Электротермо-химическая технология

Электротермо-химическая ( ЭТХ ) технология — это попытка повысить точность и дульную энергию будущих танков , артиллерии и систем ближнего боя. ружья за счет улучшения предсказуемости и скорости расширения пороха внутри ствола.

Электротермо-химическая пушка использует плазменный патрон для воспламенения и управления порохом боеприпаса, используя электрическую энергию для запуска процесса. ETC повышает эффективность обычного твердого топлива, снижает влияние температуры на расширение топлива и позволяет использовать более совершенные топлива с более высокой плотностью.

Технология находилась в разработке с середины 1980-х годов, а в 1993 году активно исследовалась в США Армейской исследовательской лабораторией , Sandia National Laboratories и подрядчиками оборонной промышленности, включая FMC Corporation , General Dynamics Land Systems , Olin Ordnance и Soreq. Центр ядерных исследований . Вполне возможно, что электротермо-химические пушечные двигатели станут неотъемлемой частью будущей боевой системы армии США и других стран, таких как Германия и Великобритания . Электротермо-химическая технология является частью широкой программы исследований и разработок, которая охватывает все технологии электрических пушек, таких как рельсотроны и катушки .

Фон

ХМ360.

Постоянная борьба брони и бронебойного снаряда привела к непрерывному развитию конструкции основного боевого танка. Эволюцию американского противотанкового оружия можно проследить до требований борьбы с советскими танками. В конце 1980-х годов считалось, что уровень защиты Будущего советского танка (FST) может превышать 700 мм эквивалента катаной гомогенной брони при максимальной толщине, которая была эффективно невосприимчива к современному M829 бронебойному оперению , стабилизированному отбрасывающим поддоном . В 1980-х годах самым непосредственным методом противодействия советским достижениям в области бронетехники, доступным НАТО, было принятие на вооружение 140-мм основной пушки, но для этого потребовалась перепроектированная башня, которая могла бы включать в себя более крупный затвор и боеприпасы, а также требовалось своего рода автоматическое оружие. погрузчик. Хотя 140-мм пушка считалась настоящим временным решением, после распада Советского Союза было решено, что обеспечиваемое ею увеличение дульной энергии не стоит увеличения веса. Поэтому ресурсы были потрачены на исследования других программ, которые могли бы обеспечить необходимую дульную энергию. Одной из наиболее успешных альтернативных технологий остается электротермо-химическое зажигание.

Большинство предлагаемых достижений в оружейной технике основано на предположении, что твердотопливное топливо как автономная двигательная установка больше не способно обеспечивать необходимую дульную энергию. Это требование было подчеркнуто появлением российского основного боевого танка Т-90 . Удлинение нынешних орудийных стволов, таких как новая немецкая 120-мм L/55, который был представлен компанией Rheinmetall, считается лишь промежуточным решением, поскольку он не обеспечивает требуемого увеличения начальной скорости. Даже усовершенствованные боеприпасы с кинетической энергией, такие как американский M829A3, считаются лишь временным решением против будущих угроз. В этом отношении твердое топливо считается исчерпавшим свою полезность, хотя оно останется основным методом движения, по крайней мере, в течение следующего десятилетия. пока не появятся новые технологии. Для улучшения возможностей твердотопливного оружия электротермо-химическая пушка может быть запущена в производство уже в 2016 году.

Технология ETC предлагает модернизацию со средним уровнем риска и развита до такой степени, что дальнейшие улучшения настолько незначительны, что ее можно считать зрелой. Легкая американская 120-мм пушка XM291 была близка к достижению 17 МДж дульной энергии, что является нижней границей спектра дульной энергии для 140-мм пушки. Однако успех XM291 не означает успех технологии ETC, поскольку существуют ключевые части двигательной установки, которые еще не изучены или полностью не разработаны, например, процесс плазменного зажигания. Тем не менее, существуют существенные доказательства того, что технология ETC жизнеспособна и стоит денег для дальнейшего развития. Кроме того, его можно интегрировать в существующие артиллерийские системы.

Принцип работы

Схема работающей электротермохимической пушки.

Электротермо-химическая пушка использует плазменный патрон для воспламенения и управления порохом боеприпаса, используя электрическую энергию в качестве катализатора для начала процесса. Первоначально разработанный доктором Джоном Парментолой для армии США, он превратился в очень правдоподобного преемника стандартной твердотопливной танковой пушки. С начала исследований Соединенные Штаты профинансировали проект пушки XM291 на сумму 4 000 000 долларов США, фундаментальные исследования - на 300 000 долларов США и прикладные исследования - на 600 000 долларов США. С тех пор было доказано, что это работает, хотя эффективность на требуемом уровне еще не достигнута. ETC повышает эффективность обычного твердого топлива, снижает влияние температуры на расширение топлива и позволяет использовать более совершенные топлива с более высокой плотностью. Это также снизит давление на ствол по сравнению с альтернативными технологиями, которые обеспечивают ту же дульную энергию, учитывая тот факт, что это помогает гораздо более плавно распределять пороховой газ во время воспламенения. В настоящее время существует два основных метода инициирования плазмы: импульсный излучатель большой площади (FLARE) и тройной коаксиальный плазменный воспламенитель (TCPI).

Излучатель большой площади Flashboard

Flashboards работают в нескольких параллельных цепочках, чтобы обеспечить большую площадь плазмы или ультрафиолетового излучения, и используют пробой и испарение зазоров алмазов для производства необходимой плазмы. Эти параллельные струны установлены в трубах и ориентированы так, чтобы их зазоры были азимутальны оси трубы. Он разряжается за счет использования воздуха под высоким давлением для удаления воздуха с пути. Инициаторы FLARE могут воспламенять топливо за счет выброса плазмы или даже за счет использования ультрафиолетового теплового излучения. Длина поглощения твердого топлива достаточна для воспламенения от излучения источника плазмы. Однако FLARE, скорее всего, не достигла оптимальных требований к проектированию, и дальнейшее понимание FLARE и того, как она работает, совершенно необходимо для обеспечения развития технологии. Если бы FLARE обеспечила проект пушки XM291 достаточным радиационным теплом для воспламенения пороха и достижения дульной энергии 17 МДж, можно было бы только представить себе возможности полностью разработанного плазменного воспламенителя FLARE. Текущие области исследований включают в себя то, как плазма будет влиять на топливо посредством излучения, передачу механической энергии и тепла напрямую, а также за счет движения потока газа. Несмотря на эти сложные задачи, FLARE считается наиболее подходящим воспламенителем для будущего применения в оружии ETC.

Тройной коаксиальный плазменный воспламенитель

Коаксиальный воспламенитель состоит из полностью изолированного проводника, покрытого четырьмя полосками алюминиевой фольги. Все это дополнительно изолировано в трубке диаметром около 1,6 см, перфорированной небольшими отверстиями. Идея состоит в том, чтобы использовать электрический поток через проводник, а затем превратить поток в пар, а затем разбить его на плазму. Следовательно, плазма выходит через постоянные перфорации по всей изолирующей трубке и инициирует окружающее топливо. Воспламенитель TCPI устанавливается в индивидуальных пороховых гильзах для каждого патрона. Однако TCPI больше не считается жизнеспособным методом воспламенения топлива, поскольку он может повредить ребра и не передает энергию так эффективно, как воспламенитель FLARE.

Технико-экономическое обоснование

60-мм пушка ETC, разработанная ВМС США в FMC в качестве демонстрационного образца ETC CIWS.

XM291 — лучший из существующих образцов работающей электротермо-химической пушки. Это была альтернатива 140-мм орудию более крупного калибра, основанная на использовании подхода двойного калибра. В нем используется казенная часть, достаточно большая для приема боеприпасов калибра 140 мм, и на нее можно установить как ствол диаметром 120 мм, так и ствол диаметром 135 или 140 мм. На XM291 также установлена ​​ствольная труба большего размера и камера зажигания большего размера, чем на существующем основном орудии M256 L/44. Благодаря применению электротермо-химической технологии XM291 смог достичь мощности дульной энергии, которая соответствует мощности 140-мм пушки низкого уровня, при этом достигая начальной скорости, большей, чем у более крупной 140-мм пушки. Хотя XM291 не означает, что технология ETC жизнеспособна, он предлагает пример того, что это возможно.

ETC также по определению является более жизнеспособным вариантом, чем другие альтернативы. ETC требует гораздо меньше энергии от внешних источников, таких как батарея, чем рейлган или койлган . Испытания показали, что выходная энергия пороха выше, чем энергия, поступающая от внешних источников в пушках ETC. Для сравнения, рельсотрон в настоящее время не может достичь более высокой начальной скорости, чем количество затраченной энергии. Даже при КПД 50% рельсовая пушка, запускающая снаряд с кинетической энергией 20 МДж, потребует ввода энергии в рельсы 40 МДж, а КПД 50% еще не достигнут. Для сравнения: рельсовая пушка, запускающая энергию 9 МДж, потребует примерно 32 МДж энергии от конденсаторов. Текущие достижения в области хранения энергии позволяют достигать плотности энергии до 2,5 МДж/дм³, а это означает, что для батареи, обеспечивающей 32 МДж энергии, потребуется объем 12,8 дм³ на один выстрел; это неприемлемый объем для использования в современном основном боевом танке, особенно в том, который спроектирован так, чтобы быть легче существующих моделей. Была даже дискуссия об устранении необходимости во внешнем электрическом источнике для зажигания ETC путем инициирования плазменного картриджа небольшой силой взрыва.

Более того, технология ETC применима не только к твердым топливам. Для увеличения начальной скорости можно использовать еще большее электротермо-химическое зажигание с жидкими порохами, хотя для этого потребуются дальнейшие исследования плазменного зажигания. Технология ETC также совместима с существующими проектами по уменьшению отдачи, возникающей в машине при стрельбе. Понятно, что отдача орудия, стреляющего снарядом мощностью 17 МДж и более, будет увеличиваться непосредственно с увеличением дульной энергии в соответствии с третьим законом движения Ньютона , и успешная реализация механизмов уменьшения отдачи будет иметь жизненно важное значение для установки орудия с приводом от ETC в существующая конструкция автомобиля. Например, новая легкая 120-мм пушка L/45 компании OTO Melara достигла силы отдачи 25 т за счет использования более длинного противооткатного механизма (550 мм) и дульного тормоза-перчатки. Уменьшения отдачи можно добиться также за счет ослабления массы термогильзы. Возможность применения технологии ETC к существующим конструкциям орудий означает, что для будущих модернизаций орудия больше нет необходимости перепроектировать башню, включив в нее более крупный затвор или ствол орудия большего калибра.

Несколько стран уже пришли к выводу, что технология внеземного земного шара жизнеспособна в будущем, и значительно профинансировали местные проекты. К ним относятся США, Германия и Соединенное Королевство, среди других. Американский XM360 , который планировалось оснастить легким танком Future Combat Systems Mounted Combat System и может стать следующей модернизацией пушки M1 Abrams , как сообщается, основан на XM291 и может включать в себя технологию ETC или части технологии ETC. Испытания этого пистолета проводились с использованием технологии «точного зажигания», которая может относиться к воспламенению ETC.

Библиография

• Даймонд, П. (март 1999 г.). Исследование технологии электротермического химического пистолета (отчет). Корпорация МИТЕР. CiteSeerX   10.1.1.834.5851 .
• Хилмес, Рольф (декабрь 2004 г.). «Вооружение будущих ОБТ – некоторые соображения». Военные технологии (12/2004). Moench Verlagsgesellschaft Mbh.
• Хилмес, Рольф (30 июня 1999 г.). «Аспекты концепции будущего ОБТ». Военные технологии . 23 (6). Moench Verlagsgesellschaft Mbh.
• Хилмес, Рольф (1 января 2001 г.). «Боевые танки для Бундесвера: развитие современных немецких танков, 1956–2000». Броня (январь – февраль 2001 г.). Форт-Нокс: Центр бронетехники армии США. ISSN   0004-2420 .
• Хорст, Альберт В.; и др. (1997). «Последние достижения в области противотанковых технологий». 35-я встреча и выставка по аэрокосмическим наукам . Американский институт аэронавтики и астронавтики. дои : 10.2514/6.1997-484 .
• Крузе, Йозеф; и др. (апрель 1999 г.). «Исследования будущих 140-мм танковых артиллерийских систем Германии — обычных и других —» (PDF) . 34-й симпозиум и выставка оружия и боеприпасов . Rheinmetall – через The Armor Site.
• Огоркевич, Ричард М. (декабрь 1990 г.). «Танковые пушки будущего. Часть I: твердотопливные и жидкостные пушки». Обзор международной обороны (12/1990). Джейнс.
• Пенгелли, Руперт (ноябрь 1989 г.). «Новая эра основного вооружения танков: возможностей становится больше». International Defense Review (11/1989). Джейнс.
• Ропелевски, Роберт Р. (февраль 1989 г.). «Советские достижения в области бронетехники и противотанковой защиты формируют генеральный план армии США». Международный журнал вооруженных сил . Армия США.
• Шеммер, Бенджамин Ф. (май 1989 г.). «Армия, офис министра обороны в Логгерхеде из-за Антиброни». Международный журнал вооруженных сил . Армия США.
• Шарони, Ашер Х.; Лоуренс Д. Бэкон (1 сентября 1997 г.). «Боевая система будущего (FCS): обзор эволюции технологий и технико-экономическое обоснование» (PDF) . Броня . Форт-Нокс: Центр бронетехники армии США. ISSN   0004-2420 .
• Зауэрвейн, Бриджит (февраль 1990 г.). «NPzK от Rheinmetall: традиционные технологии противодействия ОБТ будущего». Обзор международной обороны (2/1990). Джейнс.
• Янмэн, Тянь; и др. Новая концепция электротермической химической пушки без источника питания .
• Зан, Брайан Р. (май 2000 г.). Боевая система будущего: минимизация риска при максимизации возможностей . Центр оборонной технической информации (отчет).

Внешние ссылки

• Симпозиум по электромагнитному запуску
• http://www.powerlabs.org/electrothermal.htm