Основные типы электромагнитных орудий, разрабатываемых в СССР в 30-е годы ХХ века
История с советскими разработками 30-х годов ХХ века в области оружия на новых физических принципах удивительна ещё и тем, что эти научные исследования были инициированы властью в тяжелейший для страны период индустриализации, когда, казалось бы, все силы должны быть брошены на становление базовых отраслей промышленности.
Снаряд («Ракета БК»), вариант № 2. ВИМАИВиВС
Авторы - Руслан Чумак (к.т.н.), начальник отдела фондов ВИМАИВиВС, член редколлегии журнала «КАЛАШНИКОВ» и Римма Тимофеева (к. иск.)
Одновременно работы велись по орудиям различных типов, что позволило собрать уникальную базу данных, которая легла в основу последующего анализа перспектив направления и использовалась при очередных «подходах» советской науки к данной тематике.
Турбоэлектрические орудия (1932–1934)
В СССР исследовались два вида турбоэлектрических орудий: турбоасинхронное (ТАСО) и турбосинхронное (ТСО). В основе их принципа лежит разгон метаемых снарядов или пуль электрическим приводом, построенным на базе принципов действия асинхронного и синхронного электродвигателей.
Принцип действия асинхронного двигателя состоит в том, что электрический ток в обмотках статора создаёт вращающееся магнитное поле. Это поле наводит в обмотках ротора ток, который начинает взаимодействовать с бегущим магнитным полем статора, таким образом, что ротор начинает вращаться в ту же сторону, что и магнитное поле статора стремясь занять такое положение, при котором поля статора и ротора станут взаимно неподвижными (будут находиться друг напротив друга).
В 1932 году на описанном выше принципе ВЭИ разработал криволинейное (центробежное) ТАСО, а в 1933 году на базе его главных конструктивных решений создал макетный образец 7,62-мм пулемёта с криволинейным (кольцевым) разгонным устройством и в 1934 году провёл его испытания. Кроме того, в 1930 году А. Г. Иосифьян разработал и запатентовал принцип асинхронного орудия с прямолинейным стволом, как он его назвал «электрической машины с единым цилиндрическим статором, поле которого движется поступательно».
Электрическая схема асинхронного орудия. Из патентной заявки А. Г. Иосифьяна. ВИМАИВиВС
Суть предлагавшегося им принципа электрического асинхронного орудия состоял в том, что обмотки статора в количестве кратном 3 располагались на стволе не по кругу, как в обычном электродвигателе, а последовательно в одну линию, что при подаче на них трёхфазного переменного тока обеспечивало возникновение бегущего поступательно вдоль ствола магнитного поля. Это поле, в свою очередь, взаимодействовало с обмоткой снаряда («ротора»), заставляя его втягиваться внутрь цепочки катушек статора и постепенно ускоряться.
Вид экспериментальной модели асинхронного орудия А. Г. Иосифьяна. ВИМАИВиВС
В отношении турбосинхронного орудия нашлось упоминание о том, что такое орудие исследовалось в электротехническом отделе АНИИ, но в 1932 году было снято с испытаний вследствие получения отрицательных результатов. В дальнейшем это направление создания электрических орудий развития не получило.
Магнитоэлектрические орудия (1931–1937 гг.)
Магнитоэлектрические орудия были первой разновидностью электроорудий, которые подверглись детальной разработке в АНИИ. В основе принципа магнитоэлектрического орудия лежит действие силы Ампера на проводник с током, находящийся в магнитном поле. При подаче тока в такой проводник, если он расположен перпендикулярно вектору магнитной индукции поля, в системе возникает сила, стремящаяся вытолкнуть проводник (в исследуемом случае — снаряд, через который пропущен электрический ток) за пределы магнитного поля.
Принципиальная схема магнитоэлектрического орудия. ВИМАИВиВС
С целью оценки возможности использования описанного выше принципа в электрической артиллерии в июле 1931 года в электротехнической лаборатории АНИИ была изготовлена экспериментальная установка МЭ 1. Она представляла собой электромагнит длиной 1 метр с обмоткой в 250 витков и движущегося вдоль него якоря (имитатора снаряда) в виде прямоугольного металлического бегунка. По сути, установка являлась примитивной моделью линейного униполярного электродвигателя, на которой исследователи проверяли расчёты возможностей электромагнитных сил к движению объектов, находящихся под их воздействием. В октябре 1931 года по описанной выше схеме в электротехническом отделе АНИИ А. П. Коноплёвым была разработана усовершенствованная экспериментальная модель магнитоэлектрического орудия МЭО-10 с прямолинейным разгонным устройством, а в январе 1932 года — экспериментальная модель электрической пушки МЭП 2 с криволинейным (кольцевым) разгонным устройством, при этом в основу обоих проектов был положен патент Фошон-Вильпле 1916 года с дополнениями М. П. Костенко, касающимися источников питания.
В ходе её испытаний были получены результаты, позволившие спроектировать и изготовить существенно более совершенную модель электрического орудия МЭО-60, представляющую собой завершение первого этапа НИР в области использования электрической энергии для целей метания снарядов и способную к стрельбе. Предполагалось, что с помощью этой опытной установки экспериментально решится вопрос пригодности и эффективности самого принципа метания снарядов электрической силой, а также будут проверены другие технические решения, в первую очередь конструктивное оформление узлов передачи электрической энергии на движущийся в стволе снаряд и возможность придания снаряду вращения.
Изображение патента на электрическое орудие Фошон-Вильпле (1921 г.)
Детальная разработка орудия МЭО-60 с начальной скоростью снаряда 60 м/с по эскизным чертежам АНИИ выполнялась по договору марта 1932 года отделом специальных машин завода «Электросила». Орудие представляло собой линейный четырехполюсный электродвигатель постоянного тока, в котором статор (неподвижная часть двигателя) выполнял функцию ствола, а якорем (подвижной частью двигателя) являлся снаряд, на который для обеспечения функционирования электрической схемы через специальную щёточную систему подавался электрический ток.
Электрическая схема магнитоэлектрического орудия МЭО-60. ВИМАИВиВС
Основную частью орудия составлял ствол (стреляющая часть), имеющий обозначение БК 25/150. Тело орудия представляло собой сборку из двух массивных стальных частей, скрепляемых болтами, и устанавливалось цапфами на станке, состоявшем из двух вертикальных стоек, вмонтированных в бетонный фундамент, при этом обеспечивался поворот тела орудия только в вертикальной плоскости в диапазоне углов от −10º до +45º. Противооткатные приспособления не применялись по причине значительного веса ствола.
Ствол БК 25/150 орудия МЭО-60. ВИМАИВиВС
Орудие было выполнено с расчётом на первый вариант невращающегося снаряда с хвостовым стабилизатором, составляющим нераздельное целое с корпусом. Второй вариант невращающегося снаряда («Ракета БК») имел стабилизатор из двух сдвоенных V-образных крыльев, изолированных от корпуса диэлектрическими пластинами и четыре продольных направляющих ребра на корпусе. Проектный вес снаряда достигался путём заливки в его полость свинца.
Поперечное сечение ствола БК 25/150 орудия МЭО-60 (в нарезном варианте). ВИМАИВиВС
Для придания снаряду вращения к орудию МЭО-60 был разработан вариант ствола с 11 глубокими нарезами и снаряд оригинальной конструкции («нарезной ракеты») со свободно вращающимся оперением (крыльчатками). Оперение не имело аэродинамического назначения и выполняло функцию подвижных контактов (щёточной системы), снимающих ток с неподвижных шин, расположенных в стволе орудия. Снаряд, имеющий готовые выступы на корпусе, двигался по нарезам ствола и получал вращение, а крылья его оперения двигались в продольных прямолинейных пазах ствола и вращения не получали. После вылета снаряда из ствола оперение отсоединялось от его корпуса, и снаряд продолжал движение по траектории без него.
Снаряд («Мина») к орудию МЭО-60, вариант № 1. ВИМАИВиВС
Снаряд с готовыми нарезами к нарезному варианту ствола орудия МЭО-60. ВИМАИВиВС
Некоторые характеристики невращающегося снаряда первого варианта к орудию МЭО-60 приведены в таблице 1.
Характеристики невращающегося снаряда первого варианта к орудию МЭО-60
Питание орудия осуществлялось от ударного турбогенератора Т-285/50 (230 V, 3180 A) мощностью 800 к кВт, переконструированного на однофазную систему с усиленным креплением ротора для устойчивости к прохождению токов внезапного короткого замыкания. Некоторые расчётные характеристики орудия МЭО-60 приведены в таблице 2.
Расчётные характеристики орудия МЭО-60
Монтажная схема орудия МЭО-60. ВИМАИВиВС
Орудие МЭО-60 с комплексом обеспечивающих его работу электрических устройств было изготовлено и в ходе испытаний 19 и 25 декабря 1934 года показало начальную скорость снаряда 70,8 м/с при КПД 4,63%.
Распределительный щит установки орудия МЭО-60 (на фото справа). ВИМАИВиВС
В последующих отстрелах была получена максимальная скорость снаряда 138 м/с при его весе 1,02 кг. Наибольшая дальность стрельбы в 500 м была достигнута при весе снаряда 2,175 кг и его начальной скорости 89,7 м/с при этом снаряд летел правильно, не кувыркаясь.
Орудие МЭО-60 на испытательной станции. ВИМАИВиВС
Самым существенным результатом испытаний стало заключение о том, что «система в действительности работает лучше, чем ожидалось согласно расчётам, причём это расхождение не настолько велико, чтобы их опорочить». Данные расчётных и опытных значений параметров орудия МЭО-60 приведены в таблице 3.
Сравнение расчётных и опытных значений параметров орудия МЭО-60
Орудие МЭО-60 стало первым в СССР действующим образцом электрического орудия. Материалы о его разработке и испытании стали основой для проекта сверхдальнобойного магнитоэлектрического орудия полной мощности со снарядом весом 100 кг, начальной скоростью 2000 м/с и дальностью стрельбы 150 км и более при постоянном угле возвышения 45—55º.
Снаряды орудия МЭО-60, застрявшие в улавливающем устройстве. ВИМАИВиВС
Параллельно с магнитоэлектрическим орудиями с прямолинейным стволом в течение 1931–1934 годов в АНИИ А. П. Коноплёвым изучался принцип МЭО с криволинейным (кольцевым) разгонным устройством (стволом). В идеальном для электромагнитного орудия случае для придания снаряду высокой начальной скорости требовалось длительное (порядка 10 секунд) воздействие на него электрических сил, при этом длина ствола получалась большой. Для оптимизации размеров ствола предполагалось использовать разгон снаряда до требуемой начальной скорости по кольцевой траектории. После достижения снарядом необходимой скорости должно было происходить отключение электромагнитов, удерживающих снаряд, и он, покинув пусковое устройство орудия по касательной к кольцевой разгонной траектории, получал необходимое направление движения. В 1933 году были выполнены детальные исследования темы. Для проработки использовалась модель орудия МЭ-4, были проведены предварительные расчёты внутренней баллистики для снаряда весом 100 кг и начальной скорости 2000 м/с. Отдельное внимание уделялось вопросу выхода снаряда из разгонной круговой траектории внутри орудия, для чего наиболее подходящим было принято сбрасывание снаряда на ходу (по аналогии со сбрасыванием торпед на торпедных катерах).
Модель МЭ-4 была спроектирована в VIII отделе АНИИ для начальной скорости 25 м/с в двух вариантах и изготовлена опытной механической мастерской НИАП’а. Она состояла из кругового электромагнита, бронзового основания, стального бегунка, токоподводящей системы и направляющих для бегунка, проекция кольцевого жёлоба на прямую 1355 мм. Основная цель разработки модели МЭ-4 состояла в изучении движения бегунка и уравновешивания центробежной силы.
По результатам опытов с моделью была доказана принципиальная возможность реализации предложенного принципа метания, однако расчётное КМЭО большой мощности получалось чересчур громоздким (диаметр не менее 1600 м), требовало слишком больших затрат железа (6162 т) и меди (205 т). Кроме того, артиллерийская составляющая (снаряд, его вылет, придание угла возвышения и направления), благодаря своей новизне, являлись чрезвычайно трудными для реализации. Рассчитанный КПД — 27,5% — оказывался ничтожно малым, поэтому дальнейшее продолжение работ было признано нецелесообразным.
Проектный вид магнитоэлектрического орудия МЭО 100/2000. Автор проекта И. М. Постников, 1934 год. ВИМАИВиВС
Общий вывод, сделанный по итогам испытаний орудия МЭО-60, состоял в том, что эта установка не может являться основой для проектирования мощных орудий — как минимум потому, что оно возможно только при использовании ведущего поддона, в котором будет размещаться снаряд, вес которого практически равен весу снаряда. Несмотря на прекращение в АНИИ практических работ с МЭО, в комплексе отчётов АНИИ встречаются и более поздние проекты магнитоэлектрических орудий: стационарного МЭО 100/2000 (автор И. М. Постников, 1934 год), МЭО-120-25-1000 (автор И. А. Гулярин, 1936 год) и МЭО-200-100-2000 (дипломный проект ВЭТ, автор Я. Ш. Шур, 1936 год). Их появление объясняется некоторыми преимуществами орудий этого типа над ЭДО, от которых инженеры АНИИ считали невозможным отказаться без максимально полной проверки.
Эти проекты никогда не были реализованы, поскольку разработка магнитоэлектрических орудий прекратилась на основании анализа результатов испытаний их моделей. Для мощных электромагнитных орудий в тот период исследований было признано целесообразным использование видоизменённой системы — электродинамического орудия (ЭДО), речь о которой пойдёт далее.
