ДИНАМИЧЕСКИЕ УСКОРИТЕЛИ МАССЫ - ИЗ ПРОШЛОГО В БУДУЩЕЕ

■ —Ч? - С?

Валерии Юрьевич КЛЮШНИКОВ,

доктор технических наук, старший научный сотрудник, главный научный сотрудник АО «Центральный научно-исследовательский институт машиностроения», Роскосмос, Москва, Россия,

.> & V.\\ \\

> С:

даЗЬч Н .\\1

АННОТАЦИЯ I В статье дан ретроспективный анализ развития динамических ускорителей массы, основанных на использовании как химической, так и электрической энергии. Показаны возможности исполь-^ зования ускорителей массы для создания боевых артиллерийских систем, а также для выведения на орбиту космических аппаратов.

ч ; ; .V, у- . - Клк

■ ■ • - ; - & ■ масс

„.. ■ Г^ Ключевыеслова: динамическиё&ускорители массы, .рельсотрон, пусковой ствол, разгон, ускоряемая масса

К > Щ & • X N

i „ v. s.....гг.

Й VI \\ ! \\ -с ••• IМ и \\, к

X ^ - - - X v

> • v ч . ч " . 4 > \\ -Ч ^

- -О- I ^Ч

ч Ч. N

М \\Л л\\

Рис. 1. Проект «Фау-3» (Германия, 1943 г.)

ВВЕДЕНИЕ

Типичным ускорителем массы является артиллерийское орудие, обобщенно представленное в массовом сознании единым термином «пушка». Логическим продолжением идеи использования артиллерии в войне является относительно мирная идея — запуска искусственных спутников Земли в космос. Многие наверняка читали научно-фантастический роман «Из пушки на Луну», написанный французским писателем Ж. Верном в 1865 году.

Однако то, что в XIX веке было фантастикой, может быть осуществлено сейчас, когда стали доступны новые технологии и материалы. «Космическую пушку» выгодно отличает от других способов неракетного доступа в космос то, что она является в принципе реализуемой уже на современном техническом уровне. В ХХ веке «космическую пушку» стали называть динамическим ускорителем массы (ДУМ).

ДУМы можно классифицировать на механические, точнее физико-химические (ускоритель типа очень большого и мощного артиллерийского орудия), и электромагнитные индукционные (типа электромагнитной пушки Гаусса и ее модификаций). В свою очередь, пушки могут быть выполнены линейными, а могут быть сделаны в виде гигантской пращи — кольца. В ДУМ любого принципа действия может быть несколько ступеней разгона ускоряемой массы.

До настоящего времени созданы и испытаны лишь несколько образцов ускорителей массы для военного применения — так называемые кинетические артиллерийские орудия. Тем не менее совершенствование ДУМ не прекращается. На повестке дня — создание ДУМ, способного выводить на околоземную орбиту космические аппараты (КА).

ПРОЕКТ «ФАУ-3»

Одна из первых попыток реализовать идеи Жюля Верна была предпринята в 1940-е годы в Третьем рейхе (рис. 1): по программе У-з (Уегде1Шпдзшайе-з) создавалось артиллерийское орудие длиной 124 м, калибром 150 мм и весом ~ 76 т [1]. Ствол орудия должен был состоять из 32 секций длиной 4,48 м, каждая секция имела две расположенные по ходу ствола и под углом к нему зарядные каморы (всего 60 боковых

То, что в XIX веке было фантастикой, может быть осуществлено сейчас, когда стали доступны новые технологии и материалы. Проект «космической пушки», в отличие от других способов неракетного доступа в космос, можно реализовать уже на современном техническом уровне.

зарядных камор). Расчетная дальность стрельбы — порядка 150 км. Снаряды могли достигать высоты в 110-120 километров, что выше линии Кармана — общепринятой границы космоса, то есть теоретически эта пушка могла бы быть использована для суборбитальных космических запусков. Вся конструкция размещалась в штольнях на глубине ~ 100 м.

Проект V-3 был частично реализован до разгрома нацистской Германии. Снаряды для V-3 должны были пробивать железобетон толщиной до 4,25 м. Стройка (в известняковой каменоломне Идрекан вблизи Мимойека, Па-де-Кале, около мыса Гри-Не) была уничтожена британской авиацией [1]. Никакого влияния на ход войны проект не оказал. Одно из орудий V-3 в незаконченном виде было захвачено союзниками и вывезено для изучения в США [2].

ПРОЕКТ HARP

В ходе «Проекта высотных исследований» (High Altitude Research Project, HARP) в 1961-1967 годах в США были созданы три очень близкие по конструкции и размерам установки (рис. 2): первая на Барбадосе (на снимке), вторая в Канаде, третья в США. Калибр орудий HARP составлял 406 мм, длина ствола — порядка 40 м.

Конечной целью исследований в рамках HARP было создание работоспособного метода запуска малоразмерных космических аппаратов при помощи пушек.

С конца 1961 года руководителем работ по проекту HARP был назначен ведущий специалист в области сверхмощной артиллерии американский инженер Джеральд Булл. Все основные идеи, положенные в конкретные шаги по модернизации суперпушки — увеличение длины ствола, уменьшение веса снаряда и наращивание массы взрывчатого вещества — принадлежали именно Д. Буллу.

Наивысшим достижением проекта HARP стала 16-дюймовая (406-мм) пушка, установленная на острове Барбадос в Карибском море (опытный полигон военно-воздушной базы Сиуэлл). Для улучшения баллистики снаряда в стволе перед выстрелом создавался технический вакуум. Вес снаряда составлял 180 кг, начальная скорость — 3600 м/с (-50% первой космической скорости!). Пушка выбрасывала снаряд на высоту 180 км, после чего он падал в океан. Обитатели служебных зданий и частных домов на многие километры вокруг сообщали о повреждениях, вызванных ударной волной при стрельбе, в том числе о разрушении построек, растрескивании стен и разломах бетона.

К 1967 году в рамках программы HARP Д. Булл разработал снаряд-ракету Marlet, которая могла бы доставить небольшой спутник на орбиту [2]. Однако цель

Рис. 2. Орудия по проекту HARP, 1961 г.

создания системы выведения на орбиту КА не была достигнута. Из-за очевидных успехов космонавтики и ряда сложностей космических запусков при помощи артиллерийских орудий в 1967 году проект свернули. Однако есть мнение, что проект HARP был закрыт вовсе не из-за технических проблем, а по политическим причинам [1, 3].

ПРОЕКТ «БОЛЬШОЙ ВАВИЛОН»

Следующая попытка добиться от артиллерии возможностей баллистических ракет — проект «Большой Вавилон» — была предпринята в Ираке в 1980-е годы при Саддаме Хусейне. Руководил проектом Д. Булл, ранее возглавлявший работы в проекте HARP. Орудие калибром i м должно было запускать 600-килограммовый снаряд на высоту 1000 км (рис. 3). Однако до практики дело не дошло: в марте 1990 года в Брюсселе Джеральд Булл был убит [4].

Программа полностью закончилась после войны в Персидском заливе (операция ВС США «Буря в пустыне», февраль 1991 г.). Испытательный стенд «Вавилон» был демонтирован под наблюдением UNSCOM (Специальная комиссия ООН) [5]. К моменту окончания на программу было истрачено около 20 млн долл. [4].

ПРОЕКТ SHARP (SUPER HARP)

Эксперименты с орудиями, позволяющими достигать субкосмических скоростей, продолжились в США в 1990-е годы по проекту SHARP (Super HARP) на базе лаборатории Лоуренса (Калифорния, США) под руководством Джона Хантера (John Hunter, американский ученый и инженер, президент и один из основателей компании Quicklaunch). Эксперименты проводились с суперпушкой на легких газах (Light gas gun), позволяющих снарядам достигать космических скоростей (6-7 км/с).

Вместо одного прямого ствола (как в проекте HARP) в проекте SHARP использовалась L-образ-ная конструкция с двумя отдельными секциями: секция сгорания длиной 82 м и секция насоса, соединенные под прямым углом с пусковым стволом длиной 47 м и диаметром 10 см [6].

В результате экспериментов с водородом в качестве рабочего тела снаряды массой 5 кг разгонялись до скорости порядка 3 км/с. Существовали планы увеличения длины пускового ствола суперпушки до 3500 м для достижения скоростей снарядов до 7 км/с и космических запусков (проект Jules Verne Launcher). Проект должен был стоить около 1 млрд долл., но возможности финансирования не нашлось, и проект в 1995 году был приостановлен (установка использовалась лишь для проведения наземных экспериментов по гиперскоростным столкновениям КА с космическим мусором) и окончательно закрыт в 2005 году [4].

РАБОТЫ ФИРМЫ QUICKLAUNCH

В 2010 году Дж. Хантер основал в Калифорнии компанию Quicklaunch, поставившую своей целью осуществлять дешевое выведение КА на орбиту при помощи суперпушки большой длины [7].

Главная изюминка новой системы Дж. Хантера — морское базирование (рис. 4). Ствол орудия со вспомогательными системами должен плавать в море под некоторым углом к горизонту. Нижний край всей конструкции располагается на глубине примерно 490 м, а срез пускового ствола — в нескольких метрах над водой.

Такое проектно-конструкторское решение снимает проблему искривления орудийного ствола под собственным весом. Облегчается наведение установки по азимуту. Наконец, пусковую систему можно легко отбуксировать в любой расчетный район старта [5].

Система запуска, предложенная Quicklaunch, так же как и проект SHARP, должна была представлять собой легкую газовую суперпушку длиной 1100 м, использующую водород в качестве рабочего газа и природный газ в качестве импульсного источника тепла. Нагревание и предварительное повышение давления рабочего газа (водорода) должно было занимать 10 минут до момента выстрела. Большая часть водорода после выстрела должна была улавливаться специальным устройством на выходе из пускового ствола и повторно использоваться для последующих запусков.

Прорабатывались технологии доставки на орбиту полезных нагрузок, не требовательных к условиям запуска, в частности к перегрузкам от ускорения при разгоне: расходные материалы, вода, ракетное топливо и т. п. Удельная стоимость выведения 1 кг полезного груза на орбиту не должна была превышать 1100 долл. [8].

Расчетная перегрузка при выстреле составляла 5000 g. Цель программы была сформулирована как ежегодная доставка на низкоорбитальные хранилища около 2000 т ракетного топлива.

Проект Quicklaunch был приостановлен в 2015 году. В статье 2016 года Хантер отметил, что это произошло частично вследствие работ компании Илона Маска SpaceX, которая поставила перед собой аналогичную задачу — снижение затрат на пусковые услуги.

Рис. 4. Схема пушки Хантера: 1 - снаряд, 2 - клапан, 3 - камера сгорания (она же теплообменник), 4 - водород (иллюстрация Popular Science)

ПРОЕКТ SPINLAUNCH — КОЛЬЦЕВОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ

В 2015 году компания БртЬаипЛ начала проект запуска малоразмерных КА в околоземное космическое пространство при помощи мощной электромагнитной центрифуги (рис. 5). До самого последнего времени об этом проекте практически не было ничего известно, так как все работы велись в атмосфере строгой секретности. Однако недавно мировые СМИ сообщили, что первые летные испытания центрифуги состоятся в конце 2020 года, а в 2022 году планируется первый космический старт [9].

КИНЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЗАПУСКА

Скорость запуска 7500 км/ч

ПРИВЯЗЬ

Высокопрочные композитные материалы Интегрированный противовес Скорость вращения 450 об/мин ^^^Л

ВАКУУМНАЯ КАМЕРА

Средний уровень вакуума ^^щ

Промышленные вакуумные насосы Крыша из тонких листов стали

ЭЛЕКТРИЧЕСКИИ ДВИГАТЕЛЬ ^^

Гидродинамический масляный подшипник Время на раскручивание - 90 минут

Диаметр 100 метров

РАКЕТА

Пассивная аэродинамическая

стабилизация

Полезная нагрузка 100 кг

ПУСКОВОЙ ТОННЕЛЬ

Механический атмосферный

МЕХАНИЗМ ОТЦЕПЛЕНИЯ РАКЕТЫ

Отказобезопасная система отцепления

Приведение в действие <1 миллисекунды

Запуск под углом 35°

Рис. 5. Проект SpinLaunch

Размер электромагнитной центрифуги — с футбольное поле. Центрифуга будет раскручивать ракету-носитель (РН) до скорости 8000 км/ч (2 км/с). Затем РН отцепляется и в стратосфере на высоте 60 км включает собственные ракетные двигатели, после чего выходит на низкую околоземную орбиту. Масса полезной нагрузки (КА) — до 90 кг. Перегрузки в процессе запуска могут достигать 10 000 g. Ожидается, что стоимость одного запуска составит около 500 тыс. долл. при темпе 5 пусков в сутки. В июне 2018 года SpinLaunch привлекла 40 млн долл. от Alphabet, Kleiner Perkins Caufield Byers и Airbus Ventures.

Центрифуга строится в Нью-Мексико. С ее помощью SpinLaunch в ближайшее время надеется запустить 50-килограммовую полезную нагрузку.

Вызывает сомнение то, что бортовая аппаратура КА способна выдержать перегрузку 10 000 g. Поэтому есть основания считать, что SpinLaunch, скорее всего, создает (по контракту с Пентагоном) кинетическое оружие.

ЛИНЕЙНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ УСКОРИТЕЛИ

Электромагнитная пушка катушечного типа, представляющая собой соленоид, внутри которого располагается ствол (пушка Гаусса), известна примерно с середины XIX века (первое упоминание относится к 1845 г.). Однако военного применения пушка Гаусса не нашла вследствие низкого КПД [10].

Идея рельсотронной пушки (рельсотрон, в английском варианте — рейлган, railgun) возникла в первой половине ХХ века.

Конструктивно рельсотронная пушка представляет собой две подсоединенные к источнику электроэнергии и расположенные параллельно электропроводящие шины (два металлических рельса), между которыми с «казенной» части заряжается также электропроводящий снаряд, замыкающий таким образом электрическую цепь. При подаче на рельсы электрического тока под действием возникающей непосредственно внутри канала ствола и направленной перпендикулярно движению тока и линиям магнитного поля силы Лоренца снаряд разгоняется до сверхвысоких скоростей (рис. 6).

Первые рельсотронные пушки, имеющие практическое значение, появились в 1970-х годах. К созданию боевых рельсотронов и в СССР, и в США приступили в 1980-х годах.

«Гиперзвуковую рельсовую пушку» предполагалось создать в рамках американской программы СОИ (Стратегическая оборонная инициатива), утвержденной президентом США Рональдом Рейганом 23 марта 1983 года и более известной как программа «звездных войн». Такая пушка предназначалась для перехвата ядерных головных частей баллистических ракет и должна была выполнять не менее чем два выстрела в сутки.

Боевой рельсотрон разрабатывала с 2007 года по заказу Научно-исследовательского управления ВМС США компания BAE Systems. Согласно

Рис. 6. Электромагнитная индукционная рельсотрон-ная пушка

требованиям ВМС США, начальная скорость снаряда рельсотрона должна составлять не менее 6,2-7,8 М (7200-9000 км/час). Конструкция рельсотрона способна выдерживать 6-10 выстрелов в минуту без перегрева. Проведены испытания прототипов боевых рельсотронов — с энергией выстрела порядка 30-40 МДж. Командование ВМС США надеется получить первый образец корабельного боевого рельсотрона к 2020-2025 годам [12].

Американская компания General Atomics в инициативном порядке вела разработку сухопутного артиллерийского комплекса Blitzer, основу которого также составляет рельсотрон [13].

В перспективе, видимо, будет создана система рельсотронов (рейлганов) различной мощности (рис. 7). На программу их создания запланировано выделить 1,3 млрд долл. [14].

Рельсотроны планируется также оснастить кинетическими боеприпасами с возможностью корректировки траектории полета.

К наиболее сложным вопросам создания боевых рельсотронов следует отнести:

— проблему источников энергии, способных давать в одном импульсе ток в сотни тысяч ампер;

— защиту электронных узлов от магнитных полей боевого комплекса на основе рельсотрона;

— низкий ресурс ствола рельсотрона (не более нескольких десятков);

— низкую точность стрельбы;

Рис. 7. Ряд рельсотронов (рейлганов) различной мощности

Пусковые Ракеты Импульсные

установки источники

электропитания

— защиту управляемого боеприпаса от перегрузок в момент выстрела (до 20 000 g, по этой причине General Atomics считает боеприпасы для рельсотрона самым сложным элементом боевого комплекса).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Большинство рассмотренных ДУМ находились, каждый в свое время, на переднем крае технологического развития. При этом преследовались две альтернативные цели:

— достижение максимальной дальности поражения противника;

— выведение на низкую околоземную орбиту космического аппарата.

Программы создания ДУМ военного назначения, основанных на физико-химическом методе разгона снаряда (ДУМ — большое артиллерийское орудие), оказались неудачными по двум основным причинам. Во-первых, для получения больших дальностей поражения размер снаряда и его полезная нагрузка (пассивная, кинетическая масса или заряд взрывчатого вещества) были уменьшены до такой степени, что эффективность ДУМ на поле боя стала незначительной. Во-вторых, эти орудия были созданы в то время, когда другие новые технологии, а именно самолеты и ракеты, стали представлять собой более эффективные средства огневого поражения противника на больших дальностях.

Следующим шагом в развитии военных ДУМ стало создание электромагнитного рельсового ускорителя (рейлгана). Здесь для разгона массы вместо химической энергии используются электромагнитные силы. История рейлга-нов начинается с получения в марте 1921 года французским изобретателем Луи Октавом Фо-шон-Вильпле патента на устройство «Электрический аппарат для метательных снарядов».

С тех пор было предпринято достаточно много попыток создания рейлганов военного назначения. Проблему составляли деформации рельса после нескольких выстрелов, а также чрезвычайно высокие потребные характеристики источников электропитания.

Идеальной платформой для боевых рельсотро-нов являются военные корабли, прежде всего из-за возможности получения большой электрической мощности. В настоящее время экспериментальные электромагнитные рельсотроны ВМФ США способны выпускать 3,2-кг снаряды со скоростью 2,4 км/с на дальность до 150 км.

Основным преимуществом ДУМ при выведении КА на низкую околоземную орбиту являются крайне привлекательные экономические показатели, недостижимые для современных «классических» ракет-носителей. Так, стоимость выведения 1 кг полезной нагрузки на низкую орбиту может составить от 500 до 1000 долл. В принципе, препятствий для реализации этой идеи уже сейчас не существует. Это должен показать, в частности, проект кольцевого ускорителя БртЬаипЛ.

Основной проблемой динамических ускорителей массы космического назначения является обеспечение устойчивости полезной нагрузки (КА), в частности электромеханических систем, к действию запредельных перегрузок — порядка 10 000 д. Конечно, здесь некоторые основания для оптимизма дает тот факт, что к настоящему времени удалось добиться устойчивой работы системы управления движением высокоточных управляемых 155-миллиметровых артиллерийских боеприпасов. Но если по массе КА сравним с управляемым боеприпасом, то по устройству — это существенно более сложная система. Возможно, для реализации на практике идеи ДУМ космического назначения придется пересмотреть парадигму конструирования КА.

Дальнейшее развитие идеи ДУМ космического назначения, видимо, пойдет по пути создания кольцевых электродинамических ДУМ, обеспечивающих магнито-левитационный разгон ускоряемого тела в вакуумном пусковом кольце, с широким использованием технологий высокотемпературной сверхпроводимости, сверхэнергоемких накопителей электроэнергии и достижений нано- и микроэлектромеханики.

Идеальной платформой для боевых рельсотронов являются военные корабли, прежде всего из-за возможности получения большой электрической мощности.

Литература

net. 2019. 27 сентября. URL: https://fishki. net/3098752-kosmos-1-dotjanutysja-do-nebes-ili-iz-pushki-v-kosmos.html (Дата обращения: 20.05.2020).

Extreme artillery from the Paris Gun and the V-3 to Iraq&s Project Babylon. New York: Osprey Publishing Ltd, 2018. 49 p.

Vol. 145. Issue 11. P. 63.

Electromagnetic Launch Research Facility // IEEE Transactions on Magnetics. 33 (1), January 1997. P. 129 - 133.

https://army-news.ru/2013/11/ssha-pokazali-копсер^агШегузкодо-ге^оЬюпа-Ы^ег/ (Дата обращенияб 12.05.2020). 14. Титков О.С. Планы разработки гиперзвуковых электромагнитных орудий для ВМФ и армии США // Авиационные системы. 2017. № 6. С. 22 - 38.

References

iss. 11, p. 63.

Electromagnetic Launch Research Facility. IEEE Transactions on Magnetics, 1997, no. 33 (1), pp. 129 - 133.

© Клюшников В.Ю., 2020 История статьи:

Поступила в редакцию: 19.02.2020 Принята к публикации: 23.03.2020

Модератор: Плетнер К.В. Конфликт интересов: отсутствует

Для цитирования:

Клюшников В.Ю. Динамические ускорители массы - из прошлого в будущее // Воздушно-космическая сфера. 2020. № 2. С. 62 - 71.