Cañón de riel

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Un cañón de riel ( eng. railgun - rail gun ) es un acelerador de masa electromagnético que acelera un proyectil conductor a lo largo de dos rieles de metal utilizando la fuerza Ampere .

Cómo funciona

El cañón de riel consta de dos electrodos paralelos, llamados rieles, conectados a una poderosa fuente de corriente continua. La masa eléctricamente conductora acelerada se ubica entre los rieles, cerrando el circuito eléctrico, y adquiere aceleración debido a la fuerza Ampère actuando sobre un conductor cerrado con corriente en su propio campo magnético . La fuerza Ampere también actúa sobre los rieles, llevándolos a la repulsión mutua.

Historia

El cañón de riel fue inventado por el inventor francés André Louis Octave Fauchon-Villepley en 1917 durante la Primera Guerra Mundial . En ruso, el término cañón de riel fue propuesto a fines de la década de 1950 por el académico soviético Lev Artsimovich para reemplazar el engorroso nombre existente "acelerador de masa electrodinámico" [1] . La razón del desarrollo de tales dispositivos, que son armas prometedoras [2] , fue que, según los expertos, el uso de pólvora para disparar ha llegado a su límite: la velocidad de la carga liberada con su ayuda está limitada a 2,5 km / s [1] .

En la década de 1970, el cañón de riel fue diseñado y construido por John P. Barber de Canadá y su supervisor Richard A. Marshall de Nueva Zelanda en la Escuela de Investigación de Ciencias Físicas de la Universidad Nacional de Australia .

Teoría

En la física de los cañones de riel, el módulo del vector de fuerza se puede calcular a través de la ley de Biot-Savart-Laplace y la fórmula de fuerza de Ampère . Para el cálculo necesitarás:

$\mu_{0}$ es la constante magnética ,
$d$ - diámetro de los rieles (asumiendo una sección circular),
$r$ es la distancia entre los ejes de los rieles,
$yo$ es la corriente que fluye en el sistema.

De la ley de Biot-Savart-Laplace se deduce que el campo magnético a cierta distancia ( ) de un alambre infinito con corriente se calcula como: $s$

{\mathbf {B}}(s)={\frac {\mu _{0}I}{2\pi s}}

Por tanto, en el espacio entre dos hilos infinitos situados a una distancia el uno del otro, el módulo del campo magnético se puede expresar mediante la fórmula: $r$

B(s)={\frac {\mu _{0}I}{2\pi }}\left({\frac {1}{s}}+{\frac {1}{rs}} \Correcto)

Para refinar el valor promedio del campo magnético en la armadura de un cañón de riel, suponga que el diámetro del riel es mucho más pequeño que la distancia y, suponiendo que los rieles pueden considerarse un par de conductores semi-infinitos, podemos calcular la siguiente integral: $d$ $r$

B_{\text{promedio}}={\frac {1}{r}}\int _{d}^{rd}B(s){\text{d}}s={\frac {\ mu _{0}I}{2\pi r}}\int _{d}^{rd}\left({\frac {1}{s}}+{\frac {1}{rs}}\right ){\text{d}}s={\frac {\mu _{0}I}{\pi r}}\ln {\frac {rd}{d}}\approx {\frac {\mu_{ 0}I}{\pi r}}\ln {\frac {r}{d}}

Según la ley de Ampère, la fuerza magnética sobre un alambre con corriente es igual a ; asumiendo el ancho del proyectil conductor , obtenemos: ${\ estilo de visualización IRB}$ $r$

F=IrB_{\text{promedio}}={\frac {\mu _{0}I^{2}}{\pi }}\ln {\frac {r}{d}}

La fórmula se basa en la suposición de que la distancia entre el punto donde se mide la fuerza y el comienzo de los rieles es mayor que la distancia entre los rieles ( ) por 3-4 veces ( ). También se han hecho algunas otras suposiciones; para describir la fuerza con mayor precisión, se requiere tener en cuenta la geometría de los rieles y el proyectil. $yo$ $F$ $r$ ${\ estilo de visualización l> 3r}$

Construcción

Una serie de problemas serios están asociados con la fabricación de un cañón de riel: el pulso actual debe ser tan poderoso y agudo que el proyectil no tenga tiempo de evaporarse y dispersarse o tener suficiente resistencia, pero surgiría una fuerza aceleradora que lo acelera hacia adelante. La fuerza Ampère actúa sobre el proyectil o pistón de plasma, [3] por lo tanto, la intensidad de la corriente es importante para lograr la inducción del campo magnético requerida, y la corriente que fluye a través del proyectil perpendicular a las líneas de inducción del campo magnético es importante. Cuando la corriente fluye a través del proyectil, el material del proyectil (a menudo se usa gas ionizado detrás de un proyectil de polímero ligero) y los rieles deben tener:

la mayor conductividad posible,
proyectil - masa lo más pequeña posible,
fuente de corriente : tanta potencia como sea posible y menos inductancia .

Sin embargo, la peculiaridad del acelerador de raíles es que es capaz de acelerar masas ultrapequeñas a velocidades superaltas (la velocidad de un proyectil en un arma de fuego está limitada por la cinética de una reacción química que tiene lugar en el arma). En la práctica, los rieles están hechos de cobre libre de oxígeno recubierto con plata , las barras o alambres de aluminio se usan como proyectiles para acelerar el propio elemento penetrante, como varillas de tungsteno, aleaciones a base de titanio y otros metales, se puede usar un polímero en combinación con un medio conductor como fuente de alimentación: una batería de condensadores eléctricos de alto voltaje , que se carga a partir de generadores unipolares de impacto , compulsadores y otras fuentes de energía eléctrica con alto voltaje de operación, y antes de ingresar a los rieles, intentan dar el proyectil la mayor velocidad inicial posible, utilizando para ello armas neumáticas o de fuego .

En aquellos cañones de riel donde el proyectil es un medio conductor, después de aplicar voltaje a los rieles, el proyectil se calienta y se quema, convirtiéndose en un plasma conductor , que luego también acelera. Por lo tanto, el cañón de riel puede disparar plasma, sin embargo, debido a su inestabilidad , se evapora rápidamente . En este caso, es necesario tener en cuenta que el movimiento del plasma, más precisamente, el movimiento de la descarga (puntos de cátodo, ánodo), bajo la acción de la fuerza Ampère es posible solo en aire u otro medio gaseoso no inferior que una cierta presión, ya que de lo contrario, por ejemplo, en el vacío, los rieles del puente de plasma se mueven en la dirección opuesta a la fuerza, el llamado movimiento inverso del arco.

Cuando se usan proyectiles no conductores en cañones de riel, el proyectil se coloca entre los rieles, detrás del proyectil, de una forma u otra, se enciende una descarga de arco entre los rieles y el cuerpo comienza a acelerar a lo largo de los rieles. El mecanismo de aceleración en este caso difiere del anterior: la fuerza de amperios presiona la descarga hacia la parte posterior del cuerpo, que, al evaporarse intensamente, forma un chorro , bajo cuya influencia se produce la aceleración principal del cuerpo [4] .

Ventajas y desventajas

Beneficios

Ahorro: el costo de un disparo de cañón de riel es significativamente más bajo que el de un misil embarcado del mismo alcance : $25,000 versus $1 millón [5] .
Sujeto a la solución de todas las tareas relacionadas con el uso real, tales armas pueden proporcionar una defensa táctica de misiles estacionarios contra misiles balísticos que no maniobran de ninguna manera , o ampliar el horizonte del campo de tiro.
La alta velocidad del proyectil hace posible utilizar el cañón de riel como medio de defensa aérea [5] . Se suponía que la velocidad del proyectil de un arma prometedora, que se planeó probar en 2016 [6] , era de 6 M , que es significativamente más baja que la de muchos misiles antiaéreos (9 M para uno de los misiles S-300V4 ) [ 7] , la maniobra de proyectiles es imposible; en la práctica, solo se logró una velocidad de 3,6 M [8] .
El uso de un cañón de riel elimina la necesidad de almacenar munición explosiva de proyectiles convencionales en los barcos, lo que aumenta la capacidad de supervivencia del barco [5] .

Desventajas

No se han presentado pruebas de eficacia durante muchos años [9] , especialmente en términos de precisión y poder destructivo. Además, durante los disparos de largo alcance, surge el problema de la curvatura no homogénea de la Tierra, las irregularidades gravitatorias, las diferencias de temperatura y, en consecuencia, la densidad del aire, así como la humedad, y muchos otros problemas que limitan los disparos de artillería precisos con proyectiles no corregidos con un rango de unas pocas decenas de kilómetros.
La penetración (en particular a largas distancias) y el impacto general cuando se golpea no supera el rendimiento de la artillería de calibre medio (la velocidad es varias veces mayor, pero la masa es varias veces menor, el explosivo en lugar de muchos kilogramos es cero , la única diferencia está en el aumento de alcance debido a una combinación de masa, velocidad y, sobre todo, tamaño reducido, lo que reduce la resistencia aerodinámica ).
El recurso de barril de los prototipos existentes actualmente es extremadamente pequeño.

Ambiguo

El alcance de fuego efectivo de un cañón de riel es de hasta 200 km [10] , sin embargo, se puede argumentar que el alcance efectivo máximo para la artillería es de 20-40 km, y a mayor distancia uno tiene que usar un proyectil corregido en vuelo , o el consumo de municiones aumentará muchas veces.
El tamaño relativamente pequeño de los proyectiles de los cañones de riel permite aumentar la capacidad de munición [5] . Sin embargo, el tamaño del sistema en su conjunto no es muy pequeño y, al menos, no ocupa menos espacio que varios misiles antibuque de tamaño mediano .

Programa de la Marina de los EE. UU.

En 2005, la Marina de los EE . UU. lanzó un programa de cañones de riel llamado Velocitas Eradico. Corporaciones General Atomics y BAE Systems [11] participan en el programa .

General Atomics ha desarrollado un arma capaz de lanzar un proyectil de 10 kg a lo largo de 200 km a una velocidad media de unos 2.000 m/s. Según los expertos, dicha herramienta tiene una trayectoria plana a una distancia de hasta 30 km [11] .
En febrero de 2008, se demostró un arma con una energía inicial de 10 MJ y una velocidad inicial de 2520 m/s (9000 km/h) [12] . El 10 de diciembre de 2010, un cañón de riel de energía de boca de 33 MJ se probó con éxito en el Centro de Desarrollo de Armas de Superficie Naval de EE. UU. en Dahlgren, Virginia [13] . La masa de los proyectiles utilizados en las pruebas varió entre 2 y 3,2 kg. En febrero de 2012, un prototipo de cañón de riel industrial casi producido por BAE Systems fue entregado a Dahlgren y probado a 32 mJ [14] . El modelo en serie de este sistema debería tener un campo de tiro de hasta 180 km y, en el futuro, hasta 400 km; Los ingenieros están desarrollando sistemas para la alimentación automática de carcasas, refrigeración y alimentación de la instalación. [quince]
En 2015 estaba previsto realizar las primeras pruebas en el buque [5] .
Para el año 2020, estos cañones deberían entrar en servicio con los destructores clase Zamvolt en construcción en Estados Unidos , su diseño modular y transmisión eléctrica se calcularon teniendo en cuenta las armas electromagnéticas avanzadas [16] .
Para 2025, se planeó lograr una energía inicial de 64 MJ. Con una longitud de unos 10 metros y una velocidad de proyectil de unos 2000 metros por segundo.
En 2021, se canceló la financiación del proyecto. [17]

Desarrollos en Rusia

Según el primer vicepresidente del Comité de Defensa y Seguridad del Consejo de la Federación, Franz Klintsevich , en Rusia también se está trabajando activamente en la creación de un arma electromagnética (cañón de riel) [18] . Se supone que su uso en astronáutica se usa para lanzar cargas útiles en órbita, pero aparte de estas palabras, aún no ha habido ningún hecho confiable. [19]

Véase también

Notas

↑ 1 2 Alexander Ageev Pistola electromagnética: arma del futuro Copia de archivo fechada el 10 de junio de 2016 en el sitio web de Wayback Machine // Tekhkult, 21 de agosto de 2014
↑ El Pentágono decidió lanzar un cañón de riel en el campo de batalla . Archivado el 10 de noviembre de 2015 en Wayback Machine // Vzglyad.
↑ Revista de mecánica aplicada y física técnica // Academia de Ciencias de la URSS. Rama siberiana. - 1989. - Nº 1-6 . - art. 146 . (Ruso)
↑ Movimiento reactivo durante una descarga de gas desde un suministro de corriente externo // Cartas a ZhTF. - 1989. - T. 13 , N º 15 . (Ruso)
↑ 1 2 3 4 5 "Armas avanzadas: ataque ferroviario", The Economist, 9 de mayo de 2015 . Consultado el 30 de septiembre de 2017. Archivado desde el original el 16 de septiembre de 2017. (indefinido)
↑ Business Insider: US Navy probará arma electromagnética en 2016 Archivado el 25 de mayo de 2015 en Wayback Machine // RIA Novosti
↑ La tarea es difícil, pero solucionable Copia de archivo del 13 de diciembre de 2015 en Wayback Machine // Aerospace Defense Magazine
↑ Julian E. Barnes A First Look at America's Supergun // Archivado el 4 de octubre de 2017 en Wayback Machine The Wall Street Journal , 29 de mayo de 2016
↑ "Divorcio" electromagnético: realidad y especulaciones sobre el cañón de riel estadounidense Copia de archivo del 3 de febrero de 2017 en Wayback Machine // TK Zvezda , 1 de junio de 2016
↑ el economista . Consultado el 30 de septiembre de 2017. Archivado desde el original el 21 de mayo de 2017. (indefinido)
↑ 1 2 "Catapultando hacia adelante", The Economist, 8 de marzo de 2014 . Consultado el 30 de septiembre de 2017. Archivado desde el original el 21 de mayo de 2017. (indefinido)
↑ La Marina de los EE. UU. demuestra el EMRG más poderoso del mundo a 10 megajulios . Consultado el 10 de diciembre de 2008. Archivado desde el original el 1 de junio de 2012. (indefinido)
↑ En los EE. UU., probaron la copia de archivo del "arma del futuro" del 14 de diciembre de 2010 en Wayback Machine // Vesti. ru
↑ Pistola electromagnética disparada con máxima energía Archivado el 11 de agosto de 2020 en Wayback Machine // Membrane
↑ Los militares recibieron el primer cañón de riel industrial Archivado el 3 de marzo de 2012 en Wayback Machine // Membrane
↑ Oleg Titkov. Guerras Magnéticas // Mecánica Popular . - 2017. - Nº 7 . - S. 76-80 .
↑ Los estadounidenses se negaron a financiar el proyecto del cañón de riel, a pesar de los 16 años de desarrollo . Ciencia al desnudo (3 de junio de 2021). Consultado el 6 de junio de 2021. Archivado desde el original el 6 de junio de 2021. (indefinido)
↑ El Consejo de la Federación anunció el desarrollo de un arma electromagnética por parte de Rusia . Lenta.ru (30 de mayo de 2016). Consultado el 30 de mayo de 2016. Archivado desde el original el 31 de mayo de 2016. (indefinido)
↑ Los científicos rusos probaron por primera vez un cañón de riel electromagnético (enlace inaccesible) . Defense.ru (12 de julio de 2016). Consultado el 12 de julio de 2016. Archivado desde el original el 15 de julio de 2016. (indefinido)

Enlaces

En órbita - en la "Locomotora eléctrica". (enlace inaccesible) Revista "Espacio Ruso" No. 9, 2011.
Pistola electromagnética BAE (febrero de 2012) en YouTube
"El futuro del cañón de riel electromagnético de la Marina podría ser un gran paso atrás" : problemas y perspectivas para el uso de cañones de riel en la Marina de los EE . UU. (ing.)