Slogan „Velocitas Eradico”, przyjęty przez marynarkę amerykańską za badania nad elektromagnetycznymi działami szynowymi, jest całkiem zgodny z ostatecznym celem. W wolnym tłumaczeniu z łaciny wyrażenie to oznacza „zabija prędkość”. Technologie elektromagnetyczne z powodzeniem rozwijają się na polu morskim, otwierając perspektywy dla broni ofensywnej i eksploatacji lotniskowców.
Raport napisany przez Ronalda O'Rurka w październiku 2016 roku dla Congressional Research Service, zatytułowany Lasery, Rail Guns i Hypersonic Projectiles: Background and Challenges for the US Congress, stwierdza: od pocisków przeciwokrętowych (ASM) i przeciwokrętowych pocisków balistycznych (ABM), niektórzy obserwatorzy są zaniepokojeni przeżywalnością okrętów nawodnych w możliwych starciach bojowych z przeciwnikami, takimi jak Chiny, które są uzbrojone w nowoczesne pociski przeciwokrętowe i pociski antybalistyczne.” Pierwszy i jedyny na świecie FGM średniego zasięgu DF-21D (Dufeen-21) opracowany przez Chińską Akademię Mechaniki i Elektroniki China Changfeng był aktywnie dyskutowany w światowej marynarce wojennej; rakieta ta została pokazana w Pekinie we wrześniu 2015 roku pod koniec parady podczas II wojny światowej. W międzyczasie raport zauważa, że rosyjska flota kontynuuje rozmieszczanie rodziny pocisków przeciwokrętowych i naziemnych 3M-54 Calibre z satelitarnym naprowadzaniem bezwładnościowym / radarowym opracowanym przez biuro projektowe Novator.
Podczas gdy niektóre kraje, takie jak Chiny i Rosja, nadal wyposażają swoje okręty w potężną broń, marynarka wojenna Stanów Zjednoczonych, wraz z innymi zachodnimi flotami, jest coraz bardziej zaniepokojona zdolnością przetrwania swoich okrętów wojennych nawodnych. A redukcja personelu zmusza floty całego świata do coraz większego zwracania się ku obiecującym technologiom. Na przykład, według strony internetowej globalsecurity.org, liczba aktywnych członków armii amerykańskiej ma spaść o 200 000 do końca 2017 roku, do 1,28 miliona. W tym kontekście w sferze obronności technologie elektromagnetyczne rozwijają się szybko jako obiecujące rozwiązanie złożonych problemów, które w dużej mierze związane są z uzbrojeniem potencjalnych adwersarzy i redukcją personelu. W porównaniu z obecnymi tradycyjnymi systemami te technologie, od katapult lotniskowca po działa szynowe (armaty), będą bardziej opłacalne i zmniejszą liczbę personelu.
Elektryczność i magnetyzm
Energia elektromagnetyczna to połączenie pól elektrycznych i magnetycznych. Zgodnie z definicją opublikowaną na stronie Światowej Organizacji Zdrowia: „Pola elektryczne powstają ze względu na różnicę napięć, im wyższe napięcie, tym silniejsze będzie powstałe pole. Pola magnetyczne powstają, gdy naładowane cząstki poruszają się: im silniejszy prąd, tym silniejsze pole magnetyczne”.
EMALS (Electromagnetic Aircraft Launch System), obiecujący system startowy dla samolotów pokładowych, jest opracowywany przez General Dynamics w celu zastąpienia katapult parowych, które mają wiele istotnych wad, w tym dużą masę, rozmiary i konieczność przechowywania dużej ilość wody na statku, której nie można wynieść za burtę ze względu na agresywne właściwości chemiczne wody morskiej. Nowy system składa się z dwóch równoległych szyn, składających się z wielu elementów z cewkami indukcyjnymi, zainstalowanych wewnątrz kabiny startowej lotniskowca, a także karetki, która jest zamontowana na przednim kole samolotu. Megan Elke, General Atomics (GA), wyjaśniła: „Sekwencyjne wzbudzanie elementów prowadzących wytwarza falę magnetyczną, która przemieszcza się wzdłuż szyn prowadzących i wymusza na wózku, a tym samym na samolocie wzdłuż całej długości szyn prowadzących, z prędkością wymaganą dla udany start z pokładu. Proces ten wymaga kilku megawatów energii elektrycznej.”
Zasada działania elektromagnetycznego akceleratora masy, znanego również jako Railgun, lub Railgun, jest podobna do zasady działania elektromagnetycznej katapulty EMALS. Wygenerowane kilka megawatów energii jest kierowane wzdłuż dwóch szyn prowadzących (podobnie jak dwie szyny prowadzące systemu EMALS), aby wytworzyć pole magnetyczne. Jak wyjaśnił John Finkenaur, szef nowych technologii w Raytheon: „Gdy system zgromadzi pewną ilość energii, kondensatory (przechowują wygenerowany ładunek elektryczny) wysyłają impuls elektryczny wzdłuż dwóch szyn (jedna z nich jest naładowana ujemnie, a inne jest dodatnie), tworząc pole elektromagnetyczne”. Pod wpływem tego pola pocisk zaczyna poruszać się w beczce z dwoma długimi szynami z bardzo dużą prędkością. Otwarte źródła podają, że prędkości mogą osiągnąć 7 liczb Macha (około 8600 km/h). Pocisk waży około 11 kg i nie ma ładunku bojowego. Korpus pocisku, wypełniony wolframowymi elementami uderzającymi, zamknięty jest w obudowie ze stopu aluminium, którą wyrzuca się po opuszczeniu lufy. Duża prędkość spotkania pocisku z celem w połączeniu z elementami uderzającymi powoduje znaczne zniszczenia bez użycia materiałów wybuchowych.
Przyciąganie magnetyczne
Katapulty parowe, które ma zastąpić system EMALS, od lat 50. znajdują się na lotniskowcach w wielu krajach. Przez długi czas uważano je za najbardziej wydajną technologię, która jest w stanie np. rozpędzić samolot o wadze 27 300 kg do prędkości 240 km/h z pokładu o długości 300 metrów. Aby wykonać tę pracę, katapulta potrzebuje około 615 kg pary na każde wejście, a także sprzęt hydrauliczny, wodę do zatrzymania katapulty, a także pompy, silniki elektryczne i systemy sterowania. Innymi słowy, tradycyjna katapulta parowa, choć doskonale spełnia swoje zadanie, jest bardzo dużym i ciężkim sprzętem, który wymaga znacznej konserwacji. Ponadto wykazano, że nagłe wstrząsy podczas startu skracają żywotność samolotów bazowanych na lotniskowcach. Katapulty parowe mają również ograniczenia dotyczące typów samolotów, które mogą wystrzeliwać; Sytuację komplikuje zwłaszcza fakt, że masa samolotów stale rośnie i niedługo może się zdarzyć, że modernizacja samolotów bazowych stanie się niemożliwa. Na przykład, według danych dostarczonych przez flotę, myśliwiec pokładowy Boeinga F / A-18E / F Super Hornet ma maksymalną masę startową 30 ton, podczas gdy poprzedni myśliwiec Douglas A-4F Skyhawk, który został ostatecznie wycofany ze służby w połowie lat 80., miał masę startową 11,2 tony.
Według Elke: „Dzisiejsze samoloty stają się cięższe, szybsze i bardziej funkcjonalne, potrzebują wydajnego systemu startowego o większej wydajności i większej elastyczności, aby mieć różne prędkości startu potrzebne do startu z pokładu każdego typu samolotu”. Według General Atomics, w porównaniu z katapultami parowymi, system EMALS będzie o 30 procent bardziej wydajny, wymagając mniejszej objętości i konserwacji niż jego poprzednicy, co uprości jego instalację na różnych statkach o różnych konfiguracjach katapult. Na przykład lotniskowce klasy Nimitz mają cztery katapulty parowe, podczas gdy jedyny francuski lotniskowiec Charles de Gaulle ma tylko dwie katapulty. Ponadto różne przyspieszenia EMALS, dostosowane do masy startowej każdego typu załogowego lub bezzałogowego statku powietrznego, przyczynią się do wydłużenia żywotności kadłubów samolotów. „Dzięki mniejszej przestrzeni instalacyjnej, lepszej wydajności i elastyczności oraz zmniejszonej konserwacji i liczbie pracowników, EMALS znacznie zwiększa możliwości i obniża koszty, co dodatkowo wesprze rozwój floty” – dodała Elke.
Według Alexandra Changa z firmy konsultingowej Avascent, railguny mają również szereg zalet. „A najważniejszą rzeczą jest oczywiście to, że mogą strzelać pociskami z dużą prędkością rzędu siedmiu machów bez użycia materiałów wybuchowych”. Ponieważ źródłem energii działa szynowego jest ogólny system zasilania całego statku, wykluczone jest ryzyko związane z transportem materiałów wybuchowych lub materiałów miotających. Wysokie początkowe prędkości działa szynowego, mniej więcej dwa razy większe niż początkowe prędkości tradycyjnych dział okrętowych, powodują krótsze czasy trafień i pozwalają okrętowi reagować niemal jednocześnie na wiele zagrożeń. Wynika to z faktu, że z każdym nowym pociskiem nie ma potrzeby ładowania ładunków bojowych ani miotających. Elke zauważyła, że „za pomocą głowic i materiałów miotających uproszczono zaopatrzenie, zmniejszono koszt jednego strzału i obciążenie logistyczne, a stosunkowo niewielkie wymiary działa szynowego pozwalają na zwiększenie pojemności magazynka… znacznie większy zasięg w porównaniu z inną bronią (na przykład z pociskami ziemia-powietrze używanymi do ochrony okrętów nawodnych)”. Raport dla Kongresu zauważa, że jak dotąd dwa prototypowe działa szynowe zbudowane przez Raytheon i General Atomics dla marynarki wojennej USA „mogą wystrzeliwać pociski o energii od 20 do 32 megadżuli, co wystarcza, aby pocisk przebył 92-185 km”. Jeśli porównamy, to według otwartych źródeł 76-mm armata okrętowa z OTO Melara/Leonardo ma prędkość początkową rzędu Mach 2,6 (3294 km/h), osiągając maksymalny zasięg 40 km. Finkenaur stwierdził, że „działo kolejowe może być używane do wsparcia ogniowego okrętów nawodnych, gdy konieczne jest wysłanie pocisku na setki mil morskich, lub może być użyte do ostrzału bliskiego i obrony przeciwrakietowej”.
Zbliżające się wyzwania
Technologia zastosowana w systemie EMALS jest już na etapie wdrożenia do produkcji. Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych, która wybrała tę zaprojektowaną przez General Atomics katapultę do startu z nowych lotniskowców klasy Ford, przeprowadziła pierwsze testy wytrzymałościowe w listopadzie 2016 roku. Na pierwszym okręcie tej klasy, Gerald R. Ford, obciążniki balastowe symulujące typowy samolot zostały wyrzucone do morza (wideo poniżej). Używano 15 wózków łuskowych o różnej wadze. Pierwsze premiery zakończyły się niepowodzeniem, ale kolejne zostały uznane za udane. Przykładowo wózek o wadze około 6800 kg został rozpędzony do prędkości prawie 260 km/h, a mniejszy wózek o wadze 3600 kg został rozpędzony do 333 km/h. Według Elke system jest również produkowany i instalowany na lotniskowcu John F. Kennedy, który ma zostać przeniesiony do floty w 2020 roku. GA zostało również wybrane jako jedyny wykonawca EMALS dla lotniskowca Enterprise, który ma rozpocząć budowę w 2018 roku. Elke zauważyła, że „widzimy również zainteresowanie innych państw naszymi elektromagnetycznymi systemami startu i lądowania, ponieważ chcą one mieć w swoich flotach nowe technologie i samoloty oparte na lotniskowcach”. Warto jednak zauważyć, że chociaż technologia EMALS jest gotowa do produkcji, sam system nie może być zainstalowany na zdecydowanej większości eksploatowanych lotniskowców ze względu na ilość energii potrzebnej do jego obsługi.
Oprócz powyższego pistolet szynowy ma szereg poważnych wad. Według Finkenaura „jednym z problemów związanych z wykorzystaniem technologii elektromagnetycznej w sektorze obronnym jest utrzymanie lufy w dobrym stanie i zmniejszenie zużycia lufy po każdym wystrzeleniu pocisku”. Rzeczywiście, prędkość z jaką pocisk opuszcza lufę powoduje takie zużycie, że w początkowych testach lufę po każdym strzale trzeba było całkowicie przebudować. „Moc impulsu pociąga za sobą wyzwanie polegające na uwolnieniu ogromnej ilości energii i skoordynowaniu współpracy modułów mocy impulsu dla pojedynczego strzału”. Wszystkie te moduły muszą w odpowiednim momencie uwolnić zgromadzoną energię elektryczną, aby wytworzyć niezbędną siłę pola magnetycznego i wypchnąć pocisk z lufy. Wreszcie, ilość energii potrzebna do przyspieszenia pocisku do takich prędkości pociąga za sobą problem pakowania niezbędnych elementów działa do wystarczająco małych wymiarów fizycznych, aby można je było zainstalować na okrętach nawodnych różnych klas. Z tych powodów, według Finkenaura, małe działa szynowe mogą wejść do służby w ciągu najbliższych pięciu lat, podczas gdy działo szynowe o pełnej mocy 32 megadżuli prawdopodobnie zostanie zainstalowane na statku w ciągu najbliższych 10 lat.
Nadpobudliwość
Według Changa „ostatnio marynarka wojenna Stanów Zjednoczonych zaczęła przywiązywać mniejszą wagę do ulepszania technologii działa szynowego i zwróciła uwagę na możliwości pocisku hipersonicznego HVP (Hyper Velocity Projectile), który z łatwością mieści się w istniejących tradycyjnych działach”. W artykule technicznym na temat HVP, opublikowanym we wrześniu 2012 r. przez Biuro Badawcze Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych, opisano go jako „wszechstronny, kierowany pocisk o niskim oporze, zdolny do wykonywania różnych misji z różnych systemów uzbrojenia”, co w oprócz działa szynowego, zawiera standardowe amerykańskie systemy morskie: 127-mm armatę morską Mk 45 i 155-mm zaawansowane mocowanie artyleryjskie Advanced Gun System opracowane przez BAE Systems. Według BAE Systems „specjalnym składnikiem” konstrukcji HVP jest jego bardzo niski opór aerodynamiczny, eliminujący potrzebę stosowania silnika rakietowego, który jest szeroko stosowany w konwencjonalnej amunicji w celu zwiększenia jego zasięgu.
Według raportu służby badawczej CRS, strzelając z instalacji Mk.45, pocisk ten może osiągnąć tylko połowę (czyli Mach 3, czyli około 3704,4 km/h) prędkości, jaką mógłby osiągnąć przy strzelaniu z szyny armata, która jednak wciąż jest dwukrotnie większa od prędkości konwencjonalnego pocisku wystrzelonego z armaty Mk.45. Jak stwierdzono w komunikacie prasowym Marynarki Wojennej USA, „HVP w połączeniu z Mk.45 zapewni wykonywanie różnych zadań, w tym wsparcie ogniowe dla okrętów nawodnych, zwiększy możliwości floty w walce z zagrożeniami powietrznymi i nawodnymi … ale także z pojawiającymi się zagrożeniami.”
Według Changa decyzja Departamentu Badań Ministerstwa Obrony o zainwestowaniu znacznych środków w rozwój HVP ma na celu rozwiązanie problemu przezbrojenia statków do zainstalowania na nich działa szynowego. W ten sposób Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych będzie mogła używać pocisków hipersonicznych HVP na swoich krążownikach typu Ticonderoga i niszczycielach typu Arleigh Burke, z których każdy ma po dwa działa Mk.45. Działo szynowe nie jest jeszcze technologicznie gotowe do zainstalowania na nowych niszczycielach typu Zamvolt, z których pierwszy został przyjęty do marynarki wojennej USA w październiku 2016 roku. Ale przynajmniej pod koniec prac rozwojowych pocisk HVP będzie mógł wejść w ładunek amunicji z ich stanowisk artyleryjskich 155 mm, takich jak Advanced Gun System. Według komunikatu prasowego w styczniu flota przeprowadziła testy wystrzeliwania pocisku HVP z wojskowej haubicy. Marynarka Wojenna USA nie podaje informacji o tym, kiedy HVP może wejść do służby ze swoimi okrętami wojennymi.
Rozwój przemysłowy
W 2013 roku firma BAE Systems otrzymała kontrakt o wartości 34,5 miliona dolarów od Naval Research and Development Administration na opracowanie działa szynowego do drugiej fazy programu budowy prototypu armaty. W pierwszej fazie inżynierowie z Centrum Rozwoju Broni Powierzchniowej Marynarki Wojennej z powodzeniem wystrzelili prototyp Raytheon EM Railgun, osiągając poziom energii 33 megadżuli. Według BAE Systems w drugiej fazie firma zamierza przejść od strzelania pojedynczego do serii i opracować system automatycznego ładowania, a także systemy kontroli termicznej do chłodzenia działa po każdym strzale. W 2013 BAE Systems otrzymało również kontrakt z tego działu na opracowanie i demonstrację HVP.
General Atomics zaczął rozwijać technologię dział szynowych w 1983 roku w ramach Strategicznej Inicjatywy Obronnej Prezydenta Ronalda Reagana. Inicjatywa miała na celu „opracowanie kosmicznego programu obrony przeciwrakietowej, który mógłby chronić kraj przed atakiem nuklearnym na dużą skalę”. Inicjatywa straciła na znaczeniu po zakończeniu zimnej wojny i została szybko porzucona, częściowo ze względu na jej wygórowane koszty. Było wtedy więcej niż wystarczająco problemów technicznych, a karabiny nie były wyjątkiem. Pierwsza wersja działa szynowego wymagała tyle energii do uruchomienia działa, że mogła być umieszczona tylko w dużym hangarze, dlatego, według Elke, „w ciągu ostatnich ośmiu lat zmniejszyliśmy rozmiar elektroniki i półprzewodników i stworzył super duże kondensatory."
Dzisiaj General Atomics opracował już działo szynowe 30 megadżuli i uniwersalne działko szynowe 10 megadżuli Blitzer. Tymczasem kondensator, który upraszcza proces magazynowania energii potrzebnej do strzelania z dział ratunkowych na pojazdach naziemnych, został z powodzeniem zademonstrowany w lipcu 2016 r. na otwartym strzelnicy. Elke dodała w związku z tym: „Udało nam się również zademonstrować przenośność armaty Blitzer. Armata została zdemontowana i przetransportowana z poligonu Dagway do poligonu Fort Sill i tam ponownie zmontowana, aby przeprowadzić serię udanych testów ogniowych podczas manewrów wojskowych w 2016 roku.”
Raytheon aktywnie rozwija również technologię dział szynowych i innowacyjną sieć energii impulsowej. Finkenaur wyjaśnił: „Sieć składa się z wielu zbiorników energii impulsowej o długości 6,1 mi wysokości 2,6 metra, w których znajdują się dziesiątki małych bloków zwanych modułami zasilania impulsowego. Praca tych modułów polega na gromadzeniu potrzebnej energii przez kilka sekund i natychmiastowym jej uwalnianiu.” Jeśli weźmiemy wymaganą liczbę modułów i połączymy je ze sobą, mogą one zapewnić moc wymaganą do działania działka szynowego.
Przeciwwaga dla zagrożeń
W przemówieniu wygłoszonym w kwietniu 2016 r. w Brukseli zastępca sekretarza obrony USA Bob Work zauważył, że „zarówno Rosja, jak i Chiny codziennie poprawiają zdolność swoich sił operacji specjalnych do działania na morzu, lądzie i w powietrzu. Stają się dość silni w cyberprzestrzeni, elektronicznych środkach zaradczych i kosmosie.” Zagrożenia, jakie niosą ze sobą te wydarzenia, zmusiły Stany Zjednoczone i kraje NATO do opracowania tzw. wspólnej „Trzeciej Strategii Przeciwwagi” TOI (Third Offset Initiative). Jak stwierdził ówczesny minister obrony Heigel w 2014 roku, celem TOI jest wyrównanie lub zdominowanie zdolności militarnych Chin i Rosji, wypracowanych poprzez wprowadzenie najnowszych technologii. W tym kontekście działa szynowe, a w szczególności pociski naddźwiękowe, stanowią kluczowe zdolności do przeciwdziałania lub neutralizacji potencjalnych zagrożeń stwarzanych przez broń Chin i Rosji, o których wspomniano we wstępnej części artykułu.
