Гармата Гауса

${\displaystyle E={U^{2}C \over 2}}$
${\displaystyle ~U}$ — напруга конденсатора (у Вольтах)
${\displaystyle ~C}$ — ємність конденсатора (у Фарадах)

Енергія накопичувана при послідовному і паралельному з'єднанні конденсаторів рівна.

${\displaystyle E={mv^{2} \over 2}}$
${\displaystyle ~m}$ — маса снаряда (в кілограмах)
${\displaystyle ~v}$ — його швидкість (у м/с)

Це час, за який конденсатор повністю розряджається. Він дорівнює чверті періоду:
${\displaystyle ~T={\pi {\sqrt {LC}} \over 2}}$
${\displaystyle ~L}$ — індуктивність (у Генрі)
${\displaystyle ~C}$ — ємність (у Фарадах)

Це час за який ЕРС котушки індуктивності зростає до максимального значення (повний розряд конденсатора) і повністю спадає до 0. Він дорівнює верхньому напівперіоду синусоїди.
${\displaystyle ~T=\pi {\sqrt {LC}}}$
${\displaystyle ~L}$ — індуктивність (у Генрі)
${\displaystyle ~C}$ — ємність (у Фарадах)

Гармата Гауса може слугувати засобом високоточної доставки вантажів шляхом їх катапультування в місце призначення; засобом руху потягів; доставки на орбіту супутників прямо з поверхні планети[2]. У військовій справі вона може реалізовуватися і як артилерія з потенційною дальністю дії в сотні кілометрів[3], і як персональна зброя[4]. Поки що не існує гармат Гауса, котрі могли б конкурувати в цих сферах з уже наявними технологіями (див. нижче).

Гармата Гауса має переваги, яких не мають інші види катапульт вантажів і стрілецької зброї. Це необмеженість у виборі початкової швидкості й енергії снаряда, швидкострільність, можливість безшумного пострілу (якщо швидкість снаряда не перевищує швидкості звуку), відносно невелика віддача (дорівнює імпульсу снаряда, немає додаткового імпульсу від порохових газів або рухомих частин), теоретично — більша надійність та зносостійкість, а також можливість роботи в різних середовищах, зокрема, в умовах космічного простору[1].

Проте, попри гадану простоту гармати Гауса та її переваги, її практичне застосування як катапульти чи зброї пов'язане з серйозними труднощами:[3][4][5]

Відстеження снаряда в котушках. Кожна наступна котушка гармати повинна створювати електромагнітне поле, враховуючи те, на скільки снаряд був розігнаний у попередніх котушках. Так, високошвидкісні гармати можуть налічувати до кількох сотень котушок. Звичайне послідовне спрацьовування котушок за попередньо заданим часом із розрахункових показників просто реалізувати, але будь-яке відхилення від розрахункової швидкості для кожної котушки впливає на кінцеву швидкість і марнування енергії.

Вплив форми котушок на ефективність. Ідеальна соленоїдна бочкоподібна котушка має найкращу ефективність, однак системи подачі снарядів, каркасні конструкції гармати та системи відведення тепла, що виникає внаслідок індукції в котушках, змушують надавати їм іншої форми, що зменшує ефективність гармати.

Габарити. Існує потреба у конденсаторах і акумуляторах, що збільшують габарити й масу портативних гармат Гауса. Перспективним є використання замість конденсаторів транзистор метал-діелектрик-напівпровідників.

Низький ККД. Реальні гармати Гауса мають ККД трохи вище 20 %. Для його підвищення можуть використовуватися запобіжники котушок (після проходження крізь них снаряда) та запобіжні електричні схеми.

Ще з XIX ст. гармату Гауса пропонувалося використовувати як для мирних, так і військових застосувань. Теоретичні напрацювання для її створення розробив у 1845 році американський винахідник Чарльз Графтон Пейдж[18]. Того ж року американський винахідник Томас Бенінгфілд презентував «електричну» гармату, що згідно з пресою, такою як «Littell's Living Age», пробивала 3-дюймову дерев'яну дошку з відстані 20 ярдів залізними кульками. Проте Бенінгфілд ніколи не патентував свій винахід і не дав детального пояснення того, як він працює. Можливо, його гармата насправді стріляла завдяки вибуху газу, запаленого іскрою від гальванічного елемента[19].

Ідеєю створення гармати, що достеменно рухає снаряд магнетизмом, займався в 1890 році Микола Бенардос — український винахідник грецького походження на службі Російської імперії. Того ж року американський винахідник Л. С. Гарденер представив для видання «Oswego Daily Times» проєкт гармати, що розганяє снаряд електромагнітами, але його було визнано надто залежним від електричних батарей. В 1895 році австрійський інженер Франц Оскар Лео Елдер фон Гефт запропонував використовувати подібний пристрій для запуску апаратів на Місяць. А під час іспано-американської війни, у 1898 році, один із американських винахідників запропонував обстрілювати Гавану з котушкової гармати, встановленої на узбережжі Флориди з відстані близько 230 км. Також, лондонський винахідник А. С. Сімпсон у 1908 році пропонував новозеландському виданню «Progress» збудувати гармату Гауса, здатну, згідно з його розрахунками, запустити 300-кілограмовий снаряд з початковою швидкістю 907 ​​м/с на відстань 9144 км. Британськими військовими проєкт був відхилений як недоцільний та надто складний для реалізації. Існування реального прототипа цієї зброї лишилося сумнівним[19].

Російські інженери, полковники Микола Подольський та М. Ямпольський пропонували збудувати 97-тонну 300-мм наддовгу «магнітофугову гармату» з 18-метровим стволом і розрахунковою початковою швидкістю снаряда масою 1 т. до 3 км/с. Комітет артилерії Головного артилерійського управління Російської армії відхилив проєкт 2 липня 1915 року через брак коштів та виробничих потужностей з огляду на Першу світову війну, хоча визнав ідею «правильною та здійсненною»[19].

Реальну ж гармату, що приводить металевий заряд у рух за допомогою котушки зі струмом, вперше створив норвезький фізик Крістіан Біркеленд з Університету Крістіанії (нині Осло). У 1901 році він випадково помітив, що дрібні металеві частики, потрапляючи в соленоїдну котушку, розганяються до великих швидкостей. За його розрахунками, пристрій із низки котушок міг би надати снаряду масою 0,45 кг швидкість до 600 м/с. Біркленд через 10 днів створив робочий прототип і запатентував 16 вересня 1901 року «новий метод стрільби снарядами з використанням електромагнітних сил»[19]. У листопаді 1901 фізик заснував компанію Birkeland's Firearms і зібрав електромагнітну гармату завдовжки близько метра, здатну розігнати півкілограмовий снаряд до 4 км/с. Згодом, 6 березня 1902 року, Біркеленд провів демонстрацію зброї в Норвезькій академії наук, успішно здійснивши три постріли по дерев'яному щиту завтовшки 40 см. Згідно з матеріалом «The New York Times» 8 травня 1902 року, гармата Біркленда могла б вистрілити снаряд масою 2 т. на 90 миль. Однак, згідно з іншими закордонними джерелами, реальні результати давали розгін до 15 м/с і на відстань не більше 1 км. Пізніше в 1902 році Біркеленд і Мартін Кнудсен провели демонстрацію гармати для шведського короля Оскара II. Біркеленд обіцяв, що гармата дозволить дострелити до Росії. Проте необхідна для цього гармата повинна була вистрілювати снарядом масою 2 т., що містить 500 кг нітрогліцерину, з початковою швидкістю 400 м/с; довжина її ствола мусила складати 27 м, що було складно реалізувати в той час[19]. Наступна демонстрація гармати 6 лютого 1903 року завершилася невдачею — через коротке замикання гармата спалахнула, налякавши присутніх[20]. В результаті Біркеленд, хоча й запатентував гармату саме як зброю в 1904 році[21], так і не зміг переконати французьких і британських фахівців у її перевагах[20]. Норвезькі військові також лишилися байдужими до розробки[19].

Востаннє Біркеленд спробував запропонувати свій винахід британським військовим за пів року до початку Першої світової війни. За його умовами, ім'я Біркеленда не повинно згадуватися ні в яких документах; після завершення роботи зі зброєю Норвегія мала б отримати вільний доступ до неї; зброю, створену на основі цієї технології, ніколи не можна використовувати проти жителів Скандинавії. Зустріч із представником Британської ради з винаходів, Френсісом Далрімплем, у Каїрі наприкінці листопада 1916 року, ймовірно, закінчилася невдачею. Через рік Біркленд помер, загалом отримавши шість патентів на електромагнітну гармату[19].

У 1933 році техаський винахідник Вірджил Рігсбі розробив і запатентував стаціонарний кулемет, який діяв за принципом гармати Гауса[22]. Про нього писали в багатьох виданнях, таких як американська «Popular Mechanics» та «Life», де винахід описувався як «електромагнітний кулемет»[23][24].

Під час Другої світової війни в Японії також розроблялися гармати Гауса. Найдосконаліший варіант розганяв снаряд масою 86 г до швидкості 335 м/с. Американці після окупації Японії в 1947 році скопіювали цей зразок, але практичне використання гармати Гауса лишалося нераціональним. В Німеччині, в 1944 році, інженер Йоахім Ганслер створив гармату Гауса, здатну вистрілювати снаряд масою 10 г зі швидкістю 1080 м/с. Розробкою зацікавились представники Люфтваффе, але проєкт лишився без розвитку через поразку Німеччини[25].

У 1974 році російські радянські фізики В. Бондалетов та Е. Іванов опублікували результати розгону на експериментальній установці алюмінієвих та мідних провідників масою 0,5-3 г до 3-5 км/с[26]. В Австралійському національному університеті 1977 року Річард Маршалл встановив світовий рекорд швидкості стрільби з електромагнітної зброї — 5,9 км/с. Цей рекорд потім тримався ще понад 30 років. Професор Массачусетського технологічного інституту Генрі Колм тоді ж успішно продемонстрував котушкову гармату під назвою «Mass Driver I», в рамках програми НАСА з колонізації космосу. Пізніше того ж року обидві організації припинили фінансування гармат[18].

Російські радянські фізики під керівництвом В. Бондалетова в 1970—1980-і роки моделювали за допомогою прискорювача, що діє за принципом гармати Гауса, зіткнення космічних апаратів з космічним пилом. При цьому снаряди в формі кульок були зроблені з діелектрика, а електромагнітним полем розганявся їхній носій у формі мідного кільця[27].

Різноманітні схеми ручних гармат Гауса, які пропонувалося зібрати самотужки, публікувалися з 2001 року сайтом World's Coilgun Arsenal. Відомо про приклади, зібрані ентузіастами з США, Британії, Німеччини, Норвегії, Швеції, України, Білорусі, Росії. Всі ці гармати характеризувалися невеликою швидкістю зарядів, в районі 30 м/с масою від 2 до 40 грамів[28].

Американський журнал «Nuts and Volts» у 2008 році публікував інструкції з виготовлення гармати Гауса в форматі пістолета EM-15. Гармата дозволяла запускати 8-играмовий металевий снаряд калібру .30 з регульованою швидкістю, живилася від 12-ивольтового комплекту батарей AA[29]. Вона розганяла снаряди до швидкостей 17,37-39,32 м/с, чого вистачало аби пробити бляшанку чи розбити скляну банку[30].

Китайські інженери та фізики повідомляли в 2012 році про тестування запуску 120-мм снарядів. Гармата з 15-ма стадіями розганяла 5-кілограмові мідні снаряди до 220 м/с через 2,5-метрову пускову установку з конденсаторами енергоефективністю 14,5 %[31].

У 2018 році американська компанія Arcflash Labs повідомила про виробництво ручної гармати Гауса EMG-01A, що стріляє 6-играмовими сталевими зарядами на швидкості 45 м/с. Заряду батареї вистачало на близько 100 пострілів. Ціна складала $1000. Продавалася виключно в США, прирівнюючись згідно з законодавством до пневматичної зброї. EMG-01A оцінювалася радше як іграшка, ніж зброя, підхожа для стрілянини по бляшанках[32].

В липні 2020 року сайт js7tv опублікував відео випробувань гармат Гауса китайського виробництва в форматі пістолета, ручної рушниці та монтованої на невеликого гусеничного робота. Ці гармати втім використовувалися для стрілянини по таких цілях, як повітряні кульки[33].

Arcflash Labs в серпні 2021 року повідомила про випуск «найпотужнішої котушкової гармати, коли-небудь продаваної для загалу». Гармата під назвою GR-1 ANVIL ціною $3750 (магазин та боєприпаси продаються окремо), стріляє зарядами арматури завдовжки 32, 42 або 52 мм, діаметром 11-12,6 мм[34][35] на швидкості близько 60 м/с (200 фт/с)[36]. Скорострільність складає близько 100 пострілів на хвилину. Заряду батарей вистачає на орієнтовно 40 пострілів. Довжина ствола 26 дюймів. Вага без набоїв та батареї — 9 кг[34][35]. Ця гармата є найпотужнішою з гармат Гауса серійного виробництва[36].

У грудні 2021 року китайські вчені Військово-морського інженерного університету в Ухані створили найпотужніший у світі пістолет Гауса із використанням штучного інтелекту та нейромереж. Китайські військові використовують штучний інтелект для створення великомасштабної електромагнітної зброї, такої як електромагнітні гармати для кораблів.[37][38][39]