Elektromagnetkahur - relv, kus on elekter püssirohu asemel

 (37)
Elektromagnetkahur - relv, kus on elekter püssirohu asemel
Foto: naval-technology.com


USA mereväes katsetati edukalt elektromagnetilist relsskahurit, mis ei vaja mürsu väljatulistamiseks ei püssirohtu ega mingit muud lõhkeainet, üksnes tugevat elektrivoolu impulssi.

Kusjuures mürsk lendab mitu korda kiiremini ja kaugemale kui tavakahurist tulistatu. Samas ei ole ka mürsk õieti mürsk, kuna ta ei sisalda lõhkeainet – tema hävitusjõud põhineb ainuüksi ülisuurest kiirusest tuleneval kineetilisel energial.

Tehnika, eriti sõjatehnika areng ei peatu kunagi. Püssirohi-lõhkeained tunduvad tänapäevastele leiduritele igandina ning nende otsiv pilk on suunatud pigem (laser)kiirgustele ja elektrile. Elekter viis ju inimkonna senise tehnilise tsivilisatsiooni täiesti uuele tasemele ja elektri võimalused on ammendamatud. Kuid elektri taltsutamine võrreldes tulega märksa keerulisem ja rohkem teadmisi vajav. Õlilambi asemel elektripirni leiutamine nõudis Edisonilt ja tema konkurentidelt tuhandeid katseid, ka võistlus sisepõlemismootori asemel autode liikumapanemiseks ei ole elektrile seni veel lõplikku võitu toonud.

Miks on vaja elektrilisi kahureid?

Esimene põhjus seisneb kuuli või mürsu lennukiiruses ning lennukauguses. Need omadused on laskerelva juures primaarsed, millest iga relvameister lähtub. Suurem mürsu lennukaugus tähendab kaitsel olles võimalust hävitada vaenlane juba enne, kui ta jõuab ohtlikku lähedusse, rünnakul aga anda purustav löök võimalikult kaugelt – näiteks avamerel või ookeanil paiknevalt ründelaevalt. Mürsu suur kiirus võimaldaks tabada täpsemalt kõiki liikuvaid või lendavaid objekte, sealhulgas eeskätt lennukeid ja isegi rakette. Nende abil võiks luua isegi omamoodi raketikilbi.

Seotud lood:

Kahjuks on kõigil lõhkeaineid kasutavatel laskerelvadel kaasasündinud oluline puudus – nende kuulide/mürskude kiirus on piiratud loodusseadustega. Kui kogu universumis ei saa vastavalt Einsteini relatiivsusteooriale ükski objekt liikuda kiiremini kui valgus vaakumis, siis püssi või kahuri torust ei saa ükski kuul ega mürsk lennata välja suurema kiirusega kui lõhkeaine osakesed selle plahvatamisel kahuritorus, see aga jääb alla 1 km/s. Elektromagnetiliste jõudude kasutamisel aga sellist loodusseaduslikku kiiruse piirangut ei ole. Tänapäeva uurimislaborites on pisemaid objekte pandud elektri abil liikuma kiirusega isegi üle 20 km/s. Põhimõtteliselt võiks saavutada ka selliseid kiirusi, mis on vajalikud objektide saatmiseks kosmosesse – kui vaid seda atmosfääri ees ei oleks. Hõõrdumise tõttu põleks see saadetis ära nagu meteoriit. (Muidu meteoriidid kukusid ju meile pähe :-))

Kahurikuuli või mürsu ülisuure kiiruse korral ei ole enam tarvis sellesse toppida lõhkeainet, sest tal on juba niigi kaasas suur energiahulk (E=0,5 mv2), mis on võrdeline kiiruse ruuduga. Näiteks: kui keha kiirust tõsta 10 korda, siis tema kineetiline energia suureneb 100 korda. Ülisuurte kiiruste korral muundub kuuli kineetiline energia objekti tabamise kohal hetkega soojuseks, mille mõjul see muutub vedelaks või isegi gaasiks ning näiteks tanki soomuse läbimiseks ei ole tarvis midagi muud kui kuuli suurt kiirust.

Kahurite vabastamine lõhkeainete vajadusest omab suurt tähtsust ka ohutuse seisukohalt ning lihtsustab oluliselt logistilisi probleeme. Eriti valmistavad muret suured laskemoonavarud ja nende kaitsmine vaenlase rünnakute eest nii sõjalaevadel kui ka transportimisel. Kuna elektromagnetkahuri mürsud ei ole täis topitud lõhkeainet ning kannavad endaga suurt energiakogust eeskätt tänu kiirusele, siis on nende mõõtmed ja mass mitu korda väiksemad kui tavakahurite omad, rääkimata lõhkeainepadrunite puudumisest. Kõige selle tõttu võtab elektrikahurite laskemoon oma hoiukohas kümneid kordi vähem ruumi ning on odavam.

Elektrikahuriga varustatud tankid oleksid kergemad, kiiremad ja manööverdusvõimelisemad. Kergema ja väiksema mahuga laskemoona transport ja vedu vajab samuti vähem kütusekulu ja on seetõttu veelgi odavam. Niisiis on igati mõistetav, miks sõjaväelased teevad tõsiseid pingutusi, et töötada välja töökindel elektromagnetiline kahur.

Elektromagnetkahuri töö põhiprintsiibid

Me kõik oleme koolis füüsikatundides õppinud, et magnetväli avaldab jõudu temas liikuvale elektrilaengule või elektrivooluga juhtmele, mida omakorda ümbritseb alati oma magnetväli. Nende magnetväljade vastastikusel toimel põhineb ka elektrimootorite töö. Enamikul juhtudel vajame me pöörlevat ehk roteeruvat elektrimootorit, kuid teatud juhtudel ka lineaarset elektrimootorit, mis paneb meile vajaliku objekti liikuma sirgjooneliselt. Elektromagnetkahurit võib vaadelda ka kui erilist tüüpi lineaarset elektrimootorit ehk heiteseadet. Leidurid-konstruktorid on oma arendustöödes valinud kaks peamist suunda – need on nn railgun (tõlgiksin relsskahur) ja coilgun (tõlgiksin mähiskahur).

Relsskahur on elektrotehniliselt olemuselt homopolaarne mootor. Ta koosneb kahest paralleelsest jämedast, relsse meenutavast elektrijuhtmest ning risti nende peale asetatud vaba liikumisvõimega vardast või raamist e armatuurist. Kui relsside otsad ühendada alalisvoolu allikaga – üks plussiga ja teine miinusega –, siis läbib elektrivool relsse ja neid ühendavat varrast või armatuuri ning tekitab relsside vahel magnetvälja, mis omakorda tekitab nn Lorentzi jõu, mis tõukab elektrivooluga armatuuri piki relsse eemale teise otsa poole. Kahuri saamiseks tuleb relsid paigutada torusse ja teineteisest isoleerida. Kui „mürsuks” on elektrit juhtiv ese, siis tema küljes peavad olema mõlemal pool kontaktplaadikesed, mis libisevad mööda relsse. Kui aga „mürsuks” on elektrit mittejuhtivast materjalist ese, siis paigutatakse tema ümber elektrit juhtiv armatuur ning see sõidutab ta Lorentzi jõu mõjul torust välja, kus ta vabaneb kandvast armatuurist ning lendab inertsi mõjul iseseisvalt edasi.

Mähiskahurid kasutavad hoopis teist tüüpi konstruktsiooni. Nende põhiosaks on toru ümbritsev heliksikujuline elektrijuhtmega mähis e pool, mille algusesse paigutatakse ferromagneetikust „mürsk”. Seade töötab analoogselt elektrilise releega – kui mähisesse lastakse elektrivool, muutub ta elektromagnetiks ning tõmbab ferromagneetikust mürsu enda sisse, kuni see jõuab mähise keskele. Sel hetkel lülitatakse vool mähisest välja (sest vastasel juhul toimuks edaspidi mürsu pidurdamine) ning mürsk jätkab inertsi mõjul liikumist. Selleks, et saavutada suuremaid kiirusi, võidakse toru ümber paigutada terve jada selliseid elektrimähiseid, millest igaüks annab mürsule täiendava tõuke ja kiirenduse. Muidugi tuleb hoolitseda mähistes õigeaegse voolu sisse- ja väljalülitamise eest, aga see ei ole tehniliselt ületamatu raskus.

Eriti populaarsed on mähisega elektripüstolid just noorte harrastuslaskurite hulgas, kellel ei ole veel luba pärispüstoli hankimiseks, kuid keda valdab võitmatu kirg endale laskeriist meisterdada ja sellega märklehe või joogipurkide pihta põmmutada.

Peamised raskused relsskahuri valmistamisel

Esimesi mõtteid elektrikahuri valmistamiseks avaldati juba sada aastat tagasi ning esimene kahur ehitati 50 aastat tagasi, kuid ühegi riigi relvastuses neid siiani pole. Miks? Kuigi nende ehituse põhiprintsiibid on üldiselt teda, siis raskused seisnevad tehniliste lahenduste realiseerimises – just sõjaväele piisavalt suure võimsusega mudelite korral. Esimene raskus tuleneb sellest, et relsskahuris mürsu arendatava lõppkiiruse saavutamine on võrdeline teda kiirenduse ajal kahuritoru läbiva elektrivoolu tugevuse ruuduga. Seega selleks, et suurendada kuuli kiirust näiteks 10 korda, tuleb elektrivoolu tugevust suurendada tervelt 100 korda ja kiiruse suurendamiseks 100 korda oleks vaja suurendada elektrivoolu juba 10 000 korda. Praktikas vajatakse selleks mitmemiljonilise ampriga voolu. Nii tugev elektrivool toob aga endaga kaasa kuhjaga probleeme ning muresid.

Esikohal on siinjuures elektrivoolu soojuslik toime, mis on teatavasti samuti võrdeline voolutugevuse ruuduga ja elektrilise takistusega. Soojenemine põhjustab relsside paisumist ja kontaktide halvenemist ning hõõrdumise suurenemist.

Teine häda – suure elektrivoolu korral tekib relsside ja kontaktide vahel sädelus või isegi kaarleek oma elektrikeevitusefektiga. Võib tekkida ka kõrgelt ioniseeritud hõõguv plasmapilv „mürsu” sappa (on küll katsetatud ka plasmapilve kasutamist mürsku tõukava „armatuurina”). Väga suurte voolutugevuste korral võivad relsid muutuda kõlbmatuteks pärast iga lasku, mõnikord nad kannatavad välja kümmekond lasku, kui neid hästi jahutada. Loodetakse, et materjaliteadlased pakuvad uusi relssideks sobivaid materjale, mis on tugevad ning hea elektrijuhtivusega. Töötatakse ka efektiivsemate jahutusmeetodite kallal. Palju on veel teha, et relsskahuri tööiga praktikas oleks mitte liig väike.

Suured nõuded on ka elektrivoolu allikale. Mitme miljoni amprise tugevusega vooluimpulsi saamine on samuti tõsine tehniline väljakutse. Tuleb koostada ülisuure mahtuvusega kondensaatorite patarei, see laadida võimsa alalisvoolu generaatori abil ning lühistada täpselt ajastatud lülitusseadmete abil.

USA sõjalaevastiku programm…

…relsskahuri väljaarendamiseks lähtus 2004. aastal saavutatud 8megadžaulise (MJ) võimsusega relsskahuri katseeksemplarist. Selle baasil tahetakse luua 64 MJ võimsusega taktikaline laskerelv, mille tulejõud ulatuks 50 kuni 222 meremiili kaugusele, ning varustada sellega rida sõjalaevu. Soov on, et uue kahuri tulistamissagedus oleks vähemalt 6–12 lasku minutis. Pulseeriva vooluallika võimsus tuleb selleks viia 220 megadžaulini. Elektrienergia allikatena tahetakse kasutada 80 MW võimsusega mootoreid, mis on kasutusel Zumwalt-klassi hävitajatel ja millel on piisavalt võimsuse ülejääki.

Mürsu kiirus peab olema umbes 2,5 km/s. Sellest tulenevalt peab mürsk taluma kahuritorus kiirendust kuni 50 000g ning termošokki kuni 3000 °C. Nende nõuete täitmine on samuti tõsiseks pähkliks materjaliteadlastele. Raskeks võib kujuneda ka juhtimisseadme töö programmeerimine mürsu lennul.

Programmi realiseerimiseks sõlmis USA merevägi tellimuslepingud firmadega BAE Systems ja General Atomics, kes töötasid välja kahuri katseeksemplari Blitzer. See suudab anda mürsule stardienergia kuni 32 MJ ja sellega ühtlasi ka tavalise kahuriga võrreldes 8 korda suurema laskekauguse. Firma BAE Systems sai möödunud aastal valmis taktikalise relsskahuri prototüübi.

Käesolevaks aastaks jõudis USA relsskahuri programm oma teise faasi, mille jooksul tuleb leida lahendus veel reale probleemidele, nagu: metallstruktuuride efektiivsem jahutamine; suure tugevusega konstruktsioonimaterjalide leidmine; suurel kiirusel mööda relsse libisevate kontaktide töökindluse saavutamine; kompaktsete pulseerivate vooluallikate arendamine; suuri kiirendusi taluvate juhtimiselektroonika seadmete valmistamine jms.

Paistab, et relsskahur väljub lõpuks teadusliku fantastika vallast reaalsesse maailma.

Tehnikamaailm 3/2013