Railgun

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 6 juni 2021; kontroller kräver 15 redigeringar .

En railgun ( eng. railgun - rail gun ) är en elektromagnetisk massaccelerator som accelererar en ledande projektil längs två metallskenor med hjälp av Ampere-kraften .

Hur det fungerar

Rälspistolen består av två parallella elektroder, så kallade skenor, kopplade till en kraftfull likströmskälla. Den accelererade elektriskt ledande massan är placerad mellan skenorna, stänger den elektriska kretsen, och får acceleration på grund av att Ampère tvingar in en sluten ledare med ström i sitt eget magnetfält . Ampere-kraften verkar också på rälsen, vilket leder dem till ömsesidig avstötning.

Historik

Rälsvapen uppfanns av den franske uppfinnaren André Louis Octave Fauchon-Villepley 1917 under första världskriget . På ryska föreslogs termen railgun i slutet av 1950-talet av den sovjetiske akademikern Lev Artsimovich för att ersätta det befintliga besvärliga namnet "elektrodynamisk massaccelerator" [1] . Anledningen till utvecklingen av sådana anordningar, som är lovande vapen [2] , var att enligt experter har användningen av krut för att skjuta nått sin gräns - hastigheten på laddningen som släpps ut med deras hjälp är begränsad till 2,5 km / s [1] .

På 1970-talet designades och byggdes railgunen av John P. Barber från Kanada och hans handledare Richard A. Marshall från Nya Zeeland vid Australian National University 's Research School of Physical Sciences .

Teori

Inom railgun-fysik kan kraftvektorns modul beräknas genom Biot-Savart-Laplace-lagen och Ampères kraftformel . För beräkningen behöver du:

$\mu_{0}$ är den magnetiska konstanten ,
$d$ - skenornas diameter (förutsatt en cirkulär sektion),
$r$ är avståndet mellan rälsens axlar,
$jag$ är strömmen som flyter i systemet.

Det följer av Biot-Savart-Laplace-lagen att magnetfältet på ett visst avstånd ( ) från en oändlig tråd med ström beräknas som: $s$

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

Därför, i utrymmet mellan två oändliga ledningar belägna på avstånd från varandra, kan magnetfältets modul uttryckas med formeln: $r$

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

För att förfina medelvärdet för magnetfältet på ankaret på en rälsvapen, anta att diametern på skenan är mycket mindre än avståndet och, om vi antar att skenorna kan betraktas som ett par halvoändliga ledare, kan vi beräkna följande integral: $d$ $r$

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}}\approx {\frac {\mu _{ 0}I}{\pi r}}\ln {\frac {r}{d}}

Enligt Ampères lag är den magnetiska kraften på en tråd med ström lika med ; om vi antar ledarprojektilens bredd får vi: $IRB$ $r$

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

Formeln bygger på antagandet att avståndet mellan den punkt där kraften mäts och början av rälsen är 3-4 gånger större än avståndet mellan rälsen ( ). Vissa andra antaganden har också gjorts; för att beskriva kraften mer exakt krävs det att man tar hänsyn till skenornas och projektilens geometri. $l$ $F$ $r$ $l>3r$

Konstruktion

Ett antal allvarliga problem är förknippade med tillverkningen av en rälsvapen: strömpulsen måste vara så kraftfull och skarp att projektilen inte hinner avdunsta och spridas eller har tillräckligt motstånd, men en accelererande kraft skulle uppstå som accelererar den framåt. Ampèrekraften verkar på projektilen eller plasmakolven, [3] därför är strömstyrkan viktig för att uppnå den erforderliga magnetfältsinduktionen, och strömmen som flyter genom projektilen vinkelrätt mot magnetfältsinduktionslinjerna är viktig. När ström flyter genom projektilen måste materialet i projektilen (ofta används joniserad gas bakom en lätt polymerprojektil) och skenorna ha:

högsta möjliga konduktivitet,
projektil - så liten massa som möjligt,
strömkälla - så mycket effekt som möjligt och mindre induktans .

Det speciella med rälsacceleratorn är dock att den kan accelerera ultrasmå massor till superhöga hastigheter (hastigheten för en projektil i ett skjutvapen begränsas av kinetiken för en kemisk reaktion som äger rum i vapnet). I praktiken är skenor gjorda av syrefri koppar belagd med silver , aluminiumstänger eller tråd används som projektiler för att accelerera själva penetrerande elementet, såsom volframstavar, legeringar baserade på titan och andra metaller, en polymer kan användas i kombination med ett ledande medium som strömkälla - ett batteri av elektriska högspänningskondensatorer , som laddas från unipolära generatorer , kompulsatorer och andra elektriska kraftkällor med hög driftspänning, och innan de går in i rälsen försöker de ge projektiler högsta möjliga initiala hastighet, med hjälp av pneumatiska vapen eller skjutvapen för detta

I de rälsvapen där projektilen är ett ledande medium, efter att ha lagt spänning på rälsen, värms projektilen upp och brinner ut och förvandlas till ett ledande plasma , som då också accelererar. Således kan järnvägspistolen avfyra plasma, men på grund av dess instabilitet avdunstar den snabbt . I det här fallet är det nödvändigt att ta hänsyn till att rörelsen av plasma, mer exakt, rörelsen av urladdningen (katod, anodfläckar), under påverkan av Ampère-kraften endast är möjlig i luft eller annat gasformigt medium som inte är lägre än ett visst tryck, eftersom annars, till exempel i vakuum, rör sig plasmabroskenorna i motsatt riktning mot kraften - den så kallade omvända rörelsen av bågen.

Vid användning av icke-ledande projektiler i rälsvapen placeras projektilen mellan rälsen, bakom projektilen, på ett eller annat sätt, en ljusbågsurladdning antänds mellan rälsen , och kroppen börjar accelerera längs rälsen. Accelerationsmekanismen i detta fall skiljer sig från ovanstående: Amperekraften pressar urladdningen mot kroppens baksida, som intensivt avdunstar bildar en jet , under vilken kroppens huvudacceleration uppstår [4] .

Fördelar och nackdelar

Fördelar

Besparingar: kostnaden för ett rälsvapenskott är betydligt lägre än för en fartygsbaserad missil av samma intervall : $25 000 mot $1 miljon [5] .
Med förbehåll för lösningen av alla uppgifter relaterade till verklig användning, kan sådana vapen tillhandahålla taktiskt stationärt missilförsvar mot ballistiska missiler som inte manövrerar på något sätt , eller utöka skjutfältets horisont.
Projektilens höga hastighet gör det möjligt att använda railgun som ett medel för luftförsvar [5] . Projektilhastigheten för en lovande pistol, som var planerad att testas 2016 [6] , var tänkt att vara 6 M , vilket är betydligt lägre än många luftvärnsmissiler (9 M för en av S-300V4-missilerna ) [ 7] , projektilmanövrering är omöjlig; i praktiken uppnåddes endast en hastighet på 3,6 M [8] .
Användningen av en järnvägsvapen eliminerar behovet av att lagra explosiv ammunition av konventionella projektiler på fartyg, vilket ökar fartygets överlevnadsförmåga [5] .

Nackdelar

Inga bevis på effektivitet har presenterats på många år [9] , särskilt när det gäller noggrannhet och destruktiv kraft. Vid långdistansskjutning uppstår dessutom problemet med jordens inhomogena krökning, gravitationella oregelbundenheter, temperaturskillnader och följaktligen luftdensitet, såväl som fuktighet och många andra problem som begränsar exakt artilleribeskjutning med okorrigerade projektiler med en räckvidd på några tiotals kilometer.
Penetration , (särskilt på långa avstånd), och den totala stöten vid träff överstiger inte prestandan hos medelkaliberartilleri (hastigheten är flera gånger högre, men massan är flera gånger mindre, sprängämnet i stället för många kilogram är noll , den enda skillnaden är ökningen i räckvidd på grund av en kombination av massa, hastighet och framför allt minskad storlek, vilket minskar det aerodynamiska motståndet ).
Fatresursen för nuvarande prototyper är extremt liten.

Tvetydigt

Räckvidden för en rälsvapens effektiva avfyrning är upp till 200 km [10] , dock kan man hävda att den maximala effektiva räckvidden för artilleri är 20-40 km, och på ett större avstånd måste man antingen använda en projektil korrigerad i flygning , eller så kommer förbrukningen av ammunition att öka många gånger om.
Den relativt lilla storleken på rälsvapenprojektiler gör det möjligt att öka ammunitionskapaciteten [5] . Storleken på systemet som helhet är dock inte särskilt liten och tar åtminstone inte upp mindre utrymme än flera medelstora fartygsmissiler .

US Navy-program

2005 lanserade den amerikanska flottan ett järnvägsvapenprogram kallat Velocitas Eradico. Corporations General Atomics och BAE Systems [11] deltar i programmet .

General Atomics har utvecklat ett vapen som kan leverera en 10 kg projektil över 200 km med en medelhastighet på cirka 2 000 m/s. Enligt experter har ett sådant verktyg en platt bana på ett avstånd av upp till 30 km [11] .
I februari 2008 demonstrerades en pistol med en mynningsenergi på 10 MJ och en mynningshastighet på 2520 m/s (9000 km/h) [12] . Den 10 december 2010 testades en 33 MJ munningsenergirälsvapen framgångsrikt vid US Naval Surface Weapons Development Center i Dahlgren, Virginia [13] . Massan av projektiler som användes i testerna varierade mellan 2 och 3,2 kg. I februari 2012 levererades en närproducerad industriell järnvägsvapenprototyp från BAE Systems till Dahlgren och testades vid 32 mJ [ 14] . Seriemodellen av detta system bör ha ett skjutområde på upp till 180 km, och i framtiden - upp till 400 km; ingenjörer utvecklar system för automatisk matning av skal, kyla och driva installationen. [femton]
2015 var det planerat att genomföra de första testerna på fartyget [5] .
Senast 2020 skulle dessa vapen börja användas med jagare av Zamvolt-klassen under konstruktion i USA , deras modulära design och elektriska transmission beräknades med hänsyn till avancerade elektromagnetiska vapen [16] .
År 2025 var det planerat att uppnå en mynningsenergi på 64 MJ. Med en längd på cirka 10 meter och en projektilhastighet på cirka 2000 meter per sekund.
År 2021 avslutades finansieringen av projektet. [17]

Utvecklingen i Ryssland

Enligt den förste vice ordföranden i federationsrådets kommitté för försvar och säkerhet Franz Klintsevich , pågår arbetet med att skapa en elektromagnetisk pistol (railgun) också aktivt i Ryssland [18] . Dess användning inom astronautik är tänkt att användas för att skjuta upp nyttolaster i omloppsbana, men förutom dessa ord har det ännu inte funnits några tillförlitliga fakta. [19]

Se även

Anteckningar

↑ 1 2 Alexander Ageev Elektromagnetisk pistol: framtidens vapen Arkivkopia daterad 10 juni 2016 på Wayback Machine // Tekhkults webbplats, 21 augusti 2014
↑ Pentagon beslutade att släppa en järnvägsvapen på slagfältet Arkiverad 10 november 2015 på Wayback Machine // Vzglyad
↑ Journal of Applied Mechanics and Technical Physics // USSR:s vetenskapsakademi. Sibirisk gren. - 1989. - Nr 1-6 . - S. 146 . (ryska)
↑ Reaktiv rörelse under en gasurladdning från en extern strömkälla // Bokstäver till ZhTF. - 1989. - T. 13 , nr 15 . (ryska)
↑ 1 2 3 4 5 "Avancerade vapen: Rail strike", The Economist, 9 maj 2015 . Hämtad 30 september 2017. Arkiverad från originalet 16 september 2017. (obestämd)
↑ Business Insider: US Navy testar elektromagnetisk pistol 2016 Arkiverad 25 maj 2015 på Wayback Machine // RIA Novosti
↑ Uppgiften är svår, men lösbar Arkivexemplar av 13 december 2015 på Wayback Machine // Aerospace Defence Magazine
↑ Julian E. Barnes A First Look at America's Supergun // Arkiverad 4 oktober 2017 på Wayback Machine The Wall Street Journal , 29 maj 2016
↑ Elektromagnetisk "skilsmässa": verklighet och spekulationer om den amerikanska järnvägsvapen Arkivexemplar av 3 februari 2017 på Wayback Machine // TK Zvezda , 1 juni 2016
↑ ekonomen . Hämtad 30 september 2017. Arkiverad från originalet 21 maj 2017. (obestämd)
↑ 1 2 "Catapulting ahead", The Economist, 8 mars 2014 . Hämtad 30 september 2017. Arkiverad från originalet 21 maj 2017. (obestämd)
↑ US Navy demonstrerar världens mest kraftfulla EMRG på 10 megajoule . Hämtad 10 december 2008. Arkiverad från originalet 1 juni 2012. (obestämd)
↑ I USA testade de "framtidens pistol" Arkivexemplar av 14 december 2010 på Wayback Machine // Vesti. Ru
↑ Elektromagnetisk pistol avfyrad med maximal energi Arkiverad 11 augusti 2020 vid Wayback Machine // Membrane
↑ Militären fick den första industriella järnvägspistolen arkiverad 3 mars 2012 på Wayback Machine // Membrane
↑ Oleg Titkov. Magnetiska krig // Populär mekanik . - 2017. - Nr 7 . - S. 76-80 .
↑ Amerikanerna vägrade att finansiera järnvägsvapenprojektet, trots 16 års utveckling . Naken Science (3 juni 2021). Hämtad 6 juni 2021. Arkiverad från originalet 6 juni 2021. (obestämd)
↑ Federationsrådet tillkännagav utvecklingen av en elektromagnetisk pistol av Ryssland . Lenta.ru (30 maj 2016). Hämtad 30 maj 2016. Arkiverad från originalet 31 maj 2016. (obestämd)
↑ Ryska forskare testade först en elektromagnetisk järnvägspistol (otillgänglig länk) . Defense.ru (12 juli 2016). Hämtad 12 juli 2016. Arkiverad från originalet 15 juli 2016. (obestämd)

Länkar

I omloppsbana - på "Elektriska loket". (otillgänglig länk) Tidskrift "Russian Space" nr 9, 2011.
BAE Electromagnetic Gun (februari 2012) på YouTube
"The Future of the Navy's Electromagnetic Railgun Could Be a Big Step Backwards" - problem och utsikter för användningen av järnvägsvapen i den amerikanska flottan (eng.)