В китайском научном рецензируемом журнале Transactions of China Electrotechnical Society вышла статья, в которой авторы рассказали о проблематике использования рельсовых пушек для запуска гиперзвуковых управляемых снарядов. Выявить полноту проблемы помогли полевые испытания орудия во время запуска снаряда в стратосферу. Они закончились неудачно, но указали путь к решению задачи.

Предполагаемый прототип рельсовой пушки на корабле НОАК. Источник изображения: SCMP

«Снаряд не следовал ожидаемой траектории, а максимальная дальность и высота полёта не соответствовали расчётным значениям», — сказано в рецензированной статье команды Военно-морского инженерного университета во главе с Лу Цзюньеном (Lu Junyong).

До выстрела учёные провели множество расчётов, экспериментов и цифровое моделирование процесса. Также снаряд прошёл испытания в аэродинамической трубе, где имитировался полёт на гиперзвуковой скорости. Всё было понятно, но после выстрела снаряд с оперением разогнался до скорости свыше 5 Маха примерно за 5 секунд и достиг потолка 15 км, в процессе чего сошёл с заданной траектории, а после начал снижение и упал на землю через 3 мин после выстрела.

Как показали данные с датчиков снаряда, его скорость вращения оказалась выше необходимой и, к тому же, случайным образом менялась в процессе полёта. Вращение снаряда необходимо для стабилизации его полёта, что в нарезном оружии реализуется пропилом спиральных бороздок в стволе. С гиперзвуковыми снарядами всё намного сложнее. Скорость их вращения должна быстро снижаться по мере наращивания скорости полёта и всё время оставаться стабильной, иначе малейший крен вызывает резкое изменение траектории, что и произошло во время стрельб.

В теории такого не должно было случиться. Для выяснения причины неудачи были собраны все экспериментальные данные, которые затем пропустили через систему машинного обучения. Искусственный интеллект выяснил, что причиной нерегулярной и случайной смены скорости вращения гиперзвукового снаряда стали микродеформации на оперении снаряда, которые возникали во время нахождения снаряда в стволе.

В рельсотроне, где токопроводящий снаряд разгоняется, скользя между двух контактных рельсов или с помощью тележки, за доли секунд возникают запредельные давление и температура вдобавок к электрическим дугам на выходе из орудия. Тем самым создаются условия для появления незаметных невооружённому глазу деформаций на кромках крыльев управляемого снаряда, что меняет аэродинамику на гиперзвуковых скоростях. Тот же ИИ подсказал, каким образом можно стабилизировать полёт снаряда с помощью работы закрылками, чтобы компенсировать нестабильности во время выстрела.

В США несколько лет назад официально свернули работы, связанные с разработкой рельсотронного оружия. Китай продолжает создавать рельсотроны, намереваясь получить опыт не только для боевого применения этого оружия, но также для совершенствования левитирующих поездов и создания электромагнитных катапульт для запуска космопланов и, в целом, полезной нагрузки на орбиту.

Китайские учёные добились определённых успехов в разработке теорий, материалов, технологий и процессов, которые обещают кардинально изменить аэрокосмическую область и не только. Речь идёт о гиперзвуковом транспорте, который на начальном этапе может использовать электромагнитное ускорение. Технология также может найти воплощение в «гиперлупе» — гиперзвуковых поездах в вакуумных тоннелях.

Источник изображения: Weibo

В настоящее время в Китае есть ряд экспериментальных решений, создающих основу для моделирования и опытов. Как сообщается в недавно опубликованной статье в рецензируемом журнале Acta Aeronautica, процессы разгона и отделения воздушного судна от рельсотронной катапульты были исследованы в аэродинамической трубе и подвергнуты анализу на компьютере. Разработчики проекта подчёркивают, что им неизвестно о проведении подобных работ в США или в других странах. Между тем, анализ процессов в момент отделения самолёта от гиперзвуковой катапульты является одним из самых важных в процессе запуска.

На авианосцах ВМФ США для запуска самолётов используются паровые катапульты. При попытке перейти на электромагнитные катапульты инженеры столкнулись с трудностями. В частности, электромагнитные катапульты получили авианосцы типа «Джеральд Р. Форд». Сообщается, что у них достаточно большая частота отказов. Ещё раньше NASA отказалось от проекта разработки электромагнитной катапульты для замены первой ступени ракет. Тогда считалось, что для этого необходимо разогнать вторую ступень до скорости 700 км/ч. После работы над аналогичным проектом в Китае учёные пришли к выводу, что для отказа от первой ступени космолёт придётся разгонять до более высокой скорости.

В 2016 году в Китае начали разрабатывать проект «Тэнъюнь» — это многоразовая аэрокосмическая платформа с гиперзвуковым разгонщиком и космолётом. Как вариант рассматривается возможность разгона 50-тонного космолёта на гигантской электромагнитной стартовой трассе, которая придаст судну скорость до 1,6 Маха (1960 км/ч). После отделения от катапульты космоплан запускает свои двигатели и разгоняется до скорости, семикратно превышающей скорость звука. Тем самым будет достигаться колоссальная экономия на топливе.

Момент отделения 50-т машины размерами больше лайнера Boeing 737 будет критическим для системы и именно ему посвящены многочисленные эксперименты в аэродинамической трубе. Как выяснили учёные, при преодолении космопланом звукового барьера на катапульте между самолётом и землёй запускается каскад ударных волн. Нижняя часть аппарата начинает испытывать многочисленные ударные нагрузки из-за отражений ударных волн от близкой поверхности земли. Эти же ударные волны нарушают воздушный поток, создавая очаги воздушного потока дозвуковой скорости между аппаратом, электромагнитными салазками и треком.

Когда салазки достигают заданной скорости, они резко останавливаются, и происходит отделение космоплана. Хаотичный поток воздуха сначала поддерживает аппарат, но через четыре секунды, как показало испытание в аэродинамической трубе, поток срывается в нисходящую тягу. Для гипотетических пассажиров судна и экипажа в этот момент возникла бы кратковременная невесомость. Но по мере увеличения расстояния между самолетом и взлётной полосой интенсивность воздушного потока уменьшается, пока полностью не исчезнет. К этому моменту двигатели самолёта должны достичь необходимой тяги и создать ему условия для набора высоты.

Моделирование показало, что конструкция космоплана требует усиления в местах наиболее сильно подверженных аэродинамическим ударам. Но в целом, этот подход признан безопасным и осуществимым, как написали учёные в своей статье. Очевидно, что предложенный подход будут проверять на практике. Для этого уже построены две экспериментальные трассы. Трассы, что показательно, построены не только и не столько для аэрокосмического проекта, а для разработки поездов на магнитной подушке. Одна из них — 2-км вакуумная труба в промышленном центре Датун, провинция Шаньси, построенная Китайской корпорацией аэрокосмической науки и промышленности (CASIC), позволит разгонять маглевы в трубе с низким вакуумом до 100 км/ч. В перспективе длина трубы достигнет 60 км, по которой можно будет разгонять поезд до 5000 км/ч. На трассе будут проверяться возможности электромагнитного разгона, управления и всего прочего, что также найдёт применение в катапультах для космических запусков.

Аналогичную площадку также создали в Цзинане, столице восточной провинции Шаньдун, там проводятся похожие эксперименты со сверхскоростными электромагнитными санями под наблюдением Академии наук Китая (CAS). Наконец, в Китае также создаются обычные боевые рельсотроны, если слово «обычные» применимо к подобным проектам.

Всё вместе означает, что Китай понемногу развивает материально-техническую базу, которая в перспективе может произвести революцию в сфере запусков в космос. Если рельсовый ускоритель и гиперзвуковой космоплан станут реальностью, то цена доставки каждого килограмма полезной нагрузки на орбиту будет существенно дешевле $100 (до $60 и даже меньше).

Китайские учёные совершили крупный технологический скачок в сфере рельсового оружия. Традиционно рельсотроны подвержены высочайшему износу направляющих для снаряда, что снижает количество выстрелов, возможных без ремонта орудия, до десятков и даже меньше. Китайская разработка выдержала 120 залпов без ремонта и снижения точности, что приближает её по обслуживанию к современной ствольной артиллерии, и помог в этом искусственный интеллект.

Прототипы рельсотронов американской разработки. Источник изображения: US Navy

ИИ в составе рельсового орудия управлял параметрами системы и режимами выстрела. Снаряд в стволе рельсотрона разгоняется по токопроводящим направляющим. Точное управление силой тока в разные моменты процесса требует невообразимой скорости принятия решений в зависимости от множества текущих характеристик системы. Китайский рельсотрон снабжён 100 тыс. датчиками, что в 10 раз превышает количество сенсоров на современном самолёте. Поэтому выстрела и порчи оборудования не произойдёт, если что-то отклонится от нормы.

Искусственный интеллект оказался способен за миллисекунды анализировать показания всех датчиков и успевать принимать решение. Благодаря этому сбои в процессе работы орудия возникали всё реже и реже. За последние 50 залпов в 120-залповой серии, орудие ни разу не отказало. При этом снаряды вылетали из ствола со скоростью 2 км/с, что примерно соответствует 6 Махам. С такой скоростью можно прицельно поражать цели на дальности до 200 км.

«О подобной работе никогда раньше публично не сообщалось, — заявила команда Национальной лаборатории электромагнитной энергии при Военно-морском инженерном университете в статье, опубликованной 10 ноября. — Военные машины медленно переходят от химической энергии к электромагнитной ... [и] непрерывная скорость стрельбы является решающим показателем боевой эффективности систем электромагнитного рельсового запуска».

Рельсотроны не остались без внимания военных инженеров из других стран. Судя по всему, больше всего внимания им уделили в США. Если верить китайским источникам, ещё в начале 2010-х американцы потратили четыре года на отстрел 1000 испытательных снарядов. К 2018 году стояла цель создать систему, способную произвести 1000 выстрелов без обслуживания. Сделать это не удалось, и в 2021 году проект был закрыт.

В Европе проект рельсотрона официально утверждён к разработке в 2020 году. Занимается им Европейское оборонное агентство (EDA) и Французско-немецкий научно-исследовательский институт Сен-Луи (ISL). В проекте участвуют пять европейских стран. Демонстратор должен быть создан к 2028 году. Кодовое имя проекта PILUM. Также разрабатывают рельсотрон японцы. Массогабаритные испытания морского комплекса прошли этим летом и, как сообщается, успешно.

Интересно отметить, что китайские учёные рассматривают гражданские варианты использования рельсовых технологий. Это могут быть левитирующие поезда в вакуумных трубах (маглевы), которые будут разгоняться до 1000 км/ч, а также электромагнитные ускорители для запуска полезной нагрузки в космос.

Агентство по закупкам, технологиям и логистике (ATLA) Министерства обороны Японии объявило о проведении первых в мире морских корабельных испытаний рельсотрона. Электронное орудие вело стрельбу 40-мм снарядами, которые разгоняло до скорости 6,5 Маха. Разработки ускорились в 2022 году и обещают скорейшим образом привести к внедрению рельсовых пушек.

Источник изображения: ATLA

Рельсотрон или электромагнитный ускоритель масс разгоняет снаряд по токопроводящим направляющим. В отличие от пушек Гаусса, в стволе которых снаряд физически не контактирует со стенками орудия, рельсовые пушки подвержены быстрому износу токопроводящих частей орудия. В то же время рельсотроны обладают таким важным преимуществом, как высочайший КПД среди всех видов электронного оружия, который достигает 35 % и может быть даже выше.

В Японии оборонное ведомство начало разрабатывать рельсотроны в 2016 году и значительно ускорило процесс в 2022 году, выделив для этого рекордные суммы. Так, если в период с 2016 по 2022 год на эти цели было выделено всего 1 млрд иен (около $6 млн), то в 2022 году разработчики рельсовых пушек получили 6,5 млрд иен и запросили 23,8 млрд иен на 2024 год. Курирующее разработки агентство ATLA настроено довести проект до практической реализации в кратчайшие сроки.

Прошедшие недавно морские испытания рельсотрона на корабле проводились с целью изучить влияние корабля и крепления на орудие и сопутствующее оборудование. Испытания достигли поставленной цели. Более того, видео стрельб агентство разместило у себя на страничке в социальной сети X.

Со слов представителей ATLA, прототип рельсотрона весит 8 т, а длина ствола достигает 6 м. Рельсотрон стреляет 40-мм снарядами, которые разгоняет до скорости 6,5 Маха. Такое орудие предназначено для перехвата высокоскоростных воздушных целей и, в первую очередь, гиперзвуковых ракет. Параллельно ведётся разработка лазерного и микроволнового оружия. Эти направления также представляют интерес для Министерства обороны Японии.