Thời gian gần đây, truyền thông liên tục đưa tin về việc Mỹ và Trung Quốc đẩy nhanh quá trình nghiên cứu, chế tạo và đưa vào ứng dụng pháo điện từ – một trong những loại pháo có sức công phá lớn nhất hiện nay. Tuy nhiên, xét từ nhiều khía cạnh, Mỹ hiện vẫn là nước dẫn đầu về công nghệ chế tạo vũ khí trên.
Nguyên lý hoạt động
Pháo điện từ, còn gọi là pháo năng lượng xung điện từ, là hệ thống vũ khí động năng kiểu mới sử dụng công nghệ phóng bằng điện từ, lấy lực điện từ để bắn ra đạn pháo tốc độ rất cao, hủy diệt mục tiêu bằng động năng cực lớn. So với các loại pháo truyền thống bắn đạn bằng năng lượng hóa học nhờ sử dụng thuốc phóng đốt cháy tạo áp lực luồng khí, thì pháo điện từ có rất nhiều ưu điểm: Khi bắn không có tiếng nổ đầu nòng, không có màn khói, không có khói lửa đầu nòng, giữ độ bí mật khi bắn rất tốt; viên đạn thể tích nhỏ, trọng lượng nhẹ, chịu lực cản khi bay trong không khí nhỏ, tính ổn định khi bắn tốt, sơ tốc cao, tầm bắn xa (dễ dàng bắn xa tới trên 100 km), sức mạnh sát thương rất lớn; không bị ảnh hưởng bởi nguyên liệu thuốc phóng tạo lực đẩy, điện năng có thể được tạo ra từ bất cứ nguồn năng lượng nào, có thể căn cứ theo tính chất và cự ly của mục tiêu để điều tiết, lựa chọn năng lượng phù hợp, điều chỉnh tầm bắn của viên đạn, hiệu quả khá cao; toàn bộ quá trình bắn do máy tính điều khiển, nên có thể đạt độ chính xác cao.
Theo nguyên lý, có thể phân chia pháo điện từ thành các loại pháo cuộn dây, pháo ray và pháo tiếp nối (reconnection gun). Pháo cuộn dây phát triển sớm nhất, được tạo thành từ cuộn dây cố định và cuộn dây viên đạn. Cuộn dây cố định có tác dụng tương đương với nòng pháo, sau khi đóng điện sẽ hình thành từ trường vận động, đồng thời sinh ra dòng điện cảm ứng trong cuộn dây viên đạn, sử dụng điện từ trường và dòng điện cảm ứng tác động lẫn nhau để tạo gia tốc cuộn dây viên đạn, từ đó khiến viên đạn được bắn đi với tốc độ cao.
Pháo từ ray, còn gọi là pháo ray dẫn, sử dụng lực điện từ tác động lẫn nhau giữa dòng điện trên ray dẫn để phóng viên đạn đi. Kết cấu của pháo từ ray hết sức giản đơn, bao gồm ray dẫn, cấu kiện bắn, hệ thống cáp điện và hệ thống điều khiển. Cấu kiện phóng gồm viên đạn, cán đạn loại nhẹ và tấm đẩy, cùng trục dẫn điện đặt giữa hai đường ray. Cán đạn dùng cố định viên đạn. Năng lượng điện cần thiết để bắn đạn đi là xung mạch được hình thành từ mạng điện, tổ hợp tích điện hoặc thiết bị xoay chuyển cơ khí. Mạng hình thành xung mạch được nối điện với 1 đường ray, dòng điện qua trục dẫn truyền sang đường ray kia, từ đó xung quanh hai đường ray lần lượt sinh ra từ trường mạnh vuông góc thẳng đứng với đường ray, cũng như một lực tác động ngược chiều dòng điện. Từ trường và dòng điện chạy qua trục điện tác động lẫn nhau, tạo ra lực Lorentz dọc nòng pháo, khiến cho gia tốc cấu kiện phóng và điện từ dọc trục điện đạt tốc độ siêu cao. Khi cấu kiện phóng rời nòng pháo, viên đạn tách khỏi cán đạn, trục điện và tấm đẩy, đạn bắt đầu bay tới mục tiêu. Chính vì kết cấu pháo ray giản đơn, dễ thực hiện, nên đã trở thành trọng điểm phát triển pháo điện từ hiện nay. Khẩu pháo điện từ xuất hiện sớm nhất trên thế giới do Marshall, John Barber cùng các nhà vật lý học của Đại học quốc gia Australia sáng chế. Khẩu pháo này có thể phóng viên đạn nặng 3 gam từ ray dẫn dài 5 mét đi với gia tốc 5900m/ giây. Kết quả thử nghiệm đã thu hút sự quan tâm của giới quân sự các nước. Từ thập niên 80 Thế kỷ 20 đến nay, Mỹ, Liên Xô/ Nga, Anh, Pháp, Trung Quốc, Nhật Bản, Israel, Đức, Hà Lan, Đan Mạch đã lần lượt xây dựng phòng thí nghiệm, đầu tư nhiều công sức của để nghiên cứu loại pháo này.
Pháo tiếp nối là hình thức phát triển mới nhất của pháo điện từ, là trang bị phóng điện từ kiểu không tiếp xúc với gia tốc đa cực. Pháo tiếp nối không có nòng pháo, nó đòi hỏi viên đạn trước khi đưa vào khẩu pháo cần có 1 sơ tốc nhất định. Nguyên lý làm việc của loại pháo này là sử dụng 2 từ trường tiếp nối để phóng vật thể. Khi 2 từ trường tác động lẫn nhau đồng thời mở rộng thành một dung tích hoặc kết cấu từ trường mới, viên đạn sẽ được đẩy ra phía trước với tốc độ rất cao. Là khẩu pháo không có nòng, pháo tiếp nối không tồn tại vấn đề nhiệt quá nóng hoặc bị ăn mòn do quá trình đốt, nên được coi là hình mẫu ban đầu của pháo điện từ siêu cao tốc sử dụng trên vũ trụ trong tương lai.
Mỹ đang dẫn đầu về công nghệ pháo điện từ
Trong lĩnh vực pháo điện từ, Mỹ ở địa vị dẫn đầu. Năm 1978, Bộ Quốc phòng Mỹ đã thành lập “Ủy ban hỗn hợp chuyên nghiên cứu về pháo điện từ”, phối hợp giữa quân đội, Bộ Năng lượng, Cục Năng lượng nguyên tử quốc phòng và cơ quan sáng kiến phòng thủ chiến lược, tiến hành phân công các công việc nghiên cứu có liên quan. Năm 1980, pháo điện từ chế tạo thử nghiệm phục vụ cho chiến lược “Chiến tranh giữa các vì sao” do Công ty Star House của Mỹ sáng chế đã sử dụng máy phát điện một chiều 17,5 MJ làm nguồn điện, đưa viên đạn 300g đạt gia tốc 5.000m/giây. Sau đó, các cơ quan nghiên cứu đã tăng thêm trọng lượng cho viên đạn, sơ tốc cũng không ngừng tăng cao. Đến sau thập niên 90 Thế kỷ 20, Mỹ đã lần lượt giải quyết được hàng loạt vấn đề nan giải về kỹ thuật như “‘đốt cháy làm mòn vòng điện”, “bào vẹt do tốc độ cao” đối với pháo ray điện từ (electromagnetic (EM) railgun) cỡ nòng hạng trung và lớn, giúp cho việc nghiên cứu pháo điện từ bước vào giai đoạn ứng dụng công trình.
Năm 2005, tại Trung tâm tác chiến mặt nước (NSWCDD), Cục Nghiên cứu hải quân Mỹ chính thức khởi động kế hoạch “Nguyên mẫu hải quân mang tính sáng tạo” (INP), Hải quân Mỹ bắt đầu đưa pháo ray điện từ ra khỏi phòng thí nghiệm. Công ty điện tử Aviation và Công ty Phòng vệ liên hợp (Bộ phận vũ khí trang bị mặt đất của Công ty hệ thống BAE hiện nay) phụ trách công tác nghiên cứu kỹ thuật và thiết kế ban đầu pháo ray điện từ 32 MJ. Sở dĩ quân đội Mỹ ưu tiên nghiên cứu chế tạo pháo ray điện từ trang bị trên tàu chiến, vì so với xe thiết giáp trên bộ, không gian để lắp đặt và khả năng cung cấp nguồn điện trên tàu chiến lớn hơn. Ngoài ra, tàu chiến cỡ lớn và vừa có thể triển khai ở vùng biển xa, có thể mở rộng chiều sâu phòng ngự và phạm vi tiến công.
Ngày 31/1/2008, NSWCDD đã tiến hành bắn thử pháo ray điện từ, động năng đầu nòng pháo lên tới 10 MJ. Ngày 10/12/2010, NSWCDD tiến hành 2 lần bắn thử pháo ray điện từ. Lần bắn thử thứ nhất đã đưa gia tốc viên đạn nhôm nặng 20 pound (khoảng 9kg) đạt tốc độ 5 Mach, động năng đầu nòng lên tới 33 MJ. Lần thử nghiệm thứ hai, động năng đầu nòng 32 MJ. Ngoài động năng tăng dần lên, Quân đội Mỹ còn cho biết, tầm bắn của viên đạn lên tới 200 km.
Theo kế hoạch của INP, Công ty điện tử Aviation và Công ty hệ thống BAE (sau đây gọi tắt là BAE) tham gia dự thầu pháo mẫu trình diễn giai đoạn 1. Năm 2012, 2 công ty này lần lượt giao cho NSWCDD nguyên mẫu trình diễn pháo ray điện từ do họ tự sáng chế. Qua thử nghiệm so sánh, ngày 1/7/2013, Hải quân Mỹ đã lựa chọn sản phẩm của BAE, và công ty này đã trở thành nhà thầu chính chế tạo nguyên mẫu giai đoạn 2 pháo ray điện từ. Năm 2014, Hải quân Mỹ đưa nguyên mẫu pháo ray điện từ do BAE nghiên cứu chế tạo lắp đặt trên boong phía sau tàuMillinocket (JHSV-3) thuộc lớp tàu cao tốc liên hợp Spearhead (JHSV). Theo kế hoạch, mùa Hè năm 2016 Mỹ bắt đầu thử nghiệm trên biển. Nhưng do kích thước của pháo mẫu quá lớn, buộc phải để cho BAE tiếp tục cải tiến.
Tháng 1/2017, Trưởng ban Tác chiến Hải quân John M. Richardson thị sát NSWCDD, tham quan nguyên mẫu pháo ray điện từ đầu tiên đã qua cải tiến đang trong quá trình thử nghiệm. Khi đó báo chí Mỹ đưa tin, khẩu pháo này sẽ được trang bị trên chiếc thứ 5 thuộc lớp tàu vận tải cao tốc viễn chinh Spearhead (tháng 9/2015, hải quân Mỹ đổi tên tàu cao tốc liên hợp thành tàu vận tải cao tốc viễn chinh) mang tên Trenton để tiến hành thử nghiệm trên biển. Tháng 5/2017, Hải quân Mỹ lại quyết định tạm hoãn thử nghiệm trên tàu Trenton. Nguyên nhân là chi phí thử nghiệm trên bộ thấp hơn, hiệu quả tốt hơn. Theo tư liệu công khai của quân đội Mỹ, sau khi cải tiến, sơ tốc đầu nòng của nguyên mẫu pháo ray điện từ là 2.500 m/giây, viên đạn được bắn ra có tốc độ 5 Mach, tốc độ bắn trên 6 phát/phút. Khi chi viện hỏa lực ngắm bắn trực tiếp, viên đạn có thể bắn trúng mục tiêu trong vòng 6 giây. Do động năng viên đạn rất lớn, hiệu quả sát thương lớn gấp từ 3 đến 5 lần so với pháo tàu chiến hiện có. Tầm bắn xa nhất tuy chưa xác định rõ, nhưng Quân đội Mỹ hy vọng đến trước năm 2030 sẽ đưa tầm bắn xa nhất lên tới 321 km, động năng đầu nòng lên 64 MJ. Báo chí Mỹ tiết lộ, tàu khu trục lớp Elmo Zumwal số 3 mang tên Lyndon Baines Johnson trong tương lai sẽ nhiều khả năng được trang bị pháo ray điện từ.
Đối với pháo ray điện từ, phạm vi ứng dụng theo ý tưởng của Lục quân Mỹ càng rộng hơn, bao gồm pháo tăng, hỏa tự hành và hệ thống phòng không. Tuy nhiên, do hiện nay còn chưa biết chắc chắn kết quả cụ thể ra sao, do đó pháo ray điện từ của hải quân vẫn rất được quan tâm, cho rằng chỉ cần cải tiến thêm chút ít về kích thước và trọng lượng là pháo ray (phiên bản dùng cho hải quân) có thể lắp đặt được trên xe chiến đấu bộ binh Bradley và xe thiết giáp bánh hơi Stryker.
Đáng chú ý, ngày 22/7/2017, tàu sân bay sử dụng động cơ chạy bằng năng lượng hạt nhân thế hệ mới mang tên Gerald R. Ford chính thức được đưa vào biên chế sử dụng. Thiết bị phóng bằng điện từ hoàn toàn mới sử dụng trên tàu này được đánh giá có nhiều ưu điểm. Thiết bị phóng bằng hơi nước C-13-1 dùng trên tàu sân bay sử dụng động cơ chạy bằng năng lượng hạt nhân lớp Nimiz khi phóng sẽ tạo ra quá tải lớn nhất lên tới 6G, gia tốc bình quân trong cả hành trình chỉ hơn 2G một chút, phi công lái máy bay F/A-18 thường chế nhạo rằng, giai đoạn sau của thiết bị phóng bằng hơi nước thường không tăng tốc nhanh bằng động cơ của chính máy bay. Giai đoạn khởi động lực đẩy của thiết bị phóng bằng điện từ không bị lực xung kích mang tính phát nổ đột ngột giống như khi phóng bằng thiết bị hơi nước, gia tốc lớn nhất có thể giảm xuống 3G. Điều này không những có lợi cho kết cấu và tuổi thọ máy bay, mà còn cải thiện rất tốt đối với khả năng chịu đựng của cơ thể phi công. Gia tốc phóng bằng điện từ không liên quan đến độ dài của thiết bị phóng, ngoài bị ảnh hưởng bởi lực cản khí động học và lực ma sát, từ giai đoạn đầu đến giai đoạn cuối khi phóng, về cơ bản không xuất hiện sự thay đổi đột ngột, không có hiện tượng giảm dần về gia tốc như phóng bằng thiết bị hơi nước. Theo tính toán, nếu tăng tốc bình quân như nhau thì máy bay sử dụng thiết bị phóng bằng điện từ có thể tăng tải trọng lên 15% đến 85% so với phóng bằng thiết bị hơi nước.
Không những vậy, đầu ra công suất của thiết bị phóng bằng hơi nước phụ thuộc vào van công suất tốc độ. Thiết bị này sử dụng phương thức điều khiển lưu lượng hơi nước để điều khiển công suất đầu ra của thiết bị phóng, tính năng có thể điều tiết đầu ra của máy móc lớn nhất đạt tỉ lệ khoảng 1:6. Đầu ra công suất của thiết bị phóng bằng điện từ lại do hệ thống đường điện điều khiển. Kinh nghiệm thay đổi dòng điện dân dụng công suất lớn đã cho thấy, thay đổi trong tỷ lệ 1:100 là tương đối dễ. Để có thể phóng chiếc máy bay từ 4,5 đến 45 tấn, tốc độ phóng mỗi giờ 100 đến 400 km. Hải quân Mỹ trong tương lai sẽ sử dụng rất nhiều máy bay không người lái (UAV) có trong lượng khác nhau, thiết bị phóng bằng hơi nước rất khó đáp ứng được yêu cầu này.
Ngoài ra, diện tích chiếm dụng trên boong tàu của thiết bị phóng bằng điện từ rút nhỏ lại 1/3 so với thiết bị phóng trước đây, đồng thời trọng lượng giảm đi một nửa. Điều này rất có lợi cho thiết kế mang tính ổn định của tàu sân bay. Không gian tiết kiệm được có thể dùng để tăng thêm số lượng máy bay chuyên dụng trên tàu, khiến hiệu quả tác chiến nâng cao. Thiết bị phóng bằng điện từ trong điều kiện hệ thống hoàn toàn ở trạng thái lạnh (trạng thái khi chưa sử dụng), trong 15 phút là có thể phóng, khắc phục được hạn chế về khả năng sẵn sàng chiến đấu của thiết bị phóng bằng hơi nước. Đặc biệt là khi ứng phó với tình huống xảy ra bất ngờ, tốc độ phản ứng của thiết bị phóng bằng điện từ sẽ có độ tin cậy cao hơn khá nhiều so với thiết bị phóng bằng hơi nước.
Điểm lại một số mốc quan trọng của Mỹ khi nghiên cứu pháo điện từ
Ngay từ năm 1945, Quân đội Mỹ đã liên kết với Công ty điện lực Westinghouse chế tạo một thiết bị phóng bằng điện từ trên sân bay Hawaii, có thể đưa máy bay nặng 4 tấn từ cự ly 178m tăng tốc lên 180 km/giờ, tạo ra sự chênh lệch rất lớn so với thiết bị phóng thủy lực chủ chốt thời đó. Sau này, mãi đến thập niên 80 Thế kỷ 20, Hải quân Mỹ mới bắt đầu khởi động lại dự án phát triển thiết bị phóng bằng điện từ, đã chi tiền cho Công ty hệ thống điện từ Kaman để họ thiết kế chế tạo một máy mẫu kích thước bằng 1 nửa máy thật để kiểm chứng nguyên lý làm việc, máy này có thể cung cấp lực đẩy 529,5 Kilonewton (Kn).
Tháng 12/1992, Trung tâm tác chiến không quân của Hải quân Mỹ cùng Công ty hệ thống điện từ Kaman ký hợp đồng nghiên cứu chế tạo giai đoạn kiểm chứng cấu kiện then chốt của hệ thống phóng bằng điện từ trên tàu sân bay. Công ty Kaman dự tính hệ thống phóng bằng điện từ đúng kích thước trên tàu sân bay sẽ có trọng lượng giảm đi 1.000 tấn so với hệ thống phóng bằng hơi nước khi đó; hệ thống thích hợp vào vị trí lắp đặt của thiết bị phóng bằng hơi nước C13-2, có thể cung cấp nguồn điện độc lập cho hệ thống đẩy chính; có thể căn cứ theo các yếu tố như chủng loại máy bay, trọng lượng và tốc độ gió để điều chỉnh lực đẩy và gia tốc. Năm 1994, chuyên gia hàng đầu dự án hệ thống phóng bằng điện từ trên tàu sân bay là Mike Doyle cùng với các đồng sự tin tưởng chắc chắn vào tiến triển trên các mặt như nguồn điện xung mạch, chuyển đổi nguồn điện, tích điện và điều khiển, đã có thể đảm bảo thực hiện được các công đoạn cuối cùng đối với thiết bị phóng bằng điện từ trên tàu sân bay. Cuối thập niên 90 thế kỷ trước, Hải quân Mỹ xác định đưa dự án CVX (tức tàu sân bay Gerald R. Ford CVN-78) làm phương tiện sử dụng thiết bị phóng bằng điện từ.
Tháng 12/1999, Trung tâm tác chiến không quân của Hải quân Mỹ và 2 công ty hàng đầu về công nghiệp quân sự là Công ty Northrop Grumman và Công ty General Atomics lần lượt ký kết hợp đồng, ủy thác đánh giá dự án thiết bị phóng điện từ trên tàu sân bay và nghiên cứu thử nghiệm giai đoạn giảm thấp rủi ro. Đầu năm 2004, Trung tâm tác chiến không quân của Hải quân Mỹ sau khi thẩm tra hệ thống thử nghiệm của 2 công ty, đã quyết định lựa chọn Công ty General Atomics làm chủ thầu thiết bị phóng bằng điện từ, đồng thời tháng 4/2004 đã hợp đồng có thời hạn 5 năm với General Atomics, giá trị hợp đồng là 145 triệu USD, nhưng riêng đối với bộ biến tần tuần hoàn công suất lớn, thỏa thuận thời gian của 2 bên lại là 7 năm. Bộ biến tần tuần hoàn công suất lớn là “nút thắt” kỹ thuật thực sự của thiết bị phóng bằng điện từ, cũng là cấu kiện then chốt nhất, độ phức tạp kỹ thuật lớn nhất. Việc thiết kế vô cùng phức tạp, không những đòi hỏi đưa 24 pha của 4 máy phát điện xoay chiều truyền điện năng chính xác vào đầu modul, mà còn phải quản lý chính xác 298 modul điện từ của máy phát điện một chiều; cấu kiện di động vận hành trong vòng chưa đến 0,35 giây để khối điện từ nạp điện; ngừng cấp điện trong vòng 0,2 giây sau khi cấu kiện trượt qua, đồng thời chuyển điện năng đến một modul khác.
Năm 2007, việc đánh giá thiết kế then chốt dự án phát triển và kiểm chứng hệ thống phóng bằng điện từ đã hoàn thành. Tháng 3/2008 hoàn thành nghiệm thu tại Nhà máy điện cơ chuyên chế tạo thiết bị tích điện; tháng 4/2008 hoàn thành thử nghiệm máy phát điện một chiều của thiết bị phóng điện từ đủ kích cỡ. Tháng 6/2009, Công ty General Atomics nhận được hợp đồng trị giá 573 triệu USD, đảm nhận nhiệm vụ sản xuất và bàn giao thiết bị phóng bằng điện từ trên tàu sân bay Gerald R. Ford .
Ngày 18/12/2010, tại căn cứ tổng hợp thuộc bang New Jersey, một máy bay chiến đấu Super Hornet F/A-18E đã thử nghiệm thành công sử dụng thiết bị phóng bằng điện từ, sau đó hơn 100 chiếc máy bay chuyên dụng trên tàu sân bay gồm máy bay huấn luyện T-45C, máy bay vận tải C-2A, máy bay cảnh báo sớm E-2D đã tiến hành phóng thử nghiệm. Ngày 18/11/2011 lại phóng thành công 1 máy bay F-35C bằng thiết bị phóng này tại căn cứ tổng hợp trên.
Ngày 25/6/2013, Quân đội Mỹ bước vào giai đoạn 2 thử nghiệm phóng bằng thiết bị điện từ trên tàu sân bay, đồng thời trong ngày hôm đó đã phóng thành công 1 chiếc máy bay tác chiến điện tử Growler EA-18C. Cho đến nay, quân đội Mỹ đã tiến hành thử nghiệm phóng có phụ tải lên tới hơn 2000 lượt máy bay. Chính vì vậy, Công ty General Atomics đầy tự tin về độ tin cậy của thiết bị phóng bằng điện từ. Đương nhiên, sự thành công thử nghiệm phóng trên bộ không thể khẳng định chắc chắn rằng thiết bị phóng bằng điện từ trên tàu sân bay Gerald R. Ford đã hoàn toàn đạt đến trình độ sử dụng trên thực tế. Tàu sân bay này còn cần tiến hành nhiều lần thử nghiệm phóng nữa từ trên tàu.