Der Slogan "Velocitas Eradico", den die amerikanische Marine für ihre Forschungen zu elektromagnetischen Schienengeschützen verwendet hat, entspricht durchaus dem ultimativen Ziel. Frei aus dem Lateinischen übersetzt bedeutet dieser Ausdruck "Geschwindigkeit tötet". Elektromagnetische Technologien entwickeln sich erfolgreich im maritimen Bereich und eröffnen Perspektiven für Offensivwaffen und den Betrieb von Flugzeugträgern.
Ein von Ronald O'Rurk im Oktober 2016 für den Congressional Research Service verfasster Bericht mit dem Titel Lasers, Rail Guns, and Hypersonic Projectiles: Background and Challenges for the US Congress, besagt: from Anti-Ship Cruise Missiles (ASM) and Anti-Ship ballistischen Raketen (ABMs) sind einige Beobachter besorgt über die Überlebensfähigkeit von Überwasserschiffen in möglichen Kampfzusammenstößen mit Gegnern wie China, die mit modernen Anti-Schiffs-Raketen und Anti-Ballistischen Raketen bewaffnet sind. Das weltweit erste und einzige Mittelstrecken-FGM DF-21D (Dufeen-21), das von der Chinesischen Akademie für Mechanik und Elektronik China Changfeng entwickelt wurde, wurde in den Marinen der Welt aktiv diskutiert; diese Rakete wurde im September 2015 in Peking am Ende der Parade des Zweiten Weltkriegs gezeigt. Unterdessen stellt der Bericht fest, dass die russische Flotte weiterhin die 3M-54-Kaliber-Familie von Anti-Schiffs- und Boden-Marschflugkörpern mit Satelliten-Trägheits- / Radarführung, die vom Novator-Konstruktionsbüro entwickelt wurden, einsetzt.
Während einige Länder wie China und Russland ihre Schiffe weiterhin mit mächtigen Waffen ausrüsten, macht sich die US-Marine zusammen mit anderen westlichen Marinen zunehmend Sorgen um die Überlebensfähigkeit ihrer Überwasser-Kriegsschiffe. Und der Personalabbau zwingt die Flotten auf der ganzen Welt, sich zunehmend zukunftsträchtigen Technologien zuzuwenden. So soll laut der Website globalsecurity.org die Zahl der aktiven Mitglieder des US-Militärs bis Ende 2017 um 200.000 auf 1,28 Millionen sinken. In diesem Zusammenhang entwickeln sich im Verteidigungsbereich elektromagnetische Technologien rasant als vielversprechende Lösung für komplexe Probleme, die im Wesentlichen mit der Bewaffnung potenzieller Gegner und dem Personalabbau zusammenhängen. Im Vergleich zu aktuellen traditionellen Systemen werden diese Technologien, von Flugzeugträgerkatapulten bis hin zu Railguns (Railguns), kostengünstiger sein und den Personalaufwand reduzieren.
Elektrizität und Magnetismus
Elektromagnetische Energie ist eine Kombination aus elektrischen und magnetischen Feldern. Laut der auf der Website der Weltgesundheitsorganisation veröffentlichten Definition: „Durch den Spannungsunterschied entstehen elektrische Felder, je höher die Spannung, desto stärker wird das resultierende Feld sein. Magnetfelder entstehen, wenn sich geladene Teilchen bewegen: Je stärker der Strom, desto stärker das Magnetfeld.
EMALS (Electromagnetic Aircraft Launch System), ein vielversprechendes Startsystem für trägergestützte Flugzeuge, wird von General Dynamics entwickelt, um Dampfkatapulte zu ersetzen, die eine Reihe erheblicher Nachteile aufweisen, darunter ihre große Masse, Größe und die Notwendigkeit, eine große Menge zu speichern Wassermenge auf dem Schiff, die aufgrund der aggressiven chemischen Eigenschaften des Meerwassers nicht mitgenommen werden kann. Das neue System besteht aus zwei parallelen Schienen, bestehend aus vielen Elementen mit Induktionsspulen, die im Cockpit des Flugzeugträgers installiert sind, sowie einem Schlitten, der am Vorderrad des Flugzeugs montiert ist. Megan Elke, General Atomics (GA), erklärt: „Durch die sequentielle Anregung der Führungselemente entsteht eine magnetische Welle, die sich entlang der Führungsschienen ausbreitet und den Schlitten und damit das Flugzeug über die gesamte Länge der Führungsschienen mit der für a erfolgreicher Start von Deck. Für diesen Prozess werden mehrere Megawatt Strom benötigt.“
Das Funktionsprinzip des elektromagnetischen Massenbeschleunigers, auch bekannt als Railgun, auch bekannt als Rail Gun, ähnelt dem Funktionsprinzip des elektromagnetischen Katapults EMALS. Die erzeugte Energie von mehreren Megawatt wird über zwei Führungsschienen (wie die beiden Führungsschienen des EMALS-Systems) geleitet, um ein Magnetfeld zu erzeugen. John Finkenaur, Head of New Technologies bei Raytheon, erklärt: „Nachdem das System eine bestimmte Energiemenge angesammelt hat, senden die Kondensatoren (speichern die erzeugte elektrische Ladung) einen elektrischen Impuls entlang zweier Schienen (eine davon ist negativ geladen und die andere ist positiv), ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen . Unter dem Einfluss dieses Feldes beginnt sich das Projektil in einem Lauf mit zwei langen Schienen mit sehr hoher Geschwindigkeit zu bewegen. Offene Quellen behaupten, dass Geschwindigkeiten 7 Mach-Zahlen (etwa 8600 km / h) erreichen können. Das Projektil wiegt ca. 11 kg und hat keine Kampfladung. Der mit Wolfram-Schlagelementen gefüllte Körper des Geschosses ist von einem Gehäuse aus einer Aluminiumlegierung umgeben, das nach Verlassen des Geschosses entsorgt wird. Die hohe Geschwindigkeit des Auftreffens des Projektils auf das Ziel verursacht in Kombination mit den Schlagelementen eine erhebliche Zerstörung ohne Sprengstoff.
Magnetische Anziehungskraft
Dampfkatapulte, die durch das EMALS-System ersetzt werden sollen, befinden sich seit den 50er Jahren in vielen Ländern auf Flugzeugträgern. Sie galten lange Zeit als die effizienteste Technologie, die beispielsweise in der Lage ist, ein 27.300 kg schweres Flugzeug aus einer Deckslänge von 300 Metern auf eine Geschwindigkeit von 240 km/h zu beschleunigen. Für diese Aufgabe benötigt das Katapult pro Eintrag ca. 615 kg Dampf, dazu kommen Hydraulikanlagen, Wasser zum Stoppen des Katapults sowie Pumpen, Elektromotoren und Steuerungen. Mit anderen Worten, das traditionelle Dampfkatapult ist, obwohl es seine Aufgabe perfekt erfüllt, ein sehr großes und schweres Gerät, das erhebliche Wartung erfordert. Darüber hinaus verkürzen plötzliche Stöße während des Starts nachweislich die Lebensdauer von Flugzeugen auf Flugzeugträgern. Dampfkatapulte haben auch Beschränkungen hinsichtlich der Flugzeugtypen, die sie starten können; Die Situation wird besonders kompliziert durch die Tatsache, dass die Masse der Flugzeuge ständig zunimmt und die Modernisierung von trägergestützten Flugzeugen bald unmöglich wird. Zum Beispiel hat Boeings Flugzeugträgerflugzeug F / A-18E / F Super Hornet nach den von der Flotte bereitgestellten Daten ein maximales Startgewicht von 30 Tonnen, während der vorherige Douglas A-4F Skyhawk-Jäger, der schließlich Mitte der 1980er Jahre außer Dienst gestellt, hatte ein Startgewicht von 11, 2 Tonnen.
Elke: "Flugzeuge werden heute schwerer, schneller und funktioneller, sie brauchen ein effizientes Startsystem mit mehr Effizienz und mehr Flexibilität, um die unterschiedlichen Startgeschwindigkeiten zu erreichen, die für den Start vom Deck jedes Flugzeugtyps erforderlich sind." Laut General Atomics wird das EMALS-System im Vergleich zu Dampfkatapulten 30 Prozent effizienter sein und weniger Volumen und Wartung erfordern als seine Vorgänger, was seine Installation auf verschiedenen Schiffen mit unterschiedlichen Katapultkonfigurationen vereinfacht. Die Flugzeugträger der Nimitz-Klasse haben beispielsweise vier Dampfkatapulte, während der einzige französische Flugzeugträger, Charles de Gaulle, nur über zwei Katapulte verfügt. Darüber hinaus tragen unterschiedliche EMALS-Beschleunigungen, angepasst an das Abfluggewicht jedes bemannten oder unbemannten Flugzeugtyps, zu einer erhöhten Lebensdauer der Flugzeugrümpfe bei. „Mit weniger Bauraum, besserer Effizienz und Flexibilität sowie reduziertem Wartungs- und Personalbestand erhöht EMALS die Kapazitäten erheblich und senkt die Kosten, was die Entwicklung der Flotte weiter unterstützen wird“, fügte Elke hinzu.
Laut Alexander Chang vom Beratungsunternehmen Avascent haben Railguns auch eine Reihe von Vorteilen. "Und die Hauptsache ist natürlich, dass sie Projektile mit hoher Geschwindigkeit in der Größenordnung von Mach sieben ohne Sprengstoff abfeuern können." Da die Energiequelle der Railgun das allgemeine Stromversorgungssystem des gesamten Schiffes ist, sind die mit dem Transport von Spreng- oder Treibmitteln verbundenen Risiken ausgeschlossen. Die hohen Anfangsgeschwindigkeiten der Railgun, ungefähr doppelt so hoch wie die Anfangsgeschwindigkeiten herkömmlicher Schiffskanonen, führen zu kürzeren Trefferzeiten und ermöglichen es dem Schiff, fast gleichzeitig auf mehrere Bedrohungen zu reagieren. Dies liegt daran, dass mit jedem neuen Projektil keine Kampf- oder Treibladungen aufgeladen werden müssen. Elke stellte fest, dass „durch Sprengköpfe und Treibladungen die Versorgung vereinfacht, die Kosten für einen Schuss und der logistische Aufwand reduziert werden, während die relativ kleinen Abmessungen der Railgun eine Erhöhung der Magazinkapazität ermöglichen … viel größere Reichweite im Vergleich zu anderen Waffen (zum Beispiel mit Boden-Luft-Raketen, die zum Schutz von Überwasserschiffen verwendet werden)“. Der Bericht an den Kongress stellt fest, dass bisher zwei von Raytheon und General Atomics für die US-Marine gebaute Prototypen von Schienenkanonen „Projektile mit Energieniveaus zwischen 20 und 32 Megajoule abfeuern können, was für ein Projektil ausreicht, um 92-185 km zurückzulegen“. Wenn wir vergleichen, hat die 76-mm-Schiffskanone des OTO Melara / Leonardo laut offenen Quellen eine Anfangsgeschwindigkeit in der Größenordnung von Mach 2,6 (3294 km / h) und erreicht eine maximale Reichweite von 40 km. Finkenaur erklärte, dass "die Railgun zur Feuerunterstützung von Überwasserschiffen verwendet werden kann, wenn es notwendig ist, ein Projektil Hunderte von Seemeilen zu senden, oder es kann für den Beschuss auf kurze Distanz und die Raketenabwehr verwendet werden."
Zukünftige Herausforderungen
Die im EMALS-System verwendete Technologie befindet sich bereits in der Umsetzungsphase in der Produktion. Die US Navy, die dieses von General Atomics entwickelte Katapult für den Start von neuen Flugzeugträgern der Ford-Klasse auswählte, führte im November 2016 ihre ersten Stresstests durch. Auf dem ersten Schiff dieser Klasse, der Gerald R. Ford, wurden Ballastgewichte, die ein typisches Flugzeug simulierten, ins Meer geschleudert (Video unten). Gebrauchte 15 Schalenwagen mit verschiedenen Gewichten. Die ersten Starts endeten erfolglos, aber die folgenden wurden als erfolgreich anerkannt. So wurde beispielsweise ein Drehgestell mit einem Gewicht von etwa 6800 kg auf eine Geschwindigkeit von fast 260 km / h und ein kleineres Drehgestell mit einem Gewicht von 3600 kg auf 333 km / h beschleunigt. Gefertigt und installiert wird das System laut Elke auch auf dem Flugzeugträger John F. Kennedy, der 2020 in die Flotte übergehen soll. GA wurde auch als alleiniger EMALS-Auftragnehmer für den Flugzeugträger Enterprise ausgewählt, dessen Bau 2018 beginnen soll. "Wir sehen auch das Interesse anderer Staaten an unseren elektromagnetischen Start- und Landesystemen, da diese neue Technologien und trägergestützte Flugzeuge in ihren Flotten haben wollen", sagte Elke. Es ist jedoch erwähnenswert, dass die EMALS-Technologie zwar serienreif ist, das System selbst jedoch aufgrund der für den Betrieb erforderlichen Energiemenge nicht auf den meisten im Einsatz befindlichen Flugzeugträgern installiert werden kann.
Zusätzlich zu den oben genannten weist die Railgun eine Reihe schwerwiegender Nachteile auf. Laut Finkenaur "besteht eines der Probleme beim Einsatz elektromagnetischer Technologie im Verteidigungssektor darin, den Lauf funktionstüchtig zu halten und den Laufverschleiß nach jedem Projektilabschuss zu reduzieren." Tatsächlich verursacht die Geschwindigkeit, mit der das Geschoss den Lauf verlässt, einen solchen Verschleiß, dass bei den ersten Tests der Lauf nach jedem Schuss komplett neu aufgebaut werden musste. "Impulsleistung bringt die Herausforderung mit sich, eine enorme Energiemenge freizusetzen und das Zusammenspiel der Impulsleistungsmodule für einen einzigen Schuss zu koordinieren." Alle diese Module müssen den angesammelten Strom im richtigen Moment abgeben, um die nötige magnetische Feldstärke aufzubauen und das Geschoss aus dem Lauf zu drücken. Schließlich bringt die zum Beschleunigen des Projektils auf solche Geschwindigkeiten erforderliche Energiemenge das Problem mit sich, die notwendigen Komponenten des Geschützes in ausreichend kleine physikalische Abmessungen zu packen, damit es auf Überwasserschiffen verschiedener Klassen installiert werden kann. Aus diesen Gründen könnten laut Finkenaur in den nächsten fünf Jahren kleine Railguns in Dienst gestellt werden, während in den nächsten 10 Jahren eine Railgun mit einer vollen Leistung von 32 Megajoule auf einem Schiff installiert werden dürfte.
Hyperaktivität
Laut Chang „hat die US-Marine in letzter Zeit begonnen, der Verbesserung der Technologie der Schienenkanone weniger Aufmerksamkeit zu schenken und ihre Aufmerksamkeit auf die Fähigkeiten des Hyperschallprojektils HVP (Hyper Velocity Projectile) zu richten, das problemlos in bestehende traditionelle Kanonen passt.“In einem im September 2012 vom US Navy Research Office veröffentlichten technischen Artikel über HVP wird es als „ein vielseitiges, widerstandsarmes, gelenktes Projektil beschrieben, das eine Vielzahl von Missionen mit einer Vielzahl von Waffensystemen ausführen kann“. Enthält zusätzlich zum Rail-Geschütz die amerikanischen Standard-Marinesysteme: 127-mm-Marinegeschütz Mk. 45 und 155-mm-Advanced-Artillery-Mount Advanced Gun System, das von BAE Systems entwickelt wurde. Laut BAE Systems ist ein "besonderer Bestandteil" des HVP-Designs der extrem niedrige Luftwiderstand, der einen Raketenmotor überflüssig macht, der in konventioneller Munition weit verbreitet ist, um die Reichweite zu erhöhen.
Laut einem Bericht des CRS-Forschungsdienstes kann dieses Projektil beim Abfeuern von einer Mk.45-Installation nur die Hälfte (das ist Mach 3 oder etwa 3704,4 km / h) der Geschwindigkeit erreichen, die es beim Abfeuern von einer Schiene erreichen könnte Kanone, die jedoch immer noch doppelt so schnell ist wie ein konventionelles Projektil, das aus einer Mk. 45-Kanone abgefeuert wird. In einer Pressemitteilung der US Navy heißt es: „HVP in Kombination mit Mk.45 wird die Ausführung verschiedener Aufgaben übernehmen, einschließlich Feuerunterstützung für Überwasserschiffe, es wird die Fähigkeiten der Flotte im Kampf gegen Luft- und Überwasserbedrohungen erweitern., aber auch mit aufkommenden Bedrohungen.“
Laut Chang zielt die Entscheidung der Forschungsabteilung des Verteidigungsministeriums, erhebliche Mittel in die Entwicklung von HVP zu investieren, darauf ab, das Problem der Umrüstung von Schiffen für die Installation einer Rail-Gun auf ihnen zu lösen. Somit kann die US Navy das Hyperschallprojektil HVP auf ihren Kreuzern der Ticonderoga-Klasse und ihren Zerstörern der Arleigh-Burke-Klasse einsetzen, die jeweils zwei Mk.45-Geschütze tragen. Die Railgun ist technisch noch nicht bereit für den Einbau in die neuen Zerstörer der Zamvolt-Klasse, von denen der erste im Oktober 2016 in die US Navy aufgenommen wurde. Aber zumindest am Ende der Entwicklung wird das HVP-Projektil in der Lage sein, die Munitionsladung seiner 155-mm-Artilleriehalterungen wie dem Advanced Gun System zu erreichen. Laut Pressemitteilung führte die Flotte im Januar Abschusstests eines HVP-Projektils aus einer Armeehaubitze durch. Die US Navy macht keine Angaben darüber, wann die HVP mit ihren Kriegsschiffen in Dienst gestellt werden darf.
Industrielle Entwicklungen
Im Jahr 2013 erhielt BAE Systems von der Naval Research and Development Administration einen Auftrag über 34,5 Millionen US-Dollar für die Entwicklung einer Schienenkanone für die zweite Phase des Bauprogramms für Kanonenprototypen. In der ersten Phase feuerten Ingenieure des Surface Weapons Development Center der Navy erfolgreich den Prototyp der Raytheon EM Railgun ab und erreichten ein Energieniveau von 33 Megajoule. Laut BAE Systems beabsichtigt das Unternehmen in der zweiten Phase, vom Einzelschuss zum Burst-Fire überzugehen und ein automatisches Ladesystem sowie thermische Kontrollsysteme zu entwickeln, um die Waffe nach jedem Schuss zu kühlen. 2013 erhielt BAE Systems von dieser Abteilung auch den Auftrag zur Entwicklung und Demonstration des HVP.
General Atomics begann 1983 im Rahmen der strategischen Verteidigungsinitiative von Präsident Ronald Reagan mit der Entwicklung von Railgun-Technologie. Die Initiative zielte darauf ab, "ein weltraumgestütztes Raketenabwehrprogramm zu entwickeln, das das Land vor einem groß angelegten nuklearen Angriff schützen könnte". Die Initiative verlor nach dem Ende des Kalten Krieges an Relevanz und wurde schnell wieder aufgegeben, auch wegen ihrer exorbitanten Kosten. Damals gab es mehr als genug technische Probleme, und Railguns waren da keine Ausnahme. Die erste Version der Railgun benötigte so viel Energie, um die Pistole zu betreiben, dass sie nur in einem großen Hangar untergebracht werden konnte supergroße Kondensatoren geschaffen."
Heute hat General Atomics bereits eine 30 Megajoule Schienenkanone und eine 10 Megajoule Blitzer Universalschienenkanone entwickelt. Unterdessen wurde im Juli 2016 auf einem offenen Schießstand ein Kondensator erfolgreich demonstriert, der den Prozess der Energiespeicherung für das Abfeuern von Entlastungsgeschützen auf Bodenfahrzeugen vereinfacht. Dazu Elke: „Auch die Transportfähigkeit der Blitzer-Kanone haben wir erfolgreich demonstriert. Die Kanone wurde zerlegt und vom Dagway-Testgelände zum Fort Sill-Testgelände transportiert und dort für eine Reihe erfolgreicher Schusstests während der Armeemanöver 2016 wieder zusammengebaut.
Raytheon entwickelt auch aktiv die Rail-Gun-Technologie und ein innovatives gepulstes Energienetzwerk. Finkenaur erklärt: „Das Netzwerk besteht aus vielen 6,1 m langen und 2,6 m hohen Pulsstromcontainern, die Dutzende kleiner Blöcke, sogenannte Pulsed Power Modules, beherbergen. Die Arbeit dieser Module besteht darin, die benötigte Energie für einige Sekunden zu sammeln und im Handumdrehen wieder abzugeben.“Nehmen wir die benötigte Anzahl an Modulen und verbinden sie miteinander, dann können sie die für den Railgun-Betrieb benötigte Leistung liefern.
Gegengewicht zu Bedrohungen
In einer Rede im April 2016 in Brüssel stellte der stellvertretende US-Verteidigungsminister Bob Work fest, dass „sowohl Russland als auch China die Fähigkeit ihrer Spezialeinheiten verbessern, täglich auf See, zu Lande und in der Luft zu operieren. Sie werden im Cyberspace, bei elektronischen Gegenmaßnahmen und im Weltraum ziemlich stark." Die Bedrohungen durch diese Entwicklungen zwangen die USA und die NATO-Staaten, die sogenannte gemeinsame "Third Counterbalance Strategy" TOI (Third Offset Initiative) zu entwickeln. Wie der damalige Verteidigungsminister Heigel 2014 erklärte, ist es das Ziel von TOI, die militärischen Fähigkeiten Chinas und Russlands, die durch die Einführung neuester Technologie entwickelt wurden, auszugleichen oder zu dominieren. In diesem Zusammenhang stellen Railguns und insbesondere Hyperschallgeschosse Schlüsselfähigkeiten dar, um potenzielle Bedrohungen durch die im einleitenden Teil des Artikels erwähnten Waffen Chinas und Russlands abzuwehren oder zu neutralisieren.
