Pháo điện từ - Viễn tưởng hay thực tế
Thứ Sáu, 2 tháng 3, 2012
Sau nhiều năm thử nghiệm trong quy mô phòng thí nghiệm, bắt đầu từ tháng 2 này, hải quân Mỹ sẽ lần đầu tiên bắn thử các nguyên mẫu pháo điện từ quy mô công nghiệp do 2 hãng BAE và General Atomic sản xuất. Đây là 1 bước tiến quan trọng có thể dẫn đến việc sử dụng loại vũ khí hoàn toàn mới này trong thực tế, đặc biệt là khi dự án này từng suýt bị hủy bỏ do ngân sách quốc phòng bị cắt giảm.
Cho đến nay hầu hết những gì công chúng biết về pháo điện từ là việc nó xuất hiện trong phim Transformers 2, khi một tàu chiến dùng pháo điện từ để bắn hạ robot Devastator trên đỉnh kim tự tháp. Vậy trên thực tế pháo điện từ là gì và triển vọng của nó trong thực tế như thế nào?
Hình 1 - Hình ảnh pháo điện từ xuất hiện trong phim Transformers 2
Pháo điện từ là gì
Pháo điện từ có nguyên lý hoạt động gần giống với động cơ điện. Nếu như trong động cơ điện, sự tương tác giữa từ trường và dòng điện tạo nên chuyển động xoay của trục động cơ thì trong pháo điện từ sự tương tác này tạo ra chuyển động thẳng của viên đạn. Pháo điện từ có thể có nhiều dạng khác nhau. Dạng phổ biến nhất có cấu tạo cơ bản gồm 3 phần chính: nguồn điện, 2 ray dẫn kim loại song song, và phần lõi dẫn điện, có thể trượt dọc theo 2 thanh ray trên.
Một dòng điện được truyền từ nguồn điện, qua ray cực dương, lõi dẫn điện, ray âm và trở về lại nguồn. Khi dòng điện chạy qua 2 ray kim loại, nó tạo ra một từ trường có hướng thẳng đứng. Từ trường này tương tác với dòng điện có hướng nằm ngang trong phần lõi. Sự tương tác này sinh ra lực Lorentz có hướng vuông góc với cả từ trường và dòng điện, đẩy phần lõi về phía trước. Khi phần lõi (tức là đầu đạn của pháo điện từ) tách khỏi 2 thanh ray thì dòng điện cũng bị ngắt, cho đến khi 1 lõi (đầu đạn) khác được nạp vào.
Hình 2 - Nguyên lý hoạt động của pháo điện từ
Ưu điểm lớn nhất của pháo điện từ là nó có sơ tốc đầu đạn cao hơn nhiều so với pháo truyền thống. Pháo điện từ của hải quân Mỹ vừa được thử nghiệm có sơ tốc đầu đạn hơn 2,700 m/giây, tức 8 lần tốc độ âm thanh, gấp đôi các loại pháo truyền thống. Với vận tốc này, ngay cả 1 viên đạn súng trường bộ binh cũng có đủ động năng để xuyên thủng lớp giáp của 1 xe tăng hạng nặng. Và trên lý thuyết, sơ tốc này có thể đạt đến 16,000 m/giây. Sơ tốc cao cũng đồng nghĩa với tầm bắn xa hơn. Mục tiêu chương trình pháo điện từ của quân đội Mỹ là đạt được tầm bắn 400 km.
Một lợi điểm nữa là pháo điện từ loại bỏ nhu cầu phải mang theo chất nổ làm thuốc phóng, do đó nó an toàn hơn trong vận hành và di chuyển. Ngoài ra, do cơ cấu vận hành đơn giản hơn, pháo điện từ cũng có nhịp bắn cao hơn so với pháo thường, nếu được cung cấp điện đầy đủ.
Triển vọng trong thực tế
Giống như trong Tranformers 2, dự án pháo điện từ mà hải quân Mỹ đang thực hiện sẽ được trang bị cho tàu chiến. Với sơ tốc đầu đạn và tầm bắn rất lớn của mình, pháo điện từ có thể có đóng 2 vai trò chính là bắn phá các mục tiêu nằm sâu trong đất liền, và bắn chặn các tên lửa diệt hạm, bảo vệ cho tàu chiến. So với các phương tiện khác như xe thiết giáp, máy bay, tàu chiến thích hợp với pháo điện từ hơn vì nó có khả năng cung cấp một lượng điện năng lớn. Ngoài ra, tàu chiến sẽ phải lênh đênh trên biển trong nhiều ngày liền, việc tiếp tế rất khó khăn. Pháo điện từ không cần sử dụng thuốc phóng nên sẽ tiết kiệm được không gian và tải trọng.
Lần gần đây nhất mà pháo hạng nặng được dùng để bắn phá mục tiêu trên bộ trong một cuộc chiến lớn là vào năm 1991, khi thiết giáp hạm USS Iowa bắn phá các mục tiêu của Iraq trong cuộc chiến Vùng Vịnh lần 1. USS Iowa, đã từng tham gia thế chiến thứ 2, được trang bị tổng cộng 9 đại pháo hạng nặng, cỡ nòng 16 inch (406 mm). Chúng có tầm bắn tối đa 40 km, với nhịp bắn 2 phát/phút.
Trong khi đó, mục tiêu của dự án pháo điện từ là đạt tầm bắn từ 200 đến 400 km, và nhịp bắn từ 6 đến 10 phát/phút. Nếu đạt được mục tiêu này, một tàu chiến có thể dội một cơn mưa kim loại xuống mục tiêu nằm sâu trong đất liền với chi phí rẻ hơn nhiều so với việc dùng tên lửa hay máy bay. Điểm cao nhất trên đường đạn của nó cách mặt đất 150 km, tức là đã ra khỏi tầng khí quyển, khi đó viên đạn sẽ lao xuống mục tiêu gần giống như một thiên thạch. Nó không cần chất nổ để gây thiệt hại mà chỉ cần dùng động năng tạo ra bởi vận tốc va chạm lớn của mình.
Hình 3 - Tàu USS Iowa khai hỏa 9 khẩu pháo hạng nặng của mình
Ngoài ra, vận tốc cực lớn của đạn bắn ra từ pháo điện từ cũng thích hợp cho việc bắn chặn các tên lửa diệt hạm, hoặc máy bay đối phương. Trong thời kì chiến tranh lạnh, pháo điện từ từng được thử nghiệm bắn hạ các tên lửa đạn đạo hạt nhân tầm xa, hay để chống vệ tinh.
Những thử thách trước mắt
Mặc dù có những tiềm năng lớn như vậy, pháo điện từ vẫn còn 1 chặng đường dài trước khi có thể được sử dụng trong thực tế chiến trường. Thách thức lớn nhất là nguồn cung cấp điện. Để tạo được sơ tốc lớn cho đầu đạn, dòng điện cung cấp cho pháo điện từ cần có cường độ rất lớn, lên đến hàng triệu ampe. Nó đòi hỏi không chỉ một máy phát công suất lớn mà còn nhiều tụ điện khổng lồ. Các tụ điện này tích tụ năng lượng điện từ máy phát cho đến khi đủ để phóng ra 1 dòng điện mạnh như trên.
Những tàu chiến hiện nay không thể cung cấp đủ năng lượng điện cần thiết cho pháo điện từ. Một phần lớn năng lượng tạo ra từ động cơ chính được truyền đến trục chân vịt thông qua các cơ cấu truyền động cơ khí, chỉ một phần được chuyển thành điện năng để cung cấp cho các hệ thống thiết yếu trên tàu.
Các mẫu tàu chiến mới, tiêu biểu là khu trục hạm lớp Zumwalt của hải quân Mỹ, được cho là sẽ cung cấp giải pháp cho vấn đề này. Trong Zumwalt, các cơ cấu truyền lực cơ khí như hộp số, trục chân vịt bị loại bỏ. Toàn bộ năng lượng sản sinh ra từ các động cơ turbin khí sẽ được chuyển hóa thành điện năng. Lượng điện năng này có thể được phân bổ tùy ý cho các thiết bị trên tàu tùy theo nhu cầu, bao gồm cả động cơ đẩy chạy bằng điện. Do vậy, Zumwalt có thể cung cấp một lượng điện năng gấp 10 lần các tàu chiến thông thường.
Với lượng điện năng lớn như vậy, Zumwalt có thể cung cấp đủ điện cho pháo điện từ. Tuy vậy, nếu phải sử dụng thường xuyên, nó có thể vẫn phải hy sinh điện năng cho động cơ đẩy để nạp điện cho súng, nghĩa là tàu sẽ phải chạy chậm lại khi sử dụng pháo điện từ. Cách thức triệt để nhất cho vấn đề điện năng có thể là việc dùng năng lượng hạt nhân.
Hình 4 - Mô hình khu trục hạm Zumwalt
Một vấn đề nữa là vật liệu chế tạo đầu đạn phải có thể chịu được gia tốc và nhiệt lượng khổng lồ sinh ra do tốc độ cao. Khi được bắn đi, viên đạn có thể phải chịu một gia tốc tới 100,000G (gia tốc trọng trường) so với khoảng 15,000G của pháo thường, hay 9G của các phi công máy bay chiến đấu. Và khi di chuyển với tốc độ cao, ma sát với không khí cũng đủ để sinh ra nhiệt lượng rất lớn có thể làm tan chảy nhiều loại vật liệu. Như trong hình dưới, chụp cảnh 1 viên đạn pháo điện từ được bắn thử, luồng lửa phát ra hoàn toàn là do ma sát với không khí.
Hình 5 - Một cuộc bắn thử pháo điện từ. Luồng lửa tạo ra do ma sát giữa viên đạn và không khí
Ngoài ra, mọi vật liệu dẫn điện đều có 1 điện trở nhất định, khi dòng điện chạy qua sẽ sinh ra nhiệt. Dòng điện càng lớn thì nhiệt lượng này càng cao. Do cường độ lớn của dòng điện trong pháo điện từ, có thể tới hàng triệu ampe, 2 thanh ray cũng phải chịu một nhiệt lượng cực lớn.
Cuối cùng, dòng điện trong 2 thanh ray có hướng ngược nhau, do đó chúng cũng sinh ra lực đẩy, có xu hướng tách 2 thanh ray ra xa nhau. Vật liệu chế tạo thanh ray cũng phải đủ bền để giữ không cho chúng bị cong hay gãy.
Do những khó khăn này mà dự kiến phải đến khoảng năm 2020 pháo điện từ mới có thể được đưa vào sử dụng chính thức. Và đó là nếu như nó không bị cắt ngân sách nửa chừng.
Ý kiến bạn đọc [ 0 ]
Ý kiến của bạn