Khẩu hiệu "Velocitas Eradico", được Hải quân Mỹ lấy cho nghiên cứu của họ về súng đường sắt điện từ, khá phù hợp với mục tiêu cuối cùng. Được dịch một cách lỏng lẻo từ tiếng Latinh, cụm từ này có nghĩa là "Tốc độ giết người". Các công nghệ điện từ đang phát triển thành công trong lĩnh vực hàng hải, mở ra triển vọng cho các loại vũ khí tấn công và hoạt động của tàu sân bay.
Một báo cáo được viết bởi Ronald O'Rurk vào tháng 10 năm 2016 cho Dịch vụ Nghiên cứu Quốc hội, có tựa đề Tia laser, Súng đường sắt và đạn siêu thanh: Bối cảnh và thách thức đối với Quốc hội Hoa Kỳ, nêu rõ: từ tên lửa hành trình chống hạm (ASM) và chống hạm tên lửa đạn đạo (ABM), một số nhà quan sát lo ngại về khả năng sống sót của tàu mặt nước trong các cuộc đụng độ có thể xảy ra với các đối thủ như Trung Quốc, nước được trang bị tên lửa chống hạm hiện đại và tên lửa chống đạn đạo. Máy bay FGM DF-21D (Dufeen-21) tầm trung đầu tiên và duy nhất trên thế giới do Học viện Cơ khí và Điện tử Trường Phong Trung Quốc phát triển đã được thảo luận sôi nổi trong hải quân thế giới; tên lửa này đã được trình chiếu tại Bắc Kinh vào tháng 9 năm 2015 trong cuộc duyệt binh cuối Thế chiến II. Trong khi đó, báo cáo lưu ý rằng hạm đội Nga tiếp tục triển khai họ tên lửa hành trình chống hạm và mặt đất 3M-54 Calibre với dẫn đường quán tính / radar do vệ tinh phát triển bởi phòng thiết kế Novator.
Trong khi một số quốc gia, như Trung Quốc và Nga, tiếp tục trang bị vũ khí mạnh mẽ cho tàu chiến của mình, thì Hải quân Mỹ cùng với các lực lượng hải quân phương Tây khác ngày càng lo ngại về khả năng sống sót của các tàu chiến mặt nước. Và việc cắt giảm nhân sự đang buộc các đội tàu trên toàn thế giới ngày càng phải chuyển sang sử dụng những công nghệ đầy hứa hẹn. Ví dụ, theo trang webballalsecurity.org, số lượng thành viên đang hoạt động của quân đội Mỹ dự kiến sẽ giảm 200.000 người vào cuối năm 2017, xuống còn 1,28 triệu người. Trong bối cảnh này, trong lĩnh vực quốc phòng, công nghệ điện từ đang phát triển nhanh chóng như một giải pháp đầy hứa hẹn cho các vấn đề phức tạp, chủ yếu liên quan đến việc trang bị vũ khí cho các đối thủ tiềm tàng và cắt giảm nhân sự. So với các hệ thống truyền thống hiện tại, các công nghệ này, từ máy phóng trên tàu sân bay đến súng bắn đạn trên đường sắt (railguns), sẽ tiết kiệm chi phí hơn và giảm số lượng nhân sự.
Điện và từ tính
Năng lượng điện từ là sự kết hợp của điện trường và từ trường. Theo định nghĩa được công bố trên trang web của Tổ chức Y tế Thế giới: “Điện trường được tạo ra do sự khác biệt về hiệu điện thế, điện áp càng cao thì trường tạo ra càng mạnh. Từ trường sinh ra khi các hạt mang điện chuyển động: dòng điện càng mạnh thì từ trường càng mạnh”.
EMALS (Hệ thống phóng máy bay điện từ), một hệ thống phóng đầy hứa hẹn dành cho máy bay trên tàu sân bay, đang được General Dynamics phát triển để thay thế máy phóng hơi nước, vốn có một số nhược điểm đáng kể, bao gồm khối lượng, kích thước lớn và nhu cầu cất giữ một lượng lớn lượng nước trên tàu không thể tiếp nhận được do tính chất hóa học mạnh của nước biển. Hệ thống mới bao gồm hai đường ray song song, được tạo thành từ nhiều phần tử với các cuộn dây cảm ứng, được lắp đặt bên trong sàn đáp của tàu sân bay, cũng như một toa tàu, được lắp trên bánh trước của máy bay. Megan Elke, General Atomics (GA), giải thích: “Kích thích tuần tự của các phần tử dẫn hướng tạo ra một sóng từ trường truyền dọc theo ray dẫn hướng và tác động lực của vận chuyển và do đó máy bay dọc theo toàn bộ chiều dài của ray dẫn hướng với tốc độ cần thiết cho một cất cánh thành công từ boong. Quá trình này cần vài megawatt điện."
Nguyên lý hoạt động của máy phóng khối lượng điện từ hay còn gọi là railgun, hay còn gọi là súng bắn ray, tương tự như nguyên lý hoạt động của máy phóng điện từ EMALS. Năng lượng vài megawatt được tạo ra được truyền dọc theo hai thanh dẫn hướng (giống như hai thanh dẫn hướng của hệ thống EMALS) để tạo ra từ trường. Theo giải thích của John Finkenaur, người đứng đầu bộ phận công nghệ mới tại Raytheon: “Sau khi hệ thống đã tích lũy một lượng năng lượng nhất định, các tụ điện (lưu trữ điện tích được tạo ra) sẽ gửi một xung điện dọc theo hai thanh ray (một trong số chúng được tích điện âm và khác là cực dương), tạo ra một trường điện từ”. Dưới tác dụng của trường này, đạn bắt đầu chuyển động trong nòng có hai đường ray dài với tốc độ rất cao. Các nguồn tin mở cho rằng tốc độ có thể đạt tới con số 7 Mach (khoảng 8600 km / h). Đạn nặng xấp xỉ 11 kg và không có phụ tải chiến đấu. Phần thân của quả đạn, chứa đầy các nguyên tố nổi bật bằng vonfram, được bao bọc trong một lớp vỏ hợp kim nhôm, được loại bỏ sau khi đạn rời khỏi nòng súng. Tốc độ cao của đường đạn với mục tiêu, kết hợp với các yếu tố tấn công, gây ra sự phá hủy đáng kể mà không cần bất kỳ chất nổ nào.
Lực hút từ tính
Máy phóng hơi nước, được thay thế bằng hệ thống EMALS, đã có mặt trên tàu sân bay ở nhiều quốc gia từ những năm 50. Trong một thời gian dài, chúng được coi là công nghệ hiệu quả nhất, chẳng hạn có khả năng tăng tốc một chiếc máy bay nặng 27.300 kg lên tốc độ 240 km / h từ boong tàu có chiều dài 300 mét. Để thực hiện công việc này, máy phóng cần khoảng 615 kg hơi nước cho mỗi lần vào, cộng với thiết bị thủy lực, nước để dừng máy phóng, cũng như máy bơm, động cơ điện và hệ thống điều khiển. Nói cách khác, máy phóng hơi nước truyền thống, mặc dù nó thực hiện công việc của mình một cách hoàn hảo, nhưng là một thiết bị rất lớn và nặng, cần được bảo dưỡng đáng kể. Ngoài ra, những cú sốc đột ngột trong quá trình cất cánh đã được chứng minh là có thể rút ngắn tuổi thọ của máy bay hoạt động trên tàu sân bay. Máy phóng hơi nước cũng có những hạn chế về loại máy bay chúng có thể phóng; tình hình đặc biệt phức tạp do khối lượng máy bay không ngừng tăng lên và có thể sớm xảy ra việc hiện đại hóa các máy bay trên tàu sân bay trở nên bất khả thi. Ví dụ, theo dữ liệu được cung cấp bởi đội bay, máy bay chiến đấu trên tàu sân bay F / A-18E / F Super Hornet của Boeing có trọng lượng cất cánh tối đa là 30 tấn, trong khi máy bay chiến đấu Douglas A-4F Skyhawk trước đó, cuối cùng là được rút khỏi biên chế vào giữa những năm 1980, có trọng lượng cất cánh là 11, 2 tấn.
Theo Elke: "Máy bay ngày nay ngày càng nặng hơn, nhanh hơn và nhiều chức năng hơn, chúng cần một hệ thống phóng hiệu quả với hiệu suất cao hơn và linh hoạt hơn để có tốc độ phóng khác nhau cần thiết để cất cánh từ boong của mỗi loại máy bay." Theo General Atomics, so với máy phóng hơi nước, hệ thống EMALS sẽ hiệu quả hơn 30%, yêu cầu khối lượng và bảo trì ít hơn so với các hệ thống tiền nhiệm, điều này sẽ giúp đơn giản hóa việc lắp đặt trên các tàu khác nhau với các cấu hình máy phóng khác nhau. Ví dụ, tàu sân bay lớp Nimitz có bốn máy phóng hơi nước, trong khi tàu sân bay duy nhất của Pháp, Charles de Gaulle, chỉ có hai máy phóng. Ngoài ra, các gia tốc EMALS khác nhau, được điều chỉnh theo trọng lượng cất cánh của từng loại máy bay có người lái hoặc không người lái, sẽ góp phần tăng tuổi thọ sử dụng của vỏ máy bay. Elke cho biết thêm: “Với không gian lắp đặt ít hơn, hiệu quả và tính linh hoạt tốt hơn, đồng thời giảm thiểu chi phí bảo trì và nhân viên, EMALS tăng đáng kể khả năng và giảm chi phí, điều này sẽ hỗ trợ thêm cho sự phát triển của đội tàu.
Theo Alexander Chang của công ty tư vấn Avascent, súng ống cũng có một số lợi thế. "Và điều quan trọng nhất, tất nhiên, là họ có thể bắn đạn với tốc độ cao lên đến Mach bảy mà không cần sử dụng bất kỳ chất nổ nào." Vì nguồn năng lượng của railgun là hệ thống cung cấp năng lượng chung của toàn bộ con tàu nên các rủi ro liên quan đến việc vận chuyển chất nổ hoặc thuốc phóng đều được loại trừ. Tốc độ ban đầu cao của khẩu railgun, gần gấp đôi tốc độ ban đầu của pháo truyền thống trên tàu, dẫn đến thời gian tấn công ngắn hơn và cho phép con tàu phản ứng gần như đồng thời trước nhiều mối đe dọa. Điều này là do thực tế là với mỗi quả đạn mới, không cần thiết phải nạp đạn chiến đấu hoặc thuốc phóng. Elke lưu ý rằng “nhờ đầu đạn và thuốc phóng, việc cung cấp được đơn giản hóa, giảm chi phí cho một lần bắn và gánh nặng hậu cần, trong khi kích thước tương đối nhỏ của súng lục cho phép tăng sức chứa của băng đạn … Nó cũng có một tầm bắn xa hơn nhiều so với các loại vũ khí khác (ví dụ, với tên lửa đất đối không dùng để bảo vệ tàu nổi)”. Báo cáo trước Quốc hội lưu ý rằng cho đến nay, hai mẫu súng đường sắt do Raytheon và General Atomics chế tạo cho Hải quân Hoa Kỳ "có thể bắn đạn ở mức năng lượng từ 20 đến 32 megajoules, đủ để đạn đi được quãng đường 92-185 km". Nếu chúng ta so sánh, thì theo các nguồn tin mở, pháo hạm 76 mm của OTO Melara / Leonardo có tốc độ ban đầu là Mach 2,6 (3294 km / h), đạt tầm bắn tối đa 40 km. Finkenaur tuyên bố rằng "khẩu súng lục có thể được sử dụng để hỗ trợ hỏa lực cho các tàu nổi khi cần phóng một quả đạn đi hàng trăm hải lý, hoặc nó có thể được sử dụng để pháo kích tầm gần và phòng thủ tên lửa."
Thách thức phía trước
Công nghệ được sử dụng trong hệ thống EMALS đã ở giai đoạn triển khai trong sản xuất. Hải quân Hoa Kỳ, nơi đã chọn máy phóng do General Atomics thiết kế để cất cánh từ tàu sân bay lớp Ford mới, đã tiến hành các cuộc thử nghiệm căng thẳng đầu tiên vào tháng 11 năm 2016. Trên con tàu đầu tiên của lớp này, Gerald R. Ford, các quả nặng mô phỏng một chiếc máy bay điển hình đã được phóng xuống biển (video bên dưới). Đã qua sử dụng 15 thùng xe có trọng lượng khác nhau. Những lần phóng đầu tiên kết thúc không thành công, nhưng những lần sau được công nhận là thành công. Ví dụ, một con chó bogie nặng khoảng 6800 kg được tăng tốc đến tốc độ gần 260 km / h, và một con chó nhỏ hơn nặng 3600 kg được tăng tốc lên 333 km / h. Theo Elke, hệ thống này cũng đang được sản xuất và lắp đặt trên tàu sân bay John F. Kennedy, dự kiến chuyển giao cho hạm đội vào năm 2020. GA cũng đã được chọn là nhà thầu EMALS duy nhất cho tàu sân bay Enterprise, dự kiến bắt đầu đóng vào năm 2018. Elke lưu ý rằng "chúng tôi cũng nhận thấy sự quan tâm của các quốc gia khác đối với hệ thống cất cánh và hạ cánh điện từ của chúng tôi, vì họ muốn có công nghệ mới và máy bay dựa trên tàu sân bay trong hạm đội của họ." Tuy nhiên, điều đáng chú ý là trong khi công nghệ EMALS đã sẵn sàng để đưa vào sản xuất, bản thân hệ thống này không thể được lắp đặt trên phần lớn các tàu sân bay đang hoạt động do lượng năng lượng cần thiết để vận hành nó.
Ngoài những điều trên, súng bắn ray có một số nhược điểm nghiêm trọng. Theo Finkenaur, "một trong những vấn đề của việc sử dụng công nghệ điện từ trong lĩnh vực quốc phòng là duy trì nòng súng hoạt động và giảm mài mòn nòng súng sau mỗi lần phóng đạn". Thật vậy, tốc độ đạn rời khỏi nòng súng gây ra sự hao mòn đến mức trong các thử nghiệm ban đầu, nòng súng phải được chế tạo lại hoàn toàn sau mỗi lần bắn. "Năng lượng xung đòi hỏi thách thức giải phóng một lượng năng lượng lớn và phối hợp hoạt động cùng nhau của các mô-đun năng lượng xung cho một cảnh quay." Tất cả các mô-đun này phải giải phóng điện tích lũy vào đúng thời điểm để tạo ra cường độ từ trường cần thiết và đẩy đạn ra khỏi nòng súng. Cuối cùng, lượng năng lượng cần thiết để gia tốc đường đạn tới tốc độ như vậy dẫn đến vấn đề đóng gói các thành phần cần thiết của súng thành các kích thước vật lý đủ nhỏ để có thể lắp đặt trên các tàu nổi thuộc các lớp khác nhau. Vì những lý do này, theo Finkenaur, súng đường sắt cỡ nhỏ có thể đi vào hoạt động trong 5 năm tới, trong khi súng bắn đạn lửa có sức công phá đầy đủ 32 megajoules có thể sẽ được lắp đặt trên tàu trong 10 năm tới.
Hiếu động thái quá
Theo Chang, "gần đây Hải quân Mỹ đã bắt đầu ít chú ý hơn đến việc cải tiến công nghệ của súng ray và chuyển sang tập trung vào khả năng của đạn siêu thanh HVP (Hyper Velocity Projectile), loại đạn có thể dễ dàng lắp vừa các loại súng truyền thống hiện có." Trong một bài báo kỹ thuật về HVP, được xuất bản vào tháng 9 năm 2012 bởi Văn phòng Nghiên cứu Hải quân Hoa Kỳ, nó được mô tả là "một loại đạn dẫn đường linh hoạt, có lực kéo thấp, có khả năng thực hiện nhiều nhiệm vụ từ nhiều hệ thống vũ khí khác nhau", trong đó Ngoài pháo ray, bao gồm các hệ thống hải quân tiêu chuẩn của Mỹ: pháo hải quân 127 mm Mk. 45 và bệ pháo tiên tiến 155 mm Hệ thống súng tiên tiến do BAE Systems phát triển. Theo BAE Systems, một "thành phần đặc biệt" trong thiết kế của HVP là lực cản khí động học cực thấp, loại bỏ sự cần thiết của động cơ tên lửa vốn được sử dụng rộng rãi trong các loại đạn thông thường để mở rộng tầm bắn.
Theo báo cáo từ dịch vụ nghiên cứu CRS, khi bắn từ hệ thống lắp đặt Mk.45, quả đạn này có thể đạt tới một nửa (là Mach 3, tức khoảng 3704,4 km / h) tốc độ mà nó có thể đạt được khi bắn từ đường ray., tuy nhiên, nó vẫn nhanh gấp đôi tốc độ của đạn thông thường bắn từ súng Mk. 45. Như đã nêu trong một thông cáo báo chí từ Hải quân Hoa Kỳ, “HVP kết hợp với Mk.45 sẽ cung cấp khả năng thực hiện các nhiệm vụ khác nhau, bao gồm hỗ trợ hỏa lực cho các tàu nổi, nó sẽ mở rộng khả năng của hạm đội trong cuộc chiến chống lại các mối đe dọa trên không và trên mặt nước.. mà còn với các mối đe dọa đang nổi lên."
Theo Chang, việc Ban Nghiên cứu của Bộ Quốc phòng quyết định đầu tư kinh phí đáng kể vào sự phát triển của HVP là nhằm giải quyết vấn đề tái trang bị cho các tàu để lắp một khẩu súng ray trên chúng. Do đó, Hải quân Mỹ sẽ có thể sử dụng đạn siêu thanh HVP trên các tàu tuần dương lớp Ticonderoga và tàu khu trục lớp Arleigh Burke, mỗi tàu mang hai khẩu Mk.45. Pháo ray vẫn chưa sẵn sàng về mặt công nghệ để lắp đặt trên các tàu khu trục lớp Zamvolt mới, chiếc đầu tiên đã được biên chế cho Hải quân Hoa Kỳ vào tháng 10 năm 2016. Tuy nhiên, ít nhất là khi kết thúc quá trình phát triển, đạn HVP sẽ có thể đi vào hệ thống nạp đạn của các bệ pháo 155 ly của họ, chẳng hạn như Hệ thống Súng tiên tiến. Theo thông cáo báo chí, hạm đội đã tiến hành bắn thử một loại đạn HVP từ lựu pháo lục quân vào tháng Giêng. Hải quân Hoa Kỳ không cung cấp thông tin về thời điểm HVP có thể đi vào hoạt động cùng với các tàu chiến của họ.
Phát triển công nghiệp
Vào năm 2013, BAE Systems đã nhận được hợp đồng trị giá 34,5 triệu USD từ Cơ quan Nghiên cứu và Phát triển Hải quân để phát triển một loại súng đường sắt cho giai đoạn hai của chương trình chế tạo nguyên mẫu súng. Trong giai đoạn đầu, các kỹ sư từ Trung tâm Phát triển Vũ khí Bề mặt của Hải quân đã bắn thành công nguyên mẫu Raytheon EM Railgun, đạt mức năng lượng 33 megajoules. Theo BAE Systems, trong giai đoạn hai, công ty dự định chuyển từ bắn đơn sang bắn liên thanh và phát triển hệ thống nạp đạn tự động, cũng như hệ thống kiểm soát nhiệt để làm mát súng sau mỗi lần bắn. Năm 2013 BAE Systems cũng đã nhận được hợp đồng từ bộ phận này để phát triển và trình diễn HVP.
General Atomics bắt đầu phát triển công nghệ railgun từ năm 1983 trong khuôn khổ Sáng kiến Phòng thủ Chiến lược của Tổng thống Ronald Reagan. Sáng kiến này nhằm "phát triển một chương trình phòng thủ tên lửa trên không gian có thể bảo vệ đất nước khỏi một cuộc tấn công hạt nhân quy mô lớn." Sáng kiến này đã mất đi tính phù hợp sau khi Chiến tranh Lạnh kết thúc và nhanh chóng bị bỏ rơi, một phần do chi phí cắt cổ của nó. Khi đó đã có quá nhiều vấn đề kỹ thuật và súng ngắn không phải là ngoại lệ. Phiên bản đầu tiên của súng đường sắt cần rất nhiều năng lượng để vận hành súng đến nỗi nó chỉ có thể được đặt trong một nhà chứa máy bay lớn, và do đó, theo Elke, "trong tám năm qua, chúng tôi đã giảm kích thước của thiết bị điện tử và chất bán dẫn và tạo ra tụ điện siêu lớn."
Ngày nay, General Atomics đã phát triển một khẩu pháo đường sắt 30 megajoule và một khẩu pháo đường sắt đa năng Blitzer 10 megajoule. Trong khi đó, một tụ điện giúp đơn giản hóa quá trình tích trữ năng lượng để bắn từ súng cứu trợ trên các phương tiện mặt đất đã được trình diễn thành công vào tháng 7/2016 ở phạm vi mở. Elke nói thêm về vấn đề này: “Chúng tôi cũng đã chứng minh thành công khả năng vận chuyển của pháo Blitzer. Pháo đã được tháo rời và vận chuyển từ bãi thử Dagway đến bãi thử Fort Sill và lắp ráp lại ở đó cho một loạt các thử nghiệm bắn thành công trong cuộc diễn tập lục quân năm 2016”.
Raytheon cũng đang tích cực phát triển công nghệ súng bắn ray và mạng lưới năng lượng xung sáng tạo. Finkenaur giải thích: “Mạng lưới bao gồm nhiều thùng chứa điện xung dài 6,1 m và cao 2,6 mét, chứa hàng chục khối nhỏ được gọi là mô-đun điện xung. Công việc của các mô-đun này là tích lũy năng lượng cần thiết trong một vài giây và giải phóng nó ngay lập tức. Nếu chúng tôi lấy số lượng mô-đun cần thiết và kết nối chúng với nhau, thì chúng có thể cung cấp năng lượng cần thiết cho hoạt động của railgun.
Đối trọng với các mối đe dọa
Trong một bài phát biểu vào tháng 4 năm 2016 tại Brussels, Thứ trưởng Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ Bob Work lưu ý rằng “cả Nga và Trung Quốc đều đang cải thiện khả năng hoạt động của các lực lượng đặc nhiệm trên biển, trên bộ và trên không hàng ngày. Họ đang trở nên khá mạnh trong không gian mạng, các biện pháp đối phó điện tử và trong không gian. " Các mối đe dọa do những diễn biến này gây ra đã buộc Hoa Kỳ và các nước NATO phải phát triển cái gọi là "Chiến lược đối trọng thứ ba" chung TOI (Sáng kiến bù đắp thứ ba). Như Bộ trưởng Bộ Quốc phòng Heigel khi đó đã tuyên bố vào năm 2014, mục tiêu của TOI là cân bằng hoặc thống trị khả năng quân sự của Trung Quốc và Nga, được phát triển thông qua việc giới thiệu công nghệ mới nhất. Trong bối cảnh này, súng đường sắt và đạn siêu thanh nói riêng, đại diện cho các khả năng chính để chống lại hoặc vô hiệu hóa các mối đe dọa tiềm tàng do vũ khí của Trung Quốc và Nga gây ra, đã được đề cập trong phần giới thiệu của bài báo.
