Lo slogan "Velocitas Eradico", adottato dalla Marina americana per le sue ricerche sui cannoni ferroviari elettromagnetici, è abbastanza coerente con l'obiettivo finale. Tradotta liberamente dal latino, questa espressione significa "La velocità uccide". Le tecnologie elettromagnetiche si stanno sviluppando con successo nel settore marittimo, aprendo prospettive per le armi offensive e il funzionamento delle portaerei.
Un rapporto scritto da Ronald O'Rurk nell'ottobre 2016 per il Congressional Research Service, intitolato Lasers, Rail Guns, and Hypersonic Projectiles: Background and Challenges for the US Congress, afferma: dai missili da crociera anti-nave (ASM) e anti-nave missili balistici (ABM), alcuni osservatori sono preoccupati per la sopravvivenza delle navi di superficie in possibili scontri di combattimento con avversari come la Cina, che sono armati con moderni missili antinave e missili anti-balistici . La prima e unica MGF al mondo a medio raggio DF-21D (Dufeen-21) sviluppata dall'Accademia cinese di meccanica ed elettronica China Changfeng è stata attivamente discussa nelle marine mondiali; questo razzo è stato mostrato a Pechino nel settembre 2015 alla fine della parata della seconda guerra mondiale. Nel frattempo, il rapporto rileva che la flotta russa continua a schierare la famiglia 3M-54 Calibre di missili antinave e da crociera a terra con guida inerziale/radar satellitare sviluppata dall'ufficio di progettazione Novator.
Mentre alcuni paesi, come la Cina e la Russia, continuano a dotare le loro navi di armi potenti, la Marina degli Stati Uniti, insieme ad altre marine occidentali, è sempre più preoccupata per la sopravvivenza delle sue navi da guerra di superficie. E la riduzione del personale sta costringendo le flotte di tutto il mondo a rivolgersi sempre più a tecnologie promettenti. Ad esempio, secondo il sito web globalsecurity.org, il numero di membri attivi delle forze armate statunitensi dovrebbe diminuire di 200.000 entro la fine del 2017, a 1,28 milioni. In questo contesto, nell'ambito della difesa, le tecnologie elettromagnetiche si stanno sviluppando rapidamente come promettente soluzione a problemi complessi, che sono in gran parte legati all'armamento di potenziali avversari e alla riduzione del personale. Rispetto agli attuali sistemi tradizionali, queste tecnologie, dalle catapulte per portaerei ai cannoni ferroviari (railguns), saranno più convenienti e ridurranno il numero di personale.
Elettricità e magnetismo
L'energia elettromagnetica è una combinazione di campi elettrici e magnetici. Secondo la definizione pubblicata sul sito dell'Organizzazione mondiale della sanità: “I campi elettrici si creano a causa della differenza di tensione, maggiore è la tensione, più forte sarà il campo risultante. I campi magnetici sorgono quando le particelle cariche si muovono: più forte è la corrente, più forte è il campo magnetico."
General Dynamics sta sviluppando EMALS (Electromagnetic Aircraft Launch System), un promettente sistema di lancio per velivoli basati su portaerei, per sostituire le catapulte a vapore, che presentano una serie di svantaggi significativi, tra cui la loro grande massa, le dimensioni e la necessità di immagazzinare un grande volume d'acqua sulla nave, che non può essere portato in mare a causa delle proprietà chimiche aggressive dell'acqua di mare. Il nuovo sistema è costituito da due binari paralleli, costituiti da molti elementi con bobine di induzione, installati all'interno del ponte di volo della portaerei, nonché da un carrello, che è montato sulla ruota anteriore dell'aeromobile. Megan Elke, General Atomics (GA), ha spiegato: “L'eccitazione sequenziale degli elementi di guida crea un'onda magnetica che viaggia lungo le rotaie di guida e forza il carrello e quindi l'aereo lungo l'intera lunghezza delle rotaie di guida alla velocità richiesta per un decollo riuscito dal ponte. Questo processo richiede diversi megawatt di elettricità.
Il principio di funzionamento dell'acceleratore di massa elettromagnetico, aka railgun, aka rail gun, è simile al principio di funzionamento della catapulta elettromagnetica EMALS. I diversi megawatt di energia generati vengono incanalati lungo due binari di guida (proprio come i due binari di guida del sistema EMALS) per creare un campo magnetico. Come spiega John Finkenaur, responsabile delle nuove tecnologie di Raytheon: “Dopo che il sistema ha accumulato una certa quantità di energia, i condensatori (immagazzinano la carica elettrica generata) inviano un impulso elettrico lungo due binari (uno dei quali è caricato negativamente e il altro è positivo), creando un campo elettromagnetico . Sotto l'influenza di questo campo, il proiettile inizia a muoversi in un barile con due lunghi binari ad altissima velocità. Fonti aperte affermano che le velocità possono raggiungere i 7 numeri di Mach (circa 8600 km / h). Il proiettile pesa circa 11 kg e non ha una carica di combattimento. Il corpo del proiettile, riempito con elementi battenti in tungsteno, è racchiuso in un involucro in lega di alluminio, che viene scartato dopo che il proiettile ha lasciato la canna. L'alta velocità dell'incontro del proiettile con il bersaglio, in combinazione con gli elementi che colpiscono, provoca una distruzione significativa senza esplosivi.
Attrazione magnetica
Le catapulte a vapore, che saranno sostituite dal sistema EMALS, sono state installate sulle portaerei in molti paesi dagli anni '50. Per molto tempo sono stati considerati la tecnologia più efficiente, che è in grado, ad esempio, di accelerare un aereo del peso di 27.300 kg a una velocità di 240 km / h da una lunghezza del ponte di 300 metri. Per fare questo lavoro, la catapulta necessita di circa 615 kg di vapore per ogni ingresso, oltre a attrezzature idrauliche, acqua per fermare la catapulta, oltre a pompe, motori elettrici e sistemi di controllo. In altre parole, la tradizionale catapulta a vapore, sebbene svolga perfettamente il suo lavoro, è un'attrezzatura molto grande e pesante che richiede una manutenzione importante. Inoltre, è stato dimostrato che gli urti improvvisi durante il decollo accorciano la vita degli aerei basati su portaerei. Le catapulte a vapore hanno anche restrizioni sui tipi di aerei che possono lanciare; la situazione è particolarmente complicata dal fatto che la massa degli aeromobili è in costante aumento e potrebbe presto accadere che la modernizzazione degli aeromobili basati su portaerei diventi impossibile. Ad esempio, secondo i dati forniti dalla flotta, il caccia basato su portaerei F/A-18E/F Super Hornet di Boeing ha un peso massimo al decollo di 30 tonnellate, mentre il precedente caccia Douglas A-4F Skyhawk, che è stato finalmente ritirato dal servizio a metà degli anni '80, aveva un peso al decollo di 11,2 tonnellate.
Secondo Elke: "Oggi gli aeroplani stanno diventando più pesanti, più veloci e più funzionali, hanno bisogno di un sistema di lancio efficiente con più efficienza e più flessibilità per avere le diverse velocità di lancio necessarie per decollare dal ponte di ogni tipo di aeromobile". Secondo General Atomics, rispetto alle catapulte a vapore, il sistema EMALS sarà del 30% più efficiente, richiedendo meno volume e manutenzione rispetto ai suoi predecessori, il che semplificherà la sua installazione su diverse navi con diverse configurazioni di catapulta. Ad esempio, le portaerei di classe Nimitz hanno quattro catapulte a vapore, mentre l'unica portaerei francese, Charles de Gaulle, ha solo due catapulte. Inoltre, diverse accelerazioni EMALS, adattate al peso al decollo di ciascun tipo di velivolo con o senza equipaggio, contribuiranno all'aumento della vita utile degli scafi degli aeromobili. "Con meno spazio di installazione, una migliore efficienza e flessibilità e una manutenzione e un organico ridotti, EMALS aumenta significativamente le capacità e riduce i costi, il che supporterà ulteriormente lo sviluppo della flotta", ha aggiunto Elke.
Secondo Alexander Chang della società di consulenza Avascent, i cannoni a rotaia hanno anche una serie di vantaggi. "E la cosa principale, ovviamente, è che possono sparare proiettili ad alta velocità dell'ordine di Mach sette senza usare esplosivi". Poiché la fonte di energia del railgun è il sistema di alimentazione generale dell'intera nave, sono esclusi i rischi associati al trasporto di esplosivi o propellenti. Le elevate velocità iniziali del cannone a rotaia, circa il doppio delle velocità iniziali dei cannoni delle navi tradizionali, si traducono in tempi di attacco più brevi e consentono alla nave di rispondere quasi contemporaneamente a più minacce. Ciò è dovuto al fatto che con ogni nuovo proiettile non è necessario caricare cariche di combattimento o propellente. Elke ha osservato che "mediante testate e propellenti, l'approvvigionamento è semplificato, il costo di un colpo e l'onere logistico sono ridotti, mentre le dimensioni relativamente ridotte del cannone a rotaia consentono un aumento della capacità del caricatore … Ha anche un raggio molto più lungo rispetto ad altre armi (ad esempio, con i missili terra-aria usati per proteggere le navi di superficie)”. Il rapporto al Congresso rileva che finora, due prototipi di cannoni ferroviari costruiti da Raytheon e General Atomics per la Marina degli Stati Uniti “possono sparare proiettili a livelli di energia compresi tra 20 e 32 megajoule, che è sufficiente per far percorrere un proiettile di 92-185 km”. Se confrontiamo, quindi, secondo fonti aperte, il cannone navale da 76 mm dell'OTO Melara/Leonardo ha una velocità iniziale dell'ordine di Mach 2,6 (3294 km/h), raggiungendo una gittata massima di 40 km. Finkenaur ha affermato che "il cannone a rotaia può essere utilizzato per il supporto di fuoco delle navi di superficie quando è necessario inviare un proiettile a centinaia di miglia nautiche, oppure può essere utilizzato per bombardamenti a corto raggio e difesa missilistica".
Sfide in arrivo
La tecnologia utilizzata nel sistema EMALS è già in fase di implementazione in produzione. La US Navy, che ha selezionato questa catapulta progettata da General Atomics per il decollo dalle nuove portaerei di classe Ford, ha condotto i suoi primi stress test nel novembre 2016. Sulla prima nave di questa classe, la Gerald R. Ford, sono stati espulsi in mare pesi di zavorra che simulavano un tipico aereo (video sotto). Usato 15 carri a conchiglia di vario peso. I primi lanci si sono conclusi senza successo, ma i seguenti sono stati riconosciuti come riusciti. Ad esempio, un carrello del peso di circa 6800 kg è stato accelerato a una velocità di quasi 260 km / h e un carrello più piccolo del peso di 3600 kg è stato accelerato a 333 km / h. Secondo Elke, il sistema è in fase di produzione e installazione anche sulla portaerei John F. Kennedy, che dovrebbe essere trasferita alla flotta nel 2020. GA è stata inoltre selezionata come unico appaltatore EMALS per la portaerei Enterprise, la cui costruzione dovrebbe iniziare nel 2018. Elke ha osservato che "vediamo anche l'interesse di altri stati nei nostri sistemi di decollo e atterraggio elettromagnetici, poiché vogliono avere nuove tecnologie e velivoli basati su portaerei nelle loro flotte". Tuttavia, vale la pena notare che mentre la tecnologia EMALS è pronta per la produzione, il sistema stesso non può essere installato sulla stragrande maggioranza delle portaerei in servizio a causa della quantità di energia necessaria per il suo funzionamento.
Oltre a quanto sopra, il cannone a rotaia presenta una serie di gravi inconvenienti. Secondo Finkenaur, "uno dei problemi dell'utilizzo della tecnologia elettromagnetica nel settore della difesa è mantenere la canna in ordine e ridurre l'usura della canna dopo ogni lancio di proiettili". Infatti, la velocità con cui il proiettile esce dalla canna provoca una tale usura che nelle prove iniziali la canna doveva essere completamente ricostruita dopo ogni colpo. "La potenza a impulsi comporta la sfida di rilasciare un'enorme quantità di energia e coordinare il lavoro insieme dei moduli di potenza a impulsi per un singolo colpo." Tutti questi moduli devono rilasciare l'elettricità accumulata al momento giusto per creare la forza del campo magnetico necessaria e spingere il proiettile fuori dalla canna. Infine, la quantità di energia necessaria per accelerare il proiettile a tali velocità comporta il problema di confezionare i componenti necessari del cannone in dimensioni fisiche sufficientemente ridotte da poter essere installato su navi di superficie di classi diverse. Per questi motivi, secondo Finkenaur, i cannoni a rotaia di piccole dimensioni potrebbero entrare in servizio nei prossimi cinque anni, mentre è probabile che un cannone a rotaia con una potenza massima di 32 megajoule venga installato su una nave nei prossimi 10 anni.
Iperattività
Secondo Chang, "recentemente la Marina degli Stati Uniti ha iniziato a prestare meno attenzione al miglioramento della tecnologia del cannone ferroviario e ha rivolto la sua attenzione alle capacità del proiettile ipersonico HVP (Hyper Velocity Projectile), che può facilmente adattarsi ai cannoni tradizionali esistenti". In un documento tecnico sull'HVP, pubblicato nel settembre 2012 dall'Ufficio di ricerca della Marina degli Stati Uniti, è descritto come "un proiettile guidato versatile, a bassa resistenza in grado di eseguire una varietà di missioni da una varietà di sistemi d'arma", che, in Oltre al cannone ferroviario, include i sistemi navali standard americani: cannone navale da 127 mm Mk. 45 e supporto per artiglieria avanzato da 155 mm Advanced Gun System sviluppato da BAE Systems. Secondo BAE Systems, un "ingrediente speciale" nel design dell'HVP è la sua resistenza aerodinamica ultra bassa, che elimina la necessità di un motore a razzo, ampiamente utilizzato nelle munizioni convenzionali per estenderne la portata.
Secondo un rapporto del servizio di ricerca CRS, quando spara da un'installazione Mk.45, questo proiettile può raggiungere solo la metà (che è Mach 3, o circa 3704,4 km / h) della velocità che potrebbe raggiungere quando spara da un binario pistola, che, tuttavia, è ancora il doppio della velocità di un proiettile convenzionale sparato da un cannone Mk. 45. Come affermato in un comunicato stampa della Marina degli Stati Uniti, HVP in combinazione con Mk.45 fornirà l'esecuzione di vari compiti, incluso il supporto antincendio per le navi di superficie, amplierà le capacità della flotta nella lotta contro le minacce aeree e di superficie..ma anche con minacce emergenti”.
Secondo Chang, la decisione del Dipartimento di ricerca del Ministero della Difesa di investire fondi significativi nello sviluppo di HVP mira a risolvere il problema del riequipaggiamento delle navi per l'installazione di un cannone ferroviario su di esse. Pertanto, la Marina degli Stati Uniti sarà in grado di utilizzare il proiettile ipersonico HVP sui suoi incrociatori di classe Ticonderoga e sui cacciatorpediniere di classe Arleigh Burke, ciascuno con due cannoni Mk.45. Il cannone ferroviario non è ancora tecnologicamente pronto per l'installazione sui nuovi cacciatorpediniere di classe Zamvolt, il primo dei quali è stato accettato nella Marina degli Stati Uniti nell'ottobre 2016. Ma, almeno alla fine dello sviluppo, il proiettile HVP sarà in grado di entrare nel carico di munizioni dei loro supporti di artiglieria da 155 mm come l'Advanced Gun System. Secondo il comunicato stampa, a gennaio la flotta ha condotto test di tiro di un proiettile HVP da un obice dell'esercito. La Marina degli Stati Uniti non fornisce informazioni su quando l'HVP può entrare in servizio con le sue navi da guerra.
Sviluppi industriali
Nel 2013, BAE Systems ha ricevuto un contratto da 34,5 milioni di dollari dalla Naval Research and Development Administration per lo sviluppo di un cannone ferroviario per la seconda fase del programma di costruzione di prototipi di cannoni. Nella prima fase, gli ingegneri del Centro di sviluppo delle armi di superficie della Marina hanno sparato con successo il prototipo di Raytheon EM Railgun, raggiungendo un livello di energia di 33 megajoule. Secondo BAE Systems, nella seconda fase, l'azienda intende passare dal fuoco singolo a quello a raffica e sviluppare un sistema di caricamento automatico, nonché sistemi di controllo termico per raffreddare la pistola dopo ogni colpo. Nel 2013 BAE Systems ha anche ricevuto un contratto da questo dipartimento per lo sviluppo e la dimostrazione dell'HVP.
La General Atomics ha iniziato a sviluppare la tecnologia dei cannoni ferroviari nel 1983 come parte dell'iniziativa di difesa strategica del presidente Ronald Reagan. L'iniziativa mirava a "sviluppare un programma di difesa missilistica spaziale che potesse proteggere il Paese da un attacco nucleare su larga scala". L'iniziativa perse la sua rilevanza dopo la fine della Guerra Fredda e fu rapidamente abbandonata, anche a causa del suo costo esorbitante. C'erano più che sufficienti problemi tecnici allora, e i cannoni a rotaia non facevano eccezione. La prima versione del cannone a rotaia richiedeva così tanta energia per far funzionare la pistola che poteva essere alloggiata solo in un grande hangar, e quindi, secondo Elke, "negli ultimi otto anni, abbiamo ridotto le dimensioni dell'elettronica e dei semiconduttori e creato condensatori super-grandi."
Oggi, General Atomics ha già sviluppato un cannone ferroviario da 30 megajoule e un cannone ferroviario universale Blitzer da 10 megajoule. Nel frattempo, un condensatore che semplifica il processo di immagazzinamento dell'energia per sparare dai cannoni di soccorso sui veicoli di terra è stato dimostrato con successo nel luglio 2016 a distanza aperta. Elke ha aggiunto a questo proposito: “Abbiamo anche dimostrato con successo la trasportabilità del cannone Blitzer. Il cannone è stato smontato e trasportato dal sito di test di Dagway al sito di test di Fort Sill e lì rimontato per una serie di test di tiro riusciti durante le manovre dell'esercito del 2016.”
Raytheon sta anche sviluppando attivamente la tecnologia dei cannoni ferroviari e un'innovativa rete di energia pulsata. Finkenaur ha spiegato: “La rete è composta da molti contenitori di energia pulsata lunghi 6,1 m e alti 2,6 metri, che ospitano dozzine di piccoli blocchi chiamati moduli di alimentazione pulsata. Il lavoro di questi moduli è quello di accumulare l'energia necessaria per pochi secondi e rilasciarla in un istante. Se prendiamo il numero richiesto di moduli e li colleghiamo insieme, allora possono fornire la potenza necessaria per il funzionamento del cannone a rotaia.
Controbilanciare le minacce
In un discorso dell'aprile 2016 a Bruxelles, il vicesegretario alla Difesa americano Bob Work ha osservato che "sia la Russia che la Cina stanno migliorando la capacità delle loro forze per le operazioni speciali di operare in mare, a terra e in aria su base giornaliera. Stanno diventando piuttosto forti nel cyberspazio, nelle contromisure elettroniche e nello spazio". Le minacce poste da questi sviluppi hanno costretto gli Stati Uniti e i paesi della NATO a sviluppare la cosiddetta "Terza Strategia di Contrappeso" TOI (Terza Iniziativa di Compensazione). Come ha dichiarato l'allora ministro della Difesa Heigel nel 2014, l'obiettivo del TOI è quello di eguagliare o dominare le capacità militari di Cina e Russia, sviluppate attraverso l'introduzione della tecnologia più recente. In questo contesto, i cannoni ferroviari, e in particolare i proiettili ipersonici, rappresentano capacità chiave per contrastare o neutralizzare le potenziali minacce poste dalle armi di Cina e Russia, menzionate nella parte introduttiva dell'articolo.
