Предвидение фантастов становится реальностью:

В фантастическом романе советского писателя Александра Казанцева «Пылающий остров» враждебные всему прогрессивному человечеству силы подожгли остров Аренида в Тихом океане. В его пламени сгорает земная атмосфера, и очень скоро все живое на планете неизбежно задохнется. Фредерик Вельт, глава американского (кто бы сомневался!) концерна по производству оружия в пещерах готовит герметические города с атмосферой для своих акционеров. На помощь человечеству приходят советские ученые. Молодая кандидат физических наук Марина Садовская под руководством министра Сергеева разрабатывает принципиально новое оружие — электромагнитное. Залп этих пушек топит пылающую Арениду в океане, туша пожар и спасая человечество.

Идея использования силы Лоренца, возникающей в электромагнитном поле и способной разогнать снаряд до очень большой скорости, возникла практически сразу после открытия великим английским физиком Майклом Фарадеем закона электромагнитной индукции. Век электротехники начался именно тогда. Первым практическим использованием этого открытия стали электрические генераторы и двигатели. Электрический телеграф ознаменовал революцию в средствах связи, за ним последовало электрическое освещение и телефон профессора Белла. Его изобретение настолько поразило современников, что в него просто отказывались верить. Впрочем, как и в электрическую лампочку Эдисона. Когда главе британской почты предложили начать внедрение телефона, почтенный джентльмен заметил: «Возможно, американцы и будут передавать сообщения голосом. Нам же достаточно передавать записки мальчиками посыльными».

Первым электромагнитное оружие описал Жюль Верн в романе «20 000 лье под водой». Экипаж «Наутилуса» был вооружен электрическими винтовками. С их помощью капитан Немо спас поселенцев острова Линкольна от пиратов. Но это уже в другом произведении — «Таинственный остров». Такому оружию отдал дань даже Михаил Булгаков. В его фантастическом романе «Роковые яйца» герои стреляют по чудовищным рептилиям из электрических револьверов. Правда, не всегда успешно.

О современных писателях и говорить не приходится. В крайнем случае, если не электромагнитное оружие, то уж лазерное обязательно. Особенно любит «высокие оружейные технологии» писатель-фантаст Федор Березин, описывая их в своем романе «Красный рассвет». «Общая длина винтовок была небольшой, однако того, кто видел такое оружие впервые, поражала массивность приклада. Но именно там и помещались основные механизмы; туда же, позади рукоятки управления огнем, пристыковывался очень толстый магазин... Просто в нем же находился добавочный, причем достаточно мощный, аккумулятор. Винтовка была плазменная, без электричества она стрелять не могла. Из-за безгильзовой механики она имела недоступную другим видам автоматов скорострельность. А за счет разгона пуль плазмой они получали солидное ускорение, однозначно недостижимое пороховыми устройствами... Страшная штука — плазменный разгон!».

Простейшую модель электромагнитного оружия, например пушки, может изготовить любой, кто имеет самые начальные знания по электричеству и магнетизму. Катушка из нескольких десятков витков, конденсатор, простое устройство зарядки и железный брусок или шарик в качестве снаряда. При замыкании цепи вылетает «снаряд» и пролетает несколько метров. При этом нужно помнить, что при неправильном выборе исходного положения «снаряд» может полететь и в противоположную сторону. Описанная модель получила название «пушки Гаусса» (Gauss gun, coilgun) по имени великого немецкого математика, который занимался и физикой. В 1833 году он вместе с другим выдающимся физиком Вильгельмом Вебером создал один из первых в Германии электромагнитный телеграф, соединявший университетский физический кабинет с обсерваторией. В честь Вебера в системе СИ названа единица магнитного потока.

Использование законов электромагнитного поля привлекло внимание ученых и изобретателей оружия довольно давно. В одном из английских журналов в 1845 году изобретатель Беннингфильд предложил британскому военному министерству 16-миллиметровое электрическое орудие, которое на дальности 36,5 метра могло пробивать доску толщиной 76 мм. Во время Первой мировой войны во Франции инженеры Фашон и Виллепле провели эксперимент. Стволом их орудия являлся ряд соленоидов (катушек), на которые последовательно подавался ток. Действующая модель успешно разогнала снаряд массой 50 г до скорости 200 м/с. По сравнению с настоящими артиллерийскими установками результат получился достаточно скромный, однако показавший принципиальную возможность создания оружия, в котором снаряд разгоняется без помощи пороховых газов.

В 1936 году профессор Принстонского университета Эдвин Нортруп построил электромагнитное орудие с 18-ю «ствольными» катушками. Несколько раньше инженер Верджил Ригсби получил патент на автоматическую электрическую пушку. В нацистской Германии инженер Министерства вооружений Иоахим Ханслер в 1944 году спроектировал и построил 10-мм пушку LM-2. Во время ее испытаний алюминиевый цилиндрический снаряд массой 10 г удалось разогнать до скорости 1080 м/с (3888 км/ч). Люфтваффе было даже подготовлено техническое задание на электрическую зенитную пушку. Начальная скорость снаряда предполагалась не менее 2000 м/с (7200 км/ч), а скорострельность — 12 выстрелов в минуту.

Реализовать проект не удалось, германской промышленности это было уже не под силу. Опытный образец и проектная документация попали в руки американских военных. По результатам испытаний в 1947 году было определено, что для нормальной работы пушки требовалась энергия, которой в то время можно было осветить пол-Чикаго.

В 1915 году русские инженеры Подольский и Ямпольский подготовили проект дальнобойной электрической пушки, имевшей калибр 300 мм и предполагавшей стрельбу снарядами массой 1000 кг. Идея по понятным причинам не была реализована. В СССР в 1920—1930 гг. обсуждалась идея создания 76-миллиметровых электропушек. Александр Казанцев, автор упомянутого романа «Пылающий остров», в 1931 году продемонстрировал созданную им модель стреляющей электропушки наркому Серго Орджоникидзе и был переведен во Всесоюзный электротехнический институт (ВЭИ) в соответствующее подразделение. Идея после ряда лет активной разработки, как писал Казанцев в своих воспоминаниях, зашла в тупик. Первой и самой сложной проблемой стали источники электрической энергии. Накапливать, хранить длительное время и выдавать ее в виде короткого импульса тогдашняя технология не позволяла.

Систематические научные работы по созданию электродинамических ускорителей массы (ЭДУМ), частным случаем которых являются электропушки, начались в мире в 1950-х гг. Одним из родоначальников отечественных разработок в этой области был выдающийся советский ученый, академик Лев Арцимович. В 1957 году он опубликовал в «Журнале экспериментальной и теоретической физики» (ЖЭТФ) статью «Электродинамическое ускорение сгустков плазмы», в которой предлагал использовать собственное магнитное поле проводников для разгона плазмы.

По-видимому, именно он ввел термин «рельсотрон» (в англоязычной литературе принят термин electromagnetic railgun — электромагнитная рельсовая пушка, рейлган) для обозначения одной из разновидностей ЭДУМ. Несколько раньше в этом же году и в этом же журнале была опубликована статья будущего разработчика электроракетных плазменных двигателей Алексея Морозова «Об ускорении плазмы магнитным полем». В ней был описан ускоритель плазмы, состоящий из двух проводников (между которыми формировалась дуга), находящихся в постоянном магнитном поле.

Возникает вопрос: зачем создавать столь сложный вид оружия, если уже довольно давно существует более простой, работающий на эффекте разгона снаряда под действием расширения пороховых газов? Прежде всего, скорость. Пороховые газы обладают достаточно большой молекулярной массой и, как следствие, относительно малой скоростью расширения. Это означает, что предельная скорость, достигаемая снарядом в обычных артиллерийских системах, ограничена величиной 2— 2,5 км/с. Этого недостаточно для пробивания брони современных танков или чтобы сбивать с орбиты спутники противника. Вторая проблема пороховых артиллерийских систем — недостаточная по современным требованиям скорострельность. Она также ограничена физическими свойствами пороховых газов, ствола и механизма заряжания.

Прорыв в разработке электромагнитного оружия наметился во второй половине прошлого века. Несмотря на простоту конструкции «пушки Гаусса», ее реализация столкнулась с такими инженерными проблемами, что в последнее время от нее отказались. На первый план вышла конструкция на рельсах — рельсотрон. Первая крупномасштабная рельсовая пушка была спроектирована и построена в 1970-х годах канадцем Джоном Барбером и его научным руководителем Ричардом Маршаллом из Новой Зеландии в Исследовательской школе физических наук Австралийского национального университета. Так это и осталось бы экспериментальной моделью, если бы такой новинкой не заинтересовались военные.

С 2005 года соответствующие работы велись по заказу ВМС США американским отделением английской фирмы BAE Systems. В 2008 году были проведены успешные испытания макета рельсотрона с энергией накачки 10 МДж и тем самым доказана практическая возможность создания боевой установки.

И вот буквально накануне Нового года (10 декабря) специалисты Научно-исследовательского управления ВМС США провели очередные испытания более совершенной модели рельсотрона на территории расположенного в городе Дальгрен, штат Вирджиния, одного из подразделений Центра оружия надводных кораблей ВМС США. Во испытаний был произведен выстрел, для которого использовалось, как говорится в отчете, «рекордное количество энергии — 33 мегаджоуля (МДж)». На видеоролике можно видеть, как стальной брусок массой 10,4 кг вылетает из рельсотрона со скоростью около М7 (8400 км/ч, 2333 м/с). В пресс-релизе Научно-исследовательского управления ВМС США приведен сравнительный пример: 1 МДж энергии — это когда грузовик массой в 1 т движется со скоростью 100 миль/ч (185 км/ч, 51,4 м/с).

Устройство рельсотрона достаточно просто и чем-то напоминает детскую железную дорогу. На рельсы подается электрический ток большой величины, между ними располагается подвижный проводящий снаряд. Текущий по проводящему рельсу ток создает вокруг него магнитное поле. Линии магнитного поля направлены против часовой стрелки вокруг плюсового рельса и по часовой стрелке вокруг минусового. В результате между рельсами создается вертикальное магнитное поле. На проводник, находящийся в электромагнитном поле, действует сила Лоренца, направленная перпендикулярно движению тока и линиям магнитного поля. В результате снаряд, который исполняет роль проводника, начинает разгоняться вдоль рельсов. Вслед за движущимся снарядом образуется облако плазмы. В перспективе она также может быть использована в боевых целях.

Этот простой принцип довольно сложно реализовать на практике. Довести силу Лоренца до требуемой величины можно двумя путями: либо удлиняя рельсы, либо увеличивая ток. Длина рельсов ограничена по понятным причинам, поэтому остается вторая возможность — пропускать по рельсам ток в сотни тысяч ампер.

Но тут разработчики сталкиваются с двумя проблемами. По известному из школьной физики закону Джоуля-Ленца, при прохождении электрического тока по проводнику выделяется тепло, пропорциональное электрическому сопротивлению, времени прохождения тока и, самое главное, квадрату величины этого тока. Время прохождения тока зависит от скорости движения снаряда. Оно относительно мало, но все-таки достаточное для существенного нагрева рельс. Электрическое сопротивление при комнатной температуре практически невозможно сильно уменьшить, даже если изготовить рельсы из чистого серебра, имеющего наименьшее удельное сопротивление. Реально рельсы изготавливают из специального сорта меди. Третий член этого уравнения — квадрат тока — вносит наибольший вклад, если можно так выразиться, в выделение тепла в рельсах. Сотни тысяч ампер в квадрате пропорциональны тераджоулям (ТДж) энергии. Если 1 МДж может за час забросить грузовик массой в 1 т на 185 км, то 1ТДж (в тысячу раз больше) способен сделать это на расстояние 185 тыс. километров. А это почти половина расстояния от Земли до Луны.

Вторая проблема связана, опять же, с прохождением большой величины тока. В этом случае между рельсами возникает сила Ампера. Она отталкивает рельсы друг от друга, так как токи, проходящие по ним, направлены одинаково. Величина силы Ампера также пропорциональна квадрату протекающего тока. Получается, что увеличивая силу тока для увеличения начальной скорости снаряда, мы тем самым увеличиваем и проблемы. Отметим и еще одну, сопутствующую. С увеличением скорости снаряда, нагревания и разрушения рельс нарушается контакт между ними и снарядом, соответственно уменьшается сила Лоренца. В результате скорость оказывается намного меньше расчетной величины. Но, как оказалось, это не самые сложные проблемы из тех, что стояли перед разработчиками.

Самая главная — источник тока. Он должен обладать достаточной мощностью и способностью генерировать короткие во времени огромные импульсы тока. В таком качестве использовались конденсаторы большой емкости. Способ весьма проблемный, несмотря на значительный прогресс в разработке и внедрении электроизоляционных материалов. Конденсаторы достаточно долго заряжаются, причем чем больше их емкость, тем длительнее зарядка. Тут полная аналогия с аккумуляторами, например автомобильными. Собственно, конденсатор также является аккумулятором. Вторая сложность состоит в том, что конденсатор невозможно полностью разрядить. Часть его заряда остается в нем, в качестве своего рода балласта. Соответственно приходится использовать конденсаторы большей емкости, что увеличивает размеры устройства. В боевых условиях это является существенным ограничивающим фактором. Именно из-за отсутствия источника тока электромагнитное оружие столь долгое время оставалось только на страницах фантастических романов, в кинокадрах боевиков и триллеров.

Сдвиг произошел после изобретения австралийским физиком-ядерщиком Марком Олифантом (кстати, закончившим свою карьеру в качестве успешного губернатора штата Южная Австралия) униполярного импульсного генератора. Он разгоняется до очень большой скорости, потом включается внешнее магнитное поле (поле возбуждения генератора), и в цепи появляется импульс тока. Вращение ротора резко замедляется, а его кинетическая энергия преобразуется в электрическую. Для униполярного генератора характерно относительно невысокая величина напряжения, но очень большой выходной ток. Есть образцы, позволяющие генерировать 500 МДж энергии.

Униполярный генератор имеет довольно низкий коэффициент полезного действия, около 10%. Поэтому более перспективными представляются источники тока на основе сверхпроводимости. При очень низких температурах, близких к абсолютному нулю (0 К, -273°С) проводники теряют электрическое сопротивление и способны пропустить очень большие токи практически без нагрева. Наиболее перспективным источником энергии для рельсотрона является сверхпроводящий индуктивный накопитель энергии (СПИН). Энергия в нем запасается в виде магнитного поля, возникающего в процессе протекания постоянного тока в катушке из сверхпроводников. Потери энергии при зарядке-разрядке СПИН не превышают 5% — это рекордный показатель. Но определенное количество энергии расходуется на работу системы охлаждения. К примеру, критическая температура для сверхпроводников обмотки соленоида (катушки) на основе сплава NbTi (ниобия-титана) составляет около 10 К (-263°С). Успехи физики твердого тела позволяют получить сверхпроводимость для некоторых сплавов при более высоких температурах около 173 К (-100°С). Применение высокотемпературных сверхпроводников может снизить энергетические расходы на охлаждение. Хотя они достаточно дороги, но для военных это не самая большая проблема. Тем более, что полимерные сверхпроводники в скором времени позволят решить и эту задачу. Особые требования предъявляются к прочности конструкции СПИН: на сверхпроводник также действует сила Лоренца, которая стремится буквально разорвать катушку на части.

Вернемся к испытаниям в Дальгрене. Основная цель программы Научно-исследовательского управления ВМС США «electromagnetic railgun» заключается в создании для надводных кораблей нового дальнобойного комплекса вооружения, основанного на использовании электрической энергии и кинетического боеприпаса. Урон обстреливаемому объекту будет наноситься не за счет энергии детонирующего взрывчатого вещества артиллерийского снаряда, а за счет его кинетической энергии. Поэтому проекту присвоен девиз «Velocitas Eradico» (лат. — «скорость разрушает»).

По оценке специалистов Научно-исследовательского управления ВМС США, в случае поступления рельсотрона на вооружение боевых кораблей устраняется необходимость использования взрывчатки в артиллерийских снарядах и тем самым увеличивается общая взрыво- и пожаробезопасность кораблей.

Расчеты показывают, что при 9 МДж энергии выстрела металлический снаряд массой 2 кг с начальной скоростью 3 км/с легко пробивает броню современного танка. По расчетам американских специалистов, для рельсотронной пушки мощностью 64 МДж придется обеспечить подачу 6 млн. ампер в секунду. Для шести выстрелов в минуту с энергией каждого 64МДж необходима мощность 16 МВт. Для сравнения: мощность главной энергоустановки перспективного эсминца типа DDG 1000 Zimwalt заявлена в 72 МВт. И это на все виды потребителей бортовой энергетической установки, в том числе комплексов оружия и радиотехнического вооружения. Впрочем, специалисты рассчитывают на то, что в процессе проведения стрельб скорость эсминца будет незначительной и кораблю не нужна будет вся мощность энергосиловой установки корабля.

Стреляющие управляемыми высокоточными снарядами на 200—220 миль (370—407 км) скорострельные рельсотронные пушки рассматриваются командованием Корпуса морской пехоты США в качестве одного из наиболее эффективных средств для поддержки своих подразделений, высаживающихся на вражеское побережье, для подавления огневых средств и инженерных заграждений противника. В любом случае это будет гораздо дешевле и эффективнее, чем применение крылатых ракет «Томахок».

В Великобритании компания BAE Systems еще в 2003 году на полигоне Дандреннан в исследовательском центре Агентства оборонных исследований в шотландском городке Киркудбрайт при проведении испытаний рельсотрона-рейлгана получила скорость снаряда около М6. Британцы сосредоточились на создании мобильных наземных систем электромагнитного оружия, в частности так называемого электрического танка. Есть сведения, что, несмотря на проблемы с источниками питания, они продвинулись в этом направлении. Но, в отличие от американских коллег, не особо афишируют свои достижения. Следующий этап испытаний американцы наметили на 2012 год. Принять на вооружение рельстрон-рейлган генералы и адмиралы надеются в 2020 году. Если на первый этап было выделено 36 млн. долларов, то на следующий гораздо больше — 276 млн.

Боевое применение рельсотрона не ограничивается вооружением боевых кораблей. Из-за высокой начальной скорости снаряды электромагнитной пушки во время полета к цели мало подвержены воздействию внешних факторов, например бокового ветра и т.д. Это делает возможным весьма точное наведение на цель на значительном расстоянии от нее. Вот почему уже разрабатываются проекты использования рельсотрона в качестве оружия борьбы с космическими объектами, в первую очередь со спутниками. Тем более, что в разреженном воздухе или в безвоздушном пространстве взрыв артиллерийского боеприпаса неэффективен или просто бесполезен. В отличие от ракеты, пуск такого снаряда сложно отследить радиолокационными средствами — потому возможно применение в борьбе с самолетами противника.

У силовой электромагнитной техники есть и вполне мирные возможности для использования. В статье академика Арцимовича рассматривалось управление потоком плазмы в электромагнитном поле. Если удастся решить ряд весьма сложных инженерных проблем, то открывается возможность прямого преобразования энергии высокотемпературной плазмы в электрическую. Тогда принципиально изменится устройство электростанций и значительно повысится их коэффициент полезного действия. Кроме того, плазма способна передавать огромные массивы информации с очень высокой скоростью, что открывает значительные перспективы в средствах связи. В некоторых развлекательных центрах в США аттракционы «американские горки» для разгона тележек до 96 км/ч используют электромагнитное поле. Не отстает и NASA. Эта организация разрабатывает проект разгона космического аппарата с помощью электромагнитного поля. После разгона дальнейшее ускорение запускаемому аппарату будут придавать собственные силовые установки. Сам аппарат перед достижением верхних слоев атмосферы должен будет развить скорость М10 (около 11,5 тыс. км/ч).

Несмотря на ряд научных и инженерных проблем, мир стоит перед переходом на принципиально новые виды оружия. И тем самым на пороге нового витка гонки вооружений. И выиграет ее тот, кто будет не только обладать необходимым промышленным, но, самое главное, научным потенциалом. Пока и в том, и в другом — США впереди.

СПРАВКА «Дня»

М — число Маха, названо в честь австрийского физика и философа Эрнста Маха. Оно представляет собой отношение локальной скорости потока к местной скорости звука. Такое определение часто используется в характеристиках летательных аппаратов. Их скорость задается безразмерным числом Мn , где n — десятичное число. Например, М4 обозначает, что скорость летательного аппарата в 4 раза превышает скорость звука.