De slogan "Velocitas Eradico", die door de Amerikaanse marine is gebruikt voor hun onderzoek naar elektromagnetische railkanonnen, komt redelijk overeen met het uiteindelijke doel. Deze uitdrukking, vrij vertaald uit het Latijn, betekent "Snelheidsdoden". Elektromagnetische technologieën ontwikkelen zich met succes op maritiem gebied, wat perspectieven biedt voor offensieve wapens en de exploitatie van vliegdekschepen.
Een rapport geschreven door Ronald O'Rurk in oktober 2016 voor de Congressional Research Service, getiteld Lasers, Rail Guns, and Hypersonic Projectiles: Background and Challenges for the US Congress, stelt: van anti-schip kruisraketten (ASM) en anti-schip ballistische raketten (ABM's), maken sommige waarnemers zich zorgen over de overlevingskansen van oppervlakteschepen in mogelijke gevechten met tegenstanders zoals China, die zijn bewapend met moderne anti-schipraketten en antiballistische raketten. 'S Werelds eerste en enige middellange afstandsbesnijdenis DF-21D (Dufeen-21), ontwikkeld door de Chinese Academie voor Mechanica en Elektronica China Changfeng werd actief besproken in de marines van de wereld; deze raket werd in september 2015 in Peking getoond aan het einde van de parade van de Tweede Wereldoorlog. Ondertussen merkt het rapport op dat de Russische vloot doorgaat met het inzetten van de 3M-54 Caliber-familie van anti-scheeps- en grondkruisraketten met satelliettraagheids- / radargeleiding ontwikkeld door het Novator-ontwerpbureau.
Terwijl sommige landen, zoals China en Rusland, hun schepen blijven uitrusten met krachtige wapens, maakt de Amerikaanse marine, samen met andere westerse marines, zich steeds meer zorgen over de overlevingskansen van haar oppervlakteoorlogsschepen. En de vermindering van het personeel dwingt de vloten van de hele wereld om steeds meer over te gaan op veelbelovende technologieën. Volgens de website globalsecurity.org zal het aantal actieve leden van het Amerikaanse leger tegen eind 2017 naar verwachting met 200.000 afnemen tot 1,28 miljoen. In deze context ontwikkelen elektromagnetische technologieën zich op defensiegebied snel als een veelbelovende oplossing voor complexe problemen, die grotendeels verband houden met het bewapenen van potentiële tegenstanders en het verminderen van personeel. Vergeleken met de huidige traditionele systemen zullen deze technologieën, van vliegdekschipkatapulten tot railkanonnen (railguns), kosteneffectiever zijn en het aantal personeelsleden verminderen.
Elektriciteit en magnetisme
Elektromagnetische energie is een combinatie van elektrische en magnetische velden. Volgens de definitie gepubliceerd op de website van de Wereldgezondheidsorganisatie: "Elektrische velden worden gecreëerd door het verschil in spanning, hoe hoger de spanning, hoe sterker het resulterende veld zal zijn. Magnetische velden ontstaan wanneer geladen deeltjes bewegen: hoe sterker de stroom, hoe sterker het magnetische veld."
EMALS (Electromagnetic Aircraft Launch System), een veelbelovend lanceersysteem voor op carriers gebaseerde vliegtuigen, wordt door General Dynamics ontwikkeld ter vervanging van stoomkatapulten, die een aantal belangrijke nadelen hebben, waaronder hun grote massa, grootte en de noodzaak om een grote hoeveelheid water op het schip, die vanwege de agressieve chemische eigenschappen van zeewater niet overboord kan worden genomen. Het nieuwe systeem bestaat uit twee parallelle rails, bestaande uit vele elementen met inductiespoelen, geïnstalleerd in de cockpit van het vliegdekschip, evenals een wagen, die op het voorwiel van het vliegtuig is gemonteerd. Megan Elke, General Atomics (GA), legt uit: “Sequentiële excitatie van de geleidingselementen creëert een magnetische golf die langs de geleidingsrails beweegt en de wagen en dus het vliegtuig over de gehele lengte van de geleidingsrails dwingt met de snelheid die nodig is voor een succesvolle start vanaf dek. Voor dit proces zijn meerdere megawatts aan elektriciteit nodig."
Het werkingsprincipe van de elektromagnetische massaversneller, ook bekend als railgun, ook bekend als railkanon, is vergelijkbaar met het werkingsprincipe van de EMALS elektromagnetische katapult. De opgewekte energie van enkele megawatts wordt via twee geleiderails (net als de twee geleiderails van het EMALS-systeem) gekanaliseerd om een magnetisch veld te creëren. Zoals uitgelegd door John Finkenaur, hoofd nieuwe technologieën bij Raytheon: "Nadat het systeem een bepaalde hoeveelheid energie heeft verzameld, sturen de condensatoren (de gegenereerde elektrische lading op) een elektrische impuls langs twee rails (een ervan is negatief geladen en de andere is positief), waardoor een elektromagnetisch veld ontstaat". Onder invloed van dit veld begint het projectiel met zeer hoge snelheid in een loop met twee lange rails te bewegen. Open bronnen beweren dat snelheden 7 Mach-nummers kunnen bereiken (ongeveer 8600 km / u). Het projectiel weegt ongeveer 11 kg en heeft geen gevechtslading. Het lichaam van het projectiel, gevuld met wolfraam slagelementen, is ingesloten in een behuizing van aluminiumlegering, die wordt weggegooid nadat het projectiel de loop heeft verlaten. De hoge snelheid van de ontmoeting van het projectiel met het doelwit, in combinatie met de opvallende elementen, veroorzaakt aanzienlijke vernietiging zonder explosieven.
Magnetische aantrekkingskracht
Stoomkatapulten, die moeten worden vervangen door het EMALS-systeem, bevinden zich sinds de jaren '50 op vliegdekschepen in veel landen. Lange tijd werden ze beschouwd als de meest efficiënte technologie, die bijvoorbeeld in staat is om een vliegtuig met een gewicht van 27.300 kg te versnellen tot een snelheid van 240 km/u vanaf een deklengte van 300 meter. Om dit werk te doen, heeft de katapult ongeveer 615 kg stoom nodig voor elke ingang, plus hydraulische apparatuur, water om de katapult te stoppen, evenals pompen, elektromotoren en besturingssystemen. Met andere woorden, de traditionele stoomkatapult, hoewel hij zijn werk perfect doet, is een zeer grote en zware uitrusting die veel onderhoud vereist. Bovendien is aangetoond dat plotselinge schokken tijdens het opstijgen de levensduur van vliegtuigen op vliegdekschepen verkorten. Stoomkatapulten hebben ook beperkingen op de soorten vliegtuigen die ze kunnen lanceren; de situatie wordt vooral gecompliceerd door het feit dat de massa van vliegtuigen voortdurend toeneemt en het binnenkort kan gebeuren dat de modernisering van op carriers gebaseerde vliegtuigen onmogelijk wordt. Volgens de gegevens die door de vloot zijn verstrekt, heeft de F / A-18E / F Super Hornet-jager van Boeing bijvoorbeeld een maximaal startgewicht van 30 ton, terwijl de vorige Douglas A-4F Skyhawk-jager, die uiteindelijk uit dienst genomen in het midden van de jaren 1980, had een startgewicht van 11,2 ton.
Volgens Elke: "Vliegtuigen worden tegenwoordig zwaarder, sneller en functioneler, ze hebben een efficiënt lanceersysteem nodig met meer efficiëntie en meer flexibiliteit om de verschillende lanceersnelheden te hebben die nodig zijn om van het dek van elk vliegtuigtype op te stijgen." Volgens General Atomics zal het EMALS-systeem, vergeleken met stoomkatapulten, 30 procent efficiënter zijn en minder volume en onderhoud vereisen dan zijn voorgangers, wat de installatie op verschillende schepen met verschillende katapultconfiguraties zal vereenvoudigen. Zo hebben de Nimitz-klasse vliegdekschepen vier stoomkatapulten, terwijl het enige Franse vliegdekschip, Charles de Gaulle, slechts twee katapulten heeft. Daarnaast zullen verschillende EMALS-versnellingen, aangepast aan het startgewicht van elk type bemand of onbemand vliegtuig, bijdragen aan de langere levensduur van de vliegtuigrompen. "Met minder installatieruimte, betere efficiëntie en flexibiliteit, en minder onderhoud en personeelsbestand, verhoogt EMALS de capaciteiten aanzienlijk en verlaagt het de kosten, wat de ontwikkeling van de vloot verder zal ondersteunen", voegde Elke eraan toe.
Volgens Alexander Chang van adviesbureau Avescent hebben railguns ook een aantal voordelen. "En het belangrijkste is natuurlijk dat ze projectielen kunnen afvuren met een hoge snelheid in de orde van Mach zeven zonder explosieven te gebruiken." Aangezien de energiebron van het railgun het algemene stroomvoorzieningssysteem van het hele schip is, zijn de risico's die gepaard gaan met het vervoer van explosieven of drijfgassen uitgesloten. De hoge beginsnelheden van de railgun, ongeveer twee keer de beginsnelheid van traditionele scheepskanonnen, resulteren in kortere treffertijden en stellen het schip in staat bijna gelijktijdig op meerdere bedreigingen te reageren. Dit komt door het feit dat er bij elk nieuw projectiel geen gevechts- of voortstuwingslading hoeft te worden geladen. Elke merkte op dat "door middel van kernkoppen en drijfgassen de bevoorrading wordt vereenvoudigd, de kosten van één schot en de logistieke last worden verminderd, terwijl de relatief kleine afmetingen van het railgun een vergroting van de capaciteit van het magazijn mogelijk maken … Het heeft ook een veel groter bereik in vergelijking met andere wapens (bijvoorbeeld met grond-luchtraketten die worden gebruikt om oppervlakteschepen te beschermen)”. Het rapport aan het Congres merkt op dat tot nu toe twee prototype railkanonnen gebouwd door Raytheon en General Atomics voor de Amerikaanse marine "projectielen kunnen afvuren met energieniveaus tussen 20 en 32 megajoule, wat genoeg is voor een projectiel om 92-185 km af te leggen". Als we het vergelijken, dan heeft het 76-mm scheepskanon van de OTO Melara / Leonardo volgens open bronnen een beginsnelheid in de orde van grootte van Mach 2.6 (3294 km / h), met een maximaal bereik van 40 km. Finkenaur verklaarde dat "het railgun kan worden gebruikt voor vuursteun van oppervlakteschepen wanneer het nodig is om een projectiel over honderden zeemijlen te sturen, of het kan worden gebruikt voor beschietingen op korte afstand en raketverdediging."
Uitdagingen die komen
De technologie die in het EMALS-systeem wordt gebruikt, bevindt zich al in het stadium van implementatie in productie. De Amerikaanse marine, die deze door General Atomics ontworpen katapult selecteerde om op te stijgen vanaf nieuwe vliegdekschepen van de Ford-klasse, voerde in november 2016 haar eerste stresstests uit. Op het eerste schip van deze klasse, de Gerald R. Ford, werden ballastgewichten die een typisch vliegtuig simuleerden in zee uitgeworpen (video hieronder). Gebruikte 15 schelpenwagens van verschillende gewichten. De eerste lanceringen eindigden zonder succes, maar de volgende werden als succesvol erkend. Zo werd een draaistel met een gewicht van ongeveer 6800 kg versneld tot een snelheid van bijna 260 km/u en werd een kleiner draaistel met een gewicht van 3600 kg versneld tot 333 km/u. Volgens Elke wordt het systeem ook geproduceerd en geïnstalleerd op het vliegdekschip John F. Kennedy, dat naar verwachting in 2020 aan de vloot wordt overgedragen. GA is ook geselecteerd als de enige EMALS-aannemer voor het vliegdekschip Enterprise, waarvan de bouw in 2018 moet beginnen. Elke merkte op dat "we ook de interesse van andere staten zien in onze elektromagnetische start- en landingssystemen, omdat ze nieuwe technologieën en op carriers gebaseerde vliegtuigen in hun vloten willen hebben." Het is echter vermeldenswaard dat hoewel de EMALS-technologie klaar is voor productie, het systeem zelf niet kan worden geïnstalleerd op de overgrote meerderheid van de vliegdekschepen die in gebruik zijn vanwege de hoeveelheid energie die nodig is om het te laten werken.
Naast het bovenstaande heeft het railkanon een aantal ernstige nadelen. Volgens Finkenaur is "een van de problemen van het gebruik van elektromagnetische technologie in de defensiesector het in goede staat houden van de loop en het verminderen van de slijtage van de loop na elke projectiellancering." De snelheid waarmee het projectiel de loop verlaat, veroorzaakt inderdaad zo'n slijtage dat bij de eerste tests de loop na elk schot volledig opnieuw moest worden opgebouwd. "Pulse power houdt de uitdaging in om een enorme hoeveelheid energie vrij te maken en de samenwerking van de pulse power-modules te coördineren voor een enkele opname." Al deze modules moeten de opgehoopte elektriciteit op het juiste moment vrijgeven om de nodige magnetische veldsterkte te creëren en het projectiel uit de loop te duwen. Ten slotte brengt de hoeveelheid energie die nodig is om het projectiel tot dergelijke snelheden te versnellen het probleem met zich mee om de noodzakelijke onderdelen van het kanon in voldoende kleine fysieke afmetingen te verpakken zodat het op oppervlakteschepen van verschillende klassen kan worden geïnstalleerd. Om deze redenen kunnen kleine railkanonnen volgens Finkenaur in de komende vijf jaar in gebruik worden genomen, terwijl een railkanon met een volledig vermogen van 32 megajoule waarschijnlijk in de komende 10 jaar op een schip zal worden geïnstalleerd.
Hyperactiviteit
Volgens Chang "is de Amerikaanse marine de laatste tijd minder aandacht gaan besteden aan het verbeteren van de technologie van het railkanon en richtte ze haar aandacht op de mogelijkheden van het HVP (Hyper Velocity Projectile) hypersonische projectiel, dat gemakkelijk in bestaande traditionele wapens past." In een technische paper over HVP, gepubliceerd in september 2012 door het US Navy Research Office, wordt het beschreven als "een veelzijdig, low-drag, geleid projectiel dat in staat is een verscheidenheid aan missies uit te voeren met een verscheidenheid aan wapensystemen", dat in Naast het railkanon, omvat het standaard Amerikaanse marinesystemen: 127 mm marinekanon Mk 45 en 155 mm geavanceerde artilleriemontage Advanced Gun System ontwikkeld door BAE Systems. Volgens BAE Systems is een "speciaal ingrediënt" in het ontwerp van de HVP de ultralage aerodynamische weerstand, waardoor er geen raketmotor nodig is, die veel wordt gebruikt in conventionele munitie om het bereik te vergroten.
Volgens een rapport van de CRS-onderzoeksdienst kan dit projectiel bij het schieten vanaf een Mk.45-installatie slechts de helft bereiken (wat Mach 3 is, of ongeveer 3704,4 km / h) van de snelheid die het zou kunnen bereiken bij het schieten vanaf een rail kanon, dat echter nog steeds tweemaal de snelheid is van een conventioneel projectiel dat wordt afgevuurd door een Mk.45-kanon. Zoals vermeld in een persbericht van de Amerikaanse marine, "zal HVP in combinatie met Mk.45 de uitvoering van verschillende taken bieden, waaronder vuursteun voor oppervlakteschepen, het zal de capaciteiten van de vloot uitbreiden in de strijd tegen lucht- en oppervlaktebedreigingen maar ook met opkomende dreigingen."
Volgens Chang is het besluit van de onderzoeksafdeling van het ministerie van Defensie om aanzienlijke fondsen te investeren in de ontwikkeling van HVP gericht op het oplossen van het probleem van het opnieuw uitrusten van schepen voor de installatie van een railkanon erop. Zo zal de Amerikaanse marine het HVP hypersonische projectiel kunnen gebruiken op haar Ticonderoga-klasse kruisers en Arleigh Burke-klasse destroyers, elk met twee Mk.45 kanonnen. Het railkanon is technologisch nog niet klaar voor installatie op de nieuwe torpedobootjagers van de Zamvolt-klasse, waarvan de eerste in oktober 2016 werd toegelaten tot de Amerikaanse marine. Maar, in ieder geval aan het einde van de ontwikkeling, zal het HVP-projectiel in staat zijn om de munitielading van hun 155-mm artilleriesteunen, zoals het Advanced Gun System, binnen te dringen. Volgens het persbericht voerde de vloot in januari vuurproeven uit met een HVP-projectiel van een legerhouwitser. De Amerikaanse marine geeft geen informatie over wanneer de HVP met zijn oorlogsschepen in dienst mag treden.
Industriële ontwikkelingen
In 2013 ontving BAE Systems een contract van $ 34,5 miljoen van de Naval Research and Development Administration voor de ontwikkeling van een railkanon voor de tweede fase van het bouwprogramma van het kanonprototype. In de eerste fase vuurden ingenieurs van het Surface Weapons Development Center van de marine met succes het Raytheon EM Railgun-prototype af, waarbij een energieniveau van 33 megajoule werd bereikt. Volgens BAE Systems is het bedrijf van plan om in de tweede fase over te gaan van enkelschots naar burst-fire en een automatisch laadsysteem te ontwikkelen, evenals thermische controlesystemen om het pistool na elk schot te koelen. In 2013 kreeg BAE Systems ook een contract van deze afdeling voor de ontwikkeling en demonstratie van de HVP.
General Atomics begon in 1983 met de ontwikkeling van railgun-technologie als onderdeel van het Strategic Defense Initiative van president Ronald Reagan. Het initiatief was gericht op "het ontwikkelen van een raketafweerprogramma in de ruimte dat het land zou kunnen beschermen tegen een grootschalige nucleaire aanval." Het initiatief verloor zijn relevantie na het einde van de Koude Oorlog en werd snel verlaten, deels vanwege de exorbitante kosten. Er waren toen meer dan genoeg technische problemen, en railguns waren geen uitzondering. De eerste versie van het railkanon vereiste zoveel energie om het kanon te laten werken dat het alleen in een grote hangar kon worden gehuisvest, en daarom, volgens Elke, "hebben we de afgelopen acht jaar de omvang van elektronica en halfgeleiders verkleind en creëerde supergrote condensatoren."
Vandaag heeft General Atomics al een 30 megajoule railkanon en een 10 megajoule Blitzer universeel railkanon ontwikkeld. Ondertussen werd in juli 2016 op open terrein met succes een condensator gedemonstreerd die het proces van het opslaan van energie voor het afvuren van reliëfkanonnen op grondvoertuigen vereenvoudigt. Elke voegde hieraan toe: “We hebben ook met succes de transporteerbaarheid van het Blitzer-kanon aangetoond. Het kanon werd gedemonteerd en getransporteerd van de testlocatie van Dagway naar de testlocatie van Fort Sill en daar weer in elkaar gezet voor een reeks succesvolle schiettests tijdens de legermanoeuvres van 2016.”
Raytheon is ook actief bezig met de ontwikkeling van railgun-technologie en een innovatief gepulseerd energienetwerk. Finkenaur legt uit: “Het netwerk bestaat uit veel gepulseerde stroomcontainers van 6,1 m lang en 2,6 meter hoog, waarin tientallen kleine blokken zijn ondergebracht die gepulseerde stroommodules worden genoemd. Het werk van deze modules is om de benodigde energie voor een paar seconden op te bouwen en in een oogwenk weer vrij te geven. Als we het vereiste aantal modules nemen en ze met elkaar verbinden, kunnen ze de stroom leveren die nodig is voor de railgun-operatie.
Tegenwicht tegen bedreigingen
In een toespraak in april 2016 in Brussel merkte de Amerikaanse onderminister van Defensie Bob Work op dat “zowel Rusland als China het vermogen van hun speciale operatietroepen om dagelijks op zee, te land en in de lucht te opereren, verbeteren. Ze worden behoorlijk sterk in cyberspace, elektronische tegenmaatregelen en in de ruimte." De dreigingen die deze ontwikkelingen met zich meebrachten, dwongen de Verenigde Staten en de NAVO-landen om de zogenaamde gemeenschappelijke "Third Counterbalance Strategy" TOI (Third Offset Initiative) te ontwikkelen. Zoals toenmalig minister van Defensie Heigel in 2014 verklaarde, is het doel van TOI om de militaire capaciteiten van China en Rusland, ontwikkeld door de introductie van de nieuwste technologie, gelijk te trekken of te domineren. In deze context vertegenwoordigen railkanonnen, en in het bijzonder hypersonische projectielen, belangrijke capaciteiten om potentiële bedreigingen van de wapens van China en Rusland, die in het inleidende deel van het artikel werden genoemd, tegen te gaan of te neutraliseren.
