Gun rail

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 6 iunie 2021; verificările necesită 15 modificări .

Un railgun ( eng. railgun - rail gun ) este un accelerator de masă electromagnetic care accelerează un proiectil conductiv de-a lungul a două șine metalice folosind forța Ampere .

Cum funcționează

Gun-ul este format din doi electrozi paraleli, numiți șine, conectați la o sursă puternică de curent continuu. Masa conductoare electric accelerată este situată între șine, închizând circuitul electric și dobândește accelerație datorită acționării forțate a amperului asupra unui conductor închis cu curent în propriul câmp magnetic . Forța Ampere acționează și asupra șinelor, ducându-le la repulsie reciprocă.

Istorie

Pistolul cu șină a fost inventat de inventatorul francez André Louis Octave Fauchon-Villepley în 1917, în timpul Primului Război Mondial . În limba rusă, termenul railgun a fost propus la sfârșitul anilor 1950 de către academicianul sovietic Lev Artsimovici pentru a înlocui denumirea greoaie existentă „accelerator de masă electrodinamică” [1] . Motivul dezvoltării unor astfel de dispozitive, care sunt arme promițătoare [2] , a fost că, potrivit experților, utilizarea prafului de pușcă pentru tragere a atins limita - viteza încărcăturii eliberate cu ajutorul lor este limitată la 2,5 km / s [1] .

În anii 1970, pistolul a fost proiectat și construit de John P. Barber din Canada și supervizorul său Richard A. Marshall din Noua Zeelandă la Școala de Cercetare de Științe Fizice a Universității Naționale din Australia .

Teorie

În fizica railgunului, modulul vectorului forță poate fi calculat prin legea Biot–Savart–Laplace și formula forței Ampère . Pentru calcul veți avea nevoie de:

$\mu_{0}$ este constanta magnetică ,
$d$ - diametrul șinelor (presupunând o secțiune circulară),
$r$ este distanța dintre axele șinelor,
$eu$ este curentul care circulă în sistem.

Din legea Biot-Savart-Laplace rezultă că câmpul magnetic la o anumită distanță ( ) de un fir infinit cu curent se calculează astfel: $s$

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

Prin urmare, în spațiul dintre două fire infinite situate la distanță unul de celălalt, modulul câmpului magnetic poate fi exprimat prin formula: $r$

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

Pentru a rafina valoarea medie a câmpului magnetic de pe armătura unui pistol cu șine, să presupunem că diametrul șinei este mult mai mic decât distanța și, presupunând că șinele pot fi considerate o pereche de conductori semi-infiniți, putem calculați următoarea integrală: $d$ $r$

B_{\text{avg}}={\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}}\aprox {\frac {\mu _{ 0}I}{\pi r}}\ln {\frac {r}{d}}

Conform legii lui Ampère, forța magnetică pe un fir cu curent este egală cu ; presupunând lățimea proiectilului conductor , obținem: $IRB$ $r$

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

Formula se bazează pe presupunerea că distanța dintre punctul în care se măsoară forța și începutul șinelor este mai mare decât distanța dintre șinele ( ) de 3-4 ori ( ). Au fost făcute și alte ipoteze; pentru a descrie mai exact forța, se cere să se țină cont de geometria șinelor și a proiectilului. $l$ $F$ $r$ $l>3r$

Constructii

O serie de probleme grave sunt asociate cu fabricarea unui pistol cu șină: pulsul curent trebuie să fie atât de puternic și ascuțit încât proiectilul să nu aibă timp să se evapore și să se împrăștie sau să aibă o rezistență suficientă, dar ar apărea o forță de accelerare care să -l accelereze înainte. Forța Ampère acționează asupra proiectilului sau pistonului cu plasmă, [3] , prin urmare, puterea curentului este importantă pentru a obține inducția necesară a câmpului magnetic, iar curentul care curge prin proiectil perpendicular pe liniile de inducție a câmpului magnetic este important. Când curentul trece prin proiectil, materialul proiectilului (deseori gazul ionizat este folosit în spatele unui proiectil ușor polimer) și șinele trebuie să aibă:

conductivitate cea mai mare posibilă,
proiectil - masă cât mai mică posibil,
sursă de curent - cât mai multă putere și mai puțină inductanță .

Cu toate acestea, particularitatea acceleratorului pe șină este că este capabil să accelereze mase ultra-mici la viteze foarte mari (viteza unui proiectil într-o armă de foc este limitată de cinetica unei reacții chimice care are loc în armă). În practică, șinele sunt realizate din cupru fără oxigen acoperit cu argint , barele de aluminiu sau sârma sunt folosite ca proiectile pentru a accelera elementul penetrant în sine, cum ar fi tije de wolfram, aliaje pe bază de titan și alte metale, un polimer poate fi utilizat în combinație cu un mediu conductiv ca sursă de energie - o baterie de condensatoare electrice de înaltă tensiune , care este încărcată de la generatoare unipolare de impact , compulsatoare și alte surse de energie electrică cu tensiune de funcționare ridicată și, înainte de a intra pe șine, încearcă să dea proiectile cu cea mai mare viteză inițială posibilă, folosind pentru aceasta arme pneumatice sau de foc

În acele tunuri cu șine în care proiectilul este un mediu conductiv, după aplicarea tensiunii șinelor, proiectilul se încălzește și se arde, transformându-se într-o plasmă conductivă , care apoi accelerează și el. Astfel, pistolul cu șină poate trage plasmă, cu toate acestea, datorită instabilității sale, se evaporă rapid . În acest caz, este necesar să se țină cont de faptul că mișcarea plasmei, mai precis, mișcarea descărcării (catod, pete anodice), sub acțiunea forței Ampère este posibilă numai în aer sau alt mediu gazos nu mai scăzut. decât o anumită presiune, deoarece altfel, de exemplu, în vid, șinele podului cu plasmă se mișcă în direcția opusă forței - așa-numita mișcare inversă a arcului.

Atunci când se utilizează proiectile neconductoare în tunurile cu șine, proiectilul este plasat între șine, în spatele proiectilului, într-un fel sau altul, se aprinde o descărcare de arc între șine , iar corpul începe să accelereze de-a lungul șinelor. Mecanismul de accelerare în acest caz diferă de cel de mai sus: forța Ampere presă descărcarea în spatele corpului, care, evaporându-se intens, formează un jet , sub influența căruia are loc accelerația principală a corpului [4] .

Avantaje și dezavantaje

Beneficii

Economii: costul unei împușcături cu șină este semnificativ mai mic decât cel pentru o rachetă pe navă de aceeași rază : 25.000 USD față de 1 milion USD [5] .
Sub rezerva soluționării tuturor sarcinilor legate de utilizarea reală, astfel de arme pot oferi apărare tactică împotriva rachetelor staționare împotriva rachetelor balistice care nu manevrează în niciun fel sau extind orizontul poligonului de tragere.
Viteza mare a proiectilului face posibilă utilizarea pistolului cu șină ca mijloc de apărare aeriană [5] . Viteza proiectilului a unui tun promițător, care era planificat să fie testat în 2016 [6] , trebuia să fie de 6 M , ceea ce este semnificativ mai mic decât multe rachete antiaeriene (9 M pentru una dintre rachetele S-300V4 ) [ 7] , manevra proiectilelor este imposibilă; în practică s-a atins doar o viteză de 3,6 M [8] .
Utilizarea unui pistol cu șină elimină necesitatea depozitării muniției explozive ale proiectilelor convenționale pe nave, ceea ce crește capacitatea de supraviețuire a navei [5] .

Dezavantaje

Nu au fost prezentate dovezi de eficacitate de mulți ani [9] , mai ales în ceea ce privește acuratețea și puterea distructivă. Mai mult, în timpul tragerii cu rază lungă de acțiune, apare problema curburii neomogene a Pământului, a neregularităților gravitaționale, a diferențelor de temperatură și, în consecință, a densității aerului, precum și a umidității și multe alte probleme care limitează tragerile precise de artilerie cu proiectile necorectate cu un raza de actiune de cateva zeci de kilometri.
Penetrația , (în special la distanțe lungi), și impactul general atunci când este lovită nu depășește performanța artileriei de calibru mediu (viteza este de câteva ori mai mare, dar masa este de câteva ori mai mică, explozivul în loc de multe kilograme este zero , singura diferență este în creșterea autonomiei datorită unei combinații de masă, viteză și, mai ales, dimensiuni reduse, care reduce rezistența aerodinamică ).
Resursa de butoi a prototipurilor existente în prezent este extrem de mică.

Ambiguu

Raza de tragere efectivă a unui pistol cu șină este de până la 200 km [10] , cu toate acestea, se poate susține că raza efectivă maximă pentru artilerie este de 20-40 km, iar la o distanță mai mare trebuie să folosiți fie un proiectil corectat în zbor , sau consumul de muniție va crește de multe ori.
Dimensiunea relativ mică a proiectilelor cu railgun face posibilă creșterea capacității muniției [5] . Cu toate acestea, dimensiunea sistemului în ansamblu nu este foarte mică și cel puțin ocupă nu mai puțin spațiu decât mai multe rachete antinavă de dimensiuni medii .

Programul US Navy

În 2005, Marina SUA a lansat un program de arme feroviare numit Velocitas Eradico. La program participă corporațiile General Atomics și BAE Systems [11] .

General Atomics a dezvoltat o armă capabilă să lanseze un proiectil de 10 kg pe 200 km cu o viteză medie de aproximativ 2.000 m/s. Potrivit experților, un astfel de instrument are o traiectorie plată la o distanță de până la 30 km [11] .
În februarie 2008, a fost demonstrată un pistol cu o energie la foc de 10 MJ și o viteză la foc de 2520 m/s (9000 km/h) [12] . La 10 decembrie 2010, un pistol cu șină cu energie de 33 MJ a fost testat cu succes la Centrul de Dezvoltare a Armelor de Suprafață din SUA din Dahlgren, Virginia [13] . Masa proiectilelor folosite în teste a variat între 2 și 3,2 kg. În februarie 2012, un prototip industrial de pistol cu șină de la BAE Systems a fost livrat la Dahlgren și testat la 32 mJ [14] . Modelul de serie al acestui sistem ar trebui să aibă o rază de tragere de până la 180 km, iar în viitor - până la 400 km; inginerii dezvoltă sisteme pentru alimentarea automată a carcasei, răcirea și alimentarea instalației. [cincisprezece]
În 2015, a fost planificată efectuarea primelor teste pe navă [5] .
Până în 2020, aceste arme ar trebui să intre în serviciu cu distrugătoarele din clasa Zamvolt aflate în construcție în Statele Unite , designul lor modular și transmisia electrică au fost calculate ținând cont de armele electromagnetice avansate [16] .
Până în 2025, s-a planificat să se obțină o energie a botului de 64 MJ. Cu o lungime de aproximativ 10 metri și o viteză a proiectilului de aproximativ 2000 de metri pe secundă.
În 2021, finanțarea proiectului a fost întreruptă. [17]

Evoluții în Rusia

Potrivit prim-vicepreședintelui Comitetului pentru apărare și securitate a Consiliului Federației , Franz Klintsevich , lucrările la crearea unui pistol electromagnetic (railgun) se desfășoară în mod activ și în Rusia [18] . Utilizarea sa în astronautică ar trebui să fie folosită pentru a lansa încărcături utile pe orbită, dar în afară de aceste cuvinte, nu au existat încă date de încredere. [19]

Vezi și

Note

↑ 1 2 Alexander Ageev Pistol electromagnetic: arma viitorului Copie de arhivă din 10 iunie 2016 pe site-ul Wayback Machine // Tekhkult, 21 august 2014
↑ Pentagonul a decis să lanseze un pistol pe câmpul de luptă Arhivat 10 noiembrie 2015 la Wayback Machine // Vzglyad
↑ Jurnalul de mecanică aplicată și fizică tehnică // Academia de Științe a URSS. ramura siberiana. - 1989. - Nr. 1-6 . - S. 146 . (Rusă)
↑ Mișcare reactivă în timpul unei descărcări de gaz de la o sursă de curent externă // Scrisori către ZhTF. - 1989. - T. 13 , nr 15 . (Rusă)
↑ 1 2 3 4 5 „Advanced weapons: Rail strike”, The Economist, 9 mai 2015 . Consultat la 30 septembrie 2017. Arhivat din original la 16 septembrie 2017. (nedefinit)
↑ Business Insider: US Navy va testa un pistol electromagnetic în 2016 Arhivat 25 mai 2015 la Wayback Machine // RIA Novosti
↑ Sarcina este dificilă, dar rezolvabilă Copie de arhivă din 13 decembrie 2015 la Wayback Machine // Aerospace Defense Magazine
↑ Julian E. Barnes A First Look at America's Supergun // Arhivat 4 octombrie 2017 la Wayback Machine The Wall Street Journal , 29 mai 2016
↑ „Divorț” electromagnetic: realitate și speculații despre pistolul cu cale ferată american Copie de arhivă din 3 februarie 2017 la Wayback Machine // TK Zvezda , 1 iunie 2016
↑ economistul . Preluat la 30 septembrie 2017. Arhivat din original la 21 mai 2017. (nedefinit)
↑ 1 2 „Catapulting ahead”, The Economist, 8 martie 2014 . Preluat la 30 septembrie 2017. Arhivat din original la 21 mai 2017. (nedefinit)
↑ US Navy demonstrează cel mai puternic EMRG din lume la 10 Megajoules . Consultat la 10 decembrie 2008. Arhivat din original la 1 iunie 2012. (nedefinit)
↑ În SUA, au testat „pistolul viitorului” copia de arhivă din 14 decembrie 2010 pe Wayback Machine // Vesti. Ru
↑ Pistolul electromagnetic tras cu energie maximă Arhivat 11 august 2020 la Wayback Machine // Membrană
↑ Armata a primit primul pistol industrial pe șină Arhivat 3 martie 2012 la Wayback Machine // Membrane
↑ Oleg Titkov. Războaie magnetice // Mecanica populară . - 2017. - Nr 7 . - S. 76-80 .
↑ Americanii au refuzat să finanțeze proiectul railgun, în ciuda celor 16 ani de dezvoltare . Naked Science (3 iunie 2021). Consultat la 6 iunie 2021. Arhivat din original pe 6 iunie 2021. (nedefinit)
↑ Consiliul Federației a anunțat dezvoltarea unui pistol electromagnetic de către Rusia . Lenta.ru (30 mai 2016). Preluat la 30 mai 2016. Arhivat din original la 31 mai 2016. (nedefinit)
↑ Oamenii de știință ruși au testat pentru prima dată un pistol electromagnetic cu șină (link inaccesibil) . Defense.ru (12 iulie 2016). Consultat la 12 iulie 2016. Arhivat din original la 15 iulie 2016. (nedefinit)

Link -uri

În orbită - pe „Locomotiva electrică”. (link inaccesibil) Jurnalul „Spațiul rusesc” nr. 9, 2011.
BAE Electromagnetic Gun (februarie 2012) pe YouTube
„Viitorul tunului cu șină electromagnetică al Marinei ar putea fi un mare pas înapoi” - probleme și perspective pentru utilizarea armelor cu șină în Marina SUA (ing.)