Elektromagnetické zbraně a jejich potenciál v současném světě

Foto: Experimentální railgun BAE Systems na lodi USS Millinocke. / US Navy

Vojenství a vojenská technologie patří k oborům lidské činnosti, které se mění a vyvíjejí nejdramatičtěji, a to obzvlášť v období posledních sta let. Z hlediska celé lidské historie je to včera, kdy bojiště první světové války brázdily látkou potažené dvojplošníky a první neohrabané tanky. Dnešní stealth stíhačky a moderní tanky s reaktivním pancířem jen velmi vzdáleně připomínají své nedávné příbuzné. Ale je zde jedna stálice, která zůstává: palné zbraně.

Historie palných zbraní

První palné zbraně s dochovanými historickými záznamy jsou čínská ohnivá kopí z 12. století. Jednalo se o kopí, které mělo k hlavě přivázanou pyrotechnickou patronu, chrlící oheň na protivníka. Někdy v tomto období se rovněž objevuje nápad nechat touto patronou vymršťovat kovové kuličky, a tak se zrodila palná zbraň.

V Evropě zažily palné zbraně rozmach v období italské renesance, kdy rozpoutaly chaos v tehdejším válečnictví.

Hrady, po staletí nedobytné, se drolily, a zažité vojenské principy braly za své. Další významnou změnou byl až vynález nedýmícího střelného prachu, který umožnil použití palných zbraní v masovém měřítku.

V 19. století pak přišly pušky nabíjené zezadu. V průmyslové revoluci se zrodily pušky s vývrtem, a hlavně dnešní nábojnice.

Na ně navázaly automatické zbraně, které přetvořily tvář válčení v moderním věku. Dnes máme k dispozici houfnice naváděné počítačem, které vystřelí několik projektilů po různých drahách tak, aby dopadly současně, případně dokonce naváděné puškové projektily.

Přesto se princip palné zbraně od čínského ohnivého kopí praktiky nezměnil. Pořád se jedná o chemickou výbušninu, která svou rychlou expanzí vymrští projektil. Až dnes, se možná blížíme k bodu, kdy se tato situace změní. A tou změnou je elektromagnetismus.

 Foto: Princip coilgunu. / Archív autora

Coilgun

Myšlenka použití elektromagnetů k vymršťování projektilů není nic nového. Konceptem, který se nejvíce přiblížil realitě, je koncept takzvaného „coilgunu", do češtiny přeloženo jako "cívkové dělo". Je možné se rovněž setkat s názvem Gaussova puška, jelikož teorie coilgunu čerpá z prací o magnetismu Carla Friedricha Gausse.

„Gaussovu pušku" si ovšem patentoval Kristian Birkeland již v roce 1904. Princip coilgunu je velmi jednoduchý. Jedná se o cívku, obtočenou kolem hlavně zbraně, do které je-li přiveden elektrický proud. Cívka pak začne přitahovat projektil v podélné ose směrem k sobě.

V okamžiku kdy projektil projde středem cívky, a byl by následně přitahován opačným směrem, se cívka vypne, a projektil vyletí ven. Pro zvýšenou efektivitu se počítá v konceptu coilgunu se soustavou cívek, které se zapínají v sekvenci, kdy v okamžiku, kdy projektil projde jednou cívkou, ona cívka se vypne a projektil se „předá" následující cívce která se aktivuje za ní.



Taková to sekvence by zrychlovala až ke konci hlavně, a mohla by tak dát projektilu významnou rychlost. Coilgun není nic nerealizovatelného. Na serveru YouTube je možno najít videa mnoha domácích kutilů, kteří si postavili svou malou Gaussovu pušku v doslova v garáži.

Vojenské využití však potápí její neefektivita. K tomu aby byl projektil vymrštěn skutečně vysokou rychlostí je třeba hlaveň mnohem větší délky než srovnatelná palná zbraň. Odpalovací sekvence při takových rychlostech musí být navíc neskutečně rychlá a hlavně přesná, protože deaktivace cívky i jen nepatrný moment po průchodu projektilu jej naopak zpomalí.

Taková zbraň je rovněž velmi náročná na údržbu, a hlavně zdroj energie. Gaussova puška je tedy sice realizovatelná, ale její výkony zdaleka neospravedlňují technologickou náročnost výroby a provozu. Z vojenského hlediska je tak coilgun prozatím nepoužitelný.



  Foto: Princip railgunu. / Archív autora

Railgun

Elektromagnetickou (EM) zbraň "railgun" (kolejnicové dělo) je mnohem nadějnější technologií. Railgun místo sady cívek tvoří dvě kolejnice pod proudem, které, generují takzvaný valivý efekt a pohánějí vozíček vpřed. Takováto zbraň je schopná (s dostatkem energie) urychlit projektil na hypersonické rychlosti (> Mach 5).



Fyzika railgunu je již výrazně složitější než coilgunu, a pro potřeby tohoto článku nepodstatná. Railgun však v teorii není taky úplně novou myšlenkou. Jako první jeho návrh představil v hypotetické rovině francouzský vynálezce Louis Octave Fauchon-Villeplee již v roce 1919.

Nejblíže se k jeho konstrukci dostalo Německo za druhé světové války, kdy v roce 1944 byl vypracován návrh protiletadlového kanónu na principu railgunu.

Nikdy však nebyl realizován. Když spojenci po válce získaly plány, jejich studie došla k závěru, že je taková zbraň realizovatelná, ale její energetické nároky obrovské. První skutečně funkční vojenské railguny se datují až ke konci 20. století.

Video: Pentagon vidí v railgunem zbraň budoucnosti. / YouTube

Výhody

Hlavní devízou railgunu je úsťová rychlost. Railgun je schopen urychlit projektil na rychlosti palnými zbraněmi nedosažitelné.

Z rychlosti vychází i ničivý potenciál zbraně. Při rychlostech přesahující několikrát rychlost zvuku je schopný kovový hřeb, i bez jakékoliv výbušné hlavice, způsobit masivní škody, srovnatelné s několika kilogramy TNT.

To se nemusí na první pohled zdát jako mnoho, ale je třeba si uvědomit, že veškerá tato energie je koncentrována do hrotu projektilu při dopadu. Ne nadarmo má vývojový program námořnictva Spojených států motto „Rychlost zabijí".

Jedná se o stejný, ale mnohonásobně účinnější efekt penetrátorových šipek z tankové munice, kdy obrovská síla koncentrovaná na malý bod způsobí víc škod, než pomalejší projektil s explozivní hlavicí.

Z absence hlavice a pohonné nálože vyplývá další výhody railgunů: logistika a bezpečnost. Railgunový projektil je mnohem menší, lehčí, a s minimálními nároky na skladování, manipulaci a logistiku. Laicky řečeno, je to prostě kovový hřeb.



Z toho plyne větší bezpečnost. Zásah skladu munice je největší noční můra každé lodě či tanku, ale railgunová munice je naprosto inertní. Toto snižuje i cenu projektilů, byť tato výhoda není až tak jednoznačná, jak si ukážeme níže.

Velká rychlost projektilu je ideální i pro defenzivní úkoly. V obraně před letadly, ale hlavně raketami, je rychlost reakce klíčová, a superrychlý projetil výrazně zvyšuje reakční čas obránců.

Foto: S nábojem do EM zbraní se manipuluje velmi snadno. V hlavni děla je uložen ve speciálním vymezujícím obalu "sabot". Je však výhodou projektilu do EM zbraní skutečně nízká cena? / US Navy

Problémy railgunu

První slabou stránkou je nejednoznačná cena projektilu. Prvním problémem je navádění.

Nejdražším komponentem dnešních řízených střel není výbušnina, ale naváděcí elektronika a senzory. Podle současných plánů se přitom u railgunů počítá mimo jiné s naváděnou municí.

Ohromné zrychlení projektilu v railgunu (a další jevy v hlavni) však kladou extrémní nároky na naváděcí systémy. Vyvinout takové naváděcí systémy, co ustojí nemilosrdnou akceleraci, bude náročné, a náklady na vývoj se jistě promítnou do ceny projektilu.

Druhým problémem je cena zbraně samotné a jejího provozu.Do ceny se totiž promítá jeden z aktuálně největších problémů railgunu - nízká životnost hlavně.

Kolejnice se totiž vyrábí z drahých a na zpracování náročných materiálů (např. wolfram). V aktuálních testech však životnost kolejnice je pouze několik výstřelů. Masivní EM pole totiž působí i na kolejnice samotné - ohýbá je a tlačí proti stěnám hlavně.

Druhým faktorem opotřebení jsou extrémní teploty při výstřelu. Fyzikální jevy v hlavni generují významné množství žhavé plazmy, které snižuje životnost kolejnic. Plazma rovněž tvoří problém pro bojové nasazení railgunu.

V laickém povědomí figurují magnetické zbraně jako tiché a inertní zařízení, co tiše vystřelují projektily. Díky plazmě a okamžitému překročení rychlosti zvuku je výstřel z railgunu více spektakulární podívaná než výstřel z námořního kanónu. 

Ve světě, kde je však velká část senzorů postavená na detekci tepla, muže být tento jev velmi problematický. Poslední velkou potíží je pak energetická náročnost zbraně. Aktuálně testované railguny potřebují okamžitý příkon 25 MW elektrické energie.

Foto: Americké námořnictvo nainstaluje experimentální railgun na loď USS Millinocket. Testy potrvají několik let. / U.S. Navy



Možnosti nasazení

Kvůli energetické, materiálové a rozměrové náročnosti railguny zažijí svůj debut na palubách válečných lodí. To je také důvod, proč hlavním průkopníkem railgunu je americké námořnictvo. V budoucnu jeden railgun může nahradit 155mm dělo na nových torpédoborcích Zumwalt.

Aktuální stav vývoje railgunů v americkém námořnictvu je možno označit jako fáze pokročilého testování. Námořnictvo testovalo 25MW railguny na pevninské střelnici Dahlgren ve Virginii. K dispozici byly dva prototypy, od dvou různých dodavatelů: od General Atomics a BAE Systems.

Railgun od jednoho výrobce (zřejmě BAE Systems) bude nyní experimentálně nainstalován na lodi amerického námořnictva.Původní varianta počítala s upravenou nákladní lodí (USS Millinocket), uvažuje se však také o instalaci přímo na nový torpédoborec Zumwalt. Pohonná jednotka Zumwaltu o výkonu 78 MW, a na ní navázaná rozvodná síť, je od počátku navržená pro pohon railgunů či laserů.

Divočejší představy mluví dokonce o návrtau velkých bitevních lodí vyzbrojené velmi výkonnými railguny. Bitevní lodě byly vytlačeny za druhé světové války letadlovými loděmi, protože letadlové lodě nabídly větší operační rádius a víceúčelovost. Railgun má ale potenciál mnoho nedostatků bitevních lodí odstranit. 

Video: EM dělo dokáže vystřelit projektil rychlostí Mach 6. / YouTube

V pozemních aplikacích je budoucnost EM zbraní o něco komplikovanější. Je možné si představit railgun jako dalekonosnou dělostřeleckou podporu. Ačkoliv railgun potřebuje velké zázemí, účinný dostřel 200 km davá možnost umístit railgun daleko od případného nebezpečí.

Výrazně problematičtější bude instalace railgunů do vozidel. Umístit energetický zdroj do tak malé platformy je při dnešních technologických možnostech pravděpdoobně nereálné.



Railguny nemusí být čistě americká záležitost. BAE Systems je britská zbrojovka dodávající zbraně mnoha dalším členům NATO. Není proto vyloučeno, že v případě zájmu mohou railguny získat i další alianční země.

Rusko se v této situaci pohybuje ve standardním módu, kdy propaganda Kremlu vypouští kusé mediální informace, že se na podobných projektech pracuje, ale bez žádného hmatatelného důkazu. Rovněž z Číny přicházejí jisté zprávy o vývoji railgunů.

Obě země pravděpodobně na projektu EM zbraní pracují, ale není vůbec jasné, na jaké technologické a finanční úrovni. 

Článek vyšel původně na Security Outlines

Redakčně upraveno

Nahlásit chybu v článku

Doporučte článek svým přátelům na sociálních sítích

Související články

HVP: Munice pro elektromagnetická děla

Americké námořnictvo v příštím roce začne s ostrými námořními zkouškami elektromagnetického (EM) děla. Během zkoušek námořnictvo otestuje i nové dělostřelecké projektily HVP (Hyper Velocity ...

Elektronický boj: Americká armáda zaspala

Válka na východě Ukrajiny přinesla americké armádě nepříjemný poznatek – na rozdíl od ruské armády chybí americké prakticky jakékoliv ofenzivní systémy elektronického boje. Americká armáda se v ...

F-35 zvítězí díky kognitivním systémům elektronického boje

Stíhačka F-35 Lightning II nevyniká svou rychlostí, manévrovatelností ani nosností zbraní. Síla stíhačky leží především v elektronickém vybavení, senzorech, výkonném počítači a pokorčilém softwaru. ...

Elektromagnetické dělo na torpédoborcích Zumwalt

Americké námořnictvo (U.S. Navy) úspěšně pokračuje s vývojem a testováním elektromagnetického (EM) děla. V letošním roce se plánuje námořní demonstrace zbraně na plavidle EFT (Expeditionary Fast ...

Přidávat diskuzní příspěvky a hlasovat pro článek mohou jen registrovaní. Prosím zaregistrujte se nebo se přihlašte!

Komentáře

Stránka 1 z 3
  • Slavoslav
    17:25 15.08.2016

    k horeniu trhavin a tlaku

    plastickou trhavinou mozes napriklad bezpecne prikladat do ohna bude pekne horiet. Ak nemas rozbusku ktora vyvinie pociatocny tlak, aby zacalo explozivne horenie nic ine sa nedeje (odskusane :))

  • Slavoslav
    17:24 15.08.2016

    nie, bezdymny prach hory rychlejsie a ma omnoho viac energie ergo dosahuje ovela vyssie tlaky

    co ta mozno myli je to, ze kym ciernemu prachu staci na explozivne horenie atmosfericky tlak tak u bezdymneho potrebujes dosiahnut vyssi co zabezpecuje zapalka (rychlost horenia rastie s tlakom). Preto ak nasypes na kopu cierny prach vybuchne a bedymny vyhori. Pozri napr video z diskusie pod abramsom. Efekt velky ale po vyleteni blow out panelov je to uz len horenie nie explozia kedze to nieje uzavrety priestor a nieje tam dostatocny tlak

    rychlost horenia potom ovplyvnuju rozne prisady a najma tvar zrna kde mas prachy progresivne ci degresivne podla toho ci ako postupuje horenie uvolnuju viac coraz viac energie (plynu) za jednotku casu, alebo menej. Napr klasicky valcek je degresivny prach a horiaca plocha pocas horenia klesa ako sa zmensuje valcek. Rozne dierovane zrna zase predstavuju progresivne prachy kde sa horiaca plocha zvacsuje ako sice zvonku klesa, ale vnutri dier rastie.

    co sa tyka priebehu tlakovej krivky tak ano idealne pre rychlost strely a namahanie hlavne by bolo dosiahnut nie sice az tak vysoky, ale konstantny tlak no to s pevnym plaivom nedosiahnes. Toto by mala byt vyhoda kvapalinovych kanonov kde bude pohona zmes vstrekovana do hlavne a jej objem bude mozne riadit v case. Na druhej strane audiovizualny zazitok pri vysokom tlaku na usti bude urcite zaujimavy a cim vyssi tlak na usti tym horsia presnost atd. Proste nieco ziskas, nieco stratis

  • Vrata
    16:40 15.08.2016

    pokud vim, tak s bezdymym strelnym prachem se to ma tak, ze hori pomaleji nez cerny strelny prach. To dovoluje dat do hlavne vice prachu aniz by se hlaven roztrhla pri vystrelu a ve vysledku maji strelne zbrane vetsi ustovou rychlost a dostrel. Zatimco typicka musketa z 18 stoleti mela ucinny dostrel cca 200m (to je zhrube vzdalenost bastionu na bastionovych pevnostech) a typicke delo na cerny strelny prach melo v 19. stoleti dostrel cca 1-2km, tak se zavedenim bezdymeho strelneho prachu vzrostl dostrel cca 10x podobne jako prubojnost kulek a granatu.

  • logik
    15:13 10.08.2016

    Nejlepší superkapacitátory maj specifickou energii už kolem několika desítek kWh/kg.

    http://batteryuniversity.com/learn/article/whats_the_role_of_the_supercapacitor

    Takže potřebná baterie pro jeden railgun by vážila řádově necelou tunu.

  • alea206
    10:31 10.08.2016

    Samozřejmě uvažuju velice idealizovaný stav

  • alea206
    10:31 10.08.2016

    Grull: Problém je ve vyvážení celého systému a jeho celkové velikosti/hmotnosti. Vozit s sebou ať už obrovský generátor nebo kondenzátor nedává úplně smysl, musíte udělat kompromis co mít jak velké, aby to bylo co nejmenší a nejmobilnější. I tak se ale bavíme o ohromném výkonu.

    Pokud by na 25MW railgun, stačil 2,5MW generátor tak se bavíme o 2 - 3 turbínách z M1 Abramsu.
    Takže byste s sebou museli vozit minimálně 2+2 (rezervy) "náklaďáky", která byste spojil do jednoho generátoru,
    k tomu přičtěte (buďme optimisti) 2+2 na kondenzátory
    Přidáme další 2 na náhradní díly a kabeláž
    A jedno s vlastním railgune.
    Suma sumárum je to 11 "náklaďáku" na jedno dělo. A to je hrozně moc

    Podívejte se na tenhle web, to vám dá o railgunech rámcovou představu.
    http://imgur.com/gallery/GrAiE

  • Grull
    10:18 10.08.2016

    Charlie -> Díky.

    alea206 -> Mě to zase napadlo z "druhé" strany, že být to umístěné tam, tak by to bylo velmi efektivní.

    Takže problém není ve výrobě energie, ale v jejím uchování. Tak tam by se dal čekat nějaký pokrok, tedy spíše než v nějakém lehkém ale výkoném zdroji energie, který by to nezproblémově zvládal.

  • alea206
    09:55 10.08.2016

    Charlie: Naprostý souhlas. Ono i koncepčně si nemyslím, že někdy vznikne ať už energeticko-mechanická nebo čistě energetická zbraň schopná "pálit nepřetržitě".

    Současně je ale dlužno podotknout, že i kdyby na živení railgunu stačil o řád slabší generátor a zbytek by se ukládalo, tak se bavíme o infrastruktuře, která není nijak mobilní.

    Grull: Politiku taky řešit nehodlám, jen k západním technologiím je k dispozici výrazně víc materiálu, tak mě automaticky napadla tahle varianta.

  • pks_
    09:09 10.08.2016

    Našel jsem něco k ruskému programu railgunu:
    https://www.youtube.com/watch?v=UbrNH5pj_5g&list=PLfYnNR7pPRGaOc1nqVjuXTu8cOQMcjDj_&t=54

    Experimentují s rychlostmi 6.5km/s a projektilem o váze 1gram. Mluví o zavedení do výzbroje v 2030 - tj. jsou minimálně 15 let za USA.

    Ještě tam potom mluví o EMP zbrani (laboratorním prototypu) s impulsem 1GW, který vypíná elektroniku v dosahu 200m (čas 4:20)

  • Charlie
    08:41 10.08.2016

    Grull: 25MW není nic tak velkého, to vám dá běžná lodní turbína (když chcete něco malýho) nebo diesel (když budete chtít uspořit na palivu).

    Problém je spíš v rozložení toho výkonu v čase - coilgun nebere nic a pak během pár (de)setin sekundy schroupne ohromný množství energie. Generátor si obecně s takovýmahle výkyvama moc nerozumí, takže i když tam budete mít fakt obří soustrojí, který je teoreticky schopný pokrýt svým výkonem tu nárazovou spotřebu, bude hrozně trpět a bude strašně chlastat - v chvílích "bez odběru" budete prostě točit naprázdno nebo do nějakého "šusu". Celá ta soustava i s příslušnýma tlustokabelama bude obrovská.

    Proto se používá spíš kombinace generátor a něco na uchovávání energie (kondenzátory, baterky), kdy generátor běží a nabíjí, takže nemusí bejt tak výkonnej a i vedení může bejt subtilnější, a pak z tý "powerbanky" poháníte vlastní kanon.

Stránka 1 z 3