7.3.2. Электромагнитные пушки

Дальнейшее развитие идеи уменьшения коэффициента фиктивности масс за счет уменьшения плотности рабочего тела приводит к решению вообще отказаться от вещественного энерго­носителя и толкать снаряд невесомым полем, прежде всего, элек­тромагнитным.

Вопрос о создании подобного оружия не ставился до тех пор, пока сотрудники Австралийского национального университета не получили первые положительные результаты. На эксперименталь­ной установке они сумели придать снаряду массой 10 г гиперзву­ковую скорость около 6000 м/с благодаря применению электромаг­нитного накопителя с энергией 50 МДж (обратим внимание, что КПД = 0,0036). Впоследствии результаты, полученные в Австра­лийском национальном университете, вызвали большой интерес в США, где с 1980 года начались интенсивные исследования в этой области. Проведенные эксперименты показали, что с помощью ЭМП можно не только разгонять небольшие тела массой в несколько граммов, но и сообщать большие ускорения снарядам обычного типа. Военные специалисты поставили вопрос об изучении воз­можности использования ЭМП в качестве основного вооружения танков.

Рис. 7.13. Физический принцип электромагнитного ускорения

Физический принцип электромагнитного разгона достаточно прост и основан на том, что проводник длиной l, по которому течет ток силой I испытывает в ортогональном магнитном поле с индук­цией. В действие Лоренцевой силы F(рис.7.13). Взаимосвязь указанных параметров выражается формулой:

F=I∙B∙l (7.2)

Как видно из формулы, величина движущей силы в реальности зависит от силы тока и индукции магнитного поля. Размер l в на­шем случае представляет собой калибр снаряда, поэтому не может варьироваться произвольно и не оказывает существенного влияния на величину ускоряющей силы.

В свою очередь, индукция магнит­ного поля, создаваемого электромагнитом, пропорциональна про­текающему току. Следовательно, сила, толкающая снаряд в элек­тромагнитной пушке, пропорциональна квадрату потребляемого тока.

рис. 7.14. Схема рельсовой электромагнитной пушки.

Для создания эксперименталь­ных установок высокоскоростно­го метания исследуется большое количество разнообразных схем электромагнитного разгона с ис­пользованием как переменного, так и постоянного тока. Однако можно выделить три основных типа: рельсовые (контактные) пушки; индукционные (коакси­альные); комбинированные.

Электромагнитная рельсовая (рис. 7.14) состоит из двух жестких параллельных рельсов 7, служащих одновременно направляющей для движения снаряда, и токоведущими шинами, проводящими ток в прямом и обратном направлениях. Между рельсами помещен снаряд 2 в обойме, имею щей токопроводящий элемент 3, замкнутый на оба рельса. В таком виде рельсовая пушка фактически представляет собой линейный электрический двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением. При этом рельсы являются одновитковой обмоткой статора, а обойма со снарядом служат якорем.

Токопроводящий элемент якоря не обязательно должен быть твердым металлическим проводником. Более того, удовлетворитель­ный контакт твердого якоря с рельсами наблюдается при скоростях движения снаряда не выше 1...3 км/с. Для достижения гиперскоро­стей считается перспективным использование плазменного якоря. Механизм его образования следующий. При протекании через якорь большого тока (его величина может достигать нескольких мегаампер) металлический слой обоймы снаряда, разогреваясь, испаряется, превращаясь в облако токопроводящей плазмы. Образовавшийся плазменный якорь толкает обойму со снарядом.

Допускаемая величина тока в рельсовых ЭМП ограничивается в основном тремя факторами:

прочностью и жесткостью рельсовых направляющих под дей­ствием импульсных магнитных сил, раздвигающих рельсы;

силовыми инерционными нагрузками на обойму со снарядом;

оплавлением и эрозией рельсов в результате их нагрева и бом­бардировки частицами плазмы.

В качестве достоинств рельсовых ЭМП специалисты отмечают большую ускоряющую силу, позволяющую при приемлемой длине ствола достичь высоких начальных скоростей снаряда.

Рис. 7.15. Схема коаксиальной электро­магнитной пушки

Недостатком является относительно ма­лый КПД преобразования элект­рической энергии в кинетичес­кую энергию снаряда. Значение этой характеристики колеблется в пределах 15...20%, что, однако, не хуже эффективности совре­менных пороховых орудий.

Параллельно с рельсовыми пушками в исследовательских ла­бораториях разных стран прово­дятся научные эксперименты с электромагнитными пушками ин­дукционного типа, в которых вместо рельсов используются соленоиды. Ствол такой пушки (рис. 7.15) состоит из направляю­щей трубы 7, окруженной рядом стационарных катушек ускорите­ля 2. Эти катушки по мере продвижения снаряда последовательно включаются в цепь возбуждения, создавая бегущее электромагнит­ное поле. Металлический снаряд 3, помещенный в неоднородное поле внешнего соленоида, испытывает силу магнитного давления, которая выталкивает его из района повышенной напряженности магнитного поля в направлении ее уменьшения.

Другая конструкция предполагает наличие вторичной ка­тушки 4 на самом снаряде (схема с коаксиальными катушками). Индуцируемый во вторичной катушке снаряда ток создает магнит­ное поле, которое при взаимодействии с меняющимся магнитным полем соленоида ствола придает снаряду необходимое ускорение.

Основное преимущество индукционных ЭМП - отсутствие электрического и механического контактов между ускоряющими соленоидами и снарядом, что существенно повышает долговеч­ность ствола. По сравнению с рельсовыми пушками наличие многовитковых ускоряющих катушек индукционных ЭМП и, как следствие, высокая концентрация магнитного поля в зоне нахожде­ния разгоняющегося снаряда позволяет на порядок снизить вели­чину потребляемого тока. Кроме того, индукционные системы обладают более высоким КПД выстрела, который реально может достигать 40...45 %.

Конструкции комбинированных ЭМП сочетают в себе отдель­ные элементы рельсовых и индукционных схем. При их создании разработчики стремятся нейтрализовать главные недостатки базо­вых вариантов и достичь наилучшего сочетания основных достоинств. Речь, в первую очередь, идет о достижении большой уско­ряющей силы при сохранении высокого КПД преобразования элек­трической энергии в кинетическую энергию снаряда.

Проблема разработки электромагнитных пушек неразрывно связана с созданием специального электрического источника для энергообеспечения стрельбы. Главная сложность состоит в том, что в момент разгона снаряда необходимо развить мощность порядка нескольких гигаватт. В современной технике такие мощности гене­рируются только на крупных электростанциях. К счастью, импульс такой мощности является кратковременным, так что в промежутках между выстрелами энергия внешнего источника концентрируется в накопителе и затем периодически разряжается на ЭМП в виде кратковременных электрических импульсов миллисекундной дли­тельности. Электрические параметры энергии, потребляемой ЭМП, имеют следующий порядок величин: напряжение питания - кило­вольты; потребляемый ток - от сотен килоампер до нескольких мегаампер в зависимости от типа ускорителя.

В качестве накопителей энергии, способных удовлетворить широкий диапазон предъявляемых специфических требований, мо­гут найти практическое применение униполярные генераторы (УПГ), конденсаторные батареи, магнитогидродинамические гене­раторы, генераторы сжатия магнитного потока и некоторые другие.

Рис. 7.16. Принципиальная схема уни­полярного генератора

Униполярные генераторы рассматриваются в настоящее время как наиболее вероятный тип накопителя энергии для рельсовых ЭМП военного назначения. Принцип действия УПГ иллюстрирует­ся схемой на рис. 7.16. Металлический ротор 1 в виде диска вра­щается в магнитном поле, силовые линии которого параллельны оси вращения. При этом радиальные участки диска можно рас­сматривать как веер проводников, пересекающих магнитные сило­вые линии. В результате, согласно закону Фарадея, происхо­дит разделение электрических зарядов, и возникает разность по­тенциалов между осью диска и его периферией. Генерируемая ЭДС снимается щетками 2. Вслед­ствие чрезвычайно малого внут­реннего сопротивления диска ве­личина тока может быть очень большой. К сожалению, УПГ име­ют, как правило, низкое выход­ное напряжение и непригодны для непосредственного питания рельсовых ЭМП, однако их можно использовать для возбуждения промежуточного индуктивного пре­образователя.

Для вращения маховика УПГ удобно задействовать маршевый двигатель самоходного артиллерийского орудия, так как при стрельбе оно не находится в движении. Оценочные расчеты показывают, что для питания ЭМП средней мощности с приемлемой скорострель­ностью приводной двигатель должен иметь постоянную мощность 2...3 МВт. Это лишь вдвое больше того, что имеют современные танковые двигатели, а, учитывая тенденции роста их мощности и повышения КПД электромагнитных пушек и преобразователей электроэнергии, можно надеяться на практическую реализацию указанной схемы энергообеспечения.

Достоинства электромагнитных пушек, вытекающие из высо­кой скорости метания (до 11 км/с и более), позволяют при той же кинетической энергии снаряда сократить его массу и габариты. По­следнее, в свою очередь, приводит к увеличению возимого боеком­плекта, возможности создания более простых и эффективных авто­матов заряжания. К тому же повышается вероятность попадания в подвижные высокоманевренные цели вследствие малого полет­ного времени снаряда.

Среди специфических недостатков ЭМП отметим наличие сильных электромагнитных полей в процессе накопления энергии и в момент выстрела, а также значительное тепловое излучение вы­сокомощных двигателей. Это приводит к демаскированию орудия в электромагнитном и инфракрасном диапазонах. Опасения вызы­вает также воздействие сильного электромагнитного излучения на экипажи машин.