Railgun - Railgun

En Railgun er en lineær motor -enhed, typisk designet som et våben, der anvender elektromagnetiske kraft til at iværksætte høj hastighed projektiler. Projektilet indeholder normalt ikke sprængstof, i stedet for at stole på projektilets høje hastighed , masse og kinetiske energi for at påføre skader. Railgun bruger et par parallelle ledere (skinner), langs hvilke en glidende anker accelereres af de elektromagnetiske virkninger af en strøm, der strømmer ned ad den ene skinne, ind i ankeret og derefter tilbage langs den anden skinne. Det er baseret på principper, der ligner dem for den homopolære motor .

Fra 2020 er jernbanevåben blevet undersøgt som våben, der anvender elektromagnetiske kræfter til at give et projektil (f.eks. APFSDS ) en meget høj kinetisk energi frem for at bruge konventionelle drivmidler. Mens eksplosive-drevne militære geværer ikke umiddelbart kan opnå en mundingshastighed på mere end ≈2 km / r, railguns kan let overstige 3 km / r. For et lignende projektil kan rækkevidden af ​​jernbanevåben overstige rækkevidden af ​​konventionelle kanoner. Et projektils ødelæggende kraft afhænger af dets kinetiske energi og masse på slagstedet og på grund af den potentielt høje hastighed af et jernbaneværnet projektil kan deres destruktive kraft være meget større end konventionelt affyrede projektiler af samme størrelse. Fraværet af eksplosive drivmidler eller sprænghoveder at opbevare og håndtere, samt de lave omkostninger ved projektiler sammenlignet med konventionelle våben, kommer som yderligere fordele.

På trods af ovenstående fordele er jernbanevåben stadig meget på forskningsstadiet efter årtier med F&U , og det er stadig at se, om de nogensinde vil blive indsat som praktiske militære våben eller ej. Enhver afvejningsanalyse mellem elektromagnetiske (EM) fremdriftssystemer og kemiske drivmidler til våbenapplikationer skal også have betydning for dets holdbarhed, tilgængelighed og økonomi samt nyheden, omfanget, det store energibehov og kompleksiteten af ​​de nødvendige pulserede strømforsyninger. til elektromagnetiske affyringssystemer.

Grundlæggende

Railgun i sin enkleste form adskiller sig fra en traditionel elmotor ved, at der ikke gøres brug af yderligere feltviklinger (eller permanente magneter). Denne grundkonfiguration dannes af en enkelt sløjfe af strøm og kræver derfor høje strømme (f.eks. I størrelsesordenen en million ampere ) for at producere tilstrækkelige accelerationer (og snudehastigheder). En relativt almindelig variant af denne konfiguration er det forstærkede skinnegevær , hvor drivstrømmen ledes gennem yderligere par parallelle ledere, der er indrettet til at øge ('forstørre') magnetfeltet, som den bevægelige anker oplever. Disse arrangementer reducerer den strøm, der kræves for en given acceleration. I elektrisk motorterminologi er forstærkede jernbanepistoler normalt seriekonfigurationer . Nogle jernbanevåben bruger også stærke neodymmagneter med feltet vinkelret på strømmen for at øge kraften på projektilet.

Ankeret kan være en integreret del af projektilet, men det kan også konfigureres til at accelerere et separat, elektrisk isoleret eller ikke-ledende projektil. Massive, metalliske glideledere er ofte den foretrukne form for railgun -anker, men plasma- eller 'hybrid' -armaturer kan også bruges. En plasma-anker dannes af en bue af ioniseret gas, der bruges til at skubbe en fast, ikke-ledende nyttelast på en lignende måde som drivgastrykket i en konventionel pistol. En hybridanker anvender et par plasmakontakter til at koble en metallisk anker til pistolskinnerne. Solid armaturer kan også 'overgå' til hybridarmaturer, typisk efter at en bestemt hastighedstærskel er overskredet. Den høje strøm, der kræves for at drive et railgun, kan leveres af forskellige strømforsyningsteknologier, såsom kondensatorer, pulsgeneratorer og diskgeneratorer.

Til potentielle militære applikationer er jernbanepistoler normalt af interesse, fordi de kan opnå meget større snudehastigheder end kanoner, der drives af konventionelle kemiske drivmidler. Øgede snudehastigheder med bedre aerodynamisk strømlinede projektiler kan formidle fordelene ved øgede skydebaner, mens øgede terminalhastigheder med hensyn til måleffekter kan tillade brug af kinetiske energirunder, der inkorporerer hit-to-kill vejledning, som erstatninger for eksplosive skaller . Derfor sigter typiske militære railgun -designs til snudehastigheder i intervallet 2.000–3.500 m/s (4.500–7.800 mph; 7.200–12.600 km/t) med snudeenergi på 5-50 megajoules (MJ). Til sammenligning  svarer 50 MJ til kinetisk energi fra en skolebus, der vejer 5 tons, og kører med 509 km/t (316 mph; 141 m/s). For single loop -pistoler kræver disse missionskrav lanceringsstrømme på et par millioner ampere , så en typisk railgun -strømforsyning kan være designet til at levere en startstrøm på 5 MA i et par millisekunder. Da de magnetfeltstyrker, der kræves til sådanne opsendelser typisk vil være cirka 10 tesla (100 kilogauss ), er de fleste nutidige railgun-konstruktioner effektivt luft-cored, dvs. de bruger ikke ferromagnetiske materialer såsom jern til at forstærke den magnetiske flux. Men hvis tønden er fremstillet af et magnetisk permeabelt materiale, øges magnetfeltstyrken på grund af stigningen i permeabilitet ( μ = μ ₀ * μ _r , hvor μ er den effektive permeabilitet, μ ₀ er permeabilitetskonstanten og μ _r er tøndeens relative permeabilitet). Dette øger kraften på projektilet.

Railgun-hastigheder falder generelt inden for området for dem, der kan opnås med to-trins letgasskanoner ; sidstnævnte anses imidlertid generelt kun for at være egnet til laboratoriebrug, mens jernbanevåben vurderes at tilbyde nogle potentielle muligheder for udvikling som militære våben. En anden let gaspistol, Combustion Light Gas Gun i en 155 mm prototypeform blev forventet at opnå 2500 m/s med en 70 kaliber tønde. I nogle hypervelocity- forskningsprojekter bliver projektiler 'forudindsprøjtet' i jernbanevåben for at undgå behovet for en stående start, og både to-trins letgasskanoner og konventionelle pulverpistoler er blevet brugt til denne rolle. I princippet, hvis railgun -strømforsyningsteknologi kan udvikles til at levere sikre, kompakte, pålidelige, kampoverlevende og lette enheder, så kan det samlede systemvolumen og den nødvendige masse for at rumme en sådan strømforsyning og dets primære brændstof blive mindre end det krævede samlet volumen og masse for en mission ækvivalent mængde konventionelle drivmidler og eksplosiv ammunition. Denne teknologi er sandsynligvis blevet modnet med introduktionen af ​​det elektromagnetiske luftfartøjslanseringssystem (EMALS) (omend at jernbanevåben kræver meget højere systemkræfter, fordi nogenlunde lignende energier skal leveres på få millisekunder i modsætning til et par sekunder). En sådan udvikling ville så formidle en yderligere militær fordel ved, at fjernelse af sprængstof fra enhver militær våbenplatform vil reducere dens sårbarhed over for fjendens ild.

Historie

Konceptet med railgun blev først introduceret af den franske opfinder André Louis Octave Fauchon-Villeplée, der skabte en lille arbejdsmodel i 1917 ved hjælp af Société anonyme des accumumulurs Tudor (nu Tudor Batteries ). Under første verdenskrig bestilte den franske opfindelsesdirektør i rustningsministeriet , Jules-Louis Brenton , Fauchon-Villeplee til at udvikle en 30 mm til 50 mm elektrisk kanon den 25. juli 1918, efter at delegerede fra Commission des Inventions var vidne til testforsøg af arbejdsmodellen i 1917. Projektet blev imidlertid opgivet, da 1. verdenskrig sluttede senere samme år den 11. november 1918. Fauchon-Villeplee ansøgte om et amerikansk patent den 1. april 1919, som blev udstedt i juli 1922 som patent ingen. 1.421.435 "Elektrisk apparat til fremdrivning af projektiler". I hans enhed er to parallelle samleskinner forbundet med et projektils vinger, og hele apparatet er omgivet af et magnetfelt . Ved at føre strøm gennem samleskinner og projektil induceres en kraft, der driver projektilet langs busstængerne og flyver.

I 1923 detaljerede den russiske videnskabsmand AL Korol'kov sin kritik af Fauchon-Villeplees design og argumenterede imod nogle af de påstande, Fauchon-Villeplee fremsatte om fordelene ved hans opfindelse. Korol'kov konkluderede til sidst, at mens konstruktionen af ​​en langdistance-elektrisk pistol var inden for en mulig rækkevidde, blev den praktiske anvendelse af Fauchon-Villeplees jernbanegevær forhindret af dens enorme elektriske energiforbrug og dets behov for en særlig elektrisk generator med betydelig kapacitet at drive den.

I 1944, under Anden Verdenskrig , foreslog Joachim Hänsler fra Tysklands Ordnance Office det første teoretisk levedygtige railgun. I slutningen af ​​1944 var teorien bag hans elektriske luftværnskanon udarbejdet tilstrækkeligt til, at Luftwaffes Flak-kommando kunne udstede en specifikation, som krævede en snudehastighed på 2.000 m/s (4.500 mph; 7.200 km/t; 6.600 ft/s) og et projektil indeholdende 0,5 kg eksplosiv. Kanonerne skulle monteres i batterier på seks, der affyrede tolv runder i minuttet, og det skulle passe til eksisterende 12,8 cm FlaK 40 -beslag. Det blev aldrig bygget. Da detaljer blev opdaget efter krigen, vakte det stor interesse, og der blev foretaget en mere detaljeret undersøgelse, der kulminerede med en rapport fra 1947, der konkluderede, at det var teoretisk muligt, men at hver pistol ville have nok strøm til at belyse halvdelen af Chicago .

I løbet af 1950 igangsatte Sir Mark Oliphant , en australsk fysiker og første direktør for Research School of Physical Sciences ved det nye Australian National University , design og konstruktion af verdens største (500 megajoule) homopolare generator . Denne maskine var i drift fra 1962 og blev senere brugt til at drive et storstilet jernbanegevær, der blev brugt som et videnskabeligt eksperiment.

I 1980 begyndte Ballistic Research Laboratory (senere konsolideret til at danne US Army Research Laboratory ) et langsigtet program for teoretisk og eksperimentel forskning om jernbanevåben. Arbejdet blev overvejende udført på Aberdeen Proving Ground , og meget af den tidlige forskning hentede inspiration fra railgun -eksperimenterne udført af Australian National University . Forskningsemner omfattede plasmadynamik, elektromagnetiske felter, telemetri og strøm- og varmetransport. Mens militær forskning i railgun -teknologi i USA fulgte kontinuerligt i de følgende årtier, skiftede den retning og fokus, den tog, dramatisk med store ændringer i finansieringsniveauer og behovene hos forskellige offentlige instanser. I 1984 fik dannelsen af Strategic Defense Initiative Organization forskningsmål til at skifte mod at etablere en konstellation af satellitter for at opfange interkontinentale ballistiske missiler . Som følge heraf fokuserede det amerikanske militær på at udvikle små guidede projektiler, der kunne modstå high-G-opsendelsen fra ultrahøjhastighedsplasmapanorskinner. Men efter offentliggørelsen af ​​en vigtig Defense Science Board- undersøgelse i 1985 fik den amerikanske hær , Marine Corps og DARPA til opgave at udvikle anti-panser, elektromagnetiske lanceringsteknologier til mobile terrænkøretøjer . I 1990 samarbejdede den amerikanske hær med University of Texas i Austin for at etablere Institute for Advanced Technology (IAT), der fokuserede på forskning, der involverede solide og hybridarmaturer, jernbane-armatur-interaktioner og elektromagnetiske affyringsmaterialer. Anlægget blev hærens første føderalt finansierede forsknings- og udviklingscenter og husede et par af hærens elektromagnetiske affyringsramper, såsom Medium Caliber Launcher.

Siden 1993 har de britiske og amerikanske regeringer samarbejdet om et railgun-projekt ved Dundrennan Weapons Testing Center, der kulminerede i testen i 2010, hvor BAE Systems affyrede et 3,2 kg (7 pund) projektil ved 18,4 megauoule [3,390 m/s (7,600 mph; 12.200 km/t; 11.100 ft/s)]. I 1994 udviklede Indiens DRDO 's Bevæbningsforsknings- og udviklingsinstitution et jernbanevåben med en 240 kJ, lav induktans kondensatorbank, der opererer med 5 kV effekt, der er i stand til at affyre projektiler med en vægt på 3,5 g til en hastighed på mere end 2.000 m/s ( 4.500 mph; 7.200 km/t; 6.600 ft/s). I 1995 designede og udviklede Center for Elektromagnetik ved University of Texas i Austin en hurtigskydende skyteskytespil, der hedder Cannon-Caliber Electromagnetic Gun . Launcher -prototypen blev senere testet på US Army Research Laboratory , hvor den demonstrerede en ridestøtteeffektivitet over 50 procent.

I 2010 testede den amerikanske flåde en BAE Systems-designet kompakt størrelse jernbanegevær til skibsplacering, der accelererede et 3,2 kg (7 pund) projektil til hypersoniske hastigheder på cirka 3.390 m/s (7.600 mph; 12.200 km/t; 11.100 ft /s), eller omkring Mach 10, med 18,4  MJ kinetisk energi. Det var første gang i historien, at sådanne præstationsniveauer blev nået. De gav projektet mottoet "Velocitas Eradico", latin for "jeg, [som] er hastighed, udrydder" - eller på folkemunden "Speed ​​Kills". En tidligere railgun af samme design (32-megajoules) er bosat på Dundrennan Weapons Testing Center i Storbritannien.

Lavmagt, småskala jernbanevåben har også gjort populære college- og amatørprojekter. Flere amatører forsker aktivt i jernbanepistoler.

Design

Teori

En skinnegevær består af to parallelle metalskinner (deraf navnet). I den ene ende er disse skinner forbundet til en elektrisk strømforsyning for at danne pistolens slutende. Hvis der derefter indsættes et ledende projektil mellem skinnerne (f.eks. Ved indsættelse i sædestykket), fuldender det kredsløbet. Elektroner strømmer fra strømforsyningens negative terminal op ad den negative skinne, hen over projektilet og ned ad den positive skinne, tilbage til strømforsyningen.

Denne strøm får skinnegeværet til at opføre sig som en elektromagnet , hvilket skaber et magnetfelt inde i sløjfen dannet af skinnernes længde op til ankerets position. I overensstemmelse med den højre hånds regel cirkulerer magnetfeltet rundt om hver leder. Da strømmen er i den modsatte retning langs hver skinne, er det magnetiske netfelt mellem skinnerne ( B ) rettet vinkelret på det plan, der dannes af skinnernes midterakser og ankeret. I kombination med alle med strømmen ( I ) i ankeret producerer dette en Lorentz -kraft, der accelererer projektilet langs skinnerne, altid ude af sløjfen (uanset forsyningspolaritet) og væk fra strømforsyningen, mod snudeenden af skinnerne. Der er også Lorentz -kræfter, der virker på skinnerne og forsøger at skubbe dem fra hinanden, men da skinnerne er monteret fast, kan de ikke bevæge sig.

Per definition, hvis en strøm på en ampere strømmer i et par ideelle uendeligt lange parallelle ledere, der er adskilt med en afstand på en meter, så vil størrelsen af ​​kraften på hver meter af disse ledere være nøjagtigt 0,2 mikro-newton. Ydermere vil kraften generelt være proportional med kvadratet af strømmen og omvendt proportional med afstanden mellem lederne. Det følger også, at for jernbanevåben med projektilmasser på få kg og tøndelængder på få m vil der være behov for meget store strømme for at accelerere projektiler til hastigheder i størrelsesordenen 1000 m/s.

En meget stor strømforsyning, der leverer i størrelsesordenen en million ampere strøm, vil skabe en enorm kraft på projektilet og accelerere det til en hastighed på mange kilometer i sekundet (km/s). Selvom disse hastigheder er mulige, er varmen, der genereres fra objektets fremdrift, nok til hurtigt at tære skinnerne. Under høje anvendelsesforhold ville nuværende jernbanevåben kræve hyppig udskiftning af skinnerne eller at bruge et varmebestandigt materiale, der ville være ledende nok til at frembringe den samme effekt. På nuværende tidspunkt er det generelt anerkendt, at det vil tage store gennembrud inden for materialevidenskab og beslægtede discipliner at producere kraftfulde jernbanevåben, der er i stand til at skyde mere end et par skud fra et enkelt sæt skinner. Tønden skal modstå disse forhold i op til flere runder i minuttet for tusindvis af skud uden fejl eller væsentlig nedbrydning. Disse parametre ligger langt ud over den nyeste inden for materialevidenskab.

Elektromagnetisk analyse

Dette afsnit præsenterer nogle elementære analyser af de grundlæggende teoretiske elektromagnetiske principper, der styrer mekanikken i jernbanevåben.

Hvis et skinnegevær skulle give et ensartet magnetfelt af styrke , orienteret vinkelret på både ankeret og boreaksen, med en ankerstrøm og en ankerlængde , ville kraften, der accelererer projektilet, blive givet ved formlen: ${\ displaystyle B}$${\ displaystyle I}$${\ displaystyle {\ boldsymbol {\ ell}}}$${\ displaystyle F}$

${\ displaystyle {\ boldsymbol {F}} = I {\ boldsymbol {\ ell}} \ times {\ boldsymbol {B}}}$

Her behandles kraften, strømmen og feltet alle som vektorer, så ovenstående vektorkrydsprodukt giver en kraft rettet langs boringsaksen, der virker på strømmen i ankeret, som en konsekvens af magnetfeltet.

I de fleste enkle jernbanevåben tilvejebringes magnetfeltet kun af strømmen, der strømmer i skinnerne, det vil sige bag ankeret. Det følger heraf, at magnetfeltet hverken vil være konstant eller rumligt ensartet. Derfor skal kraften i praksis beregnes, når der er taget behørigt hensyn til magnetfeltets rumlige variation over ankerets volumen. ${\ displaystyle B}$

For at illustrere de involverede principper kan det være nyttigt at betragte skinnerne og ankeret som tynde tråde eller "filamenter". Med denne tilnærmelse kan kraftvektorens størrelse bestemmes ud fra en form for Biot -Savart -loven og et resultat af Lorentz -kraften. Kraften kan afledes matematisk med hensyn til permeabilitetskonstanten ( ), skinnenes radius (der antages at være cirkulære i tværsnit) ( ), afstanden mellem skinnernes centrale akser ( ) og strømmen ( ) som beskrevet nedenfor. ${\ displaystyle \ mu _ {0}}$${\ displaystyle r}$${\ displaystyle d}$${\ displaystyle I}$

For det første kan det fremgå af Biot-Savart-loven , at magnetfeltet i en given vinkelret afstand ( ) fra enden af ​​tråden i den ene ende af en ende af en strømførende ledning er givet ved ${\ displaystyle s}$

${\ displaystyle \ mathbf {B} (s) = {\ frac {\ mu _ {0} I} {4 \ pi s}} {\ widehat {\ varphi}}}$

Bemærk, at dette er, hvis tråden løber fra ankerets placering f.eks. Fra x = 0 tilbage til og måles i forhold til trådens akse. ${\ displaystyle x =-\ infty}$${\ displaystyle s}$

Så hvis ankeret forbinder enderne af to sådanne semi-uendelige ledninger adskilt af en afstand, er en temmelig god tilnærmelse, forudsat at længden af ​​ledningerne er meget større end , det samlede felt fra begge ledninger på et hvilket som helst tidspunkt på ankeret er: ${\ displaystyle d}$${\ displaystyle d}$

${\ displaystyle \ mathbf {B} (s) = {\ frac {\ mu _ {0} I} {4 \ pi}} \ venstre ({\ frac {1} {s}}+{\ frac {1} {ds}} \ right) {\ widehat {z}}}$

hvor er den vinkelrette afstand fra punktet på ankeret til aksen på en af ​​ledningerne. ${\ displaystyle s}$

Bemærk, at mellem skinnerne går ud fra, at skinnerne ligger i xy -planet og løber fra x = 0 tilbage til som foreslået ovenfor. ${\ displaystyle {\ widehat {\ varphi}}}$${\ displaystyle {\ widehat {z}}}$${\ displaystyle x =-\ infty}$

For derefter at evaluere kraften på ankeret kan ovenstående udtryk for magnetfeltet på ankeret bruges i forbindelse med Lorentz Force Law,

${\ displaystyle \ mathbf {F} = I \ int \ mathrm {d} {\ boldsymbol {\ ell}} \ times \ mathbf {B} (r)}$

At give kraften som

${\ displaystyle \ mathbf {F} = I \ int _ {r}^{dr} \ mathrm {d} {\ boldsymbol {\ ell}} \ times {\ frac {\ mu _ {0} I} {4 \ pi}} \ venstre ({\ frac {1} {s}}+{\ frac {1} {ds}} \ højre) {\ widehat {z}} = {\ frac {\ mu _ {0} I^ {2}} {2 \ pi}} \ ln \ venstre ({\ frac {dr} {r}} \ højre) {\ widehat {x}}}$

Dette viser, at kraften vil være proportional med produktet af og kvadratet af strømmen ,. Fordi værdien af μ ₀ er lille (${\ displaystyle \ mu _ {0}}$${\ displaystyle I}$4 π × 10 ⁻⁷  H / m ) følger det, at kraftfulde jernbanevåben har brug for store kørestrømme.

Ovennævnte formel er baseret på den antagelse, at afstanden ( ) mellem det punkt, hvor kraften ( ) måles og skinnernes begyndelse er større end skinnernes adskillelse ( ) med en faktor på ca. 3 eller 4 ( ). Nogle andre forenklende antagelser er også blevet gjort; For at beskrive kraften mere præcist skal skinnenes og projektilets geometri tages i betragtning. ${\ displaystyle l}$${\ displaystyle F}$${\ displaystyle d}$${\ displaystyle l> 3d}$

Med de fleste praktiske railgun -geometrier er det ikke let at producere et elektromagnetisk udtryk for railgun -styrken, der er både enkelt og rimeligt præcist. For en mere brugbar enkel model er et nyttigt alternativ at bruge en klumpet kredsløbsmodel til at beskrive forholdet mellem drivstrømmen og jernbaneværnet.

I disse modeller er skinnegeværet modelleret på et elektrisk kredsløb, og drivkraften kan bestemmes ud fra energistrømmen i kredsløbet. Spændingen på tværs af railgun -sele er givet ved

${\ displaystyle V = {\ frac {\ mathrm {d} (LI)} {\ mathrm {d} t}}+IR}$

Så den samlede effekt, der strømmer ind i skinnegeværet, er så simpelthen produktet . Denne effekt repræsenterer en energistrøm i tre hovedformer: kinetisk energi i projektilet og ankeret, energi lagret i magnetfeltet og energi tabt via elektrisk modstandsopvarmning af skinnerne (og ankeret). ${\ displaystyle VI}$${\ displaystyle B}$

Når projektilet bevæger sig langs tønden, øges afstanden fra sædebenet til ankeret. Derfor øges tøndernes modstand og induktans også. For en simpel model kan tøndemodstanden og induktansen antages at variere som lineære funktioner i projektilpositionen , så disse størrelser er modelleret som ${\ displaystyle x}$

${\ displaystyle {\ begin {align} R & = R'x \\ L & = L'x \ end {align}}}$

hvor er modstanden pr. længdenhed og er induktansen pr. længdenhed eller induktansgradienten. Den følger det ${\ displaystyle R '}$${\ displaystyle L '}$

${\ displaystyle {\ frac {\ mathrm {d} (LI)} {\ mathrm {d} t}} = I {\ frac {\ mathrm {d} L} {\ mathrm {d} t}}+L { \ frac {\ mathrm {d} I} {\ mathrm {d} t}} = L'I {\ frac {\ mathrm {d} x} {\ mathrm {d} t}}+L'x {\ frac {\ mathrm {d} I} {\ mathrm {d} t}} = IL'v+L'x {\ frac {\ mathrm {d} I} {\ mathrm {d} t}}}$

hvor er det altafgørende projektil hastighed, . Derefter ${\ displaystyle {\ mathrm {d} x}/{\ mathrm {d} t}}$${\ displaystyle v}$

${\ displaystyle V = IL'v+L'x {\ frac {\ mathrm {d} I} {\ mathrm {d} t}}+IR'x = I \ venstre (L'v+R'x \ højre )+L'x {\ frac {\ mathrm {d} I} {\ mathrm {d} t}}}$

Nu, hvis drivstrømmen holdes konstant, vil udtrykket være nul. Resistive tab svarer nu til en effektstrøm , mens strømmen repræsenterer det udførte elektromagnetiske arbejde. ${\ displaystyle {\ mathrm {d} I}/{\ mathrm {d} t}}$${\ displaystyle I^{2} R'x}$${\ displaystyle I^{2} L'v}$

Denne enkle model forudsiger, at nøjagtigt halvdelen af ​​det elektromagnetiske arbejde vil blive brugt til at lagre energi i magnetfeltet langs tønden , når længden af ​​den aktuelle sløjfe øges. ${\ displaystyle L'xI^{2}/2}$

Den anden halvdel af det elektromagnetiske arbejde repræsenterer den mere nyttige strømstrøm - ind i projektilets kinetiske energi. Da kraft kan udtrykkes som kraft gange hastighed, viser dette, at kraften på jernbaneværnet er givet ved

${\ displaystyle F = {\ frac {L'I^{2}} {2}}}$

Denne ligning viser også, at høje accelerationer vil kræve meget høje strømme. For en ideel firkantet enkelt-drejet jernbanegevær ville værdien på være ca. 0,6 mikroHenries pr. Meter (μH/m), men de fleste praktiske jernbanegevær udviser lavere værdier end dette. Maksimering af induktansgradienten er kun en af ​​de udfordringer, som designerne af railgun tønder står over for. ${\ displaystyle L '}$${\ displaystyle L '}$

Da den klumpede kredsløbsmodel beskriver railgun -kraften i forhold til ret normale kredsløbsligninger, bliver det muligt at specificere en simpel tidsdomænemodel for en railgun. Ignorerer friktion og lufttræk, er projektilaccelerationen givet af

${\ displaystyle {\ frac {\ mathrm {d} v} {\ mathrm {d} t}} = {\ frac {L'I^{2}} {2m}}}$

hvor m er projektilmassen. Bevægelsen langs tønden er givet af

${\ displaystyle {\ frac {\ mathrm {d} x} {\ mathrm {d} t}} = v}$

og ovenstående spændings- og strømtermer kan placeres i passende kredsløbsligninger for at bestemme tidsvariationen af ​​strøm og spænding.

Det kan også bemærkes, at lærebogsformlen for højfrekvent induktans pr. Længdenhed af et par parallelle runde tråde med radius r og aksial adskillelse d er:

${\ displaystyle L '= {\ frac {\ mu _ {0}} {\ pi}} \ ln \ venstre ({\ frac {dr} {r}} \ højre)}$

Så den klumpede parametermodel forudsiger også kraften i denne sag som:

${\ displaystyle F = {\ frac {L'I^{2}} {2}} = {\ frac {\ mu _ {0} I^{2}} {2 \ pi}} \ ln \ venstre ({ \ frac {dr} {r}} \ right).}$

Med praktiske railgun -geometrier kan meget mere præcise to eller tredimensionelle modeller af skinne- og ankerstrømfordelingerne (og de tilhørende kræfter) beregnes, f.eks. Ved hjælp af endelige elementmetoder til at løse formuleringer baseret på enten det skalære magnetiske potentiale eller magnetiske vektorpotentiale.

Designovervejelser

Strømforsyningen skal være i stand til at levere store strømme, vedvarende og kontrolleret over en nyttig tid. Den vigtigste måler for strømforsyningseffektivitet er den energi, den kan levere. I december 2010 var den største kendte energi, der blev brugt til at drive et projektil fra et skinnegevær, 33 megajoules. De mest almindelige former for strømforsyninger, der bruges i jernbanepistoler, er kondensatorer og kompulsatorer, der langsomt oplades fra andre kontinuerlige energikilder.

Skinnerne skal modstå enorme frastødende kræfter under skydning, og disse kræfter har en tendens til at skubbe dem fra hinanden og væk fra projektilet. Efterhånden som skinne-/projektilklaringer øges, udvikles lysbuer , hvilket forårsager hurtig fordampning og omfattende skade på skinneoverfladerne og isolatoroverfladerne. Dette begrænsede nogle tidlige forskningsbanegeværer til et skud pr. Serviceinterval.

Skinnernes og strømforsyningens induktans og modstand begrænser effektiviteten af ​​et railgun -design. I øjeblikket testes forskellige jernbaneformer og railgun -konfigurationer, især af US Navy ( Naval Research Laboratory ), Institute for Advanced Technology ved University of Texas i Austin og BAE Systems.

Materialer brugt

Skinnerne og projektilerne skal bygges af stærke ledende materialer; skinnerne skal overleve volden fra et accelererende projektil og opvarmning på grund af de store strømme og friktion, der er involveret. Noget fejlagtigt arbejde har antydet, at rekylstyrken i jernbanevåben kan omdirigeres eller elimineres; omhyggelig teoretisk og eksperimentel analyse afslører, at rekylkraften virker på sædelukningen ligesom i et kemisk skydevåben. Skinnerne frastøder sig også via en sidelæns kraft forårsaget af, at skinnerne skubbes af magnetfeltet, ligesom projektilet er. Skinnerne skal overleve dette uden at bøje og skal være meget sikkert monteret. I øjeblikket offentliggjort materiale tyder på, at der skal gøres store fremskridt inden for materialevidenskab, før der kan udvikles skinner, der gør det muligt for jernbanevåben at skyde mere end et par fuldskudsskud, før udskiftning af skinnerne er påkrævet.

Varmespredning

I de nuværende designs skabes enorme mængder varme af den elektricitet, der strømmer gennem skinnerne, samt af friktionen af projektilet, der forlader enheden. Dette forårsager tre hovedproblemer: smeltning af udstyr, nedsat sikkerhed for personale og afsløring af fjendtlige styrker på grund af øget infrarød signatur . Som kort diskuteret ovenfor kræver de belastninger, der er forbundet med at affyre denne slags anordning, et ekstremt varmebestandigt materiale. Ellers ville skinner, tønde og alt tilsluttet udstyr smelte eller blive uopretteligt beskadiget.

I praksis er skinnerne, der bruges med de fleste railgun -designs, udsat for erosion fra hver lancering. Derudover kan projektiler udsættes for en vis grad af ablation , og dette kan begrænse railgun -liv, i nogle tilfælde alvorligt.

Ansøgninger

Railguns har en række potentielle praktiske anvendelser, primært til militæret. Der er imidlertid andre teoretiske anvendelser, der undersøges i øjeblikket.

Lancering eller affyringsassistent af rumfartøjer

Elektrodynamisk hjælp til affyring af raketter er blevet undersøgt. Rumapplikationer af denne teknologi ville sandsynligvis involvere specielt dannede elektromagnetiske spoler og superledende magneter . Kompositmaterialer vil sandsynligvis blive brugt til denne applikation.

Ved rumopskydninger fra Jorden ville relativt korte accelerationsafstande (mindre end et par km) kræve meget stærke accelerationskræfter, højere end mennesker kan tåle. Andre designs omfatter et længere spiralformet (spiralformet) spor eller et stort ringdesign, hvorved et rumkøretøj ville cirkulere rundt om ringen adskillige gange og gradvist få hastighed, før det blev frigivet i en affyringsgang, der fører mod himlen. Ikke desto mindre, hvis det er teknisk muligt og omkostningseffektivt at bygge, bibringe hyper-hastighed flugt hastighed til et projektil lancering ved havoverfladen, hvor atmosfæren er den mest tætte, kan resultere i en stor del af lanceringen hastighed at gå tabt for luftmodstand . Derudover kan projektilet stadig kræve en form for indbygget vejledning og kontrol for at realisere en nyttig orbital indsættelsesvinkel, der muligvis ikke kan opnås udelukkende baseret på affyringsrampen opad i forhold til jordens overflade, (se praktiske overvejelser om undslippe hastighed ).

I 2003 skitserede Ian McNab en plan for at gøre denne idé til en realiseret teknologi. På grund af stærk acceleration lancerede dette system kun robuste materialer, såsom mad, vand og - vigtigst af alt - brændstof. Under ideelle omstændigheder (ækvator, bjerg, på vej mod øst) ville systemet koste $ 528/kg sammenlignet med $ 5.000/kg på den konventionelle raket. McNab -skinnegeværet kunne foretage cirka 2000 opsendelser om året, for i alt maksimalt 500 tons, der blev lanceret om året. Fordi lanceringsbanen ville være 1,6 km lang, vil der blive leveret strøm fra et distribueret netværk af 100 roterende maskiner (obligatorisk) spredt langs banen. Hver maskine ville have en 3,3 ton kulfiberrotor, der snurrer ved høje hastigheder. En maskine kan genoplade i løbet af få timer ved hjælp af 10 MW strøm. Denne maskine kan leveres af en dedikeret generator. Den samlede lanceringspakke ville veje næsten 1,4 ton. Nyttelast pr. Opsendelse under disse forhold er over 400 kg. Der ville være et topmagnetisk felt på 5 T - halvdelen af ​​dette kommer fra skinnerne og den anden halvdel fra forstørrelsesmagneter. Dette halverer den nødvendige strøm gennem skinnerne, hvilket reducerer effekten fire gange.

NASA har foreslået at bruge en jernbanegevær til at lancere "kileformede fly med scramjets " til stor højde ved Mach 10, hvor den derefter vil starte en lille nyttelast i kredsløb ved hjælp af konventionel raketfremdrivning. De ekstreme g-styrker, der er involveret i direkte jernbanegeværpning til jorden, kan begrænse brugen til kun de mest robuste nyttelaster. Alternativt kan meget lange skinnesystemer bruges til at reducere den nødvendige lanceringsacceleration.

Våben

Jernbanegeværer forskes som våben med projektiler, der ikke indeholder sprængstof eller drivmidler, men får ekstremt høje hastigheder: 2.500 m/s (8.200 ft/s) (ca. Mach 7 ved havets overflade) eller mere. Til sammenligning har M16 -riflen en snudehastighed på 930 m/s (3.050 ft/s), og 16 "/50 kaliber Mark 7 -pistolen, der bevæbnet amerikanske slagskibe fra Anden Verdenskrig har en snudehastighed på 760 m/s (2.490 ft/s)), der på grund af sin meget større projektilmasse (op til 2.700 pund) genererede en snudeenergi på 360 MJ og en nedadgående kinetisk påvirkning af energi på over 160 MJ (se også Projekt HARP ). Ved at affyre mindre projektiler på ekstremt høje hastigheder, kan jernbanepistoler give kinetiske energipåvirkninger, der er lig med eller bedre end den destruktive energi fra 5 "/54 kaliber Mark 45 Naval guns , (som opnår op til 10MJ ved mundingen), men med større rækkevidde. Dette formindsker ammunitionsstørrelse og -vægt, så der kan transporteres mere ammunition og eliminerer farerne ved at bære sprængstof eller drivmidler i en tank eller flådevåbenplatform. Ved at affyre mere aerodynamisk strømlinede projektiler med større hastigheder kan jernbanepistoler også opnå større rækkevidde, mindre tid til at målrette, og på kortere områder mindre vinddrift, uden om de fysiske begrænsninger for konventionelle skydevåben: "grænserne for gasudvidelse forbyder opsendelse af et projektil uden hjælp til hastigheder større end ca. 1,5 km/s og rækkevidder på mere end 80 miles fra et praktisk konventionelt pistolsystem. "

Nuværende railgun -teknologier kræver en lang og tung tønde, men en railgun's ballistik overgår langt bedre konventionelle kanoner med lige tønde længder. Railguns kan også levere område med effektskader ved at detonere en sprængladning i projektilet, der frigiver en sværm af mindre projektiler over et stort område.

Hvis vi antager, at de mange tekniske udfordringer, der står over for jernbanepistoler, der er overstået, herunder spørgsmål som vejledning til skinnepistolprojektil, udholdenhed af jernbanen og bekæmpelse af elektrisk overførsel og pålidelighed af den elektriske strømforsyning, kan jernbanepistols øgede hastigheder give fordele i forhold til mere konventionelle kanoner til en række forskellige offensive og defensive scenarier. Railguns har begrænset potentiale til at blive brugt mod både overflade- og luftbårne mål.

Det første våbnede jernværn, der var planlagt til produktion, General Atomics Blitzer -systemet, begyndte fuld systemtest i september 2010. Våbnet lancerer en strømlinet kasseret sabotrunde designet af Boeings Phantom Works ved 1.600 m/s (ca. 5.200 ft/s) (ca. Mach 5 ) med accelerationer på over 60.000 g _n . Under en af testene, projektilet kunne rejse yderligere 7 kilometer (4,3 mi) downrange efter gennemtrænger en 1 / 8 inch (3,2 mm) tyk stålplade. Virksomheden håber at have en integreret demo af systemet inden 2016 efterfulgt af produktion i 2019, afventende finansiering. Indtil videre er projektet selvfinansieret.

I oktober 2013 afslørede General Atomics en landbaseret version af Blitzer railgun. En firmaembedsmand hævdede, at pistolen kunne være klar til produktion om "to til tre år".

Railguns bliver undersøgt til brug som anti-luftskyts våben til opfange luft trusler, især anti-skib krydsermissiler , ud over jord bombardement. Et supersonisk søskummende anti-skibsmissil kan dukke op over horisonten 20 miles fra et krigsskib, hvilket efterlader en meget kort reaktionstid for et skib at opfange det. Selvom konventionelle forsvarssystemer reagerer hurtigt nok, er de dyre, og der kan kun transporteres et begrænset antal store interceptorer. Et railgun -projektil kan nå flere gange lydhastigheden hurtigere end et missil; på grund af dette kan det ramme et mål, såsom et krydstogtsmissil, meget hurtigere og længere væk fra skibet. Projektiler er også typisk meget billigere og mindre, hvilket gør det muligt at transportere mange flere (de har ingen styresystemer og er afhængige af jernbanegeværet til at levere deres kinetiske energi frem for at levere det selv). Hastighed, omkostninger og numeriske fordele ved railgun -systemer kan give dem mulighed for at erstatte flere forskellige systemer i den nuværende lagdelte forsvarstilgang. Et railgun-projektil uden evnen til at ændre kurs kan ramme hurtigtgående missiler med en maksimal rækkevidde på 56 km. Som det er tilfældet med Phalanx CIWS, vil ustyrede railgun-runder kræve flere/mange skud for at få manøvrering af supersoniske anti-skibsmissiler med oddsene på at ramme missilet forbedres dramatisk, jo tættere det kommer. Søværnet planlægger, at jernbanevåben skal kunne opfange endoatmosfæriske ballistiske missiler, snigende lufttrusler, supersoniske missiler og sværmende overfladetrusler; et prototypesystem til understøttelse af aflytningsopgaver skal være klar inden 2018 og operationelt i 2025. Denne tidsramme antyder, at våbnene er planlagt til at blive installeret på flådens næste generations overfladekampanter, som forventes at starte byggeriet i 2028.

BAE Systems var på et tidspunkt interesseret i at installere skinnegeværer på deres Future Combat Systems Manned Ground Vehicles . Dette program var den amerikanske hærs tredje forsøg på at erstatte den aldrende M2 Bradley .

Indien har med succes testet deres eget railgun. Rusland , Kina , Tyrkiet 's ASELSAN   og Yeteknoloji udvikler også railguns.

Spiralskydende pistol

Spiralske jernbanevåben er jernbanegeværer med flere omdrejninger, der reducerer skinne- og børstestrøm med en faktor, der er lig med antallet af omdrejninger. To skinner er omgivet af en spiralformet tønde, og projektilet eller genanvendelig bærer er også spiralformet. Projektilet tilføres kontinuerligt strøm af to børster, der glider langs skinnerne, og to eller flere ekstra børster på projektilet tjener til at aktivere og pendle flere viklinger af den spiralformede tønderetning foran og/eller bag projektilet. Den spiralformede railgun er en krydsning mellem en railgun og en coilgun . De findes ikke i øjeblikket i en praktisk, brugbar form.

En spiralformet railgun blev bygget på MIT i 1980 og blev drevet af flere banker af, for tiden, store kondensatorer (ca. 4 farads ). Den var cirka 3 meter lang, bestående af 2 meter accelerationsspole og 1 meter decelerationsspole. Det var i stand til at skyde et svævefly eller et projektil omkring 500 meter.

Plasma railgun

En plasma Railgun er en lineær accelerator og et plasma energi våben , der som et projektil Railgun, anvender to lange parallelle elektroder til at aktivere et "glidende short" anker. I en plasmaskinnegevær består ankeret og det udstødte projektil imidlertid af plasma eller varme, ioniserede, gaslignende partikler i stedet for en fast snegl af materiale. MARAUDER ( Magnetically Accelerated Ring to Achieve Ultra-high Directed Energy and Radiation ) er eller var et United States Air Force Research Laboratory- projekt om udvikling af et koaksialt plasmaskinnegevær. Det er en af ​​flere amerikanske regeringers bestræbelser på at udvikle plasmabaserede projektiler. De første computersimuleringer fandt sted i 1990, og dets første publicerede eksperiment dukkede op 1. august 1993. Fra 1993 så projektet ud til at være i de tidlige forsøgsfaser. Våbnet var i stand til at producere doughnutformede ringe af plasma og lynbolde, der eksploderede med ødelæggende virkninger, da de ramte deres mål. Projektets første succes førte til, at det blev klassificeret, og kun få henvisninger til MARAUDER dukkede op efter 1993.

Test

Modeller i fuld skala er blevet bygget og affyret, inklusive en 90 mm (3,5 in) boring, 9 megajoule kinetisk energipistol udviklet af den amerikanske DARPA . Problemer med jernbane og isolator skal stadig løses, før jernbanevåben kan begynde at erstatte konventionelle våben. Sandsynligvis det ældste konsekvent succesrige system blev bygget af Storbritanniens Defense Research Agency ved Dundrennan Range i Kirkcudbright , Skotland . Dette system blev etableret i 1993 og har været i drift i over 10 år.

Det jugoslaviske militærteknologiske institut udviklede inden for et projekt ved navn EDO-0, en jernbanegevær med 7 kJ kinetisk energi, i 1985. I 1987 blev der oprettet en efterfølger, projekt EDO-1, der brugte projektil med en masse på 0,7 kg (1,5 lb ) og opnåede hastigheder på 3.000 m/s (9.800 ft/s) og med en masse på 1,1 kg (2,4 lb) nåede hastigheder på 2.400 m/s (7.900 ft/s). Den brugte en banelængde på 0,7 m. Ifølge dem, der arbejder på det, var det med andre ændringer i stand til at opnå en hastighed på 4.500 m/s (14.800 ft/s). Målet var at opnå projektilhastighed på 7.000 m/s (23.000 ft/s).

Kina er nu en af ​​de største aktører inden for elektromagnetiske affyringsramper; i 2012 var det vært for det 16. internationale symposium om elektromagnetisk lanceringsteknologi (EML 2012) i Beijing. Satellitbilleder i slutningen af ​​2010 antydede, at der blev udført test på et rustnings- og artilleriområde nær Baotou , i det autonome område i Indre Mongoliet .

USA's væbnede styrker

Det amerikanske militær har udtrykt interesse i at forfølge forskning i elektrisk pistolteknologi i slutningen af ​​det 20. århundrede på grund af, hvordan elektromagnetiske kanoner ikke kræver, at drivmidler skyder et skud som konventionelle pistolsystemer, hvilket øger besætningens sikkerhed betydeligt og reducerer logistikomkostninger samt give et større område. Derudover har railgun-systemer muligvis givet en højere hastighed af projektiler, hvilket ville øge nøjagtigheden for antitank, artilleri og luftforsvar ved at reducere den tid, det tager for projektilet at nå sit mål. I begyndelsen af ​​1990'erne dedikerede den amerikanske hær mere end $ 150 millioner til forskning i elektriske pistoler. Ved University of Texas i Austin Center for Elektromekanik er der udviklet militære jernbanevåben, der er i stand til at levere wolfram panserbrydende kugler med kinetisk energi på ni megajoules (9 MJ). Ni megajoules er energi nok til at levere 2 kg projektil med 3 km/s (1,9 mi/s) - ved den hastighed kan en tilstrækkelig lang stang af wolfram eller et andet tæt metal let trænge igennem en tank og potentielt passere gennem det, (se APFSDS ).

Naval Surface Warfare Center Dahlgren Division

United States Naval Surface Warfare Center Dahlgren Division demonstrerede et 8 MJ jernbanegevær, der affyrede 3,2 kg (7,1 lb) projektiler i oktober 2006 som en prototype af et 64 MJ våben, der skulle indsættes ombord på flådekrigsskibe. Det største problem, den amerikanske flåde har haft med at implementere et railgun -kanonsystem, er, at kanonerne slides på grund af det enorme tryk, spændinger og varme, der genereres af de millioner ampere strøm, der er nødvendig for at affyre projektiler med megajoules energi. Selvom det ikke er nær så kraftfuldt som et krydstogtsraket som en BGM-109 Tomahawk , der vil levere 3.000 MJ energi til et mål, ville sådanne våben i teorien give flåden mulighed for at levere mere granulær ildkraft til en brøkdel af prisen på en missil, og vil være meget sværere at skyde ned mod fremtidige forsvarssystemer. For kontekst er en anden relevant sammenligning Rheinmetall 120mm -pistolen, der bruges på hovedkamptanke, som genererer 9 MJ snude energi.

I 2007 leverede BAE Systems en 32 MJ prototype (snude energi) til den amerikanske flåde. Den samme mængde energi frigives ved detonation af 4,8 kg C4 .

Den 31. januar 2008 testede den amerikanske flåde en jernbanegevær, der affyrede et projektil ved 10,64 MJ med en snudehastighed på 2.520 m/s (8.270 ft/s). Strømmen blev leveret af en ny 9-megajoule prototype kondensatorbank ved hjælp af solid-state switches og kondensatorer med høj energitæthed leveret i 2007 og et ældre 32-MJ pulsstrømsystem fra den amerikanske hærs Green Farm Electric Gun Research and Development Facility udviklet i slutningen af ​​1980'erne, der tidligere blev renoveret af General Atomics Electromagnetic Systems (EMS) Division. Det forventes at være klar mellem 2020 og 2025.

En test af en railgun fandt sted den 10. december 2010 af den amerikanske flåde ved Naval Surface Warfare Center Dahlgren Division. Under testen satte Office of Naval Research en verdensrekord ved at foretage et 33 MJ skud fra railgun, som blev bygget af BAE Systems.

En anden test fandt sted i februar 2012 på Naval Surface Warfare Center Dahlgren Division. Selvom den lignede i energi til den førnævnte test, var den anvendte skinnegevær betydeligt mere kompakt med en mere konventionel tønde. En General Atomics-bygget prototype blev leveret til test i oktober 2012.

Ekstern video
Yderligere optagelser
Februar 2012 test

I 2014 havde den amerikanske flåde planer om at integrere en jernbanegevær, der har en rækkevidde på over 16 km (10 mi) på et skib i 2016. Dette våben, mens det havde en formfaktor mere typisk for en flådepistol, var at udnytte komponenter stort set i fælles med dem, der er udviklet og demonstreret hos Dahlgren. Hyperhastighedsrunderne vejer 10 kg (23 lb), er 18 in (460 mm) og affyres mod Mach 7.

Et fremtidigt mål var at udvikle projektiler, der var selvstyrede-et nødvendigt krav for at ramme fjerne mål eller opfange missiler. Når de guidede runder er udviklet, projekterer flåden hver runde til at koste omkring $ 25.000, selvom udvikling af guidede projektiler til våben har en historie med at fordoble eller tredoble de oprindelige omkostningsestimater. Nogle højhastighedsprojektiler udviklet af flåden har kommandovejledning, men kommandovejledningens nøjagtighed kendes ikke, heller ikke selv om den kan overleve et fuldskud.

De eneste amerikanske flåde -skibe, der kan producere nok strøm til at opnå den ønskede ydeevne, er de tre Zumwalt -klasse destroyere (DDG -1000 -serien); de kan generere 78 megawatt strøm, mere end det er nødvendigt for at drive et railgun. Zumwalt er imidlertid annulleret, og der vil ikke blive bygget yderligere enheder. Ingeniører arbejder på at udlede teknologier udviklet til skibe i DDG-1000-serien til et batterisystem, så andre krigsskibe kan betjene et skinnegevær. Fra 2014 kan de fleste destroyere spare kun ni megawatt ekstra elektricitet, mens det ville kræve 25 megawatt at drive et projektil til det ønskede maksimale område (dvs. at skyde 32MJ projektiler med en hastighed på 10 skud i minuttet). Selvom skibe, såsom Arleigh Burke -klasse destroyer , kan opgraderes med tilstrækkelig elektrisk strøm til at drive en railgun, kan pladsen optaget på skibene ved integrationen af ​​et ekstra våbensystem tvinge fjernelsen af ​​eksisterende våbensystemer til at plads til rådighed. Test De første bord var at være fra en Railgun installeret på en Spearhead class ekspeditionsstyrke hurtig transport (EPF), men det blev senere ændret til landbaserede test.

Selvom de 23 lb -projektiler ikke har sprængstoffer, giver deres Mach 7 -hastighed dem 32 megajoule energi, men nedslag i kinetisk energi vil typisk være 50 procent eller mindre af snudeenergien. Søværnet undersøgte andre anvendelser af jernbanevåben, udover landbombardement, såsom luftforsvar; med de rigtige målretningssystemer kunne projektiler opsnappe fly, krydstogtraketter og endda ballistiske missiler. Søværnet udvikler også våben med direkte energi til luftforsvarsbrug, men det vil tage år eller årtier, før de vil være effektive.

Jernbanegeværet ville være en del af en marineflåde, der forestiller sig, at fremtidige offensive og defensive kapaciteter tilbydes i lag: lasere til at levere nærtgående forsvar, jernbanevåben til at levere mellemdistanceangreb og forsvar og krydstogtsraketter til at levere langdistanceangreb; selvom jernbanevåben vil dække mål op til 100 miles væk, der tidligere havde brug for et missil. Søværnet kan i sidste ende forbedre railgun -teknologien, så den kan skyde med en rækkevidde på 370 km og påvirke med 64 megajoules energi. Et skud ville kræve 6 millioner ampere strøm, så det vil tage lang tid at udvikle kondensatorer, der kan generere nok energi og stærke nok pistolmaterialer.

Den mest lovende korttidsansøgning til våbenklassificerede jernbanevåben og elektromagnetiske kanoner er generelt sandsynligvis ombord på flådeskibe med tilstrækkelig ledig elektrisk produktionskapacitet og batterilagringsplads. Til gengæld kan skibets overlevelsesevne forbedres gennem en tilsvarende reduktion i mængderne af potentielt farlige kemiske drivstoffer og eksplosiver, der anvendes. Landkampstyrker kan dog finde ud af, at co-lokalisering af en ekstra elektrisk strømforsyning på slagmarken for hvert pistolsystem ikke nødvendigvis er lige så vægt- og pladseffektiv, overlevende eller praktisk en kilde til umiddelbar projektil-affyringsenergi som konventionelle drivmidler, som fremstilles sikkert bag stregerne og leveres til våbnet, færdigpakket, gennem et robust og spredt logistiksystem.

I juli 2017 rapporterede Defensetech , at flåden ønskede at skubbe Office of Naval Research's prototype railgun fra et videnskabeligt eksperiment ind i nyttigt våbenområde. Målet var ifølge Tom Beutner , chef for Naval Air Warfare and Weapons for ONR, ti skud i minuttet ved 32 megajoules. Et 32 megajoule railgun-skud svarer til ca. I mere konventionelle kraftenheder er et 32 ​​MJ -skud hvert 6. sekund en nettoeffekt på 5,3 MW (eller 5300 kW). Hvis jernbaneværnet antages at være 20% effektivt til at omdanne elektrisk energi til kinetisk energi, skal skibets elektriske forsyninger levere omkring 25 MW, så længe affyringen fortsætter.

I 2020, efter 17 år og US $ 500 millioner brugt på programmet, var Navy railgun ikke nær klar til at blive indsat på ethvert skib, idet flåden i stedet fokuserede på at affyre hypersoniske projektiler fra eksisterende konventionelle kanoner, der allerede var tilgængelige i antal. Den 1. juni 2021 rapporterede The Drive , at den amerikanske flådes foreslåede budget for 2022 for regnskabsåret ikke havde midler til forskning og udvikling af jernbanevåben. Tekniske udfordringer kunne ikke overvindes, såsom de massive kræfter ved affyring, der slidte tønden efter kun et eller to dusin skud, og en hastighed for lav til at være nyttig til missilforsvar. Prioriteterne havde også ændret sig siden udviklingen af ​​jernbanevåben startede, hvor søværnet lagde mere fokus på hypersoniske missiler med længere rækkevidde sammenlignet med forholdsvis kortere rækkevidde af jernvåbenprojektiler.

Army Research Laboratory

Forskning på railgun -teknologi tjente som et stort fokusområde på Ballistic Research Laboratory (BRL) i hele 1980'erne. Ud over at analysere ydeevnen og de elektrodynamiske og termodynamiske egenskaber ved jernbanevåben på andre institutioner (som Maxwell Laboratories ' CHECMATE railgun ) skaffede BRL deres egne jernbanevåben til undersøgelse, f.eks. Deres en-meter railgun og deres fire-meter rail gun. I 1984 udarbejdede BRL -forskere en teknik til at analysere resterne, der blev efterladt på boringsoverfladen, efter at et skud blev affyret for at undersøge årsagen til boringens progressive nedbrydning. I 1991 fastlagde de de egenskaber, der kræves for at udvikle en effektiv affyringspakke samt de designkriterier, der er nødvendige for, at en jernbanegevær kan inkorporere finnede, lange stangprojektiler.

Forskning i jernbanevåben fortsatte, efter at Ballistic Research Laboratory blev konsolideret med seks andre uafhængige hærlaboratorier for at danne US Army Research Laboratory (ARL) i 1992. Et af de store projekter inden for jernbanevisningsforskning, som ARL var involveret i, var Cannon-Caliber Electromagnetic Gun (CCEMG) -programmet , der fandt sted på Center for Electromechanics ved University of Texas (UT-CEM) og blev sponsoreret af US Marine Corps og US Army Armament Research Development and Engineering Center . Som en del af CCEMG-programmet designede og udviklede UT-CEM Cannon-Caliber Electromagnetic Launcher, en hurtigskydende skyteskydningskaster, i 1995. Med en 30 mm rundboring kunne affyringsrampen skyde tre, fem-runde salver af 185-g lanceringspakker med en snudehastighed på 1850 m/s og en affyringshastighed på 5 Hz. Hurtig-brand-drift blev opnået ved at køre affyringsrampen med flere 83544 topimpulser leveret af CCEMG-kompulsatoren. CCEMG railgun indeholdt flere funktioner: keramiske sidevægge, retningsbestemt forudbelastning og væskekøling. ARL var ansvarlig for at vurdere ydeevnen for affyringsrampen, som blev testet på ARL Transonic Experimental Facility i Aberdeen Proving Ground, MD .

US Army Research Laboratory overvågede også udviklingen af ​​elektromagnetisk og elektrotermisk pistolteknologi ved Institute for Advanced Technology (IAT) ved University of Texas i Austin , et af fem universitets- og industrilaboratorier, som ARL forbundede for at skaffe teknisk support. Det husede de to elektromagnetiske løfteraketter, Leander OAT og AugOAT, samt Medium Caliber Launcher. Anlægget leverede også et strømsystem, der omfattede tretten 1-MJ kondensatorbanker, et sortiment af elektromagnetiske affyringsenheder og diagnostiske apparater. Fokus for forskningsaktiviteten var på design, interaktioner og materialer, der kræves til elektromagnetiske affyringsramper.

I 1999 førte et samarbejde mellem ARL og IAT til udviklingen af ​​en radiometrisk metode til måling af temperaturfordelingen af ​​jernbanevåbenarmaturer under en pulseret elektrisk udladning uden at forstyrre magnetfeltet. I 2001 blev ARL den første til at få et sæt nøjagtighedsdata om elektromagnetiske pistol-lancerede projektiler ved hjælp af springtest. I 2004 offentliggjorde ARL -forskere artikler, der undersøgte interaktionen mellem høje temperaturplasmaer med det formål at udvikle effektive railgun -tændere. Tidlige artikler beskriver plasma-drivmiddelinteraktionsgruppen ved ARL og deres forsøg på at forstå og skelne mellem den kemiske, termiske og strålende effekt af plasma på konventionelle faste drivmidler. Ved hjælp af scanningselektronmikroskopi og andre diagnostiske teknikker evaluerede de i detaljer plasmas indflydelse på specifikke drivmaterialer.

Folkerepublikken Kina

Kina udvikler sit eget railgun -system. Ifølge en CNBC -rapport fra amerikansk efterretningstjeneste blev Kinas railgun -system først afsløret i 2011, og terrænprøvning begyndte i 2014. I 2015, da våbensystemet fik mulighed for at slå over udvidede områder med øget dødelighed. Våbensystemet blev succesfuldt monteret på et kinesisk flådeskib i december 2017, hvor havforsøg senere fandt sted.

I begyndelsen af ​​februar 2018 blev der offentliggjort billeder af det, der hævdes at være en kinesisk jernbanegevær, online. På billederne er pistolen monteret på stævnen på et landingsskib i type 072III-klasse Haiyangshan . Medier antyder, at systemet er eller snart er klar til test. I marts 2018 blev det rapporteret, at Kina bekræftede, at det var begyndt at teste sin elektromagnetiske skinnepistol til søs.

Indien

I november 2017 udførte Indiens forsvarsforsknings- og udviklingsorganisation en vellykket test af en 12 mm firkantet elektromagnetisk jernbanegevær. Test af en 30 mm version er planlagt til at blive gennemført. Indien sigter mod at affyre et kilo projektil med en hastighed på mere end 2.000 meter i sekundet ved hjælp af en kondensatorbank på 10 megajoules. Elektromagnetiske kanoner og styrede energivåben er blandt de systemer, som Indian Navy har til formål at erhverve i sin moderniseringsplan frem til 2030.

Problemer

Store vanskeligheder

Store teknologiske og operationelle forhindringer skal overvindes, før jernbanevåben kan indsættes:

1. Railgun -holdbarhed: Hidtil har railgun -demonstrationer, selvom de er imponerende, ikke demonstreret en evne til at affyre flere fuldskydningsskud fra det samme sæt skinner. Den amerikanske flåde har krævet hundredvis af skud fra det samme sæt skinner. I en erklæring fra marts 2014 til underudvalget for efterretningstjenester, nye trusler og kapaciteter i House Armed Services Committee udtalte chef for marineforskningsadmiral Matthew Klunder, "Tøndernes liv er steget fra snesevis af skud til over 400 med en programvej til at nå 1000 skud. " Imidlertid vil Office of Naval Research (ONR) ikke bekræfte, at de 400 skud er fuldskudsbilleder. Ydermere er der intet offentliggjort, der tyder på, at der er jernbanevåben i høj klasse i megajoule-klasse med evnen til at skyde hundredvis af fuldskudsskud, mens de holder sig inden for de strenge operationelle parametre, der er nødvendige for at affyre jernskudsskud præcist og sikkert. Railguns burde være i stand til at skyde 6 runder i minuttet med et skinneliv på omkring 3000 runder, der tolererer lanceringsaccelerationer på titusinder af g'er, ekstreme tryk og megaampere, men dette er ikke muligt med den nuværende teknologi.
2. Projektilvejledning: En fremtidig kapacitet, der er kritisk for at stille et ægte jernvåbenvåben, udvikler en robust vejledningspakke, der gør det muligt for jernbanegeværet at skyde mod fjerne mål eller ramme indkommende missiler. At udvikle en sådan pakke er en reel udfordring. US Navy's RFP Navy SBIR 2012.1-Emne N121-102 til udvikling af en sådan pakke giver et godt overblik over, hvor udfordrende railgun projektilvejledning er:

Pakken skal passe inden for massens (<2 kg), diameter (<40 mm ydre diameter) og volumen (200 cm ³ ) af projektilet og gøre det uden at ændre tyngdepunktet. Det skal også være i stand til at overleve accelerationer på mindst 20.000 g (tærskel) / 40.000 g (objektiv) i alle akser, høje elektromagnetiske felter (E> 5.000 V / m, B> 2 T) og overfladetemperaturer på> 800 grader C. Pakken skal kunne fungere i nærværelse af ethvert plasma, der kan dannes i boringen eller ved mundingsudgangen, og skal også være strålingshærdet på grund af ekso-atmosfærisk flyvning. Det samlede strømforbrug skal være mindre end 8 watt (tærskel)/5 watt (objektiv), og batterilevetiden skal være mindst 5 minutter (fra første lancering) for at muliggøre drift under hele tilkoblingen. For at være overkommelig skal produktionsomkostningerne pr. Projektil være så lave som muligt med et mål på mindre end $ 1.000 pr. Enhed.

Den 22. juni 2015 annoncerede General Atomics 'elektromagnetiske systemer, at projektiler med elektronik ombord overlevede hele railgun-affyringsmiljøet og udførte deres tilsigtede funktioner i fire på hinanden følgende tests den 9. og 10. juni på den amerikanske hærs Dugway Proving Ground i Utah. Elektronikken om bord målte med succes in-boring-accelerationer og projektildynamik i flere kilometer nedadgående retning, hvor det integrerede datalink fortsatte med at fungere, efter at projektilerne påvirkede ørkengulvet, hvilket er afgørende for præcisionsvejledning.

Udløser til inertial fængsel

Plasmaskinnepistoler bruges i fysikforskning, og de er blevet undersøgt som en potentiel udløsermekanisme for magneto-inertial fusion . Men plasma railguns er meget forskellige fra solid masse drivere eller våben, og de kun deler den grundlæggende driftskoncept.

Se også

Referencer

eksterne links

• Se flådens Railgun Fire fra alle vinkler Railgun tager det første skud i sin idriftsættelse serie. indeholder en YouTube -video fra november 2016