شعار "Velocitas Eradico" ، که توسط نیروی دریایی آمریکا برای تحقیقات خود در مورد اسلحه های ریل الکترومغناطیسی گرفته شده است ، کاملاً با هدف نهایی سازگار است. این عبارت به راحتی از لاتین ترجمه شده است و به معنی "سرعت می کشد" است. فناوری های الکترومغناطیسی با موفقیت در زمینه دریایی توسعه می یابد و چشم اندازهایی را برای سلاح های تهاجمی و عملکرد ناوهای هواپیمابر باز می کند.
در گزارشی که رونالد اورک در اکتبر 2016 برای سرویس تحقیقات کنگره نوشت ، تحت عنوان لیزر ، اسلحه های ریلی و پرتابه های مافوق صوت: زمینه و چالش های کنگره آمریکا ، آمده است: از موشک های کروز ضد کشتی (ASM) و ضد کشتی موشک های بالستیک (ABM) ، برخی از ناظران نگران زنده ماندن کشتی های سطحی در درگیری های احتمالی رزمی با مخالفانی مانند چین هستند که مجهز به موشک های ضد کشتی مدرن و موشک های ضد بالستیک هستند. اولین و تنها برد متوسط FGM DF-21D (Dufeen-21) در جهان که توسط آکادمی مکانیک و الکترونیک چین ساخته شد Changfeng چین به طور فعال در نیروی دریایی جهان مورد بحث قرار گرفت. این موشک در سپتامبر 2015 در پایان رژه جنگ جهانی دوم در پکن نشان داده شد. در همین حال ، این گزارش اشاره می کند که ناوگان روسیه به استقرار موشک های ضد کشتی و زمینی خانواده 3M-54 Caliber با هدایت اینرسی / راداری ماهواره ای که توسط دفتر طراحی Novator توسعه یافته است ، ادامه می دهد.
در حالی که برخی از کشورها مانند چین و روسیه به تجهیز کشتی های خود به سلاح های قدرتمند ادامه می دهند ، نیروی دریایی ایالات متحده به همراه دیگر نیروی دریایی غرب به طور فزاینده ای نگران زنده ماندن کشتی های جنگی سطحی خود هستند. و کاهش پرسنل ناوگانهای کل جهان را مجبور می کند که به طور فزاینده ای به فناوری های امیدوارکننده روی آورند. به عنوان مثال ، با توجه به وب سایت globalsecurity.org ، پیش بینی می شود تعداد نیروهای فعال ارتش آمریکا تا پایان سال 2017 با 200 هزار نفر کاهش به 1.28 میلیون نفر برسد. در این زمینه ، در حوزه دفاعی ، فناوری های الکترومغناطیسی به سرعت در حال توسعه به عنوان یک راه حل امیدوار کننده برای مشکلات پیچیده هستند که عمدتا مربوط به تسلیح دشمنان احتمالی و کاهش پرسنل است. در مقایسه با سیستم های سنتی فعلی ، این فناوری ها ، از منجنیق های ناو هواپیمابر گرفته تا اسلحه های ریلی (مقرون به صرفه) مقرون به صرفه تر بوده و تعداد پرسنل را کاهش می دهد.
الکتریسیته و مغناطیس
انرژی الکترومغناطیسی ترکیبی از میدان های الکتریکی و مغناطیسی است. طبق تعریفی که در وب سایت سازمان بهداشت جهانی منتشر شده است: "میدان های الکتریکی به دلیل اختلاف ولتاژ ایجاد می شوند ، هرچه ولتاژ بیشتر باشد ، میدان حاصله قوی تر خواهد بود. میدانهای مغناطیسی هنگام حرکت ذرات باردار بوجود می آیند: هرچه جریان قوی تر باشد ، میدان مغناطیسی قوی تر است."
EMALS (سیستم پرتاب هواپیمای الکترومغناطیسی) ، یک سیستم پرتاب کننده امیدوار کننده برای هواپیماهای حامل هواپیما ، توسط جنرال دینامیکس در حال توسعه است تا جایگزین منجنیق های بخار شود ، که دارای تعدادی از معایب مهم از جمله جرم ، اندازه و نیاز به ذخیره بزرگ آنها هستند. حجم آب در کشتی ، که به دلیل خواص شیمیایی تهاجمی آب دریا نمی تواند از آن خارج شود.سیستم جدید از دو ریل موازی تشکیل شده است که از عناصر زیادی با سیم پیچ های القایی تشکیل شده اند و در داخل عرشه پرواز ناو هواپیمابر نصب شده اند و همچنین کالسکه ای که روی چرخ جلوی هواپیما نصب شده است. مگان الک ، General Atomics (GA) ، توضیح داد: "تحریک پی در پی عناصر راهنما یک موج مغناطیسی ایجاد می کند که در امتداد ریل های راهنما حرکت می کند و واگن و در نتیجه هواپیما را در تمام طول ریل راهنما با سرعت مورد نیاز برای بلند شدن موفق از عرشه این فرایند به چندین مگاوات برق نیاز دارد."
اصل عملکرد شتاب دهنده جرمی الکترومغناطیسی ، با نام مستعار railgun ، معروف به تفنگ راه آهن ، شبیه به اصل عملکرد منجنیق الکترومغناطیسی EMALS است. چندین مگاوات انرژی تولید شده در امتداد دو ریل راهنما (درست مانند دو ریل راهنمای سیستم EMALS) جهت ایجاد میدان مغناطیسی هدایت می شود. همانطور که جان فینکنور ، سرپرست فناوری های جدید در Raytheon توضیح داد: "پس از اینکه سیستم مقدار مشخصی از انرژی را جمع کرد ، خازنها (بار الکتریکی تولید شده را ذخیره می کنند) یک ضربه الکتریکی را در امتداد دو ریل می فرستند (یکی از آنها دارای بار منفی است و دیگری مثبت است) ، ایجاد میدان الکترومغناطیسی ". تحت تأثیر این میدان ، پرتابه در یک بشکه با دو ریل بلند با سرعت بسیار بالا شروع به حرکت می کند. منابع باز ادعا می کنند که سرعت می تواند به 7 ماخ (حدود 8600 کیلومتر در ساعت) برسد. این پرتابه تقریباً 11 کیلوگرم وزن دارد و بار جنگی ندارد. بدنه پرتابه ، پر از عناصر قابل توجه تنگستن ، در محفظه ای از آلیاژ آلومینیوم محصور شده است که پس از خروج پرتابه از بشکه دور انداخته می شود. سرعت بالای برخورد پرتابه با هدف ، در ترکیب با عناصر قابل توجه ، بدون هیچ گونه مواد منفجره باعث تخریب قابل توجه می شود.
جاذبه مغناطیسی
منجنیق های بخار ، که باید با سیستم EMALS جایگزین شوند ، از دهه 50 در ناوهای هواپیمابر در بسیاری از کشورها قرار داشتند. برای مدت طولانی ، آنها کارآمدترین فناوری محسوب می شدند ، که می تواند به عنوان مثال هواپیمای با وزن 27،300 کیلوگرم را از سرعت عرشه 300 متری به سرعت 240 کیلومتر در ساعت شتاب دهد. برای انجام این کار ، منجنیق برای هر ورودی به تقریبا 615 کیلوگرم بخار ، به علاوه تجهیزات هیدرولیک ، آب برای متوقف کردن منجنیق ، و همچنین پمپ ها ، موتورهای الکتریکی و سیستم های کنترل نیاز دارد. به عبارت دیگر ، منجنیق بخار سنتی ، اگرچه کار خود را کاملاً انجام می دهد ، اما تجهیزات بسیار بزرگ و سنگینی است که نیاز به نگهداری قابل توجهی دارد. علاوه بر این ، نشان داده شده است که شوک های ناگهانی هنگام بلند شدن هواپیما ، عمر هواپیماهای حامل هواپیماها را کوتاه می کند. منجنیق های بخار همچنین محدودیت هایی برای انواع هواپیماهایی که می توانند پرتاب کنند ، دارند. شرایط به ویژه با این واقعیت پیچیده می شود که جرم هواپیماها دائما در حال افزایش است و ممکن است به زودی اتفاق بیفتد که نوسازی هواپیماهای حامل غیرممکن می شود. به عنوان مثال ، با توجه به داده های ارائه شده توسط ناوگان ، جنگنده بوئینگ F / A-18E / F Super Hornet دارای حداکثر وزن بلند شدن 30 تن است ، در حالی که جنگنده قبلی داگلاس A-4F Skyhawk ، که در نهایت در اواسط دهه 1980 از خدمت خارج شد ، وزن برخاست آن 11 ، 2 تن بود.
به گفته الکه: "هواپیماها امروز سنگین تر ، سریعتر و کاربردی تر می شوند ، آنها به سیستم پرتاب کارآمد با کارایی بیشتر و انعطاف پذیری بیشتر نیاز دارند تا بتوانند سرعت های مختلف پرتاب مورد نیاز برای بلند شدن از عرشه هر نوع هواپیما را داشته باشند." به گفته General Atomics ، در مقایسه با منجنیق های بخار ، سیستم EMALS 30 درصد کارآمدتر خواهد بود و نسبت به نسخه های قبلی خود به حجم و نگهداری کمتری نیاز دارد ، که این امر نصب آن را در کشتی های مختلف با تنظیمات مختلف منجنیق ساده می کند.به عنوان مثال ، ناوهای هواپیمابر کلاس نیمیتز دارای چهار منجنیق بخار هستند ، در حالی که تنها ناو هواپیمابر فرانسوی ، شارل دوگل ، تنها دو منجنیق دارد. علاوه بر این ، شتاب های مختلف EMALS ، که با وزن برخاست هر نوع هواپیمای سرنشین دار یا بدون سرنشین تنظیم می شود ، به افزایش عمر مفید بدنه هواپیما کمک می کند. الکه افزود: "با فضای نصب کمتر ، بهره وری و انعطاف پذیری بهتر و کاهش نگهداری و تعداد سرنشینان ، EMALS به طور قابل توجهی قابلیت ها را افزایش داده و هزینه ها را کاهش می دهد ، که این امر بیشتر از توسعه ناوگان پشتیبانی می کند."
به گفته الکساندر چانگ از شرکت مشاوره ای Avascent ، اسلحه های ریلی نیز دارای مزایای متعددی هستند. "و نکته اصلی البته این است که آنها می توانند بدون استفاده از مواد منفجره پرتابه ها را با سرعت بالایی از مرتبه هفت ماخ شلیک کنند." از آنجایی که منبع انرژی اسلحه راه آهن سیستم تغذیه عمومی کل کشتی است ، خطرات مربوط به حمل مواد منفجره یا پیشرانه حذف می شود. سرعت اولیه بالای اسلحه راه آهن ، تقریباً دو برابر سرعت اولیه توپ های سنتی کشتی ، منجر به زمان کوتاه تری برای ضربه می شود و به کشتی اجازه می دهد تقریباً همزمان به تهدیدهای متعدد پاسخ دهد. این به این دلیل است که با هر پرتابه جدید نیازی به اتهامات جنگی یا پیشران نیست. الک خاطرنشان کرد: "با استفاده از کلاهک ها و پیشرانه ها ، عرضه ساده می شود ، هزینه یک شلیک و بار لجستیکی کاهش می یابد ، در حالی که ابعاد نسبتاً کوچک اسلحه حمل بار باعث افزایش ظرفیت مجله می شود … همچنین دارای یک برد بسیار بیشتری در مقایسه با سلاح های دیگر (به عنوان مثال ، با موشک های زمین به هوا که برای محافظت از کشتی های سطحی استفاده می شود) ". گزارش به کنگره اشاره می کند که تا کنون ، دو نمونه اولیه تفنگ ریلی که توسط Raytheon و General Atomics برای نیروی دریایی ایالات متحده ساخته شده است "می تواند پرتابه هایی را در سطح انرژی بین 20 تا 32 مگا ژول شلیک کند ، که برای یک پرتابه برای حرکت 92-185 کیلومتر کافی است". اگر مقایسه کنیم ، طبق منابع باز ، تفنگ کشتی 76 میلی متری OTO Melara / Leonardo دارای سرعت اولیه 2.6 ماخ (3294 کیلومتر در ساعت) است و حداکثر برد آن 40 کیلومتر است. فینکناور اظهار داشت: "از اسلحه راه آهن می توان برای پشتیبانی آتش کشتی های سطحی در مواقع ضروری برای ارسال یک پرتابه به صدها مایل دریایی استفاده کرد ، یا می توان از آن برای گلوله باران از راه دور و دفاع موشکی استفاده کرد."
چالش های پیش رو
فناوری مورد استفاده در سیستم EMALS در حال حاضر در مرحله اجرا در تولید است. نیروی دریایی ایالات متحده ، که این منجنیق طراحی شده توسط General Atomics را برای برخاستن از ناوهای هواپیمابر جدید کلاس فورد انتخاب کرد ، اولین آزمایش استرس خود را در نوامبر 2016 انجام داد. در اولین کشتی این کلاس ، جرالد آر فورد ، وزنه های بالاست که شبیه یک هواپیمای معمولی بود به دریا پرتاب شد (فیلم زیر). از 15 چرخ دستی پوسته با وزن های مختلف استفاده شده است. اولین پرتاب ها بدون موفقیت به پایان رسید ، اما موارد زیر به عنوان موفق شناخته شد. به عنوان مثال ، یک بوژی با وزن حدود 6800 کیلوگرم با سرعت تقریباً 260 کیلومتر در ساعت شتاب گرفت و یک بوژی کوچکتر با وزن 3600 کیلوگرم به 333 کیلومتر در ساعت شتاب گرفت. به گفته الک ، این سیستم همچنین در حال ساخت و نصب بر روی ناو هواپیمابر جان اف کندی است که قرار است در سال 2020 به ناوگان منتقل شود. GA همچنین به عنوان تنها پیمانکار EMALS برای ناو هواپیمابر Enterprise انتخاب شده است ، که قرار است ساخت آن در سال 2018 آغاز شود. الک خاطرنشان کرد: "ما همچنین علاقه دولت های دیگر را به سیستم های برخاست و فرود الکترومغناطیسی خود می بینیم ، زیرا آنها می خواهند فن آوری های جدید و هواپیماهای مبتنی بر حامل را در ناوگان خود داشته باشند." با این حال ، شایان ذکر است که در حالی که فناوری EMALS برای تولید آماده است ، این سیستم به دلیل میزان انرژی مورد نیاز برای کارکردن بر روی اکثریت قریب به اتفاق ناوهای هواپیمابر در حال خدمت قابل نصب نیست.
علاوه بر موارد فوق ، تفنگ ریل دارای تعدادی معایب جدی است. به گفته فینکنور ، "یکی از مشکلات استفاده از فناوری الکترومغناطیسی در بخش دفاعی ، حفظ سلامت بشکه و کاهش سایش بشکه بعد از هر پرتابه است." در واقع ، سرعت خروج پرتابه از لوله باعث ایجاد ساییدگی می شود که در آزمایشات اولیه ، لوله باید بعد از هر شلیک به طور کامل بازسازی می شد. "قدرت پالس مستلزم چالش آزادسازی مقدار زیادی انرژی و هماهنگی کار با ماژول های قدرت پالس برای یک شات است." همه این ماژول ها باید برق انباشته شده را در لحظه مناسب رها کنند تا قدرت میدان مغناطیسی لازم را ایجاد کرده و پرتابه را از بشکه بیرون بکشد. سرانجام ، میزان انرژی مورد نیاز برای شتاب دادن پرتابه به چنین سرعتی ، مشکل بسته بندی اجزای لازم تفنگ را در ابعاد فیزیکی به اندازه کافی کوچک ایجاد می کند تا بتوان آن را بر روی کشتی های سطحی کلاس های مختلف نصب کرد. بنا به گفته فینکناور ، به همین دلایل ، تفنگ های ریلی کوچک ممکن است در پنج سال آینده وارد خدمت شوند ، در حالی که احتمالا در 10 سال آینده یک تفنگ ریلی با قدرت کامل 32 مگا ژول بر روی کشتی نصب می شود.
بیش فعالی
به گفته چانگ ، "اخیراً نیروی دریایی ایالات متحده توجه کمتری به بهبود فناوری اسلحه ریلی کرده و توجه خود را به قابلیت های پرتابه مافوق صوت HVP (Hyper Velocity Projectile) معطوف کرده است ، که به راحتی می تواند اسلحه های سنتی موجود را در خود جای دهد." در مقاله ای فنی در مورد HVP ، که در سپتامبر 2012 توسط دفتر تحقیقات نیروی دریایی ایالات متحده منتشر شد ، از آن به عنوان "یک پرتابه همه کاره ، کم هدایت و هدایت شونده که قادر به انجام مأموریت های مختلف از انواع سیستم های تسلیحاتی است" یاد شده است. علاوه بر تفنگ ریل ، شامل سیستم های استاندارد نیروی دریایی آمریکا است: تفنگ دریایی 127 میلی متری Mk 45 و توپخانه پیشرفته 155 میلی متری سیستم پیشرفته تفنگ توسعه یافته توسط BAE Systems. به گفته BAE Systems ، "عنصر ویژه" در طراحی HVP ، کشش آیرودینامیکی بسیار کم آن است که نیازی به موتور موشکی ندارد ، که به طور گسترده ای در مهمات معمولی برای افزایش برد استفاده می شود.
بر اساس گزارشی از سرویس تحقیقاتی CRS ، هنگام شلیک از محل نصب Mk.45 ، این پرتابه می تواند تنها به نصف (که 3 ماخ است یا حدود 3704.4 کیلومتر در ساعت) از سرعتی که هنگام شلیک از ریل می تواند برسد برسد. با این حال ، هنوز هم دو برابر سرعت یک پرتابه معمولی است که از یک تفنگ Mk. 45 شلیک می شود. همانطور که در بیانیه مطبوعاتی نیروی دریایی ایالات متحده آمده است ، "HVP در ترکیب با Mk.45 عملکردهای مختلفی را انجام می دهد ، از جمله پشتیبانی آتش سوزی برای کشتی های سطحی ، و توانایی های ناوگان را در مبارزه با تهدیدات هوایی و سطحی افزایش می دهد. بلکه با تهدیدهای نوظهور."
به گفته چانگ ، تصمیم بخش تحقیقات وزارت دفاع برای سرمایه گذاری قابل توجه در توسعه HVP با هدف حل مشکل تجهیز مجدد کشتی ها برای نصب تفنگ ریل بر روی آنها انجام شده است. بنابراین ، نیروی دریایی ایالات متحده قادر خواهد بود از پرتابه مافوق صوت HVP بر روی رزمناوهای کلاس Ticonderoga و ناوشکن های کلاس Arleigh Burke استفاده کند که هر کدام دو اسلحه Mk.45 را حمل می کنند. اسلحه ریلی هنوز از نظر فنی برای نصب بر روی ناوشکن های جدید کلاس Zamvolt آماده نیست ، که اولین آنها در اکتبر 2016 در نیروی دریایی ایالات متحده پذیرفته شد. اما حداقل در پایان توسعه ، پرتابه HVP قادر خواهد بود بار مهمات توپخانه 155 میلیمتری خود مانند سیستم تفنگ پیشرفته را وارد کند. طبق بیانیه مطبوعاتی ، ناوگان در ماه ژانویه آزمایش شلیک یک پرتابه HVP از هویتز ارتش را انجام دادند. نیروی دریایی ایالات متحده اطلاعاتی در مورد زمان شروع خدمت HVP با کشتی های جنگی خود ارائه نمی دهد.
تحولات صنعتی
در سال 2013 ، BAE Systems قراردادی 34.5 میلیون دلاری از اداره تحقیقات و توسعه نیروی دریایی برای توسعه تفنگ ریلی برای مرحله دوم برنامه ساخت نمونه اولیه اسلحه دریافت کرد. در مرحله اول ، مهندسان مرکز توسعه سلاح های سطحی نیروی دریایی نمونه اولیه Raytheon EM Railgun را با موفقیت شلیک کردند و به سطح انرژی 33 مگا ژول رسیدند. به گفته BAE Systems ، در مرحله دوم ، این شرکت قصد دارد از یک شات به حالت آتش سوزی انفجاری برسد و یک سیستم بارگیری خودکار و همچنین سیستم های کنترل حرارتی را برای خنک سازی تفنگ پس از هر شلیک توسعه دهد. در سال 2013 ، BAE Systems همچنین قراردادی از این بخش برای توسعه و نمایش HVP دریافت کرد.
جنرال اتمیکس در سال 1983 به عنوان بخشی از ابتکار دفاع دفاعی رئیس جمهور رونالد ریگان ، توسعه فناوری اسلحه راه آهن را آغاز کرد. این ابتکار با هدف "توسعه برنامه دفاع موشکی فضایی بود که می تواند کشور را در برابر حمله هسته ای در مقیاس بزرگ محافظت کند". این ابتکار بعد از پایان جنگ سرد اهمیت خود را از دست داد و به دلیل هزینه های گزاف آن به سرعت کنار گذاشته شد. در آن زمان بیش از مشکلات فنی کافی وجود داشت و اسلحه های ریلی نیز از این قاعده مستثنی نبودند. اولین نسخه اسلحه ریل آنقدر انرژی لازم برای استفاده از اسلحه را داشت که فقط در یک آشیانه بزرگ قابل نگهداری بود و بنابراین ، به گفته الک ، "در هشت سال گذشته ، ما اندازه قطعات الکترونیکی و نیمه هادی ها و خازنهای بسیار بزرگ ایجاد کرد."
امروزه جنرال اتمیکس قبلاً یک توپ ریلی 30 مگا ژول و یک توپ ریلی جهانی 10 مگا ژول Blitzer تولید کرده است. در همین حال ، یک خازن که فرآیند ذخیره انرژی را برای شلیک از اسلحه های امدادی بر روی وسایل نقلیه زمینی ساده می کند ، در ژوئیه 2016 در یک برد باز با موفقیت نشان داده شد. الک در این زمینه افزود: "ما همچنین قابلیت حمل توپ Blitzer را با موفقیت نشان دادیم. این توپ جدا شده و از محل آزمایش داگوی به محل آزمایش فورت سیل منتقل شده و در آنجا برای آزمایش موفقیت آمیز شلیک در مانورهای ارتش 2016 مونتاژ شد."
Raytheon همچنین به طور فعال در حال توسعه فناوری اسلحه ریلی و یک شبکه نوآورانه انرژی پالسی است. فینکناور توضیح داد: "این شبکه شامل بسیاری از ظروف پالسی قدرت 6.1 متر طول و 2.6 متر ارتفاع است که ده ها بلوک کوچک به نام ماژول های قدرت پالسی را در خود جای داده است. کار این ماژولها این است که انرژی مورد نیاز را برای چند ثانیه جمع کرده و در یک لحظه آزاد کنند. " اگر ماژول های مورد نیاز را برداریم و آنها را به هم متصل کنیم ، آنها می توانند نیروی مورد نیاز برای عملیات اسلحه را تأمین کنند.
تعادل با تهدیدها
باب ورک معاون وزیر دفاع آمریکا در سخنرانی آوریل 2016 در بروکسل خاطرنشان کرد: "روسیه و چین هر روز توانایی نیروهای عملیات ویژه خود را برای عملیات در دریا ، خشکی و هوا در حال بهبود می بخشند. آنها در فضای مجازی ، اقدامات متقابل الکترونیکی و در فضا بسیار قوی می شوند. " تهدیدهای ناشی از این تحولات ، ایالات متحده و کشورهای ناتو را مجبور به توسعه به اصطلاح مشترک "سومین استراتژی ضد تعادل" TOI (سومین طرح جبران خسارت) کرد. همانطور که هایگل وزیر دفاع وقت در سال 2014 اظهار داشت ، هدف TOI تساوی یا تسلط بر توانایی های نظامی چین و روسیه است که از طریق معرفی آخرین فناوری توسعه یافته است. در این زمینه ، اسلحه های ریلی و به ویژه پرتابه های مافوق صوت ، نشان دهنده قابلیت های کلیدی برای مقابله یا خنثی سازی تهدیدات احتمالی ناشی از سلاح های چین و روسیه است که در قسمت مقدماتی مقاله ذکر شد.
