снаряда. Він відносно малий, але все ж таки достатній для істотного нагрівання рейок. Електричний опір при кімнатній температурі практично неможливо сильно зменшити, навіть якщо виготовити рейки з чистого срібла, яке має найменший питомий опір. Реально рейки виготовляють зі спеціального ѓатунки міді. Третій член цього рівняння — квадрат струму — вносить найбільший вклад, якщо можна так висловитися, до виділення тепла в рейках. Сотні тисяч ампер у квадраті пропорційні тераджоулям (ТДж) енергії. Якщо 1 МДж може за годину закинути вантажівку масою 1 т на 185 км, то 1ТДж (у тисячу разів більше) спроможний зробити це на відстань 185 тис. кілометрів. А це майже половина відстані від Землі до Місяця.

Друга проблема пов’язана знову ж таки із проходженням великої кількості струму. В цьому випадкові між рейками виникає сила Ампера. Вона відштовхує рейки одну від одної, оскільки струми, які ними проходять, спрямовані однаково. Величина сили Ампера також пропорційна квадратові струму. Виходить, що збільшуючи силу струму для збільшення початкової швидкості снаряда, ми тим самим збільшуємо й проблеми. Зазначимо й ще одну супутню проблему. Зі збільшенням швидкості снаряда, нагрівання та руйнування рейок порушується контакт між ними і снарядом, відповідно зменшується сила Лоренца. У результаті швидкість виявляється набагато меншою за розрахункову величину. Але, як виявилося, це не найскладніші проблеми з тих, що стояли перед розробниками.

Найголовніша — джерело струму. Воно повинне мати достатню потужністю і здатність генерувати короткі в часі величезні імпульси струму. Для цього використовувалися конденсатори великої ємності. Спосіб вельми проблемний, попри значний поступ у розробці та впровадженні електроізоляційних матеріалів. Конденсатори доволі довго заряджають, причому, чим більше їхня ємність, тим довша зарядка. Тут повна аналогія з акумуляторами, наприклад, автомобільними. Власне, конденсатор також є акумулятором. Друга складність полягає в тому, що конденсатор неможливо повністю розрядити. Частина його заряду залишається в нім, як свого роду баласт. Відповідно доводиться використовувати конденсатори більшої ємності, що збільшує розміри пристрою. За бойових умов це є істотним обмежуючим чинником. Саме через відсутність джерела струму електромагнітна зброя настільки довгий час залишалася лише на сторінках фантастичних романів, у кінокадрах бойовиків і трилерів.

Зрушення сталося після винаходу австралійським фізиком-ядерником Марком Оліфантом, який закінчив свою кар’єру як успішний губернатор штату Південна Австралія, уніполярного імпульсного генератора. Він розганяється до дуже великої швидкості, потім вмикається зовнішнє магнітне поле (поле збудження генератора), і в ланцюгу з’являється імпульс струму. Обертання ротора різко сповільнюється, а його кінетична енергія перетворюється на електричну. Для уніполярного генератора характерна відносно невисока величина напруги, але дуже великий вихідний струм. Є зразки, які дозволяють генерувати 500 МДж енергії.

Уніполярний генератор має доволі низький коефіцієнт корисної дії, близько 10%. Тому перспективнішими є джерела струму на основі надпровідності. При дуже низьких температурах близьких до абсолютного нуля (0 К, -273°С) провідники втрачають електричний опір і здатні пропустити дуже великі струми практично без нагрівання. Найбільш перспективним джерелом енергії для рейкотрону є надпровідний індуктивний накопичувач енергії (НПІНЕ). Енергія в ньому запасається у вигляді магнітного поля, яке виникає в процесі протікання постійного струму в котушці з надпровідників. Втрати енергії при зарядці-розрядці НПІНЕ не перевищують 5% — це рекордний показник. Але певна кількість енергії витрачається на роботу системи охолодження. Наприклад, критична температура для надпровідників обмотки соленоїда (котушки) на основі сплаву NbTi (ніобію-титану) становить близько 10 К (-263°С). Успіхи фізики твердого тіла дозволяють отримати надпровідність для деяких сплавів при вищих температурах близько 173 К (-100°С). Вживання високотемпературних надпровідників може знизити енергетичні витрати на охолодження. Хоча вони досить дорогі, але для військових це не найбільша проблема. Тим паче, що полімерні надпровідники незабаром дозволять вирішити й це завдання. Особливі вимоги пред’являються до міцності конструкції НПІНЕ: на надпровідник також діє сила Лоренца, яка прагне буквально розірвати котушку на частини.

Повернімося до випробувань у Дальгрені. Основна мета програми Науково-дослідного управління ВМС США «Electromagnetic railgun» полягає в створенні для надводних кораблів нового далекобійного комплексу озброєння, що базується на використанні електричної енергії та кінетичних боєприпасів. Шкода обстрілюваному об’єктові завдаватиметься не за рахунок енергії детонуючої вибухової речовини артилерійського снаряда, а за рахунок його кінетичної енергії. Тому проектові присвоєно девіз «Velocitas Eradico» (лат. — «швидкість руйнує»).

За оцінкою фахівців Науково-дослідного управління ВМС США, у разі надходження рейкотрону на озброєння бойових кораблів, усувається необхідність використання вибухівки в артилерійських снарядах і тим самим збільшується загальна вибухо- і пожежобезпека кораблів.

Розрахунки показують, що при 9 МДж енергії пострілу металевий снаряд масою 2 кг із початковою швидкістю 3 км/с легко пробиває броню сучасного танка. За розрахунками американських фахівців, для рейкотронної гармати потужністю 64 МДж доведеться забезпечити подачу 6 млн. ампер на секунду. Для шести пострілів на хвилину з енергією кожного 64 МДж необхідна потужність 16 МВт. Для порівняння, потужність головної енергоустановки перспективного есмінця типу DDG 1000 Zimwalt заявлено в 72 МВт. І це на всі види споживачів бортової енергетичної установки, у тому числі комплексів зброї та радіотехнічного озброєння. Втім, фахівці розраховують на те, що в процесі проведення стрільби швидкість есмінця буде незначною і кораблеві не буде потрібна вся потужність енергосилової установки корабля.

Швидкострільні рейкотронні гармати, які стріляють керованими високоточними снарядами на 200—220 миль (370 — 407 км) розглядаються командуванням Корпусу морської піхоти США як один із найбільш ефективних засобів для підтримки своїх підрозділів, які висаджуються на вороже узбережжя, придушення вогневих засобів та інженерних загороджень супротивника. У будь-якому разі це буде набагато дешевше та ефективніше, ніж вживання крилатих ракет «Томахок».

У Великій Британії компанія BAE Systems ще 2003 року на полігоні Дандреннан у дослідному центрі Агенції оборонних досліджень у шотландському містечку Кіркудбрайт при проведенні випробувань рейкотрону-рейлгану отримала швидкість снаряда близько М6. Британці зосередилися на створенні мобільних наземних систем електромагнітної зброї, зокрема, так званого електричного танка. Є відомості, що, попри проблеми з джерелами живлення, вони просунулися в цьому напрямку. Але, на відміну від американських колег, не особливо афішують свої досягнення. Наступний етап випробувань американці намітили на 2012 рік. Прийняти на озброєння рейкотрон-рейлган генерали й адмірали сподіваються 2020 року. Якщо на перший етап було виділено 36 млн. доларів, то на наступний значно більше — 276 млн.

Бойове вживання рейкотрону не обмежується озброєнням бойових кораблів. Через високу початкову швидкість снаряди електромагнітної гармати мало підпадають під вплив зовнішніх чинників під час польоту до цілі, наприклад, бічного вітру і подібних явищ. Це робить можливим доволі точне наведення на ціль, перебуваючи на значній відстані від неї. Ось чому вже розробляються проекти використання рейкотрону як зброї боротьби з космічними об’єктами — в першу чергу — з супутниками. Тим паче, що в розрідженому повітрі або в безповітряному просторі вибух артилерійських боєприпасів неефективний або просто даремний. На відміну від ракети, запуск такого снаряда складно відстежити радіолокаційними засобами. Аналогічно можливе їхнього застосування в боротьбі з літаками противника.

У силової електромагнітної техніки є й цілком мирні можливості використання. У статті академіка Арцимовича розглядалося управління потоком плазми в електромагнітному полі. Якщо вдасться вирішити ряд вельми складних інженерних проблем, то відкривається можливість прямого перетворення енергії високотемпературної плазми на електричну. Тоді принципово зміниться будова електростанцій і значно підвищиться їхній коефіцієнт корисної дії. Окрім того, плазма спроможна передавати величезні масиви інформації з дуже високою швидкістю, що відкриває значні перспективи в засобах зв’язку. У деяких розважальних центрах у США атракціони «американські гірки» для розгону візків до 96 км/год використовують електромагнітне поле. Не відстає й NASA. Ця організація розробляє проект розгону космічного апарату за допомогою електромагнітного поля. Після розгону подальше прискорення апарату, який запускається, надаватимуть власні силові установки. Сам апарат перед досягненням верхніх шарів атмосфери має розвинути швидкість М10 (близько 11,5 тис. км/год.).

Попри ряд наукових та інженерних проблем, світ стоїть перед переходом на принципово новий вид зброї. І тим самим перебуває на порозі нового витка гонки озброєнь. І виграє її той, хто не лише матиме необхідний промисловий, але — найголовніше — науковий потенціал. Наразі і в тому, і в іншому США — попереду.

ДОВІДКА «Дня»

М — число Маха, назване на честь австрійського фізика та філософа Ернста Маха. Воно є відношенням локальної швидкості потоку до місцевої швидкості звуку. Таке визначення часто використовується у характеристиках літальних апаратів. Їхня швидкість задається безрозмірним числом Мn , де n — десяткове число. Наприклад, М4 — означає, що швидкість літального апарату в 4 рази перевищує швидкість звуку.