Railgun - Railgun

A sínpisztoly egy lineáris motoros eszköz, amelyet általában fegyverként terveztek, és amely elektromágneses erőt használ nagysebességű lövedékek indítására . A lövedék általában nem tartalmaz robbanóanyagokat, ehelyett a lövedék nagy sebességére , tömegére és mozgási energiájára támaszkodva okoz kárt. A sínpisztoly pár párhuzamos vezetőt (sínt) használ, amelyek mentén a csúszó armatúrát felgyorsítja az egyik sínről lefelé áramló áram elektromágneses hatása az armatúrába, majd vissza a másik sín mentén. Hasonló elveken alapul, mint a homopoláris motor .

2020 -tól kezdve a sínpisztolyokat olyan fegyverekként vizsgálták, amelyek elektromágneses erőket alkalmazva nagyon magas kinetikus energiát adnak egy lövedéknek (pl. APFSDS ) a hagyományos hajtóanyagok helyett. Míg a robbanómotoros katonai fegyverek nem képesek könnyen elérni a 2 km/s-nál nagyobb szájsebességet , a vasúti fegyverek könnyen meghaladhatják a 3 km/s-ot. Egy hasonló lövedék esetében a sínpisztolyok hatótávolsága meghaladhatja a hagyományos lövegekét. A lövedék pusztító ereje a becsapódás pillanatában fellépő mozgási energiájától és tömegétől függ, és a sínpisztoly által indított lövedék potenciálisan nagy sebessége miatt pusztító erejük sokkal nagyobb lehet, mint az azonos méretű, hagyományos módon kilőtt lövedékek. További előnyökkel jár, ha nincsenek tárolható és kezelhető robbanó hajtóanyagok vagy robbanófejek, valamint a lövedékek alacsony költsége a hagyományos fegyverekhez képest.

A fentiek ellenére előnye, railgunokat még mindig nagyon sok kutatási stádiumban évtizedei után a K + F , és ez még a jövő zenéje-e vagy sem, hogy valaha is lehet telepíteni a gyakorlati katonai fegyvereket. Az elektromágneses (EM) meghajtórendszerek és a fegyverekhez használt vegyi hajtóanyagok közötti kompromisszumos elemzésnek figyelembe kell vennie annak tartósságát, rendelkezésre állását és gazdaságosságát, valamint a szükséges impulzusos tápegységek újdonságát, térfogatát, nagy energiaigényét és összetettségét. elektromágneses indítórendszerekhez.

Alapok

A sínpisztoly a legegyszerűbb formában abban különbözik a hagyományos elektromos motoroktól, hogy nem használnak további mezőtekercseket (vagy állandó mágneseket). Ez az alapkonfiguráció egyetlen áramkörből áll, és ezért nagy áramokat (például nagyságrendileg egymillió amper ) igényel , hogy elegendő gyorsulást (és torkolati sebességet) hozzon létre. Ennek a konfigurációnak egy viszonylag gyakori változata a kibővített sínpisztoly , amelyben a meghajtó áramot további párhuzamos vezetőkön keresztül vezetik, amelyek úgy vannak elrendezve, hogy növeljék („növeljék”) a mozgó armatúra által tapasztalt mágneses mezőt. Ezek az elrendezések csökkentik az adott gyorsításhoz szükséges áramot. Az elektromos motorok terminológiája szerint a kibővített sínpisztolyok általában soros felépítésűek. Egyes sínpisztolyok erős neodímium mágnest is használnak , amelynek mezeje merőleges az áramlásra, hogy növeljék a lövedékre ható erőt.

Az armatúra lehet a lövedék szerves része, de úgy is konfigurálható, hogy felgyorsítson egy különálló, elektromosan elszigetelt vagy nem vezető lövedéket. A tömör, fémes csúszóvezetők gyakran a sínpisztolyos armatúra előnyös formája, de plazma vagy „hibrid” páncélzatok is használhatók. A plazma armatúrát ionizált gáz ív alkotja, amelyet szilárd, nem vezető hasznos teher nyomására használnak, hasonlóan a hagyományos pisztoly hajtógáz nyomásához. A hibrid armatúra egy pár plazmaérintkezőt használ, hogy egy fém armatúrát összekössen a pisztoly síneivel. A szilárd páncélzatok „átállhatnak” hibrid páncélzatokba is, általában egy bizonyos sebességküszöb túllépése után. A sínpisztoly működtetéséhez szükséges nagy áramot különféle tápellátási technológiák biztosíthatják, például kondenzátorok, impulzusgenerátorok és lemezgenerátorok.

A potenciális katonai alkalmazásoknál a sínpisztolyok általában érdekesek, mivel sokkal nagyobb pofasebességet képesek elérni, mint a hagyományos vegyi hajtóanyaggal működő fegyverek. A jobb szájsebesség jobb aerodinamikailag áramvonalas lövedékekkel közvetítheti a megnövelt lőtávolság előnyeit, míg a célhatások tekintetében a megnövekedett végsebességek lehetővé teszik a ütés-megölés irányítást magában foglaló mozgási energiakörök használatát a robbanófejek helyett . Ezért a tipikus katonai sínpisztoly -tervek a 2000–3 500 m/s (4500–7 800 mph; 7200–12 600 km/h) szájsebességet célozzák meg, 5–50 megajoule (MJ) szájkosárral . Összehasonlításképpen: 50  MJ egyenértékű egy 5 tonnás tömegű iskolabusz mozgási energiájával, amely 509 km/h (316 mph; 141 m/s) sebességgel halad. Az egyhurkos sínpisztolyok esetében ezek a feladatok néhány millió amper indítóáramot igényelnek , így egy tipikus sínpisztolyos tápegységet úgy tervezhetnek, hogy néhány milliszekundumig 5 MA indítóáramot biztosítson. Mivel az ilyen indításokhoz szükséges mágneses térerősség tipikusan körülbelül 10 tesla (100 kilogauss ) lesz, a legtöbb korszerű sínpisztoly- kivitel hatékonyan léghordós , azaz nem használnak ferromágneses anyagokat , például vasat a mágneses fluxus fokozására. Azonban, ha a hordó készült mágnesesen permeábilis anyagból, a mágneses térerősség következtében nő a permeabilitás növekedése ( μ = μ ₀ * μ _r , ahol μ az effektív permeabilitása, ji ₀ a permeabilitási állandó, és μ _R jelentése a hordó relatív permeabilitása). Ez növeli a lövedék erejét.

Railgun sebességek általában tartozik a tartományban amelyek az elérhető kétfokozatú könnyű gáz fegyver ; ez utóbbiakat azonban általában csak laboratóriumi használatra alkalmasnak tekintik, míg a sínpisztolyokat úgy ítélik meg, hogy potenciális kilátásokat kínálnak katonai fegyverként való fejlesztésre. Egy másik könnyűgázpisztoly, az 155 mm -es prototípusú égéskönnyű gázpisztoly előrejelzése szerint 2500 m/s sebességet ér el 70 kaliberű csővel. Egyes hipersebességi kutatási projektekben a lövedékeket „előre befecskendezték” a sínpisztolyokba, hogy elkerüljék az állóindítást , és mind a kétlépcsős könnyűgáz , mind a hagyományos porfegyvereket használták erre a feladatra . Elvileg, ha a sínpisztolyos tápegység -technológiát ki lehet fejleszteni biztonságos, kompakt, megbízható, túlélésre alkalmas és könnyű egységek biztosítására, akkor az ilyen tápegység és az elsődleges üzemanyag befogadásához szükséges teljes rendszer térfogata és tömege kisebb lehet, mint az előírt teljes térfogata és tömege a hagyományos hajtóanyagok és robbanószer -lőszerek küldetésével egyenértékű mennyiségében. Az ilyen technológia vélhetően az elektromágneses repülőgép -indító rendszer (EMALS) bevezetésével érlelődött meg (bár a sínpisztolyok sokkal nagyobb rendszer -teljesítményt igényelnek, mert nagyjából hasonló energiákat kell szállítani néhány ezredmásodpercen belül, szemben néhány másodperccel). Egy ilyen fejlesztés további katonai előnyt jelentene, mivel a robbanóanyagok eltávolítása bármely katonai fegyverplatformról csökkenti annak sebezhetőségét az ellenséges tűz ellen.

Történelem

A sínpisztoly fogalmát először André Louis Octave Fauchon-Villeplée francia feltaláló vezette be, aki 1917-ben létrehozott egy kis működő modellt a Tudor Société anonyme des akumulatorurs (ma Tudor Batteries ) segítségével. Az I. világháború alatt a francia igazgató Találmányi Minisztérium Fegyverzeti , Jules-Louis Brenton megbízásából Fauchon-Villeplee hogy dolgozzon ki egy 30 mm-es és 50 mm-es elektromos ágyú július 25-én, 1918. küldöttek a Bizottság des találmányok tanúja A munkamodell tesztpróbái 1917-ben. A projektet azonban abbahagyták, miután az I. világháború véget ért, még abban az évben, 1918. november 11-én. Fauchon-Villeplee 1919. április 1-jén nyújtott be amerikai szabadalmat, amelyet 1922 júliusában adtak ki szabadalomként nem. 1 421 435 "Elektromos készülék lövedékek meghajtására". Készülékében két párhuzamos gyűjtősínt egy lövedék szárnya köt össze, és az egész készüléket mágneses mező veszi körül . Ha áramot vezetünk át a sínen és a lövedéken, olyan erőt indukálunk, amely a lövedéket a sínek mentén és repülésre hajtja.

1923-ban AL Korolkov orosz tudós részletesen kritizálta Fauchon-Villeplee tervét, és érvel néhány ellen, amit Fauchon-Villeplee mondott találmányának előnyeiről. Korol'kov végül arra a következtetésre jutott, hogy bár egy nagy hatótávolságú elektromos fegyver megépítése a lehetőségek körébe tartozik, Fauchon-Villeplee sínpisztolyának gyakorlati alkalmazását akadályozta a hatalmas villamosenergia-fogyasztás és a nagy teljesítményű speciális elektromos generátor igénye. hogy hatalma alá kerüljön.

1944 -ben, a második világháború idején Joachim Hänsler, a német felderítő hivatal javasolta az első elméletileg életképes vasúti fegyvert. 1944 végére az elektromos légvédelmi fegyver mögött meghúzódó elméletet kellően kidolgozták ahhoz, hogy a Luftwaffe Flak parancsnoksága előírást tudjon kiadni, amely 2000 m/s (4500 mph; 7200 km/h) szájkosarat követelt; 6600 láb/s) és egy lövedék, amely 0,5 kg (1,1 font) robbanóanyagot tartalmaz. A pisztolyokat hat, tizenkét lövés / perc lövésű akkumulátorba kellett szerelni, és a meglévő 12,8 cm -es FlaK 40 tartókhoz kellett illeszteni . Sosem épült. Amikor a háború után részleteket fedeztek fel, az nagy érdeklődést váltott ki, és részletesebb tanulmány készült, amelynek vége egy 1947 -es jelentés volt, amely azt a következtetést vonta le, hogy ez elméletileg megvalósítható, de minden fegyvernek elegendő erőre lesz szüksége Chicago felének megvilágításához .

1950 -ben Sir Mark Oliphant , ausztrál fizikus , az új Ausztrál Nemzeti Egyetem Fizikai Tudományok Kutatóiskolájának első igazgatója kezdeményezte a világ legnagyobb (500 megajoule) homopoláris generátorának tervezését és kivitelezését . Ez a gép 1962-től működött, és később egy nagyszabású sínpisztoly működtetésére használták, amelyet tudományos kísérletként használtak.

1980-ban a ballisztikus kutatólaboratórium (amelyet később az Egyesült Államok hadseregének kutatólaboratóriumává alakítottak ) megkezdte a vasúti fegyverek elméleti és kísérleti kutatásának hosszú távú programját. A munkát túlnyomórészt az Aberdeen Proving Groundon végezték , és a korai kutatások nagy része az Ausztrál Nemzeti Egyetem által végrehajtott sínpisztolyos kísérletekből merített ihletet . A kutatási témák közé tartozott a plazma dinamika, az elektromágneses mezők, a telemetria, valamint az áram- és hőátadás. Míg az Egyesült Államokban a sínpisztoly -technológia katonai kutatása az elkövetkező évtizedekben folyamatosan folytatódott, az irány és a fókusz drámaian megváltozott a finanszírozási szintek és a különböző kormányzati szervek igényeinek jelentős változásával. 1984 -ben a Stratégiai Védelmi Kezdeményező Szervezet megalakulása miatt a kutatási célok elmozdultak a műholdak konstellációjának létrehozása felé, hogy elfogják az interkontinentális ballisztikus rakétákat . Ennek eredményeképpen az amerikai hadsereg kis irányított lövedékek kifejlesztésére összpontosított, amelyek ellenállnak az ultra-nagy sebességű plazma-armatúra sínpisztolyok magas G-indításának. De egy fontos Védettudományi Testület 1985-ös tanulmányának közzététele után az amerikai hadsereg , a tengerészgyalogság és a DARPA megbízást kapott páncélellenes, elektromágneses indítótechnológiák kifejlesztésére a mobil szárazföldi harci járművekhez . 1990-ben az amerikai hadsereg együttműködött a texasi egyetemmel Austinban, hogy létrehozza az Advanced Technology Institute-t (IAT), amely a szilárd és hibrid páncélzatok, a sín-armatúra kölcsönhatások és az elektromágneses indítóanyagok kutatására összpontosított. A létesítmény a hadsereg első szövetségi finanszírozású kutatási és fejlesztési központja lett, és a hadsereg néhány elektromágneses hordozórakétáját, például a közepes kaliberű hordozórakétát helyezte el.

1993 óta a brit és az amerikai kormány együttműködött a Dundrennan Fegyvervizsgálati Központban egy sínpisztoly- projekten , amelynek csúcspontja a 2010-es teszt volt, amikor a BAE Systems 3,2 kg (7 font) lövedéket lőtt ki 18,4 megajoule [3390 m/s (7600 mph); 12 200 km/h; 11 100 láb/s)]. 1994-ben India DRDO „s Fegyverzet Kutatási és Fejlesztési Establishment kifejlesztett egy railgun egy 240 kJ, alacsony induktivitás kondenzátorteleppel operációs 5 kV-os képes indítani lövedékek 3-3,5 g súlyt sebességgel több mint 2000 m / s ( 4500 mph; 7200 km/h; 6600 láb/s). 1995-ben az Austin-i Texas Egyetem Elektromágneses Központja megtervezte és kifejlesztette a Cannon-Caliber Electromagnetic Gun nevű gyors tüzelésű sínpisztoly -kilövőt . A hordozórakéta prototípusát később az amerikai hadsereg kutatólaboratóriumában tesztelték , ahol 50 százalék feletti szellőzési hatékonyságot mutatott.

2010-ben az Egyesült Államok haditengerészete tesztelt egy BAE Systems által tervezett kompakt méretű sínpisztolyt a hajók elhelyezésére, amely 3,2 kg (7 font) lövedéket gyorsított fel körülbelül 3390 m/s (7600 mph; 12200 km/h; 11,100 láb ) hiperszonikus sebességre. /s), vagy körülbelül 10 Mach, 18,4  MJ mozgási energiával. Ez volt az első alkalom a történelemben, hogy ilyen teljesítményt értek el. Ők adták a projekt mottóját: "Velocitas Eradico", latinul "én, [aki vagyok] sebesség, kiirtom" - vagy népiesen "Speed ​​Kills". Az Egyesült Királyságban, a Dundrennan Fegyvervizsgáló Központban található egy korábbi, hasonló kialakítású sínpisztoly (32 megajoule).

A kis teljesítményű, kis méretű vasúti fegyverek népszerű főiskolai és amatőr projekteket is készítettek. Számos amatőr aktívan kutatja a vasúti fegyvereket.

Tervezés

Elmélet

A sínpisztoly két párhuzamos fém sínből áll (innen a név). Az egyik végén ezek a sínek elektromos áramforráshoz vannak csatlakoztatva, hogy a pisztoly záró végét képezzék. Ezután, ha vezetőképes lövedéket helyeznek a sínek közé (pl. A nadrágtartóba helyezve), akkor befejezi az áramkört. Az elektronok a tápegység negatív kivezetéséről felfelé haladnak a negatív sínen, a lövedéken át, és lefelé a pozitív sínen, vissza a tápegységbe.

Ez az áram hatására a sínpisztoly elektromágnesként viselkedik, mágneses teret hozva létre a hurok belsejében, amelyet a sínek hossza alkot az armatúra helyzetéig. A jobbkezes szabálynak megfelelően a mágneses mező kering minden vezeték körül. Mivel az áram minden sín mentén ellentétes irányú, a sínek ( B ) közötti nettó mágneses mező derékszögben van irányítva a sínek középső tengelyei és az armatúra által alkotott síkhoz. Az armatúrában lévő árammal ( I ) együttesen ez Lorentz -erőt eredményez, amely felgyorsítja a lövedéket a sínek mentén, mindig a hurkon kívül (az ellátás polaritásától függetlenül) és távol a tápegységtől, a szájkosár vége felé a síneket. Lorentz erők is hatnak a sínekre, és megpróbálják szétfeszíteni őket, de mivel a sínek szilárdan vannak felszerelve, nem tudnak mozogni.

Értelemszerűen, ha egy amper áram folyik egy pár ideális, végtelen hosszú párhuzamos vezetékben, amelyeket egy méter távolság választ el egymástól, akkor a vezetők minden méteres ereje pontosan 0,2 mikro-newton lesz. Továbbá általában az erő arányos lesz az áram nagyságának négyzetével és fordítottan arányos a vezetők közötti távolsággal. Ebből az is következik, hogy a néhány kg -os lövedéktömegű és néhány m -es csőhosszú sínpisztolyok esetében nagyon nagy áramokra lesz szükség ahhoz, hogy a lövedékek 1000 m/s nagyságrendű sebességre gyorsuljanak.

Egy nagyon nagy tápegység, amely nagyjából egymillió amper áramot biztosít, óriási erőt fog kifejteni a lövedékre, és sok kilométer/másodperces (km/s) sebességre gyorsítja fel. Bár ezek a sebességek lehetségesek, a tárgy meghajtásából keletkező hő elegendő a sínek gyors lerontásához. Nagy igénybevétel mellett a jelenlegi sínpisztolyok a sínek gyakori cseréjét igényelnék, vagy olyan hőálló anyagot használnának, amely eléggé vezetőképes ahhoz, hogy ugyanazt a hatást keltse. Jelenleg általánosan elismert, hogy jelentős áttörésekre lesz szükség az anyagtudományban és a kapcsolódó tudományágakban ahhoz, hogy olyan nagyteljesítményű sínpisztolyokat állítsanak elő, amelyek képesek néhány lövésnél több lövésre egyetlen sínkészletből. A hordónak több ezer lövés percenként ki kell bírnia ezeket a körülményeket, több ezer lövés nélkül, meghibásodás vagy jelentős romlás nélkül. Ezek a paraméterek jóval meghaladják az anyagtudomány korszerű állásait.

Elektromágneses elemzés

Ez a szakasz néhány elemző elemzést mutat be a vasúti fegyverek mechanikáját szabályozó alapvető elméleti elektromágneses elvekről.

Ha a sínpisztoly egyenletes mágneses erőteret biztosítana , amely derékszögben irányul mind az armatúrára, mind a furattengelyre, akkor egy armatúraárammal és egy armatúra hosszával a lövedéket gyorsító erőt a következő képlet adja meg: ${\ displaystyle B}$${\ displaystyle I}$${\ displaystyle {\ boldsymbol {\ ell}}}$${\ displaystyle F}$

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

Itt az erőt, az áramot és a mezőt vektorként kell kezelni, így a fenti vektorkereszt szorzat a furattengely mentén irányított erőt ad, amely az armatúrában lévő áramra hat, a mágneses mező következtében.

A legtöbb egyszerű sínpisztolyban a mágneses mezőt csak a sínekben, azaz az armatúra mögött áramló áram biztosítja. Ebből következik, hogy a mágneses mező nem lesz állandó vagy térben egyenletes. Ennélfogva a gyakorlatban az erőt azután kell kiszámítani, hogy megfelelően figyelembe vették a mágneses tér térbeli változását az armatúra térfogata felett. ${\ displaystyle B}$

Az elvek szemléltetésére hasznos lehet a síneket és az armatúrát vékony huzaloknak vagy "szálaknak" tekinteni. Ezzel a közelítéssel az erővektor nagysága meghatározható a Biot – Savart -törvény egy formájából és a Lorentz -erő eredményéből. Az erő matematikailag levezethető a permeabilitási állandó ( ), a sínek sugara alapján (amelyek keresztmetszetük szerint kör alakúak) ( ), a sínek középtengelyei közötti távolságtól ( ) és az áramtól ( ) az alábbiakban leírtak szerint. ${\ displaystyle \ mu _ {0}}$${\ displaystyle r}$${\ displaystyle d}$${\ displaystyle I}$

Először is kimutatható a Biot – Savart-törvényből, hogy egy félig végtelen áramvezető huzal egyik végén a mágneses mezőt a huzal végére adott merőleges távolságra ( ) adjuk meg. ${\ displaystyle s}$

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

Ne feledje, hogy ez a helyzet akkor, ha a huzal az armatúra helyétől indul, pl. X = 0 -tól vissza, és a huzal tengelyéhez képest mérik. ${\ displaystyle x =-\ infty}$${\ displaystyle s}$

Tehát, ha az armatúra két ilyen félvégtelen huzal végét köti össze, egymástól elválasztva , akkor meglehetősen jó közelítés feltételezve, hogy a huzalok hossza sokkal nagyobb, mint a két vezeték teljes mezője az armatúra bármely pontján: ${\ displaystyle d}$${\ displaystyle d}$

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

hol a merőleges távolság az armatúra pontjától az egyik vezeték tengelyéig. ${\ displaystyle s}$

Vegye figyelembe, hogy a sínek között feltételezzük, hogy a sínek az xy síkban fekszenek, és x = 0 -tól visszafelé haladnak a fentiek szerint. ${\ displaystyle {\ widehat {\ varphi}}}$${\ displaystyle {\ widehat {z}}}$${\ displaystyle x =-\ infty}$

Ezután az armatúrára gyakorolt ​​erő értékeléséhez az armatúrán lévő mágneses mező fenti kifejezése használható a Lorentz -erőtörvénnyel együtt,

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

Hogy az erőt, mint

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

Ez azt mutatja, hogy az erő arányos lesz a termék és a tér a jelenlegi, . Mivel a μ ₀ értéke kicsi (${\ displaystyle \ mu _ {0}}$${\ displaystyle I}$4 π × 10 ⁻⁷  H / m ) ebből következik, hogy az erős sínpisztolyoknak nagy menetáramokra van szükségük.

A fenti képlet azon a feltételezésen alapul, hogy az erő ( ) mérési pontja és a sínek eleje közötti távolság ( ) nagyobb, mint a sínek ( ) körülbelül 3 vagy 4 -szerese ( ). Néhány más egyszerűsítő feltevés is született; az erő pontosabb leírásához figyelembe kell venni a sínek és a lövedék geometriáját. ${\ displaystyle l}$${\ displaystyle F}$${\ displaystyle d}$${\ displaystyle l> 3d}$

A legtöbb praktikus sínpisztoly -geometriával nem egyszerű elektromágneses kifejezést előállítani a sínpisztoly erejéhez, amely egyszerre egyszerű és ésszerűen pontos. Egy működőképesebb egyszerű modell esetében hasznos alternatíva a csomós áramkörű modell használata a hajtóáram és a sínpisztoly közötti kapcsolat leírására.

Ezekben a modellekben a sínpisztolyt egy elektromos áramkörre mintázzák, és a hajtóerőt az áramkörben lévő energiaáramból lehet meghatározni. A sínpisztolyon keresztüli feszültséget a

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

A sínpisztolyba áramló teljes teljesítmény tehát egyszerűen a termék . Ez az erő az energiaáramlást három fő formában képviseli: kinetikus energia a lövedékben és az armatúrában, a mágneses mezőben tárolt energia, és a sínek (és armatúra) elektromos ellenállásfűtése miatt elveszett energia. ${\ displaystyle VI}$${\ displaystyle B}$

Ahogy a lövedék a hordó mentén halad, a nadrág és az armatúra közötti távolság növekszik. Így a hordó ellenállása és induktivitása is növekszik. Egy egyszerű modell esetében feltételezhető, hogy a hordó ellenállása és induktivitása a lövedék helyzetének lineáris függvényeként változik , ezért ezeket a mennyiségeket úgy modellezzük, hogy ${\ displaystyle x}$

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

ahol az ellenállás hosszegységre vonatkoztatva és az induktivitás hosszegységre vonatkoztatva, vagy az induktivitás gradiens. Ebből következik, hogy ${\ displaystyle R '}$${\ displaystyle L '}$

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

ahol az összes fontosabb lövedéksebesség, . Azután ${\ displaystyle {\ mathrm {d} x}/{\ mathrm {d} t}}$${\ displaystyle v}$

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

Most, ha a meghajtó áramot állandó értéken tartjuk, a kifejezés nulla lesz. Az ellenállási veszteségek most egy teljesítményáramnak felelnek meg , míg a teljesítményáram az elvégzett elektromágneses munkát jelenti. ${\ displaystyle {\ mathrm {d} I}/{\ mathrm {d} t}}$${\ displaystyle I^{2} R'x}$${\ displaystyle I^{2} L'v}$

Ez az egyszerű modell azt jósolja, hogy az elektromágneses munka pontosan a felét fogják felhasználni az energia tárolására a hordó mentén lévő mágneses mezőben , ahogy az áramkör hossza növekszik. ${\ displaystyle L'xI^{2}/2}$

Az elektromágneses munka másik fele a hasznosabb áramlást képviseli - a lövedék mozgási energiájába. Mivel a teljesítmény kifejezhető erő és sebesség sebességként, ez azt mutatja, hogy a sínpisztoly armatúrájára kifejtett erőt a

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

Ez az egyenlet azt is mutatja, hogy a nagy gyorsítások nagyon nagy áramokat igényelnek. Egy ideális négyszögletes, egyfordulatú sínpisztoly esetén az értéke körülbelül 0,6 mikroHenry per méter (μH/m), de a legtöbb praktikus sínpisztolyos cső ennél alacsonyabb értékeket mutat . Az induktivitás -gradiens maximalizálása csak az egyik kihívás, amellyel a sínpisztolyos csövek tervezői szembesülnek. ${\ displaystyle L '}$${\ displaystyle L '}$

Mivel az összekapcsolt áramkör modellje a sínpisztoly erejét meglehetősen normális áramköri egyenletekben írja le, lehetővé válik egy sínpisztoly egyszerű időtartományú modelljének megadása. A súrlódást és a légáramlást figyelmen kívül hagyva a lövedék gyorsulását a

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

ahol m a lövedék tömege. A hordó mentén történő mozgást az adja

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

és a fenti feszültség- és áramfogalmakat megfelelő áramköri egyenletekbe lehet helyezni az áram és a feszültség időbeli változásának meghatározásához.

Azt is meg lehet jegyezni, hogy a párhuzamos kerek vezetékek páros, r sugarú és d tengelyirányú elválasztására szolgáló nagyfrekvenciás induktivitás tankönyvének képlete a következő :

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

Tehát a csomósított paraméterek modellje is megjósolja az erőt erre az esetre:

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

A praktikus sínpisztoly -geometriával sokkal pontosabb két- vagy háromdimenziós modelleket lehet kiszámítani a sín- és armatúraáram -eloszlásokról (és a hozzájuk tartozó erőkről), pl. Végeselemes módszerek alkalmazásával a skaláris mágneses potenciálon vagy a mágneses vektorpotenciál.

Tervezési szempontok

A tápegységnek képesnek kell lennie arra, hogy nagy áramokat biztosítson, fenntartva és irányítva hasznos idő alatt. A tápegység hatékonyságának legfontosabb mérője az energia, amelyet képes leadni. 2010 decemberében a legnagyobb ismert energia, amelyet lövedéknek a sínpisztolyból való meghajtására használtak, 33 megajoule volt. A vasúti fegyverekben leggyakrabban használt tápegységek a kondenzátorok és a kompenzátorok, amelyeket lassan töltenek fel más folyamatos energiaforrásokból.

A síneknek óriási taszító erőket kell ellenállniuk lövés közben, és ezek az erők hajlamosak leszorítani őket a lövedékről. Ahogy a sín/lövedék hézagok nőnek, ívek alakulnak ki, ami gyors elpárolgást és a sínfelületek és a szigetelőfelületek jelentős károsodását okozza. Ez néhány korai kutató sínpisztolyt egyetlen lövésre korlátozott szervizintervallumonként.

A sínek és a tápegység induktivitása és ellenállása korlátozza a sínpisztoly kialakításának hatékonyságát. Jelenleg különböző sínformákat és sínpisztoly -konfigurációkat tesztelnek, elsősorban az amerikai haditengerészet ( Naval Research Laboratory ), a Texasi Egyetem fejlett technológiai intézete és a BAE Systems.

Felhasznált anyagok

A síneket és lövedékeket erősen vezető anyagokból kell építeni ; a síneknek túl kell élniük a gyorsuló lövedék erőszakát és a nagy áramlatok és súrlódás miatti felmelegedést. Néhány téves munka azt sugallta, hogy a sínpisztolyokban a visszarúgó erő átirányítható vagy megszüntethető; gondos elméleti és kísérleti elemzésből kiderül, hogy a visszarúgó erő ugyanúgy hat a nadrág zárására, mint egy vegyi lőfegyvernél. A sínek oldalirányú erővel taszítják magukat, amit a sínek mágneses mező által történő tolása okoz, ugyanúgy, mint a lövedék. A síneknek ezt túl kell élniük hajlítás nélkül, és nagyon biztonságosan fel kell szerelni őket. A jelenleg közzétett anyagok azt sugallják, hogy az anyagtudományban jelentős előrelépéseket kell tenni a sínek kifejlesztése előtt, amelyek lehetővé teszik, hogy a sínpisztolyok néhány teljes erejű lövésnél többet lőjenek ki, mielőtt a síneket ki kell cserélni.

Hőleadás

A jelenlegi tervek szerint a síneken áramló villamos energia, valamint a készüléket elhagyó lövedék súrlódása miatt hatalmas mennyiségű hő keletkezik . Ez három fő problémát okoz: a berendezések olvadását, a személyzet biztonságának csökkenését és az ellenséges erők észlelését a megnövekedett infravörös aláírás miatt . Amint azt fentebb röviden tárgyaltuk, az ilyen típusú készülékek égetésével járó feszültségek rendkívül hőálló anyagot igényelnek. Ellenkező esetben a sínek, a hordó és minden felszerelés megolvadna vagy helyrehozhatatlanul megsérülne.

A gyakorlatban a legtöbb sínpisztoly -kialakításhoz használt síneket minden egyes indításkor erózió éri. Ezenkívül a lövedékek bizonyos fokú ablációnak lehetnek kitéve , és ez korlátozhatja a sínpisztoly élettartamát, bizonyos esetekben súlyosan.

Alkalmazások

A sínpisztolyoknak számos lehetséges gyakorlati alkalmazása van, elsősorban a hadsereg számára. Vannak azonban más elméleti alkalmazások is, amelyeket jelenleg vizsgálnak.

Űrhajó indítása vagy indítása

Tanulmányozták a rakéták kilövéséhez szükséges elektrodinamikai segítséget. Ennek a technológiának az űrbeli alkalmazása valószínűleg magában foglalja a speciálisan kialakított elektromágneses tekercseket és szupravezető mágneseket . Valószínűleg kompozit anyagokat használnak ehhez az alkalmazáshoz.

A Földről indított űrkísérletekhez viszonylag rövid (néhány km -nél kisebb) gyorsulási távolságok nagyon erős gyorsulási erőket igényelnek, magasabbak, mint az emberek. Más kivitelek közé tartozik egy hosszabb spirális (spirális) pálya, vagy egy nagy gyűrűs kialakítás, amely szerint az űrjármű többször körbejárja a gyűrűt, fokozatosan felgyorsítva, mielőtt kiengedik az ég felé vezető indítófolyosóra. Mindazonáltal, ha műszakilag kivitelezhető és költséghatékony az építése, a hipersebességű menekülési sebességnek a tengerszinten induló lövedékhez juttatása , ahol a légkör a legsűrűbb, a kilövési sebesség nagy részét elveszítheti az aerodinamikai ellenállás miatt . Ezenkívül a lövedék továbbra is igényelhet valamilyen fedélzeti irányítást és vezérlést, hogy olyan hasznos pályabehelyezési szöget valósítson meg, amely nem érhető el pusztán a kilövő felfelé emelkedési szöge alapján a föld felszínéhez képest (lásd a gyakorlati szempontokat). menekülési sebesség ).

2003 -ban Ian McNab felvázolt egy tervet, hogy ezt az ötletet megvalósított technológiává alakítsák. Az erőteljes gyorsulás miatt ez a rendszer csak szilárd anyagokat indíthat, például élelmiszert, vizet és - ami a legfontosabb - üzemanyagot. Ideális körülmények között (egyenlítő, hegy, kelet felé tartás) a rendszer 528 dollár/kg -ba kerülne, míg a hagyományos rakéta esetében 5000 dollár/kg. A McNab sínpisztoly évente körülbelül 2000 kilövést tud végrehajtani, összesen legfeljebb 500 tonnát. Mivel az indítópálya 1,6 km hosszú lenne, az áramellátást a pálya mentén elosztott 100 (kötelező) forgógépből álló elosztott hálózat biztosítja. Mindegyik gép 3,3 tonnás szénszálas rotorral rendelkezik, amely nagy sebességgel forog. Egy gép néhány óra alatt képes újratölteni 10 MW teljesítmény segítségével. Ezt a gépet dedikált generátorral lehet ellátni. A teljes indítócsomag súlya majdnem 1,4 tonna. Ilyen körülmények között az indításonkénti hasznos teher meghaladja a 400 kg -ot. A csúcs működési mágneses tere 5 T lenne - ennek fele a sínekből, a másik fele pedig a növekvő mágnesekből származik. Ez felére csökkenti a szükséges áramot a síneken, ami négyszeresére csökkenti a teljesítményt.

A NASA javasolta, hogy sínpisztoly segítségével indítsanak "ék alakú repülőgépeket scramjet-el " a magasba, a 10 Machon, ahol ezután kis rakományt bocsátanak pályára hagyományos rakétahajtással. A szélsőséges g-erők, amelyek közvetlen vasúti lőfegyverek űrbe helyezésével járnak, csak a legerősebb hasznos teherre korlátozhatják a használatot. Alternatív megoldásként nagyon hosszú sínrendszerek is alkalmazhatók a szükséges indítási gyorsítás csökkentésére.

Fegyverzet

A sínpisztolyokat fegyverként kutatják olyan lövedékekkel, amelyek nem tartalmaznak robbanóanyagot vagy hajtóanyagot, de rendkívül nagy sebességet kapnak: 2500 m/s (körülbelül 8 200 láb/s) (kb. 7 Mach tengerszinten). Összehasonlításképpen: az M16 puska szájsebessége 930 m/s (3050 láb/s), a 16 hüvelykes/50 kaliberű Mark 7 fegyver pedig, amely a második világháborús amerikai csatahajókat felfegyverezte, szájsebessége 760 m/s (2490) ft/s)), amely sokkal nagyobb lövedéktömege (akár 2700 font) miatt 360 MJ pofaenergiát és 160 MJ feletti energia lefelé irányuló kinetikus hatását generálta (lásd még: HARP projekt ). Rendkívül nagy sebességgel a sínpisztolyok kinetikus energiahatásokat érhetnek el vagy meghaladhatnak az 5 "/54 kaliberű Mark 45 Naval fegyverek pusztító energiájával (amelyek akár 10 MJ -ot érnek el a pofán), de nagyobb hatótávolsággal. Ez csökkenti a lőszerek méretét és súlyát, lehetővé teszi több lőszer szállítását, és kiküszöböli a robbanóanyagok vagy hajtóanyagok tartályban vagy haditengerészeti platformban történő szállításának veszélyeit. Továbbá, ha nagyobb sebességgel lőnek ki aerodinamikailag áramvonalasabb lövedékeket, a sínpisztolyok nagyobb hatótávolságot, rövidebb célzási időt és rövidebb hatótávolságban kisebb szél sodródást érhetnek el, megkerülve a hagyományos lőfegyverek fizikai korlátait: "a gázbővítés korlátai tiltják a segély nélküli lövedék indítását. körülbelül 1,5 km/s -nál nagyobb sebességgel és 80 km -nél nagyobb hatótávolsággal a hagyományos, hagyományos fegyverrendszertől. "

A jelenlegi sínpisztoly -technológiák hosszú és nehéz csövet igényelnek, de a sínpisztoly ballisztikája messze felülmúlja a hagyományos, azonos csőhosszúságú ágyúkat. A sínpisztolyok hatásterületet is okozhatnak, ha robbanó töltést robbantanak fel a lövedékben, amely nagy területen kisebb lövedékek raját szabadítja fel.

Feltételezve, hogy a lőfegyverek előtt álló számos technikai kihívást leküzdik, beleértve a sínpisztoly lövedékek irányítását, a sínállóságot, valamint a harci túlélhetőséget és az elektromos áramellátás megbízhatóságát, a sínpisztolyok megnövelt indítási sebessége előnyösebb lehet a hagyományos fegyverekhez képest támadó és védekező forgatókönyvek. A vasúti fegyverek korlátozottan használhatók felszíni és légi célpontok ellen.

Az első gyártásra tervezett fegyveres sínpisztoly, a General Atomics Blitzer rendszer, 2010 szeptemberében kezdte meg a teljes rendszer tesztelését. A fegyver a Boeing Phantom Works által tervezett, korszerű, eldobható szabotázskörét indítja el 1600 m/s (kb. 5 Mach) sebességgel ) 60 000 g _n -t meghaladó gyorsulással . Során az egyik tesztek, a lövedék képes volt utazni további 7 km (4,3 km) downrange után benyúlni 1 / 8 inch (3,2 mm) vastag acéllemez. A vállalat reméli, hogy a rendszer integrált bemutatója 2016 -ra, majd a gyártás 2019 -re, finanszírozásra vár. A projekt eddig önerőből valósult meg.

2013 októberében a General Atomics bemutatta a Blitzer sínpisztoly szárazföldi változatát. Egy cég tisztviselője azt állította, hogy a fegyver két -három év múlva készen áll a gyártásra.

Vizsgálják, hogy a szárazföldi bombázás mellett a lőfegyvereket légvédelmi fegyverként használják -e a légifenyegetések, különösen a hajó elleni cirkálórakéták elfogására . Egy szuperszonikus tengeri sikló hajó elleni rakéta jelenhet meg a látóhatár felett 20 mérföldre egy hadihajótól, és nagyon rövid reakcióidőt hagy a hajó számára, hogy elfogja. Még ha a hagyományos védelmi rendszerek is elég gyorsan reagálnak, drágák, és csak korlátozott számú nagy elfogóeszköz szállítható. A sínpisztoly lövedéke többször is elérheti a hangsebességet, mint egy rakéta; emiatt sokkal gyorsabban és távolabb kerülhet a hajótól egy célponthoz, például egy körrakétához. A lövedékek jellemzően sokkal olcsóbbak és kisebbek is, lehetővé téve sokkal több hordozását (nincsenek irányítórendszereik, és a sínpisztolyra támaszkodnak mozgási energiájuk helyett, nem pedig saját maguk). A sínpisztoly -rendszerek sebessége, költsége és számszerű előnyei lehetővé teszik számukra, hogy több különböző rendszert helyettesítsenek a jelenlegi réteges védelmi megközelítésben. Egy sínpisztolyos lövedék, amely nem képes irányt változtatni, legfeljebb 30 nmi (35 mi; 56 km) hatótávolságon belül képes ütni a gyorsan mozgó rakétákat. A Phalanx CIWS-hez hasonlóan az irányítatlan sínpisztolyos lövedékekhez több/sok lövésre lesz szükség a manőverező szuperszonikus hajó elleni rakéták leveréséhez, és a rakéta ütésének esélye drámaian javul, minél közelebb kerül. A haditengerészet azt tervezi, hogy a vasúti fegyverek képesek lesznek elfogni a légköri ballisztikus rakétákat, a lopakodó légi fenyegetéseket, a szuperszonikus rakétákat és a felszíni fenyegetéseket; a lehallgatási feladatokat támogató prototípusrendszert 2018-ra kell elkészíteni, és 2025-re működőképesnek kell lennie. Ez az időkeret azt sugallja, hogy a fegyvereket a haditengerészet következő generációs felszíni harcosaira tervezik telepíteni, amelyek várhatóan 2028-ra kezdik meg az építkezést.

A BAE Systems egy ponton érdekelte, hogy sínpisztolyokat szereljen fel a jövőbeli harci rendszerekkel felszerelt személygépkocsikra . Ez a program volt az amerikai hadsereg harmadik kísérlete az öregedő M2 Bradley pótlására .

India sikeresen tesztelte saját vasúti fegyverét. Oroszország , Kína , Törökország „s ASELSAN   és Yeteknoloji is fejlesztenek railgunokat.

Csavaros sínpisztoly

A spirális sínpisztolyok többfordulós sínpisztolyok, amelyek a fordulatszámmal egyenlő mértékben csökkentik a sín- és ecsetáramot. Két sínt spirális cső vesz körül, és a lövedék vagy az újra felhasználható hordozó is spirális. A lövedéket a sínek mentén csúszó két kefe folyamatosan táplálja, és a lövedéken lévő két vagy több további kefe a lövedék előtt és/vagy mögött lévő spirális csőirányú több tekercs energiáját és ingázását szolgálja. A spirális sínpisztoly egy sínpisztoly és egy tekercs közötti kereszt . Jelenleg gyakorlati, használható formában nem léteznek.

Az MIT -ben 1980 -ban építették a csavarvonalú sínpisztolyt, amelyet több, egyelőre nagy kondenzátor (kb. 4 farad ) bankja hajtott . Körülbelül 3 méter hosszú volt, 2 méter gyorsítótekercsből és 1 méter lassító tekercsből állt. Vitorlázórepülőgépet vagy lövedéket tudott indítani körülbelül 500 méterre.

Plazma sínpisztoly

A plazma railgun egy lineáris gyorsító és plazma energia fegyver , amely, mint egy lövedék railgun, használ két hosszú párhuzamos elektróda, hogy gyorsítsa a „csúszó rövid” szerelvény. Egy plazma sínpisztolyban azonban az armatúra és a kilövő lövedék plazmából vagy forró, ionizált, gázszerű részecskékből áll, szilárd anyag helyett. A MARAUDER ( Magnetically Accelerated Ring to Achieve Ultra-High Directed Energy and Radiation ) az Egyesült Államok Légierő Kutatólaboratóriumának projektje, amely egy koaxiális plazma sínpisztoly kifejlesztését célozza. Ez egyike az Egyesült Államok kormányának azon törekvéseinek, amelyek plazma alapú lövedékek kifejlesztésére irányulnak. Az első számítógépes szimuláció 1990 -ben történt, és az első publikált kísérlete 1993. augusztus 1 -jén jelent meg. 1993 -tól a projekt a kísérleti szakasz kezdeti szakaszában volt. A fegyver fánk alakú plazmagyűrűket és villámgolyókat tudott előállítani, amelyek pusztító hatásokkal robbantak fel, amikor célba értek. A projekt kezdeti sikere miatt minősítetté vált, és 1993 után csak néhány utalás jelent meg a MARAUDER -re.

Tesztek

Teljes skálájú modelleket gyártottak és lőttek ki, köztük egy 90 mm-es (3,5 hüvelyk) furatú, 9 megajoule kinetikus energiapisztolyt, amelyet az amerikai DARPA fejlesztett ki . A sín és a szigetelő kopásával kapcsolatos problémákat még meg kell oldani, mielőtt a sínpisztolyok megkezdhetik a hagyományos fegyverek helyettesítését. Valószínűleg a legrégebben következetesen sikeres rendszert az Egyesült Királyság Védelmi Kutatóügynöksége építette a Dundrennan Range -en, Kirkcudbrightban , Skóciában . Ezt a rendszert 1993 -ban hozták létre, és több mint 10 éve működtetik.

A Jugoszláv Haditechnikai Intézet 1985-ben az EDO-0 elnevezésű projekt keretében kifejlesztett egy 7 kJ mozgási energiájú sínpisztolyt. 1987-ben létrejött az EDO-1 projekt utódja, amely 0,7 kg (1,5 lb) tömegű lövedéket használt. ), és 3000 m/s (9800 láb/s) sebességet ért el, 1,1 kg (2,4 lb) tömegével pedig 2400 m/s (7900 láb/s) sebességet. 0,7 m (2,3 láb) vágányhosszat használt. A rajta dolgozók szerint más módosításokkal 4500 m/s (14.800 ft/s) sebességet tudott elérni. A cél az volt, hogy 7000 m/s (23 000 láb/s) lövedéksebességet érjenek el.

Kína mára az elektromágneses hordozórakéták egyik fő szereplője; 2012 -ben adott otthont a 16. Nemzetközi Szimpóziumnak az elektromágneses indítási technológiáról (EML 2012) Pekingben. A 2010 végén végzett műholdfelvételek azt sugallták, hogy Baotou közelében , a Belső -Mongólia autonóm régióban egy páncél- és tüzérségi lőtéren végeztek vizsgálatokat .

Egyesült Államok fegyveres erői

Az Egyesült Államok hadserege kifejezte érdeklődését az elektromos fegyverek technológiájának kutatása iránt a 20. század végén, mivel az elektromágneses fegyverek nem követelik meg a hajtóanyagoktól a hagyományos fegyverrendszerekhez hasonló lövést, ami jelentősen növeli a személyzet biztonságát és csökkenti a logisztikai költségeket. nagyobb hatótávolságot biztosítanak. Ezenkívül a sínpisztoly-rendszerek potenciálisan nagyobb sebességet biztosítanak, ami növelné a páncéltörő, tüzérségi és légvédelmi pontosságot azáltal, hogy csökkenti a lövedék célcéljához szükséges időt. A kilencvenes évek elején az amerikai hadsereg több mint 150 millió dollárt szentelt az elektromos fegyverek kutatására. A Texasi Egyetemen, az Austin Elektromechanikai Központban kifejlesztettek kilenc megajoule (9 MJ) kinetikus energiájú, volfrám páncéltörő golyókat leadni képes katonai vasúti fegyvereket . Kilenc megajoule elegendő energia ahhoz, hogy 2 kg (4,4 font) lövedéket szállítson le 3 km/s sebességgel - ilyen sebességgel egy kellően hosszú volfrámrúd vagy más sűrű fém könnyen áthatolhat a tartályon , és potenciálisan áthaladhat ezen keresztül (lásd APFSDS ).

Tengerészeti Felszíni Hadviselési Központ Dahlgren osztálya

Az Egyesült Államok Haditengerészeti Felszíni Hadviselési Központjának Dahlgren osztálya októberben bemutatott egy 8 MJ sínű ​​lőfegyvert, amely 3,2 kg (7,1 lb) lövedékeket lőtt ki, mint egy 64 MJ -os fegyver prototípusa, amelyet a haditengerészet hadihajóin kell elhelyezni. Az amerikai haditengerészet fő problémája a sínpisztolyos ágyúrendszer bevezetésével az, hogy a fegyverek elhasználódnak a hatalmas nyomás, feszültség és hő hatására, amelyet a millió amper áram generál ahhoz, hogy megajoule energiájú lövedékeket lőjenek ki. Noha közel sem olyan erős, mint egy BGM-109 Tomahawk típusú cirkálórakéta , amely 3000 MJ energiát juttat el egy célponthoz, az ilyen fegyverek elméletileg lehetővé tennék a haditengerészet számára, hogy szemcsésebb tűzerőt szállítson az árának töredékéért rakéta, és sokkal nehezebb lesz lelőni a jövőbeli védelmi rendszerekkel szemben. A kontextus szempontjából egy másik releváns összehasonlítás a Rheinmetall 120 mm -es fegyver, amelyet a fő harckocsiknál ​​használnak, és amely 9 MJ pofaenergiát termel.

2007 -ben a BAE Systems 32 MJ prototípust (pofaenergia) szállított az amerikai haditengerészetnek. Ugyanez az energiamennyiség szabadul fel 4,8 kg (11 lb) C4 robbantásával .

2008. január 31 -én az amerikai haditengerészet tesztelt egy sínpisztolyt, amely 10,64 MJ lövedéket lőtt ki 2520 m/s (8270 láb/s) szájkosárral. A hatalom által egy új, 9-megajoule prototípus kondenzátor bank szilárdtest kapcsolók és nagy energiasűrűségű kondenzátorok szállított 2007-ben, és egy idősebb 32 MJ impulzus villamosenergia-rendszer az amerikai hadsereg Green Farm Electric Gun Kutatási és Fejlesztési Alap kifejlesztett az 1980 -as évek végén, amelyet korábban a General Atomics Electromagnetic Systems (EMS) osztály felújított. Várhatóan 2020 és 2025 között készül el.

A vasúti fegyver tesztelésére 2010. december 10 -én került sor az amerikai haditengerészetnél, a Naval Surface Warfare Center Dahlgren osztályán. A teszt során a Tengerészeti Kutatási Iroda világrekordot állított fel azzal, hogy 33 MJ lövést hajtott végre a sínpisztolyból, amelyet a BAE Systems épített.

Egy másik tesztre 2012 februárjában került sor, a Naval Surface Warfare Center Dahlgren osztályán. Noha energiája hasonló a fent említett teszthez, a használt sínpisztoly lényegesen kompaktabb, hagyományosabb csövű. A General Atomics által készített prototípust 2012 októberében szállították tesztelésre.

Külső videó
További felvételek
2012. februári teszt

2014 -ben az amerikai haditengerészet azt tervezte, hogy 2016 -ra egy 16 km -nél nagyobb hatótávolságú sínpisztolyt épít be a hajóba. Ez a fegyver, bár formai tényezője inkább a haditengerészeti fegyverekre jellemző, az alkatrészek nagy részét közös a Dahlgrennél kifejlesztett és bemutatott modellekkel. A hipersebességű lövedékek súlya 10 kg (23 font), 460 mm (18 hüvelyk), és 7 Mach- on lőnek .

A jövőbeni cél az önvezető lövedékek kifejlesztése volt-ez szükséges követelmény a távoli célpontok eltalálásához vagy a rakéták elfogásához. Az irányított lövedékek kifejlesztésekor a haditengerészet minden fordulót körülbelül 25 000 dollárba vetít, bár a fegyverekhez irányított lövedékek kifejlesztése a kezdeti költségbecslések kétszeresére vagy háromszorosára emelkedett. Néhány, a haditengerészet által kifejlesztett nagysebességű lövedék rendelkezik parancsnoki útmutatással, de a parancsvezetés pontossága nem ismert, és még akkor sem, ha képes túlélni egy teljes erejű lövést.

Az egyetlen amerikai haditengerészeti hajó, amely a kívánt teljesítmény eléréséhez elegendő elektromos energiát tud előállítani, a három Zumwalt osztályú romboló (DDG -1000 sorozat); 78 megawatt energiát tudnak előállítani, többet, mint amennyi egy vasúti fegyverhez szükséges. A Zumwaltot azonban törölték, és további egységeket nem építenek. A mérnökök azon dolgoznak, hogy a DDG-1000 sorozatú hajókhoz kifejlesztett technológiákat akkumulátorrendszerbe vonják be, hogy más hadihajók is működtessenek sínpisztolyt. 2014 -től a legtöbb romboló mindössze kilenc megawatt energiát spórolhat meg, míg 25 millió wattra lenne szüksége ahhoz, hogy egy lövedéket a kívánt maximális tartományba lökjön (azaz 32 MJ lövedéket indítson 10 lövés / perc sebességgel). Még akkor is, ha a hajókat, például az Arleigh Burke -osztályú rombolót , elegendő elektromos energiával lehet korszerűsíteni a sínpisztoly működtetéséhez, a kiegészítő fegyverrendszer integrálásával a hajókon elfoglalt hely arra kényszerítheti a meglévő fegyverrendszerek eltávolítását. szoba áll rendelkezésre. Az első fedélzeti teszteket egy Spearhead osztályú expedíciós gyors szállításra (EPF) szerelt sínpisztolyból kellett elvégezni , de ezt később szárazföldi tesztelésre változtatták.

Bár a 23 lb lövedékek nem tartalmaznak robbanóanyagot, a 7 Mach -os sebességük 32 megajoule energiát biztosít számukra, de a becsapódási mozgási energia jellemzően a pofa energiájának 50 % -a vagy annál kisebb lesz. A haditengerészet a szárazföldi bombázáson kívül megvizsgálta a vasúti fegyverek más felhasználási módjait is, például a légvédelmet; a megfelelő célzási rendszerekkel a lövedékek elfoghatják a repülőgépeket, a cirkálórakétákat és még a ballisztikus rakétákat is. A haditengerészet irányított energiájú fegyvereket is fejleszt légvédelmi célokra, de évekig vagy évtizedekig tart, amíg hatásosak lesznek.

A sínpisztoly egy haditengerészeti flotta része lenne, amely a jövőbeni támadó- és védekezési képességeket rétegekben látja el: lézerek a közeli védekezéshez, sínpisztolyok közepes hatótávolságú támadáshoz és védekezéshez, valamint cirkáló rakéták a nagy hatótávolságú támadások biztosításához; bár a sínpisztolyok akár 100 mérföldre lévő célpontokat is elfednek, amelyekre korábban rakétára volt szükség. A haditengerészet végül továbbfejlesztheti a sínpisztoly -technológiát annak érdekében, hogy 200 nmi (230 mi; 370 km) hatótávolságban lőhessen és 64 megajoule energiával üthessen. Egy lövés 6 millió amper áramot igényel, ezért sok időbe telik a kondenzátorok kifejlesztése, amelyek elegendő energiát és elég erős fegyveranyagot képesek előállítani.

A fegyverminősítésű sínpisztolyok és általában az elektromágneses fegyverek legígéretesebb rövid távú alkalmazása valószínűleg a haditengerészeti hajók fedélzetén van, elegendő tartalék villamosenergia-termelési kapacitással és akkumulátor tárolóhellyel. Cserébe a hajók túlélőképessége javítható a potenciálisan veszélyes vegyi hajtóanyagok és robbanóanyagok mennyiségének hasonló csökkentésével. A szárazföldi harci erők azonban azt tapasztalhatják, hogy egy kiegészítő elektromos tápegységnek a csatatéren történő elhelyezése minden fegyverrendszer esetében nem lehet olyan súly- és helytakarékos, túlélhető vagy kényelmes forrása az azonnali lövedék-kilövő energiának, mint a hagyományos hajtóanyagok. biztonságosan gyártják a vonalak mögött, és előre csomagolva szállítják a fegyverhez egy robusztus és szétszórt logisztikai rendszeren keresztül.

2017 júliusában a Defensetech arról számolt be, hogy a haditengerészet a tudományos kísérletből hasznos fegyverterületre kívánja tolni a Hivatal Haditengerészeti Kutatási Iroda sínpisztolyának prototípusát. Tom Beutner , az ONR Naval Air Warfare and Weapons vezetője szerint a cél percenként tíz lövés volt 32 megajoule -nál. Egy 32 megajoule sínpisztoly lövés körülbelül 23.600.000 láb-fontnak felel meg, tehát egyetlen 32 MJ-os lövésnek ugyanaz a pofa energiája, mint körülbelül 200.000 .22 lövésnek egyszerre. A hagyományosabb hajtóművekben a 32 MJ lövés 6 másodpercenként 5,3 MW (vagy 5300 kW) nettó teljesítmény. Ha a sínpisztoly 20% -os hatékonysággal feltételezi az elektromos energia kinetikus energiává alakítását, akkor a hajó elektromos ellátásának körülbelül 25 MW -ot kell biztosítania mindaddig, amíg a tüzelés folytatódik.

2020 -ra, 17 év és a programra elköltött 500 millió dollár után a haditengerészet vasúti fegyvere közel sem állt készen arra, hogy bármely hajón bevethessék, a haditengerészet ehelyett a már számban rendelkezésre álló, hagyományos fegyverekből származó hiperszonikus lövedékek kilövésére összpontosított . 2021. június 1 -jén a The Drive arról számolt be, hogy az amerikai haditengerészet 2022 -es költségvetési évre javasolt költségvetése nem rendelkezik finanszírozással a vasúti fegyverek kutatására és fejlesztésére. A technikai kihívásokat nem lehetett leküzdeni, mint például a hatalmas tüzelési erők, amelyek már egy -két tucat lövés után elhasználták a csövet, és túl alacsony volt a tűzsebesség ahhoz, hogy hasznos legyen a rakétavédelemhez. A sínpisztoly -fejlesztés megkezdése óta a prioritások is megváltoztak, a haditengerészet nagyobb hangsúlyt fektetett a hosszabb hatótávolságú hiperszonikus rakétákra, mint a viszonylag rövidebb hatótávolságú sínpisztolyos lövedékek.

Hadseregkutató Laboratórium

A sínpisztoly -technológia kutatása az 1980 -as években a Ballistic Research Laboratory (BRL) egyik fő témája volt . Amellett, hogy más intézményekben (például a Maxwell Laboratories CHECMATE sínpisztolyában ) vizsgálta a sínpisztolyok teljesítményét, elektrodinamikai és termodinamikai tulajdonságait , a BRL saját sínpisztolyokat is beszerzett, például egyméteres sínpisztolyukat és négyméteres sínpisztolyukat . 1984 -ben a BRL kutatói kidolgoztak egy technikát, amellyel elemezhetik a fúrás felszínén egy lövés után visszamaradt maradékot, hogy megvizsgálják a furat progresszív romlásának okát. 1991 -ben meghatározták a hatékony indítócsomag kifejlesztéséhez szükséges tulajdonságokat, valamint azokat a tervezési kritériumokat, amelyek szükségesek ahhoz, hogy a sínpisztoly bordázott, hosszú rudas lövedékeket tartalmazzon.

A vasúti fegyverek kutatása folytatódott, miután a ballisztikus kutatólaboratóriumot hat másik független hadsereg laboratóriumával egyesítették, hogy 1992-ben megalapítsák az amerikai hadsereg kutatólaboratóriumát (ARL) . Az ARL részt vett a sínpisztoly-kutatás egyik nagy projektjében az ágyú-kaliberű elektromágneses fegyverben. (CCEMG) program , amely a Texasi Egyetem Elektromechanikai Központjában (UT-CEM) zajlott, és amelyet az amerikai tengerészgyalogság és az amerikai hadsereg fegyverzetkutatási fejlesztési és mérnöki központja támogatott . A CCEMG program részeként az UT-CEM 1995-ben megtervezte és kifejlesztette a Cannon-Caliber Electromagnetic Launcher-t, egy gyors tüzelésű sínpisztoly-kilövőt. A 30 mm-es gömbfúvóka segítségével az indító három, öt körből álló lőfegyvert tudott leadni. 185 g-os indítócsomagok 1850 m/s szájkosárral és 5 Hz-es lövési gyakorisággal. A gyorstüzelés a CCEMG kényszerítő által biztosított 83544 csúcsimpulzussal hajtható. A CCEMG sínpisztoly számos funkciót tartalmazott: kerámia oldalfalak, irányított előtöltés és folyadékhűtés. Az ARL volt felelős a hordozórakéta teljesítményének értékeléséért, amelyet az ARL Transonic kísérleti létesítményben teszteltek, Aberdeen Proving Ground, MD .

Az amerikai hadsereg kutatólaboratóriuma emellett figyelemmel kísérte az Austin -i Texasi Egyetem Fejlett Technológiai Intézetének (IAT) elektromágneses és elektrotermikus fegyvertechnológiai fejlesztését , amely egyike annak az öt egyetemi és ipari laboratóriumnak, amelyeket az ARL egyesített, hogy beszerezzen technikai támogatást. Ott volt a két elektromágneses hordozórakéta, a Leander OAT és az AugOAT, valamint a közepes kaliberű indító. A létesítmény egy olyan energiaellátó rendszert is biztosított, amely tizenhárom 1 MJ-os kondenzátor bankot, elektromágneses indítóeszközök és diagnosztikai berendezések széles választékát tartalmazta. A kutatási tevékenység középpontjában az elektromágneses hordozórakétákhoz szükséges tervek, kölcsönhatások és anyagok álltak.

1999 -ben az ARL és az IAT együttműködése egy radiometrikus módszer kifejlesztéséhez vezetett, amellyel mérni lehet a sínpisztoly páncélzatának hőmérséklet -eloszlását impulzusos elektromos kisülés során, a mágneses tér megzavarása nélkül. 2001-ben az ARL elsőként szerzett pontossági adatokat az elektromágneses fegyverek által indított lövedékekről ugrástesztek segítségével. 2004 -ben az ARL kutatói publikációkat publikáltak, amelyek a magas hőmérsékletű plazmák kölcsönhatását vizsgálták hatékony sínpisztolyos gyújtók kifejlesztése céljából. A korai cikkek leírják az ARL plazma-hajtóanyag kölcsönhatás csoportját, valamint a kísérleteket, hogy megértsék és megkülönböztessék a plazmák hagyományos szilárd hajtóanyagokra gyakorolt ​​kémiai, termikus és sugárzási hatását. Pásztázó elektronmikroszkóppal és más diagnosztikai technikákkal részletesen értékelték a plazmák hatását a specifikus hajtóanyagokra.

Kínai Népköztársaság

Kína saját sínpisztoly -rendszert fejleszt. Az amerikai hírszerzés CNBC jelentése szerint Kína sínpisztoly -rendszerét először 2011 -ben mutatták be, 2014 -ben pedig megkezdték a földi tesztelést. 2015 -ben, amikor a fegyverrendszer kiterjesztett hatótávolságú lövöldözésre tett szert, fokozott halálozással. A fegyverrendszert sikeresen szerelték fel egy kínai haditengerészet hajójára 2017 decemberében, a tengeri kísérletekre később kerül sor.

2018. február elején az interneten közzétettek képeket arról, amit kínai vasúti fegyvernek állítanak. A képeken a fegyver egy 072III típusú Haiyangshan típusú hajó orrára van szerelve . A média azt sugallja, hogy a rendszer kész vagy hamarosan készen áll a tesztelésre. 2018 márciusában jelentették, hogy Kína megerősítette, hogy megkezdte az elektromágneses sínpisztoly tesztelését a tengeren.

India

2017 novemberében az Indiai Védelmi Kutató és Fejlesztő Szervezet sikeres tesztet végzett egy 12 mm -es négyzet alakú elektromágneses sínpisztolyon. A tervek szerint egy 30 mm -es változat vizsgálatát kell elvégezni. India célja egy kilogramm lövedék kilövése másodpercenként 2000 méternél nagyobb sebességgel, 10 megajoule kondenzátor -bank segítségével. Az elektromágneses fegyverek és az irányított energiafegyverek azok közé a rendszerek közé tartoznak, amelyeket az indiai haditengerészet 2030 -ig tartó modernizációs tervében kíván megszerezni.

Problémák

Főbb nehézségek

A vasúti fegyverek bevetése előtt le kell küzdeni a főbb technológiai és működési akadályokat:

1. Sínpisztoly tartóssága: A sínpisztoly demonstrációi, bár lenyűgözőek, nem bizonyították, hogy képesek több teljes erejű lövés leadására ugyanabból a sínkészletből. Az Egyesült Államok haditengerészete több száz lövést követelt ugyanabból a sínből. A Ház Fegyveres Szolgálatának Hírszerzési, Feltörekvő Fenyegetések és Képességek Albizottságának 2014. márciusi nyilatkozatában Matthew Klunder tengerészkutató admirális főnöke kijelentette: "A hordó élettartama tíz lövésről 400 fölé nőtt, a program elérési útja az 1000 lövések. " A Tengerészeti Kutatási Hivatal (ONR) azonban nem fogja megerősíteni, hogy a 400 lövés teljes teljesítményű felvétel. Továbbá semmi nem publikált, amely arra utalna, hogy léteznek olyan nagy megajoule osztályú sínpisztolyok, amelyek képesek több száz teljes teljesítményű lövést leadni, miközben maradnak a sínpisztolyok pontos és biztonságos leadásához szükséges szigorú működési paramétereken. A sínpisztolyoknak képesnek kell lenniük percenként 6 lövést leadni, körülbelül 3000 lőerős élettartammal, elviselve a több tízezer g -os kilövési gyorsulást, az extrém nyomást és a megaamper áramot, de ez a jelenlegi technológiával nem megvalósítható.
2. A lövedékek irányítása: Egy valódi vasútfegyver felállításához elengedhetetlen jövőbeli képesség olyan robosztus útmutatócsomagot dolgoz ki, amely lehetővé teszi, hogy a sínpisztoly távoli célpontokra lőjön vagy bejövő rakétákat lőjön. Egy ilyen csomag kidolgozása igazi kihívás. Az amerikai haditengerészet RFP Navy SBIR 2012.1-N121-102 témája egy ilyen csomag kifejlesztésére jó áttekintést nyújt arról, hogy a vasúti fegyverek lövöldözése milyen kihívást jelent:

A csomagnak bele kell illeszkednie a lövedék tömege (<2 kg), átmérője (<40 mm külső átmérője) és térfogata (200 cm ³ ) korlátai közé, és ezt meg kell tennie a súlypont megváltoztatása nélkül. Továbbá képesnek kell lennie arra, hogy minden tengelyen legalább 20 000 g (küszöb) / 40 000 g (objektív) gyorsulást, nagy elektromágneses mezőt (E> 5000 V / m, B> 2 T) és> 800 fok felületi hőmérsékletet is elviseljen. C. A csomagnak képesnek kell lennie a plazma jelenlétében működni, amely a furatban vagy a pofa kijáratánál képződhet, és az exo-légköri repülés miatt sugárzással edzettnek kell lennie. A teljes energiafogyasztásnak kevesebbnek kell lennie, mint 8 watt (küszöb)/5 watt (objektív), és az akkumulátor élettartamának legalább 5 percnek kell lennie (az első indítástól számítva), hogy lehetővé tegye a működést a teljes bekapcsolás során. Ahhoz, hogy megfizethető legyen, a lövedékenkénti gyártási költségnek a lehető legalacsonyabbnak kell lennie, és a cél kevesebb, mint 1000 dollár egységenként.

2015. június 22-én a General Atomics elektromágneses rendszerei bejelentették, hogy a fedélzeti elektronikával ellátott lövedékek túlélték a sínpisztoly teljes kilövési környezetét, és június 9-én és 10-én négy egymást követő teszt során elvégezték a tervezett funkcióikat az amerikai hadsereg Utah-i Dugway Proving Ground-ján. A fedélzeti elektronika sikeresen mérte a furaton belüli gyorsulásokat és a lövedékek dinamikáját, több kilométeres távolságra, az integrált adatkapcsolat pedig továbbra is működik, miután a lövedékek becsapódtak a sivatagi talajba, ami elengedhetetlen a pontos irányításhoz.

Kioldó a tehetetlenségi elzárás fúziójához

A plazma sínpisztolyokat a fizika kutatásában használják, és a magneto-inerciális fúzió lehetséges kiváltó mechanizmusaként vizsgálták . A plazma sínpisztolyok azonban nagyon különböznek a szilárd tömegű hajtóművektől vagy fegyverektől, és csak az alapvető működési koncepciót osztják.

Lásd még

Hivatkozások

Külső linkek

• Nézze meg a haditengerészet Railgun Fire -jét minden szögből A railgun készíti az üzembe helyezési sorozat első felvételét. tartalmaz egy YouTube -videót 2016 novemberéből