Плазменное воспламенение ракетного топлива: электротермическая химическая технология для артиллерии будущего.

Введение

Плазменное воспламенение метательного заряда
Электротермохимическая (ЭТХ) технология – это попытка повысить точность и энергию вылета будущих танковых, артиллерийских орудий и орудий ближнего боя за счет улучшения предсказуемости и скорости расширения метательного заряда внутри ствола. Электротермохимическое орудие использует плазменный картридж для воспламенения и управления метательным зарядом боеприпаса, используя электрическую энергию для инициирования процесса. ЭТХ повышает эффективность традиционных твердых метательных зарядов, снижает влияние температуры на расширение заряда и позволяет использовать более совершенные, более плотные метательные заряды. Разработка технологии ведется с середины 1980-х годов, а в 1993 году активные исследования проводились в Соединенных Штатах Армейской исследовательской лабораторией, Национальными лабораториями Сандиа и оборонными подрядчиками, включая FMC Corporation, General Dynamics Land Systems, Olin Ordnance и Центр ядерных исследований Soreq. Возможно, что электротермохимическое орудие станет неотъемлемой частью будущей боевой системы Армии США и других стран, таких как Германия и Соединенное Королевство. Электротермохимическая технология является частью широкой научно-исследовательской программы, охватывающей все технологии электрического оружия, такие как рельсотроны и электромагнитные пушки.

Предыстория

Постоянная борьба между броней и бронебойными снарядами привела к непрерывному развитию конструкции основных боевых танков. Эволюцию американского противотанкового оружия можно проследить до требований по борьбе с советскими танками. В конце 1980-х годов предполагалось, что уровень защиты перспективного советского танка (FST) может превышать 700 мм эквивалента гомогенной брони при максимальной толщине, что делало его практически неуязвимым для современных бронебойных подкалиберных снарядов M829 со стабилизирующим оперением. В 1980-х годах наиболее доступным для НАТО способом противодействия советским достижениям в области бронетехники было принятие 140-мм основной пушки, однако это потребовало бы перепроектирования башни для размещения большего затвора и боеприпасов, а также внедрения автоматического заряжающего устройства. Хотя 140-мм пушка рассматривалась как временное решение, после распада Советского Союза было решено, что увеличение энергии снаряда, которое она обеспечивала, не оправдывает увеличения веса. Поэтому ресурсы были направлены на исследования других программ, способных обеспечить необходимую энергию. Одной из наиболее успешных альтернативных технологий остаётся электротермическое химическое воспламенение. Большинство предлагаемых усовершенствований пушечных технологий основаны на предположении, что твердотопливный двигатель как самостоятельная система больше не способен обеспечить требуемую энергию снаряда. Это требование подтвердилось с появлением российского основного боевого танка Т-90. Удлинение стволов существующих пушек, таких как новая немецкая 120-мм L/55, представленная компанией Rheinmetall, рассматривается лишь как временное решение, поскольку оно не обеспечивает необходимого увеличения начальной скорости снаряда. Даже передовые кинетические боеприпасы, такие как американский M829A3, считаются лишь временным решением против будущих угроз. В связи с этим твердотопливные двигатели считаются исчерпавшими свой потенциал, хотя они останутся основным типом двигателей как минимум в течение следующего десятилетия, пока не будут разработаны новые технологии. Для улучшения характеристик твердотопливного оружия электротермическая химическая пушка может быть запущена в производство уже в 2016 году. Технология ETC предлагает модернизацию со средним уровнем риска и достигла такой степени развития, что дальнейшие улучшения незначительны и её можно считать зрелой. Лёгкая американская 120-мм пушка XM291 почти достигла энергии снаряда в 17 МДж, что является нижней границей для 140-мм пушки. Однако успех XM291 не гарантирует успеха технологии ETC, поскольку ключевые компоненты двигательной системы ещё недостаточно изучены или полностью разработаны, например, процесс плазменного воспламенения. Тем не менее, существует значительное количество данных, подтверждающих жизнеспособность и экономическую целесообразность дальнейшей разработки технологии ETC. Кроме того, её можно интегрировать в существующие пушечные системы.

The constant battle between armour and armor piercing round has led to continuous development of the main battle tank design. The evolution of American anti tank weapons can be traced back to requirements to combat Soviet tanks. In the late 1980s, it was thought that the protection level of the Future Soviet Tank (FST) could exceed 700 mm of rolled homogeneous armour equivalence at its maximum thickness, which was effectively immune against the contemporary M829 armour piercing fin stabilized discarding sabot. In the 1980s the most immediate method available to NATO to counter Soviet advances in armour technology was the adoption of a 140 mm main gun, but this required a redesigned turret that could incorporate the larger breech and ammunition, and it also required some sort of automatic loader. Although the 140 mm gun was considered a real interim solution it was decided after the fall of the Soviet Union that the increase in muzzle energy it provided was not worth the increase in weight. Resources were therefore spent on research into other programs that could provide the needed muzzle energy. One of the most successful alternative technologies remains electrothermal chemical ignition. Most proposed advances in gun technology are based on the assumption that the solid propellant as a stand alone propulsion system is no longer capable of delivering the required muzzle energy. This requirement has been underscored by the appearance of the Russian T 90 main battle tank. The elongation of current gun tubes, such as the new German 120 mm L/55, which was introduced by Rheinmetall is considered only an interim solution as it does not offer the required increase in muzzle velocity. Even advanced kinetic energy ammunition such as the United States' M829A3 is considered only an interim solution against future threats. To that extent the solid propellant is considered to have reached the end of its usefulness, although it will remain the principal propulsion method for at least the next decade until newer technologies mature. To improve on the capabilities of a solid propellant weapon the electrothermal chemical gun may see production as early as 2016. ETC technology offers a medium risk upgrade and is developed to the point that further improvements are so minor that it can be considered mature. The lightweight American 120 mm XM291 came close to achieving 17 MJ of muzzle energy, which is the lower end muzzle energy spectrum for a 140 mm gun. However, the success of the XM291 does not imply the success of ETC technology as there are key parts of the propulsion system that are not yet understood or fully developed, such as the plasma ignition process. Nevertheless, there is substantial existing evidence that ETC technology is viable and worth the money to continue development. Furthermore, it can be integrated into current gun systems.

Принцип действия

Электротермическая химическая пушка использует плазменный картридж для воспламенения и управления метательным зарядом боеприпаса, используя электрическую энергию в качестве катализатора для запуска процесса. Изначально исследования проводились доктором Джоном Парментолой для армии США, и она стала весьма вероятным преемником стандартной танковой пушки с твердотопливным метательным зарядом. С начала исследований Соединенные Штаты выделили 4 000 000 долларов США на проект пушки XM291, 300 000 долларов США на фундаментальные исследования и 600 000 долларов США на прикладные исследования. С тех пор её работоспособность была подтверждена, хотя требуемый уровень эффективности пока не достигнут. Электротермическая химия повышает характеристики традиционных твердых метательных зарядов, снижает влияние температуры на расширение заряда и позволяет использовать более совершенные, более плотные метательные заряды. Она также снижает давление на ствол по сравнению с альтернативными технологиями, обеспечивающими ту же энергию на дульном срезе, поскольку способствует более плавному распределению газов метательного заряда при воспламенении. В настоящее время существует два основных метода плазменного воспламенения: излучатель большой площади с флешбордом (FLARE) и тройной коаксиальный плазменный зажигатель (TCPI).

Флэшборд большой площади излучатель

Флешборды работают в нескольких параллельных цепочках для создания большой площади плазмы или ультрафиолетового излучения и используют пробой и испарение промежутков, заполненных алмазами, для получения необходимой плазмы. Эти параллельные цепочки монтируются в трубках и ориентированы таким образом, чтобы их промежутки были расположены азимутально относительно оси трубки. Запуск осуществляется с использованием воздуха под высоким давлением для вытеснения воздуха из зоны действия. Инициаторы FLARE могут воспламенять топливо посредством выброса плазмы или даже с использованием ультрафиолетового теплового излучения. Длина поглощения твердого топлива достаточна для воспламенения излучением от плазменного источника. Однако, FLARE, вероятно, еще не достиг оптимальных конструктивных характеристик, и дальнейшее изучение FLARE и принципов его работы абсолютно необходимо для развития технологии. Если бы FLARE обеспечил проект пушки XM291 достаточным тепловым излучением для воспламенения топлива и достижения энергии в стволе 17 МДж, можно было бы только представить возможности полностью разработанного плазменного зажигателя FLARE. В настоящее время исследования сосредоточены на влиянии плазмы на топливо посредством излучения, непосредственной передаче механической энергии и тепла, а также за счет создания газового потока. Несмотря на эти сложные задачи, FLARE рассматривается как наиболее перспективный зажигатель для будущего применения в электротермических пушках (ETC).

Трехкратный коаксиальный плазменный зажигатель

Коаксиальный зажигатель состоит из полностью изолированного проводника, покрытого четырьмя полосками алюминиевой фольги. Все это дополнительно изолируется в трубке диаметром около 1,6 см, перфорированной небольшими отверстиями. Принцип работы заключается в прохождении электрического тока через проводник, его преобразовании в пар и последующей ионизации в плазму. Плазма, выходя через перфорацию по всей длине изолирующей трубки, инициирует окружающий заряд. Зажигатель TCPI устанавливается в отдельном корпусе заряда для каждого боеприпаса. Однако TCPI больше не рассматривается как эффективный метод зажигания заряда, поскольку он может повредить стабилизаторы и не обеспечивает такой же энергоотдачи, как зажигатель FLARE.

Выполнимость

XM291 – лучший на сегодняшний день пример действующей электротермической химической пушки. Она представляла собой альтернативу более крупнокалиберному 140-мм орудию, используя концепцию двойного калибра. В ней используется затвор, достаточно большой для размещения 140-мм боеприпасов, с возможностью установки как 120-мм, так и 135-мм или 140-мм ствола. XM291 также оснащается более крупной пушечной трубой и камерой зажигания, чем у существующей 120-мм пушки M256 L/44. Благодаря применению электротермической химической технологии XM291 достигла энергии, выходящей из ствола, эквивалентной низкоуровневой 140-мм пушке, при этом обеспечивая более высокую начальную скорость снаряда, чем у более крупной 140-мм пушки. Хотя XM291 не доказывает жизнеспособность технологии ETC, она демонстрирует ее принципиальную возможность. ETC также является более перспективным вариантом, чем другие альтернативы, по определению. ETC требует значительно меньше энергии от внешних источников, таких как аккумулятор, чем рельсотрон или катушечный ускоритель. Испытания показали, что энергия, выделяемая метательным зарядом, превышает энергию, поступающую от внешних источников в ETC-пушках. Для сравнения, современный рельсотрон пока не способен достичь более высокой начальной скорости снаряда, чем количество затраченной энергии. Даже при эффективности 50% рельсотрон, запускающий снаряд с кинетической энергией 20 МДж, потребует подачи в рельсы 40 МДж энергии, а эффективность 50% еще не достигнута. Чтобы представить масштаб, рельсотрон, запускающий снаряд с энергией 9 МДж, потребует около 32 МДж энергии от конденсаторов. Современные достижения в области хранения энергии позволяют достигать плотности энергии до 2,5 МДж/дм³, что означает, что аккумулятор, обеспечивающий 32 МДж энергии, потребует объем 12,8 дм³ на один выстрел; это неприемлемый объем для использования в современном основном боевом танке, особенно в конструкции, предназначенной для снижения веса по сравнению с существующими моделями. Рассматривалась даже возможность устранения необходимости во внешнем источнике электроэнергии для зажигания ETC путем инициирования плазменного картриджа с помощью небольшого взрывного заряда. Кроме того, технология ETC применима не только к твердым топливам. Для дальнейшего увеличения начальной скорости электротермическое химическое зажигание может использоваться с жидкими топливами, хотя это потребует дополнительных исследований в области плазменного зажигания. Технология ETC также совместима с существующими проектами по снижению отдачи при стрельбе. Естественно, отдача пушки, стреляющей снарядом с энергией 17 МДж или более, будет напрямую увеличиваться с ростом энергии снаряда в соответствии с третьим законом Ньютона, и успешная реализация механизмов снижения отдачи будет жизненно важна для установки ETC-пушки на существующую конструкцию танка. Например, новая легкая 120-мм пушка L/45 от OTO Melara достигла силы отдачи 25 т за счет использования более длинного механизма отката (550 мм) и дульного тормоза-пепперпота. Снижение отдачи также может быть достигнуто за счет уменьшения массы тепловой рубашки. Возможность применения технологии ETC к существующим конструкциям орудий означает, что для будущих модернизаций орудий больше не потребуется перепроектировать башню для размещения более крупного затвора или ствола большего калибра. Ряд стран уже признали перспективность технологии ETC и значительно финансируют собственные проекты в этой области. Среди них – Соединенные Штаты, Германия и Великобритания, и другие. XM360, разрабатываемая в США и предназначенная для оснащения легкого танка Mounted Combat System в рамках программы Future Combat Systems, а также потенциально являющаяся следующим этапом модернизации орудия M1 Abrams, предположительно основана на XM291 и может включать технологию ETC или ее элементы. Испытания этого орудия проводились с использованием технологии "точного зажигания", которая может относиться к ETC-зажиганию.

The XM291 is the best existing example of a working electrothermal chemical gun. It was an alternative technology to the heavier caliber 140 mm gun by using the dual caliber approach. It uses a breech that is large enough to accept 140 mm ammunition and be mounted with both a 120 mm barrel and a 135 mm or 140 mm barrel. The XM291 also mounts a larger gun tube and a larger ignition chamber than the existing M256 L/44 main gun. Through the application of electrothermal chemical technology the XM291 has been able to achieve muzzle energy outputs that equate that to a low level 140 mm gun, while achieving muzzle velocities greater than those of the larger 140 mm gun. Although the XM291 does not mean that ETC technology is viable it does offer an example that it is possible. ETC is also a more viable option than other alternatives by definition. ETC requires much less energy input from outside sources, like a battery, than a railgun or a coilgun would. Tests have shown that energy output by the propellant is higher than energy input from outside sources on ETC guns. In comparison, a railgun currently cannot achieve a higher muzzle velocity than the amount of energy input. Even at 50% efficiency a rail gun launching a projectile with a kinetic energy of 20 MJ would require an energy input into the rails of 40 MJ, and 50% efficiency has not yet been achieved. To put this into perspective, a rail gun launching at 9 MJ of energy would need roughly 32 MJ worth of energy from capacitors. Current advances in energy storage allow for energy densities as high as 2.5 MJ/dm³, which means that a battery delivering 32 MJ of energy would require a volume of 12.8 dm³ per shot; this is not a viable volume for use in a modern main battle tank, especially one designed to be lighter than existing models. There has even been discussion about eliminating the necessity for an outside electrical source in ETC ignition by initiating the plasma cartridge through a small explosive force. Furthermore, ETC technology is not only applicable to solid propellants. To increase muzzle velocity even further electrothermal chemical ignition can work with liquid propellants, although this would require further research into plasma ignition. ETC technology is also compatible with existing projects to reduce the amount of recoil delivered to the vehicle while firing. Understandably, recoil of a gun firing a projectile at 17 MJ or more will increase directly with the increase in muzzle energy in accordance to Newton's third law of motion and successful implementation of recoil reduction mechanisms will be vital to the installation of an ETC powered gun in an existing vehicle design. For example, OTO Melara's new lightweight 120 mm L/45 gun has achieved a recoil force of 25 t by using a longer recoil mechanism (550 mm) and a pepperpot muzzle brake. Reduction in recoil can also be achieved through mass attenuation of the thermal sleeve. The ability of ETC technology to be applied to existing gun designs means that for future gun upgrades there's no longer the necessity to redesign the turret to include a larger breech or caliber gun barrel. Several countries have already determined that ETC technology is viable for the future and have funded indigenous projects considerably. These include the United States, Germany and the United Kingdom, amongst others. The United States' XM360, which was planned to equip the Future Combat Systems Mounted Combat System light tank and may be the M1 Abrams' next gun upgrade, is reportedly based on the XM291 and may include ETC technology, or portions of ETC technology. Tests of this gun have been performed using "precision ignition" technology, which may refer to ETC ignition.