Koniec ery prochu? Wysokie energie wkraczają na pole walki

Już od pewnego czasu wiadomym jest, że klasyczne układy miotające zastosowane w artylerii, a oparte na chemicznych systemach energetycznych osiągnęły kres swoich możliwości. Uzyskiwana podczas spalania prochu energia napędzająca pocisk osiągnęła pewien progowy (trudny obecnie do przekroczenia) poziom, a przy tym wiadomym jest od początku, że taki układ ma swoje dobre i złe strony. Dobra to przede wszystkim akceptowalne koszty produkcji i częściowo użytkowania/eksploatacji. Zalety te stają się jednak powoli nieaktualne wobec współczesnych wymagań dotyczących wysokiej precyzji i dużej donośności.

Do niepożądanych stron chemicznych systemów energetycznych możemy zaliczyć, przede wszystkim, ograniczenia takiego układu związane z:

• osiąganiem maksymalnych, obecnie wymaganych donośności strzelania, nawet przy zastosowaniu najnowszych dostępnych prochów;

• wymaganą szybkostrzelnością (czasem procesu ładowania) spowodowane koniecznością dostarczenia pocisku i ładunku miotającego, a przy tym skomplikowaną budową automatycznego systemu zasilania działa w amunicję oraz nagrzewaniem się luf i zespołów oporopowrotników;

• dostępną ilością przewożonej amunicji (ograniczeniami z tym związanymi);

• zapewnieniem bezpieczeństwa żołnierzom, czy całemu systemowi uzbrojenia, w skład którego wchodzi działo.

Ilość zabieranej przez system artyleryjski amunicji stała się obecnie bardzo ważna. Wynika to z kilku powodów - zmniejszenia liczby dostępnych systemów artyleryjskich w różnych aplikacjach (czy to lądowych, czy morskich), skomplikowania ich budowy, co również wpływa na związane z tym ograniczenia masowe (wobec współczesnych systemów artyleryjskich z powyższego wynika m.in. konieczność zapewnienie szybkiego rozwijania taktyczno-operacyjnego czy strategicznego, trudnego do zrealizowania przy dużych masach systemu uzbrojenia).

Dodatkowo dochodzi potrzeba zbudowania efektywnego systemu eksploatacyjnego dla takich dział. Dla przykładu, 127 mm nabój artyleryjski do działa morskiego Mk 45 składa się z dwóch zasadniczych części - ładunku miotającego o masie 17,8 kg i 31,7 kg pocisku - nie chodzi tu o same masy, ale także o m.in. objętość. Wymusza to odpowiednią wielkość i stopień skomplikowania urządzeń, by okręt posiadający na swoim wyposażeniu takie uzbrojenie mógł efektywnie działać. Ponadto istnieje potrzeba zorganizowania odpowiedniego systemu eksploatacji, niezbędnego do odpowiedniego przechowywania takiej amunicji, jej dostarczania, przygotowania do użycia, utylizacji - podobne problemy dotyczą również współczesnych systemów uzbrojenia lądowego wyposażonych w działa, szczególnie dużego kalibru.

Pewnymi wadami obecnie są też ograniczenia i koszty modernizacyjne klasycznych systemów (by polepszyć parametry potrzeba zmian zarówno w konstrukcji działa, jak i amunicji do niego przeznaczonej – odbywa się to zazwyczaj w systemie wielotorowym). Lufy stają się coraz dłuższe, mechanizmy zasilania bardziej skomplikowane, a systemy swą masą i rozmiarami osiągnęły już akceptowalną granicę. Ten problem dotyczy też pocisków rakietowych, wobec których rozmiary i wymagania eksploatacyjne powodują, że stają się one mniej atrakcyjne niż np. proponowane systemy elektromagnetyczne.

Użytkowanie amunicji o pewnych cechach wrażliwości na działanie różnych czynników powoduje nie tylko wprowadzenie specjalnych procedur dotyczących obchodzenia się z nią, ale również wymusza zastosowanie specjalnych rozwiązań konstrukcyjnych całego systemu artyleryjskiego, czy innego nosiciela działa.

Nawet wobec okrętowych systemów artyleryjskich wymaga się obecnie możliwości szybkiego prowadzenia ognia oraz zabierania dużej ilości amunicji. Jest to niewątpliwie związane z obecnymi zadaniami nowoczesnych okrętów wojennych, w tym dotyczących wsparcia działań prowadzonych na lądzie oraz niszczenia wybranych celów na wybrzeżu lub w głębi lądu.

Kompletny nabój LARP (Long Range Attack Projectile) do 155 mm działa AGS (Automatic Gun System) niszczyciela DDG-1000 Zumwalt ma masę 102 kg, w celu zachowania odpowiedniej szybkostrzelności jest dosyłany w pakietach liczących osiem sztuk za pomocą skomplikowanego układu zasilania. Taki system pozwala dosyłać pakiety w ponad 45 sekund, przy czym sam okręt wypornością dogonił ciężkie krążowniki z czasów II wojny światowej.

300 zabieranych przez niszczyciel pocisków to prawie 190 ton, a dochodzi do tego jeszcze samo działo i wiele ton urządzeń wspomagających jego obsługię i skutecznie nakierowujących pocisk na cel.

Prowadzenie ognia o dużej intensywności i czasie trwania może, wobec rozwoju systemów pozycjonowania, znacząco wpłynąć na przeżywalność własnych systemów walki (pododdziałów wyposażonych w takie systemy uzbrojenia). Jest to również istotne z ekonomicznego punktu widzenia. Wsparcie logistyczne, zużycie sprzętu i inne uwarunkowania mają także tutaj znaczący wpływ na działania tego rodzaju.  

406 mm amunicja używana w pancernikach typu Iowa miała bardzo dużą moc niszczenia celów lądowych, ale tę zaletę niwelowała niska szybkostrzelność, co w obecnych warunkach współczesnego pola walki jest dużym ograniczeniem i zarazem wadą. Z kolei pocisk rakietowy NSM charakteryzuje się szeregiem nowoczesnych rozwiązań, ale jego 135 kg głowica bojowa niewiele zdziała przeciw wielu celom lądowym a również żeby zniszczyć (wyeliminować z walki) nowoczesny okręt wojenny, trzeba by go było trafić kilkoma takimi rakietami. To z kolei powoduje, że takie zestawy mogą zostać szybko namierzone.

Koszt pocisku Standard współpracującego systemem AEGIS w ramach BMD to obecnie ponad  około 11 milionów USD, koszt pocisku kinetycznego do broni wysokoenergetycznej to skala rzędu kilkudziesięciu razy mniejsza.

Najnowocześniejsze obecnie produkowane zestawy przeciwlotnicze i przeciwrakietowe nie są w stanie zagrozić broni hipersonicznej. W tym przypadku jedynym skutecznym rozwiązaniem może być broń wysokoenergetyczna.

W kwestii zużycia sprzętu dochodzi również sprawa odrzutu, który np. w systemach elektromagnetycznych będzie dużo niższy niż klasycznych systemach artyleryjskich.

Klasyczna amunicja, czy systemy rakietowe, są nadal intensywnie rozwijane, ale w wielu ośrodkach naukowych, czy dużych koncernach zbrojeniowych prowadzi się równoległe badania nad zupełnie nowymi rozwiązaniami, pozwalającymi na radykalne, a nie ewolucyjne zwiększenie możliwości rażenia. Do rozwiązań takich możemy zaliczyć armaty elektromagnetyczne czy elektrotermiczne.

Nowe rozwiązania

O działach elektromagnetycznych napisano już bardzo wiele. Wobec powyższego jedynie zaakcentowane będą ich podstawowe wady i zalety. Do najważniejszych zalet należy zaliczyć możliwość osiągania dużych prędkości przez wystrzeliwane pociski. Uzyskuje się dzięki temu wysoki wzrost energii kinetycznej (wzrasta on proporcjonalnie do kwadratu uzyskiwanej prędkości). To daje skokowy wzrost przebijalności, czy mocy niszczącej. Obsługa/załoga nie jest zagrożona wybuchem przewożonej amunicji (brak ładunków prochowych). Amunicja charakteryzuje się mniejszymi wymiarami i masą (zajmuje mniej miejsca i można jej więcej zabierać).

Czas dolotu do celu jest dużo mniejszy, co z jednej strony wymusza zastosowanie bardzo precyzyjnych systemów rozpoznania i obserwacji/przekazywania danych, z drugiej uproszcza same systemy kierowania ogniem (bo prędkość rekompensuje możliwe błędy naprowadzania spowodowane np. przemieszczaniem się celu). Pociskowi nadawane jest przyśpieszenie na całej długości lufy, a nie tylko w pierwszej jej części, jak w klasycznych rozwiązaniach. Poprzez regulację np. natężenia prądu można regulować prędkość początkową pocisku.

I na koniec jeden z ważniejszych obecnie czynników (nawet w kwestiach militarnych) -  ekonomia.  Działo elektromagnetyczne jest o wiele tańszym i zarazem uniwersalnym środkiem do zwalczania różnych celów, niż wykorzystywane do tego samego, szczególnie dedykowane rakiety czy pociski artyleryjskie. Ten stosunek ekonomiczny będzie szybko rósł na korzyść dział elektromagnetycznych w miarę rozpowszechnienia tej broni i pokonania problemów tzw. wieku dziecięcego.  

Wadą takiej broni jest, przede wszystkim, duże zapotrzebowanie na energię. Dochodzi tu jeszcze kwestia zapewnienia wymaganej szybkostrzelności, czy chłodzenia takiego układu, oraz zniwelowanie występującego przy tak dużych prędkościach zjawiska tarcia powietrza podczas lotu w atmosferze ziemskiej. Kolejną do rozwiązania kwestią jest duża i szybka erozja kluczowych elementów takiej broni (wysoka temperatura, tarcie, obciążenia i prądy ją zasilające).

W przypadku broni elektromagnetycznej rozważane są dwa układy konstrukcyjne. Pierwszy – szynowy, w którym pocisk z ruchomym twornikiem znajduje się miedzy dwiema szynami, będącymi jednocześnie jego prowadnicami. Zamknięcie obwodu prądowego – szyna, twornik, druga szyna - generuje pole magnetyczne, które nadaje prędkości twornikowi i połączonemu z nim pociskowi. Drugi – składa się z zespołu nieruchomych, współosiowych cewek. Generowane w nich pole elektromagnetyczne działa na cewkę z pociskiem. To rozwiązanie ma wysoką sprawność m.in. ze względu na brak styczności pocisku z przewodem z cewkami stałymi.

Broń elektrotermiczna (elektrotermochemiczna), to nic innego jak konwencjonalna lufa z dwoma elektrodami. Po przyłożeniu do nich napięcia, powstaje łuk, który doprowadza ładunek napędzający do stanu plazmy a ten z kolei napędza pocisk.

Proponowane kierunki zmian

Jedną z ważniejszych instytucji zajmujących się aktywnie analizą i nadzorowaniem badań nad działami elektromagnetycznymi (EMRG) jest amerykańskie biuro badawcze marynarki wojennej  - Office of Naval Research (ONR)).

Z kolei obecne zainteresowanie koncernu BEA Systems rozwojem technologii dział elektromagnetycznych datuje się od lat osiemdziesiątych, kiedy armia amerykańska wyraziła zainteresowanie takimi rozwiązaniami (głównie wtedy chodziło o zastosowania lądowe – przeciw najnowszym sowieckim czołgom). Zdawano sobie również sprawę z korzyści, jakie oferuje bardzo szybko poruszający się pocisk, pozbawiony materiału wybuchowego, o wymiarach i masie znacznie niższych niż dotychczas używane wzory amunicji dla innych rodzajów wojsk.

Zainteresowanie USN nową bronią wzrosło z momentem akceptacji budowy niszczycieli typu DDG-1000 Zumwalt. Wynikało to poniekąd z faktu, że ich całkowite zdolności do wytworzenia energii osiągnęły wysoką moc 80 MW (wobec 9 MW dla niszczycieli typu Arleigh Burke). 72 MW jest generowane przez system napędowy niszczyciela przy maksymalnej jego wydajności, co zapewnia możliwość użycia dział elektromagnetycznych. Obecnie zarówno Zumwalty jak i nowe lotniskowce klasy Gerald R. Ford, czy niszczyciele serii DDG 51 Flight III Arleigh Burke charakteryzują się możliwościami wytwarzania energii o uzyskiwanych mocach dużo wyższych, niż ich poprzednicy. Potrzeba zapewnienia wysokiego bilansu energetycznego (nadmiaru mocy) to nie problem tylko marynarki wojenne,j ale również wojsk lądowych czy lotnictwa.

W 2005 roku ONR zawarł z konsorcjum firm General Atomics i BAE Systems kontrakt na realizację pracy badawczo-rozwojowej mającej na celu zbudowanie nowej broni o wymaganym minimalnym zasięgu, możliwym do zaakceptowania poborze energii, wydajnym systemie chłodzenia i satysfakcjonującej żywotności.

Faza 1 programu nazwanego Innovative Naval Prototype (INP) zakończyła się opracowaniem działa o energii strzału 33 MJ (systemu badawczo-testowego) w 2010 roku. Jego zapotrzebowanie na energię było możliwe do zaakceptowania przez marynarkę, a pozwalało na prowadzenie ognia na odległość 110 mil morskich (200 km).

Faza 2 programu INP prowadzona od 2013 roku ma zakończyć się zbudowaniem demonstratora technologii. W tej fazie zakłada się opracowanie dojrzałych technologii m.in. specjalnych kondensatorów mocy (pozwalających na zmagazynowanie prądu o natężeniu 3 MA) i zapewnienia szybkostrzelności ponad 10 strzałów na minutę. Inżynierowie zatrudnieni przy projekcie chcieliby pod koniec 2016 roku przeprowadzić pierwsze testy ogniowe nowego działa, ale zdają sobie oni sprawę, że na zakończenie programu potrzeba jeszcze minimum trzech lat badań i dalszego rozwoju konstrukcji. Zwiększeniu ulegnie też żywotność lufy, która obecnie wynosi ponad 100 strzałów (w pierwszych badaniach po każdym strzale następowała wymiana lufy).

Nowe działo o energii strzału 32 MJ zdolne będzie wystrzeliwać pociski o prędkości początkowej kilkukrotnie większej niż obecne 1,6-1,8 km/s uzyskiwane z użyciem  konwencjonalnych dział wykorzystujących energię powstałą ze spalania ładunku prochowego. Jedną z ważniejszych kwestii wymagających rozwiązania jest przezwyciężenie znacznych sił przyspieszających powstających w czasie strzału. Wstępne testy wykazały, że pocisk wystrzelony z takiego działa będzie miał ponad trzykrotnie większą siłę niszczącą niż konwencjonalna amunicja.

Docelowo marynarka zakłada powstanie działa o energii strzału 64 MJ, zasilanego prądem o natężeniu 6 MA.

Hyper Velocity Projectile (HVP) jest innym programem rozpoczętym pod koniec 2013 roku, a mającym na celu zbudowanie amunicji, która mogłaby zostać wykorzystana nie tylko w działach elektromagnetycznych, ale również w konwencjonalnych armatach 127 i 155 mm (morskich 5 calówkach Mk 45, jak i lądowych haubicach, czy systemie Advanced Gun System (AGS)). Założeniem wobec HVP jest osiąganie dużego zasięgu strzału, ale też zbudowanie kompaktowej i bezpiecznej w użyciu amunicji. Ideą jest nie tylko pozbycie się materiału wybuchowego samej głowicy, ale również, z czasem, stworzenie alternatywnego systemu napędowego pocisku.

W odróżnieniu od koncepcji dział elektromagnetycznych, których zasadniczym zadaniem będzie precyzyjne niszczenie odległych celów morskich, czy lądowych, HVP mają według wojskowych służyć również do realizacji zadań obrony przeciwlotniczej i przeciwrakietowej. Poruszający się z prędkością początkową odpowiadająca Mach 7,5 pocisk HVP będzie miał na dystansie prawie 2200 km prędkość uderzenia odpowiadającą Mach 5. To w zupełności wystarczy do zniszczenia każdej rakiety energią kinetyczną. Amunicja będzie zbudowana w formie pakietu z podkalibrowym pociskiem o średnicy 90 mm i masie 18 kg (sam pocisk ważył będzie 12,6 kg a podkalibrowy rdzeń 6,75 kg). Z prędkością lotu ponad Mach 5 będzie on zdolny do niszczenia wszelkich celów, które mogą zostać namierzone przez własne (nosiciela działa) lub współpracujące z nim systemy rozpoznania i przekazywania danych. Dla porównania, konwencjonalny pocisk o masie 5÷7 kg poddawany jest podczas strzału przeciążeniom rzędu 12 000 g, natomiast w przypadku działa elektromagnetycznego o energii strzału 32 MJ wielkość ta osiągnie poziom 35 000÷40 000 g, by dla działa o energii strzału 64 MJ osiągnąć poziom ponad 60 000 g.

Szybkostrzelność przy użyciu HVP wynosić będzie 6 strz/min dla 155 mm armat, 10 strz/min dla ADG i do 20 strz/min dla 127 mm dział Mk 45. Natomiast w fazie wstępnej projektu zakłada się osiągnięcie zasięgu strzelania z armaty Mk 45 do celów powietrznych 48 km i lądowych 74 km. Dla 155 mm artylerii lądowej zasięg wynosił będzie 31 km, a dla systemu AGS około 70 km. W przypadku działa elektromagnetycznego o energii strzału 20 MJ można będzie strzelać na odległości ponad 90 km, a z EMRG o energii strzału 32 MJ już na 180 km. Z tych ostatnich dział pocisk osiągnie prędkość odpowiadająca prędkości dźwięku Mach 7, z 127 mm armat morskich będzie ona ograniczona do odpowiadającej Mach 3, ale i tak uzyskiwane w czasie lotu parametry balistyczne będą zdecydowanie lepsze od konwencjonalnych rozwiązań, co spowoduje znaczne zwiększenie precyzji trafienia. Na obecnym etapie system pozycjonowania nowej amunicji nie jest do końca sprecyzowany. W wersjach lądowych będzie się on najprawdopodobniej składał z klasycznego rozwiązania GPS/IMU. W wersjach przeciwlotniczych/przeciwrakietowych lub do zwalczania celów poruszających się, rozważa się zastosowanie głowicy z układem obrazowania w podczerwieni lub radarem pracującym na falach milimetrowych.

W 2017 roku planowane jest (zgodnie z wymaganiami amerykańskiego Departamentu Obrony) wykonanie pierwszych strzelań z konwencjonalnych systemów artyleryjskich – lądowych i morskich.

Inną firmą zajmująca się rozwojem EMRG jest General Atomics Electromagnetic Systems (GA-EMS), w której pracuje się również nad działem o energii strzału 32 MJ zdolnym do wystrzeliwania specjalnych, kinetycznych pocisków opracowanych przez Boeing Phantom Works z udoskonalonym w stosunku do tradycyjnych rozwiązań układem odrzucanego sabotu.

GA-EMS zaprezentował też założenia uniwersalnego działa o energii strzału 10 MJ Multimision Medium Range Railgun Weapon System (MMRRWS), będącego rozwinięciem wcześniejszego projektu działa Blizer. Testowane prototypowe działo Blizer o energii strzału 9 MJ oraz MMRRWS wyposażono w prototypowy system kontroli i nadzoru  (CAS), który przechodził już badania.

Pierwsze próby strzelania z nowego działa wykazały odporność pocisku na wysokie przyspieszenia i działanie pola elektromagnetycznego, którym został on poddany. Testy miały na celu sprawdzenie działania działa w ekstremalnych warunkach atmosferycznych (m.in. w zakresie temperatur użycia od -240 C do +40,5 stopnia C, czy przy zalegającej pokrywie śnieżnej). Kolejne planowane testy wykonywano przy użyciu zmodyfikowanych rodzajów pocisków oraz elementów sterowania. Obecnie prace zmierzają do zmniejszenia ryzyka związanego z dzianiem poszczególnych zespołów działa i przetestowaniem krytycznych nowych technologii w nim użytych.

Oprócz rozwoju samego działa elektromagnetycznego, równolegle prowadzone są prace związane z opracowaniem odpowiedniego dla tej broni systemu kierowania ogniem. O skali tego przedsięwzięcia świadczy ogłoszone pod koniec 2014 roku przez Dowództwo Systemów Morskich NAVSEA (Naval Sea Systems Command) zapytanie o informację RFI (Request for Information) dotyczące takich rozwiązań. Wynika z tego, że taki system ma umożliwiać zarówno wykrywanie, śledzenie, jak i niszczenie szerokiego spektrum zagrożeń powietrznych, morskich, czy lądowych. Ma on być też zdolny do m.in. wykrywania obiektów o niskiej skutecznej powierzchni odbicia, śledzenia celów w  endoatmosferze i uczestniczenia w obronie przeciwko rakietom balistycznym, neutralizowania skutków zakłóceń aktywnych, czy eliminowania zakłóceń atmosferycznych odbić od ziemi, powierzchni morza i ptaków.

Program jest nadzorowany przez biuro programów dotyczących uzbrojenia „elektrycznego i energetycznego” PMS 405 (Directed Energy and Electric Weapons Program Office) oraz ONR.

Inną pośrednią, ale klasyczną opcją jest wspomniany już wyżej okrętowy system AGS. 155 mm działo o długości lufy 62 kalibrów jest zdolne do prowadzenia ognia z szybkostrzelnością do 10 strz/min i uzyskiwania zasięgu do 180 km. 102 kg pocisk LRAP ma długość 2230 mm i 10,2 kg głowicę odłamkowo-burzącą. Proponowana jest również lżejsza wersja AGS-Lite, tak by mogła ona być instalowana na niszczycielach typu DDG-51,  ale alternatywą dla 680 sztuk 127 mm amunicji jest 180 sztuk nowej 155 mm. Jednak ostatnio wysoki koszt pozyskiwania LRAP (ok. 1 mln USD za sztukę) zmusza USN do poszukiwania alternatywnych rozwiązań. Jednym z powodów aż tak wysokiej ceny jest niewielka liczba takiej amunicji zamawianej przez marynarkę. Dla porównania, amunicja do MK45 to koszt ok. kilkuset USD.  

Podsumowanie

Klasyczna amunicja artyleryjska, jak i systemy uzbrojenia ją wykorzystujące, będą jeszcze przez długi czas rozwijane i modyfikowane. Jednak świadomość kresu ich technicznych możliwości oraz pewnych ograniczeń z tym związanych powoduje, że szuka się alternatywnych rozwiązań. Rozwiązań, które spowodują skokowe zwiększenie możliwości, a nie tylko poprawę pewnych parametrów (często okupioną wzrostem innych lub wysoką ceną).  Systemy wysokoenergetyczne, a w szczególności działa laserowe i elektromagnetyczne mogą już w niedalekiej przyszłości spowodować istotną rewolucję - biorąc pod uwagę potrzebę ich posiadania przez kluczowe potęgi militarne świata, jej moment może być bardzo bliski.

Marek Dąbrowski