Рельсотрон

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.

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).

ПЕРВАЯ ЧАСТЬ СТАТЬИ:
Сталинские рейлганы. Часть первая

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».

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Некоторые характеристики невращающегося снаряда первого варианта к орудию МЭО-60 приведены в таблице 1.

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.

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%.

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.

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.

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.

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.

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.

Продолжение следует...

Разработка электромагнитной артиллерии в СССР 1930-х гг. Предпосылки и начало работ

«Мы жили. Ветер свистел в ушах. Земля светилась в восторге!.. Мы жили! Мы сделали первый шаг, — завидуйте нам, потомки!» Роберт Рождественский, «Письмо в ХХХ век», 1960 г.

Автор - Руслан Чумак (к.т.н.), начальник отдела фондов ВИМАИВиВС, член редколлегии журнала «КАЛАШНИКОВ» и Римма Тимофеева (к. иск.),

В 1930-е годы военно-политическим руководством СССР предпринимались значительные усилия, направленные на повышение обороноспособности страны. При этом была осознана совершенно объективная необходимость формирования собственных научных школ проектирования стрелково-пушечного вооружения, которые опиралась бы на последние достижения современной науки и техники.

В стране проводились масштабные теоретические и экспериментальные исследования, имевшие целью изучить возможность использования в оборонной технике новых технологий с целью создания новейших высокоэффективных образцов вооружения и военной техники. Одним из таких передовых направлений, получившим развитие в данный период, являлась разработка теоретических и конструктивных основ для создания электромагнитной артиллерии.

Главным преимуществом электромагнитных орудий (рейлганов, рельсотронов) над классической огнестрельной артиллерией является отсутствие ограничений скорости разгоняемого снаряда, что позволяет в теории обеспечить неограниченную дальность стрельбы. Столь масштабные свойства электромагнитных орудий привлекали внимание военных инженеров в разных странах мира, приступивших к исследованиям в области создания таких орудий ещё в середине XIX века.

Теоретические основы функционирования ускорителя масс с помощью бегущего магнитного поля заложил в 1839 году в одной из своих научных работ великий физик и математик Иоганн Карл Фридрих Гаусс. Впоследствии принцип ускорителя масс с помощью бегущего магнитного поля был реализован в электродвигателях различных типов, а попытки использования принципов электромагнитных ускорителей масс в военной технике для метания артиллерийских снарядов предпринимались неоднократно.

Рисунок артиллерийских снарядов к магнитофугальному орудию. Выполнен Русланом Чумаком по эскизам из работы Н. С. Япольского «Применение электрического тока переменного числа периодов к ударным машинам» (1919). Слева снаряд, построенный по типу решётчатого якоря. Боевой заряд расположен в продольных цилиндрических мостиках (показан вырезом). Такая конструкция уменьшает прочность снаряда, делает форму менее выгодной для полёта, хотя позволяет уменьшить пространство между снарядом и стволом. Справа аналогичный снаряд, но крестообразного сечения

Впервые в России предложение электрической пушки (магнитофугального орудия) было разработано в 1915 году инженерами М. П. Костенко, М. М. Подольским и Н. С. Япольским. Артком ГАУ рассмотрел это предложение, но отклонил его, хотя и признавал подобную идею «правильной и осуществимой».

В СССР работы по созданию электрических орудий стали отдельным направлением исследований в Комиссии особых артиллерийских опытов (КОСАРТОП) по линии НИР, связанных с изучением экстрадальной стрельбы. В период 1918–1924 годов в комиссию были представлены результаты различных теоретических исследований: «О магнитофугальном орудии переменного тока» и «Об электрическом орудии, типа Фошон-Вильпле, постоянного тока». Эти теоретические исследования предварили начало практических работ по созданию электромагнитных орудий в нашей стране.

Изначально эти работы велись в Магнитофугальном бюро — структуре, специально созданной при Комитете по делам изобретений. В ходе предварительных исследований КОСАРТОП и Артком ГАУ определили требования к проекту электрической пушки и передали их в названное выше бюро. В них указывалось, что дульная энергия электрического орудия должна была соответствовать 3-дм полевой пушке обр. 1902 года. На начальном этапе исследований КОСАРТОП, и Артком ГАУ, привлекли ведущих специалистов по электротехнике: проф. В. Ф. Миткевича (1872—1951). Именно В. В. Гун в 1928–1929 годах занимался разбором проектов электрических пушек инженера А. П. Коноплёва, являвшегося пионером в исследованиях по созданию орудий этого рода в СССР.

В своей работе «Метание снарядов электрической силой» А. П. Коноплёв рассмотрел общие вопросы проектирования орудия с принципом метания снаряда с помощью электрического тока, которые предлагались на первоначальных этапах научно-исследовательских работ.

Интересной является критика А. П. Коноплёвым указанных принципов, которые изначально основывались на простом замещении энергии сгорания пороха энергией токов короткого замыкания огромной величины, генерирующих в стволе орудия своего рода «электрический взрыв». Коноплёв обосновал, что такой подход является неправильным из-за необходимости борьбы с множеством негативных и опасных эффектов, сопровождающих выброс энергии электрического тока, организованный указанным образом.

Кроме того, построенная по этим принципам электрическая пушка получалась крайне громоздкой, дорогой, и, что главное, имела низкий КПД из-за трёхкратного преобразования одного вида энергии в другой, что не позволяло ей иметь характеристики, сравнимые с пушкой с обычным принципом метания снаряда. Он же пришёл к выводу, что конструктор электрических пушек не должен стремиться обеспечить время воздействия электрических сил на снаряд в стволе, сравнимое с временем протекания внутрибаллистических процессов порохового орудия, а должен пойти по пути более длительного воздействия сил на снаряд.

Такое решение, конечно, требовало применения значительно более длинного ствола, но процесс сообщения скорости снаряду организовывался существенно проще. По мнению Коноплёва, электрическое орудие должно быть стационарным, что исключало проблему снабжения его электрической энергией, которую можно доставлять к нему с помощью специальных ЛЭП.

При этом он оценивал и потребную электрическим орудием мощность в несколько сотен тысяч и даже миллионов киловатт, но считал такие значения достижимыми для электрогенерирующей техники тех лет. А. П. Коноплёв предложил использовать для метания снаряда силу электромагнитного поля, что позволяло производить постепенный разгон метаемого снаряда. Это давало орудию целый ряд конструктивных и эксплуатационных преимуществ, в том числе, отсутствие ограничений по максимальной скорости снаряда.

Работа Коноплёва подверглась изучению в конструкторском бюро Арткома, предписанием Артиллерийского управления (АУ) от 7 июля 1928 года № 52068/9я24 требовалось дать заключение о проекте «электрического орудия системы инженера Коноплёва». В течение трёх последующих лет работа Коноплёва и проект его электрического орудия рассматривался в различных инстанциях АУ, и в 1931 году состоялось решение об их практической реализации.

В этом году секция «Электроорудия» НТК АУ разработала план работ по данной теме. Помимо изучения существующей теоретической базы и составления обзора состояния вопроса в целом, планировалось осуществить разработку собственно электрических орудий и вести её силами двух научных центров: электротехнической лаборатории АНИИ (г. Ленинград, начальник О. Г. Флеккель, ведущий инженер — А. П. Коноплёв) и Всесоюзного электротехнического института (ВЭИ, г. Москва, ведущий инженер А. Г. Иосифьян).

АНИИ занимался электрическими пушками, построенными практически по всем известным к тому времени принципам, с двумя типами разгонных устройств (стволов) — прямолинейным и криволинейным. За начальный этап исследовательской деятельности (до 1933 года) в различных организациях были получены следующие предварительные результаты. В 1931 году инженер А. Г. Иосифьян с коллективом соавторов разработал несколько предложений электрических орудий и на одно из них — «Электромагнитное орудие» — получил авторское свидетельство. В 1933 году он вместе с Б. Д. Садовским рассчитал конструкцию уже длинной электрической пушки, работающей путём её прямого включения на шины районных электростанций. Дальше они совместно с А. П. Казанцевым работали над проектом электромагнитной пушки, стреляющей дисковым снарядом из немагнитного материала. Идею этой пушки А. П. Казанцев, в дальнейшем известный писатель-фантаст, использовал в одном из сюжетов своего романа «Пылающий остров»:

«...осмелюсь обратить Ваше внимание. Это должно укрепить в Вас надежду. Вот электрическая пушка сверхдальнего боя. Весь ствол её представляет собой два полюса магнита, между которыми создаётся сильнейшее магнитное поле. Всё получается, как в моторе постоянного тока. Через снаряд из наших аккумуляторов пропускается громадной силы электрический ток. Он взаимодействует с магнитным полем. Каждый знает, что магнитное поле не терпит присутствия электрического тока, который искажает его, поэтому оно с колоссальной силой выталкивает снаряд с током прочь. Начальная скорость, обретаемая снарядом, достаточна, чтобы перебросить его через два океана».

С 1931 года в Артиллерийском научно-исследовательском институте в Ленинграде под руководством А. П. Коноплёва началась теоретическая разработка основ электромагнитных орудий для дальней стрельбы и эксперименты с их действующими моделями малой мощности. Упоминавшееся ранее предложение М. П. Костенко, М. М. Подольского и Н. С. Япольского по магнитофугальной пушке было вновь рассмотрено, в частности, выполнен перерасчёт для нескольких вариантов исходных данных.

Принципиальным достижением работ периода 1931–1933 годов на этапе опытно-теоретических работ АНИИ стало определение направления поиска оптимальной для будущего рейлгана/рельсотрона схемы электромагнитного ускорителя масс среди следующих вариантов:

— турбоэлектрическое орудие (ТЭО);

— магнитоэлектрическое орудие (МЭО);

— электродинамическое орудие (ЭДО);

— электросоленоидное орудие (ЭСО).

О разработке и испытаниях орудий, построенных на этих принципах, речь пойдёт в следующей части статьи...

Всего-то нужно было сделать предупреждение на двери. Берегите себя.

#comment_273067140

Величайший случай телесных повреждений, про который я когда-либо слышал:
Крис Гуднау, предположительно поверенный Valley, взял клиента, который предъявляет иск компании, производящей секс-игрушки. Указанный клиент купил анальную пробку, которая рекламировалась как «100% силикон». Клиент пришёл с анальной пробкой на МРТ.
К большому разочарованию клиента, анальная пробка на самом деле имела металлический стержень.
Анальная пробка улетела со скоростью звука в грудную полость клиента. Случай описан в меморандуме как "анальный рельсотрон". Клиент выжил, получив серьезные травмы.