Co mają wspólnego gry z serii Quake i US Navy?

Cóż, jedno i drugie pochodzi ze Stanów Zjednoczonych, ale to przecież nie jest na tyle ciekawe, by o tym pisać artykuły. Nie, w tym przypadku chodzi o coś znacznie bardziej imponującego i działającego na wyobraźnię. Mowa o sprzęcie, który do niedawna oscylował jedynie w okolicach kosmicznego science fiction, a teraz kruszy mury i przebija grube stalowe płyty na Ziemi. Proszę Państwa, oto railgun.

Działo szynowe na miarę naszych czasów

W czasach II Wojny Światowej nazwa działa szynowego (w zasadzie to kolejowego, ale po czym jeździ ciuchcia?) kojarzyłaby się raczej z artyleryjskimi behemotami pokroju Szczupłej Berty lub Gustava zwanego Dorą. Czasy się zmieniły, wielkie działa zostały w znacznej mierze wyparte przez artylerię rakietową i tak sobie od dziesiątek lat strzelamy pociskami konwencjonalnymi albo rakietowymi. Nieśmiało pojawiają się odważne koncepcje w postaci np. broni laserowej, która mimo wielu zalet niesie też szereg wad. Częściowym uzupełnieniem tych luk jest broń elektromagnetyczna — railgun oraz coilgun zwany działem Gaussa.

wystrzał z railguna
Wystrzał z railguna - widać potężną kulę ognia i falę balistyczną. Źródło: Wikipedia

Railgun i coilgun —podobieństwa i różnice

Mimo, że zarówno railgun jak i coilgun wykorzystują prąd elektryczny do rozpędzenia pocisku, to ich konstrukcja i zasada działania są odmienne. To, co je łączy to konieczność zastosowania krótkiego, ale potężnego impulsu o wysokim natężeniu, przez co muszą korzystać z kondensatorów. Wszelkie akumulatory czy generatory działają w zbyt rozwleczony w czasie sposób.

Railgun

zasada działania railguna
Schemat działania railguna. Źródło: Wikipedia

 

W przypadku dział szynowych mamy… no cóż, szyny. Dwa kawałki przewodzącego prąd metalu, podpięte od strony „komory nabojowej” do prądu. Między te szyny wprowadzany jest pocisk ze specjalnym zwornikiem, który zamyka obwód i robi wzium w stronę celu — istne czary! Dla lepszej efektywności należy owemu pociskowi nadać wstępnie nieco prędkości, inaczej może się zespawać z szynami. No dobra, ale jak to działa? Otóż prąd elektryczny wytwarza silne pole magnetyczne, które najchętniej odsunęłoby szyny od siebie (siła Lorentza), a pocisk wypędziło precz. Jednak ponieważ szyny są solidnie zamocowane, cała „para” (czyli siła elektrodynamiczna) idzie w wystrzelenie pocisku.

Coilgun

schemat budowy coilguna
Budowa 3-stopniowego coilguna. Źródło: Wikipedia

Działo cewkowe (Gaussa) działa na bazie elektromagnesów. Podatny na pole magnetyczne pocisk umieszczony jest w niemagnetycznej lufie otoczonej pojedynczym solenoidem lub serią cewek. Po podłączeniu takiej cewki do zasilania działa ona jak elektromagnes i przyciąga pocisk do swojego środka. Ale! Jeśli nie wyłączymy zasilania w momencie osiągnięcia centrum cewki, to pocisk zostanie wyhamowany, a nawet może wrócić do strzelca. Cały myk polega na synchronizacji cewek, aby włączały i wyłączały się one w odpowiednich momentach, przyspieszając ruch pocisku — zwykle robi się to z użyciem czujników optycznych. Potencjał coilguna jest mniejszy niż railguna, ma też gorszą sprawność, dlatego to „szynówka” trafiła na stoły wojskowych projektantów.

Potencjał coilguna jest mniejszy niż railguna, ma też gorszą sprawność, dlatego to „szynówka” trafiła na stoły wojskowych projektantów. Ale za to wśród „garażowych” zbrojmistrzów coilgun przyjął się bardzo dobrze, można nawet zakupić gotowy karabinek elektromagnetyczny autorstwa Arcflash Labs. Nie jest oczywiście to zabójcza broń, ale zabawka dla dzieci również. Nazwijmy to Nerfem dla dużych (i bogatych) chłopców. Dziewczynek oczywiście też, żeby nie było.

Krótka historia railguna

Pierwszy działający model działa szynowego powstał już w 1917 roku, a jego twórcą był francuski wynalazca Andre Louis Octave Fauchon-Villeplee. Francuska zbrojeniówka zainteresowała się tematem i zleciła zaprojektowanie działa kalibru 30-50 mm, jednak koniec wojny w 1918 położył kres tej operacji. Dzielny wynalazca nie złożył jednak broni i ostatecznie w roku 1922 zarejestrował swój wynalazek w amerykańskim biurze patentowym. Krytycznie do wynalazku odniósł się rosyjski naukowiec A. L. Korol’kov, zwracając uwagę na energożerność systemu. W owym czasie stanowiło to ogromny problem — zarówno pod względem generowania, jak i przechowywania — co w znacznym stopniu ograniczało wykorzystanie bojowe działa.

schemat nazistowskiego railguna
"Schemat" niemieckiego railguna z II Wojny Światowej. Ciekawe dlaczego im nie wyszło? Źródło: Wikipedia

Nie przeszkodziło to jednak Niemcom spróbować swoich sił na polu wojny elektromagnetycznej. Końcem 1944 roku Joachim Hänsler z hitlerowskiej agencji ds. broni zaprezentował wykonalny koncept elektromagnetycznego działa przeciwlotniczego. Po dopracowaniu szczegółów technicznych Luftwaffe określiło wymagania stawiane przed takim sprzętem: prędkość wylotowa 2000 m/s (czyli jakieś 7200 km/h) i amunicja przenosząca około 0,5 kg ładunków wybuchowych. Planowano montować je w bateriach po sześć sztuk na istniejących platformach FlaK 40, a przewidywana szybkostrzelność miała wynosić 12 strzałów na minutę.

Wprawdzie Niemcy dostali od aliantów łupnia przed ukończeniem choć jednego prototypu, jednak odnalezione po wojnie dokumentacje wzbudziły spore zainteresowanie. Po wnikliwych analizach opublikowano w 1947 roku raport, który potwierdzał prawdopodobieństwo zbudowania takiego działa, jednak pojedynczy wystrzał (nie salwa) pochłaniałby ilość energii wystarczającą do oświetlenia połowy Chicago — a LED-ów wtedy nie mieli. Rozwiązanie nadeszło niedługo później ze strony australijskiego fizyka Sir Marka Oliphanta, który stworzył na potrzeby akceleratora cząstek ogromny generator homopolarny, będący w stanie wyzwolić energię 500 megadżuli w czasie poniżej dwóch sekund.

instalacja artystyczna z generatora homopolarnego sir marka oliphanta
Instalacja artystyczna stworzona z pozostałości generatora homopolarnego Sir Marka Oliphanta. Źródło: Wikipedia

30 lat później…

Kolejne podejście do tematyki działa szynowego miało miejsce dopiero w 1980 roku za sprawą Ballistic Research Laboratory w (a jakże) USA, gdzie rozpoczęto długofalowe działania teoretyczne i eksperymentalne. Skupiono się m.in. na dynamice plazmy, polach elektromagnetycznych, telemetrii oraz transferze prądu i ciepła. Trzeba nadmienić, że wprawdzie badania trwały ciągle, jednak ich kierunek bardzo mocno się zmieniał w zależności od finansowania i wpływów politycznych. Najpierw były to plany stworzenia sieci satelitów do strącania międzykontynentalnych rakiet balistycznych, później uzbrojenie przeciwpancerne dla pojazdów lądowych. Kolejnym etapem były prace nad materiałami i interakcjami między nimi w trakcie wystrzałów.

Od 1993 roku Amerykanie podali sobie grabę z Brytyjczykami i odpalili wspólny projekt railguna, co zaowocowało słynnym testem w 2010, gdzie główną rolę zagrało przeznaczone dla okrętów działo autorstwa BAE Systems. Rzekomo wystrzeliło 7-funtowy pocisk (3,2 kg) z energią 18,4 megadżula, nadając mu prędkość przekraczającą 12 tys. km/h. W idealnych warunkach bez oporów powietrza ten metalowy klocek okrążyłby Ziemię w niecałe 3,5 godziny — robi wrażenie, pytanie na ile wiarygodne są te dane.

Swojego railguna pod nazwą Blitzer System stworzyło też General Atomics, twierdząc w 2013 roku, że będzie gotowy do produkcji „za dwa-trzy lata”. Niestety coś nie pykło. Niemniej opracowali oni bardzo opływowy pocisk w sabocie, który podczas jednego z testów przebił 3 mm stali i poleciał jeszcze 7 kilometrów, mając prędkość początkową „zaledwie” około 5750 km/h. Niedawno swoje podejście do tematu broni elektromagnetycznej rozpoczęli także Chińczycy, jednak skupili się oni na wykorzystaniu plazmy do zmniejszenia oporów dział konwencjonalnych. Wedle przewidywań pozwoli to na dwukrotne zwiększenie prędkości wylotowej pocisków przy o wiele mniejszym zużyciu energii niż w przypadku railguna.

railgun blitzer stworzony przez general atomics

Wady i zalety

No dobra, to co ten railgun daje, że wart sobie nim głowę zawracać? Przede wszystkim bezpieczeństwo składowania amunicji, która nie zawiera materiałów wybuchowych. Gdybym miał wskazać ostatnie miejsce, w którym chciałbym się znaleźć podczas bitwy morskiej, byłby to skład amunicji. Działo szynowe nie musi, a wręcz nie powinno strzelać niczym wybuchowym — cała jego skuteczność oparta jest na prędkości. Przy takich przeciążeniach i temperaturze pocisku (nawet 1000 stopni z samego oporu powietrza) zagrożenie wybuchem w lufie jest ogromne. Choć warto nadmienić o planach amunicji „przeciwpiechotnej”, uwalniającej chmurę metalowych kulek tuż przed osiągnięciem celu.

Sama prędkość pocisku i zasięg nawet przeszło pięciuset kilometrów sprawiają, że ostrzał z railguna jest praktycznie niepowstrzymany i powala razić cele, samemu będąc poza zasięgiem jakiejkolwiek konwencjonalnej broni (poza rakietami, ale te można strącić). A propos strącania — potencjalnie railgun to jedna z najlepszych metod obrony antyrakietowej. Wprawdzie wolniejsza niż laser, ale w zasadzie niewrażliwa na warunki pogodowe.

Ok, to gdzie jest haczyk? Ano w prundzie. Do sensownego działania takiej armaty potrzeba mocy wystarczającej do zasilenia 19 tysięcy domów, a na ten moment niewiele jest jednostek zdolnych tyle produkować samodzielnie. Obecnie USA posiadają trzy takie okręty — niszczyciele klasy Zumwalt. Zbudowanie jednego to koszt ponad 4 miliardów dolarów. Dalej: railgun podczas każdego wystrzału uszkadza swoje szyny — warstwa metalu zamienia się w plazmę i wylatuje wraz z pociskiem. Obniża to znacznie efektywność, bo co strzał to naprawa, że o rozbłysku na wrogich sytemach namierzania nie wspomnę. Ale podobno nad tym pracują. Ach, no i nie można zapomnieć o hałasie — wystrzał porównywalny jest z uderzeniem niewielkiego pioruna.

Obecne i przyszłe zastosowanie dział szynowych

Obecnego zastosowania w zasadzie nie ma. Wszędzie trwają testy, ale bez przełomu w energetyce ten stan utrzyma się jeszcze przez jakiś czas. Z tego samego powodu na razie nie ma co marzyć o broni ręcznej tego typu. Ponadto w związku z rozwojem elektromobilności najpewniej niedługo nastąpi kryzys z surowcami i pewnie trzeba będzie sięgnąć poza Ziemię (no hej Elon, sprawę mam…). Ale paradoksalnie właśnie tutaj może pojawić się zastosowanie dla railguna, ponieważ pojawiły się plany użycia takiej maszynerii do wysyłania w kosmos zapasów, części itp. Oczywiście takich odpornych na przeciążenia setek (jeśli nie tysięcy) G. W idealnych warunkach taki lot kosztowałby około 10-krotnie mniej niż obecne z wykorzystaniem rakiet konwencjonalnych.

Warto przy okazji wspomnieć, że Polska też ma swój udział w railgunowej historii a sprawą projektu Hydra, realizowanego przez studentów krakowskiego AGH. Tworzą oni raczej „samochodową” pod względem rozmiaru wersję działa szynowego. W swoich badaniach szukają sposobu na ograniczenie zużycia prowadnic poprzez zastosowanie ciekłego metalu, zapobiegającego zajarzeniu łuku elektrycznego. Ponadto planują stworzyć kompensator odrzutu i stworzyć gamę pocisków. Ostatnio robili testy na poligonie i dostali dofinansowanie, więc może coś z tego będzie.

Broń elektromagnetyczna w popkulturze

Tutaj to można by poszaleć, więc trzeba się ograniczać. Railgun to wprawdzie dość niszowa idea, której daleko popularnością do np. laserów czy działa plazmowych, ale i tak swoje w popkulturze odegrała. Na pierwszy ogień idzie wspomniany na początku Quake, gdzie railgun wydaje się wręcz nie pasować do rozgrywki. Niska szybkostrzelność, ogromny zasięg i potężne obrażenia sprawiały, że graczy, którzy opanowali tą broń należało się bać. Dlatego właśnie ma tylu fanów, co przeciwników.

railgun z gry quake champions
Railgun z Quake Champions. Źródło: Plus Forward

Wchodzi railgun do baru, a tam Terminator

A skąd w ogóle pomysł railguna w Quake’u? Pomysł wyszedł od Tima Willitsa po obejrzeniu filmu „Egzekutor” z Arnoldem Schwarzeneggerem. Tak, jednym z głównych motywów tej ekranowej uczty były ręczne działa szynowe z celownikami, które pozwalały widzieć przez ściany, skórę itd. X-RAY VISION, BABY! Do tego wspomaganie celowania, przebijanie wszystkiego na wylot i jest przepis na sukces. W filmie te gnaty wystrzeliwały aluminiowe pociski z prędkością podświetlną, a trafiony człek odlatywał jak szarpnięty kinetykiem przez Patrola. Niestety w praktyce byłoby to niemożliwe — pocisk zmieniłby się w smugę plazmy, a gdyby nawet jakimś cudem doleciał w całości, to w celu zostałaby mała dziurka, a potem rozwaliłaby go fala uderzeniowa.

arnold schwarzenegger z dwoma railgunami w filmie egzekutor
Arnie z dwoma działkami EM-1 Railgun w filmie "Egzekutor". Źródło: IMDb

Red ain’t bad

Gdzie jeszcze można ujrzeć railguna? Na przykład w zasłużonej gierce Red Faction, gdzie było to bardzo użyteczne narzędzie wczesnego ostrzegania. Twórcy chyba też oglądali Egzekutora, bowiem rusznica w rękach Parkera również pozwalała widzieć wrogów przez ściany i strzelać do nich wielkim metalowym kolcem. Trafienie oznaczało natychmiastową śmierć wroga, zaś Parker mógł przeżyć, ale tylko z niemal pełnym HP i pancerzem.

widok przez celownik railguna w red faction
Widok przez celownik railguna w Red Faction. Przeciwnik w swoich ostatnich chwilach chyba dosłownie potraktował powiedzenie "shittin' bricks". Źródło: YT/MegaDan5

Railgun, kosmos i roboty

Kolejna pozycja na railgunowej liście to serial The Expanse, gdzie działa szynowe stanowią niemal podstawowe uzbrojenie statków kosmicznych. Ma to sporo sensu ze względu na odrzut i odległości, na których toczą się walki. No i bajerancko wygląda takie niebieskie, świecące wzium. Najbliższy realiom był występ railguna w filmie Transformers 2, gdzie jest to działo okrętowe użyte do strącenia Devastatora z piramidy. Choć oczywiście wygląda nieco futurystycznie, to w sumie reszta się zgadza.

railgun z serialu the expanse
Railgun statku kosmicznego w serialu The Expanse

Oczywiście to tylko kilka z przykładów, jest tego znacznie więcej: Stargate, Babylon 5, Firefly, Andromeda, Halo, Mass Effect czy rodzimy Cyberpunk 2077. No i Gauss gun z serii Fallout na zawsze w serduszku, choć to inna kategoria giwer. Ciekawe czy dożyjemy czasów, gdzie choć część z tych fantazji entuzjastów Sci-Fi się spełni? Jak wpłynie to na rozkład sił na mapie geopolitycznej? Co przyczyni się do przełomu energetycznego? Swoje przemyślenia można zgłaszać w komentarzach.

A jeśli szukasz bardziej konwencjonalnych giwer bez zezwolenia, to zajrzyj do sklepu combat — pewnie znajdziesz coś dla siebie.