Компьютеры и компьютерные игры тесно связаны — не будь последние столь требовательны к “железу”, мы бы не наблюдали такого бурного (и по большому счету — бессмысленного) развития видеокарт. За удовольствие пострелять из футуристических видов оружия приходится тратить 100-300 долларов на новые “апгрейды”. Так поступают любители компьютерных игр. А вот дяди из Пентагона за подобное удовольствие платят десятки миллиардов…правда и стреляют не на компьютере, а из вполне себе реальных образцов.  Сегодняшняя тема — любимая всеми фанатами игры Quake рельсовая пушка.

Напомню для тех, кто забыл (или не знает) принцип работы рельсовой электромагнитной пушки. Данное устройство работает за счет разгона в сильном магнитном поле токопроводящего снаряда. Межу двумя проводниками (рельсам) в начале конструкции помещается проводящая «болванка»,  затем по проводникам пускается постоянный электрический ток высокого напряжения и силы в тысячи ампер. Электроны текут от негативного полюса источника питания по отрицательному проводнику, через токопроводящий снаряд переходят на положительный проводник и замыкают цепь. При этом оба проводника работают как сильные элктромагниты. Поскольку ток течет от отрицательного полюса к положительному, магнитные полюса каждого из проводников противоположны друг другу и  общее магнитное поле вдоль двух проводников направлено вверх (вперед) от источника питания. Когда по снаряду, находящемуся между проводниками, проходит ток, снаряд разгоняется в магнитном поле благодаря силе Лоренца. Электромагниты-рельсы так же отталкиваются друг от друга (т.к. имеют разную полярность), но по скольку они хорошо закреплены, то двигаться будет только снаряд.

Очень мощный источник электроэнергии создаст не менее мощное электромагнитное поле, в котором снаряд может разогнаться вплоть до 20 скоростей звука, в зависимости от его массы, начальной скорости входа «на рельсы» и многих других параметров, которые мы и рассмотрим.

Электромагнитные пушки начали активно разрабатывать по окончании Первой Мировой Войны, когда интерес ко всякого рода новым технологиям, вовлекающим электричество,  был необычайно высок. В это время появились электрические стулья и другие элементы концлагерной фурнитуры.  Так, в 1922 был запатентован «Электрический аппарат для разгона снарядов», работающий по описанному выше принципу. К концу Второй Мировой Войны немцы начали разработку противовоздушных «электрических» пушек. Требования люфтваффе были конкретными: начальная скорость снаряда 2000 мс, возможность доставить к цели 500 грамм взрывчатки, скорострельность 12 выстрелов в минуту и возможность уместить всю конструкцию на шасси от 128мм пушки ПВО FlaK 40. Ярчайший образец четкого формулирования задачи. После войны чертежи этих устройств попали в руки союзников и через два года анализов был сделан вывод, что технически это осуществимо, но необходимый источник электроэнергии немцам во время войны взять было негде.

С тех пор многие люди в разное время совершенствуют конструкцию электромагнитных рельсовых пушек с переменным успехом. Такие пушки успешно применяются в научных экспериментах (моделирование столкновений на сверхвысоких скоростях) и в испытаниях военных. Военные и являются основными спонсорами всех подобных разработок последние 60 лет. Однако, конструктивных проблем и инженерных сложностей в рельсовых пушках, при их кажущейся простоте, не меньше, чем преимуществ.

Сперва о преимуществах — рельсовые электромагнитные пушки так глянулись работникам промышленности убиения себе подобных по следующим причинам:
- огромная кинетическая энергия снаряда, способного нанести больше повреждений, чем снаряда аналогичной массы, наполненного взрывчатым веществом;
- большая начальная скорость значит большая дальность выстрела, отсутствие влияния ветра, высокая кучность;
- в случае разработки скорострельной пушки это отсутствие операций по извлечению стреляных гильз, моментальная перезарядка;
- меньшая масса снаряда позволяет увеличивать возимый боезапас;
- отсутствие взрывчатки в снаряде повышает его безопасность, а в случае с кораблем или танком — общую живучесть;
- стоимость «выстрела» в десятки раз меньше аналогичной обычным снарядом, и в сотни тысяч раз меньше по сравнению управляемыми снарядами и крылатыми ракетами при той же точности;
- отсутствие времени подлета по сравнению с крылатой ракетой, невозможность сбить такой снаряд.

В общем, если коротко — лучше, дальше, больше. Развернуться людям в погонах не дают объективные законы физики и низкий уровень развития прикладного материаловедения. Самые основные — проблемы трения и термической стойкости рельсов.

При выстреле проводящие рельсы и сам снаряд моментально нагреваются, что приводит к их расширению. Учитывая, что они и в холодном состоянии соприкасаются впритык, дальнейшее сужение канала между рельсами и расширение снаряда повышают силу их взаимного трения. Это приводит к росту температуры (тоже не маленькой) и, как следствие, быстрому выходу из строя рельс. Буквально — три раза выстрелил и на замену. Также, при движении снаряда, за ним образуется электрическая плазменная дуга с температурой в десятки тысяч градусов, которая быстро испаряет поверхность даже вольфрамовых направляющих. Сам материал, из которого они должны состоять, по мимо термической стойкости, должен иметь и хорошую электрическую проводимость. Но и это еще не все — силы, действующие на рельсы, стремятся раскинуть их в противоположные направления от себя и от снаряда. Материал должен быть очень хорошо закреплен, а так же иметь невероятное сопротивление на изгиб, не быть хрупким и не сломаться при выстреле. Не забываем что крепления рельс должны так же иметь высокую термическую стойкость.

За то с электричеством проблем как бы нет. Современная электронная промышленность позволяет при использовании конденсаторов получит суммарную энергию выстрела в 32 млн джоулей. Заряжаться они могут от вполне обычных источников, вроде бортовых электрогенераторов…только долго.

Но, не смотря на все эти проблемы, рельсовые пушки уже близки к принятию на вооружение в качестве корабельной артиллерии. Экспериментальные пушки, тестирующиеся ВМФ США, показывают результаты, которые обычным орудиям и крылатым ракетам даже не снились.

Начальная скорость снаряда более 10 скоростей звука — вольфрамовая болванка весом в 2 килограмма на такой скорости легко пробивает любой современный основной боевой танк и потенциально может пройти его насквозь. Повреждения, наносимые трехкилограммовой болванкой, выпущенной с энергией выстрела в 64 мегаджоуля  сравнимы с таковыми, наносимыми крылатой ракетой Tomahawk 109 при стоимости выстрела в сотни тысяч раз меньше. Проектная дальность морских орудий такого типа — до 380 километров…и на этой дальности разброс падения снаряда не должен превышать 5 метров! Скорострельность пока должна составлять около 10 выстрелов в минуту, что тоже не мало. Орудия с такими параметрами разрабатывают и тестируют такие мировые лидеры военной промышленности как BAE Systems, а так же ряд закрытых научных военных учреждений в Европе и США. По не проверенным данным, до развала Организации Варшавского договора, ручные «рельсовые винтовки» разрабатывали и тестировали в бывшей Югославии — пуля весом в 0.7 грамма разгонялась до 3000 мс по каналу длинной в 70 см, но дальнейшая судьба этих разработок неизвестна. Правда, при таких скоростях и весе пули это оружие не составит конкуренции современному огнестрельному.

Сразу расстрою любителей пострелять, ожидающих, когда эта новинка появится в ближайшем охотничьем магазине. Выстрел из настоящего рейлгана выглядит примерно так:

За снарядом — плазменный след, горящий воздух и другие прелести трения об воздух на сверхвысоких скоростях. Что останется от стрелка, держащего такую штуку в руках, можно представить. Так что стрелять с руки, вероятно, можно будет только в космосе…в скафандре :)

Не смотря на это, готовые артиллерийские системы на основе рельсовых электромагнитных пушек ВМФ США планирует принять на вооружение между 2020 и 2025 годом. Основная проблема сейчас — материал изготовления направляющих рельс, которую планируется решить как раз за эти 10-15 лет.