Railgun

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 6. juni 2021; checks kræver 15 redigeringer .

En railgun ( eng. railgun - rail gun ) er en elektromagnetisk masseaccelerator , der accelererer et ledende projektil langs to metalskinner ved hjælp af Ampere-kraften .

Sådan virker det

Skinnegeværet består af to parallelle elektroder, kaldet skinner, forbundet til en kraftig jævnstrømskilde. Den accelererede elektrisk ledende masse er placeret mellem skinnerne, lukker det elektriske kredsløb, og opnår acceleration på grund af, at Ampère-kraften virker på en lukket leder med strøm i sit eget magnetfelt . Ampere-styrken virker også på skinnerne, hvilket fører dem til gensidig afvisning.

Historie

Skinnegeværet blev opfundet af den franske opfinder André Louis Octave Fauchon-Villepley i 1917 under Første Verdenskrig . På russisk blev udtrykket railgun foreslået i slutningen af 1950'erne af den sovjetiske akademiker Lev Artsimovich for at erstatte det eksisterende besværlige navn "elektrodynamisk masseaccelerator" [1] . Årsagen til udviklingen af sådanne enheder, som er lovende våben [2] , var, at ifølge eksperter har brugen af krudt til affyring nået sin grænse - hastigheden af ladningen, der frigives med deres hjælp, er begrænset til 2,5 km / s [1] .

I 1970'erne blev railgun designet og bygget af John P. Barber fra Canada og hans vejleder Richard A. Marshall fra New Zealand ved Australian National University 's Research School of Physical Sciences .

Teori

I railgun-fysik kan kraftvektorens modul beregnes gennem Biot-Savart-Laplace-loven og Ampère - kraftformlen . Til beregningen skal du bruge:

$\mu_{0}$ er den magnetiske konstant ,
$d$ - skinnernes diameter (forudsat et cirkulært snit),
$r$ er afstanden mellem skinnernes akser,
$jeg$ er den strøm, der løber i systemet.

Det følger af Biot-Savart-Laplace-loven, at magnetfeltet i en vis afstand ( ) fra en uendelig ledning med strøm beregnes som: $s$

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

Derfor, i rummet mellem to uendelige ledninger placeret i en afstand fra hinanden, kan magnetfeltets modul udtrykkes med formlen: $r$

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

For at forfine gennemsnitsværdien for magnetfeltet på ankeret på en skinnepistol, antag, at skinnens diameter er meget mindre end afstanden , og hvis vi antager, at skinnerne kan betragtes som et par semi-uendelige ledere, kan vi beregn følgende integral: $d$ $r$

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

Ifølge Ampères lov er den magnetiske kraft på en ledning med strøm lig med ; antager vi bredden af lederprojektilet , får vi: $IRB$ $r$

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

Formlen er baseret på den antagelse, at afstanden mellem det punkt, hvor kraften måles , og begyndelsen af skinnerne er 3-4 gange større end afstanden mellem skinnerne ( ). Der er også gjort nogle andre forudsætninger; for at beskrive kraften mere præcist, er det nødvendigt at tage højde for geometrien af skinnerne og projektilet. $l$ $F$ $r$ $l>3r$

Konstruktion

En række alvorlige problemer er forbundet med fremstillingen af en skinnepistol: Strømpulsen skal være så kraftig og skarp, at projektilet ikke når at fordampe og spredes eller have tilstrækkelig modstand, men der ville opstå en accelererende kraft , der accelererer det fremad. Ampère-kraften virker på projektilet eller plasmastemplet, [3] derfor er strømstyrken vigtig for at opnå den nødvendige magnetfeltinduktion, og strømmen, der strømmer gennem projektilet vinkelret på magnetfeltets induktionslinjer, er vigtig. Når der løber strøm gennem projektilet, skal materialet i projektilet (ofte bruges ioniseret gas bag et let polymerprojektil) og skinnerne have:

den højest mulige ledningsevne,
projektil - så lille som mulig masse,
strømkilde - så meget strøm som muligt og mindre induktans .

Imidlertid er det særlige ved skinneacceleratoren, at den er i stand til at accelerere ultrasmå masser til superhøje hastigheder (hastigheden af et projektil i et skydevåben er begrænset af kinetikken af en kemisk reaktion, der finder sted i våbnet). I praksis er skinner lavet af iltfrit kobber belagt med sølv , aluminiumstænger eller tråd bruges som projektiler til at accelerere selve det gennemtrængende element, såsom wolframstænger, legeringer baseret på titanium og andre metaller, en polymer kan bruges i kombination med et ledende medium som strømkilde - et batteri af elektriske højspændingskondensatorer , som oplades fra unipolære generatorer , kompulsatorer og andre kilder til elektrisk strøm med høj driftsspænding, og før de går ind i skinnerne, forsøger de at give projektil den højest mulige begyndelseshastighed ved at bruge pneumatiske eller skydevåben til dette

I de skinnekanoner, hvor projektilet er et ledende medium, bliver projektilet, efter at der er påført spænding på skinnerne, opvarmet og udbrændt og bliver til et ledende plasma , som så også accelererer. Således kan railgun affyre plasma, men på grund af dets ustabilitet fordamper det hurtigt . I dette tilfælde er det nødvendigt at tage højde for, at bevægelsen af plasma, mere præcist, bevægelsen af udledningen (katode, anodepletter), under påvirkning af Ampère-kraften kun er mulig i luft eller andet gasformigt medium, der ikke er lavere end et vist tryk, da ellers, for eksempel i vakuum, bevæger plasmabroskinnerne sig i modsat retning af kraften - den såkaldte omvendte bevægelse af buen.

Ved brug af ikke-ledende projektiler i skinnekanoner placeres projektilet mellem skinnerne, bagved projektilet, på den ene eller anden måde, antændes en lysbueudladning mellem skinnerne , og kroppen begynder at accelerere langs skinnerne. Accelerationsmekanismen i dette tilfælde adskiller sig fra ovenstående: Ampere-kraften presser udledningen til bagsiden af kroppen, som intensivt fordamper danner en stråle , under påvirkning af hvilken hovedaccelerationen af kroppen opstår [4] .

Fordele og ulemper

Fordele

Besparelser: omkostningerne ved et railgun-skud er væsentligt lavere end for et skibsbaseret missil af samme rækkevidde : $25.000 mod $1 million [5] .
Med forbehold for løsningen af alle opgaver relateret til reel brug, kan sådanne våben give taktisk stationært missilforsvar mod ballistiske missiler , der ikke manøvrerer på nogen måde , eller udvide skydefeltets horisont.
Projektilets høje hastighed gør det muligt at bruge railgun som et middel til luftforsvar [5] . Projektilhastigheden for en lovende pistol, som var planlagt til at blive testet i 2016 [6] , skulle være 6 M , hvilket er væsentligt lavere end mange antiluftskytsmissiler (9 M for et af S-300V4-missilerne ) [ 7] , projektilmanøvrering er umulig; i praksis blev der kun opnået en hastighed på 3,6 M [8] .
Brugen af en railgun eliminerer behovet for at opbevare eksplosiv ammunition af konventionelle projektiler på skibe, hvilket øger skibets overlevelsesevne [5] .

Ulemper

Der er ikke blevet fremlagt beviser for effektivitet i mange år [9] , især med hensyn til nøjagtighed og destruktiv kraft. Desuden opstår der under langdistanceskydning problemet med jordens uhomogene krumning, gravitationelle uregelmæssigheder, temperaturforskelle og følgelig lufttæthed samt luftfugtighed og mange andre problemer, der begrænser nøjagtig artilleriskydning med ukorrigerede projektiler med en rækkevidde på et par tiere kilometer.
Penetration , (især på lange afstande), og den samlede påvirkning, når den bliver ramt, overstiger ikke ydeevnen af middelkaliber artilleri (hastigheden er flere gange større, men massen er flere gange mindre, sprængstoffet i stedet for mange kilogram er nul , er den eneste forskel i stigningen i rækkevidde på grund af en kombination af masse, hastighed og frem for alt reduceret størrelse, hvilket reducerer aerodynamisk modstand ).
Tøndressourcen for nuværende eksisterende prototyper er ekstremt lille.

Tvetydig

Rækkevidden af effektiv beskydning af en skinnepistol er op til 200 km [10] , dog kan det argumenteres, at den maksimale effektive rækkevidde for artilleri er 20-40 km, og på større afstand skal man enten bruge et projektil korrigeret i flyvning , eller forbruget af ammunition vil stige mange gange.
Den relativt lille størrelse af railgun-projektiler gør det muligt at øge ammunitionskapaciteten [5] . Størrelsen af systemet som helhed er dog ikke særlig lille og fylder i det mindste ikke mindre end flere mellemstore antiskibsmissiler .

US Navy-program

I 2005 lancerede den amerikanske flåde et jernbanekanonprogram kaldet Velocitas Eradico. Corporations General Atomics og BAE Systems [11] deltager i programmet .

General Atomics har udviklet et våben, der er i stand til at levere et 10 kg projektil over 200 km med en gennemsnitshastighed på omkring 2.000 m/s. Ifølge eksperter har et sådant værktøj en flad bane i en afstand på op til 30 km [11] .
I februar 2008 blev en pistol med en mundingsenergi på 10 MJ og en mundingshastighed på 2520 m/s (9000 km/t) demonstreret [12] . Den 10. december 2010 blev en 33 MJ mundingsenergi skinnepistol testet med succes ved US Naval Surface Weapons Development Center i Dahlgren, Virginia [13] . Massen af projektiler brugt i testene varierede mellem 2 og 3,2 kg. I februar 2012 blev en nær-produktion industriel railgun prototype fra BAE Systems leveret til Dahlgren og testet ved 32 mJ [14] . Seriemodellen af dette system skal have en skyderækkevidde på op til 180 km og i fremtiden - op til 400 km; ingeniører udvikler systemer til automatisk fremføring af skaller, køling og strømforsyning til installationen. [femten]
I 2015 var det planlagt at udføre de første test på skibet [5] .
I 2020 skulle disse kanoner gå i brug med Zamvolt-klassens destroyere under konstruktion i USA , deres modulære design og elektriske transmission blev beregnet under hensyntagen til avancerede elektromagnetiske våben [16] .
I 2025 var det planlagt at opnå en mundingsenergi på 64 MJ. Med en længde på omkring 10 meter og en projektilhastighed på omkring 2000 meter i sekundet.
I 2021 blev støtten til projektet ophørt. [17]

Udviklingen i Rusland

Ifølge den første næstformand for Føderationsrådets udvalg for forsvar og sikkerhed Franz Klintsevich , arbejdes der også aktivt med at skabe en elektromagnetisk pistol (railgun) i Rusland [18] . Dets brug i astronautik formodes at blive brugt til at sende nyttelast i kredsløb, men bortset fra disse ord har der endnu ikke været nogen pålidelige fakta. [19]

Se også

Noter

↑ 1 2 Alexander Ageev Elektromagnetisk pistol: fremtidens våben Arkivkopi dateret 10. juni 2016 på Wayback Machine // Tekhkults hjemmeside, 21. august 2014
↑ Pentagon besluttede at frigive en railgun på slagmarken Arkiveret 10. november 2015 på Wayback Machine // Vzglyad
↑ Journal of Applied Mechanics and Technical Physics // Academy of Sciences of the USSR. Sibirisk gren. - 1989. - Nr. 1-6 . - S. 146 . (Russisk)
↑ Reaktiv bevægelse under en gasudladning fra en ekstern strømforsyning // Bogstaver til ZhTF. - 1989. - T. 13 , nr. 15 . (Russisk)
↑ 1 2 3 4 5 "Avancerede våben: Rail strike", The Economist, 9. maj 2015 . Hentet 30. september 2017. Arkiveret fra originalen 16. september 2017. (ubestemt)
↑ Business Insider: US Navy tester elektromagnetisk pistol i 2016 Arkiveret 25. maj 2015 på Wayback Machine // RIA Novosti
↑ Opgaven er svær, men løselig Arkiveksemplar af 13. december 2015 på Wayback Machine // Aerospace Defence Magazine
↑ Julian E. Barnes A First Look at America's Supergun // Arkiveret 4. oktober 2017 på Wayback Machine The Wall Street Journal , 29. maj 2016
↑ Elektromagnetisk "skilsmisse": virkelighed og spekulationer om den amerikanske jernbanepistol Arkivkopi af 3. februar 2017 på Wayback Machine // TK Zvezda , 1. juni 2016
↑ økonomen . Hentet 30. september 2017. Arkiveret fra originalen 21. maj 2017. (ubestemt)
↑ 1 2 "Catapulting ahead", The Economist, 8. marts 2014 . Hentet 30. september 2017. Arkiveret fra originalen 21. maj 2017. (ubestemt)
↑ US Navy demonstrerer verdens mest kraftfulde EMRG ved 10 megajoule . Hentet 10. december 2008. Arkiveret fra originalen 1. juni 2012. (ubestemt)
↑ I USA testede de "fremtidens pistol" Arkivkopi af 14. december 2010 på Wayback Machine // Vesti. Ru
↑ Elektromagnetisk pistol affyret med maksimal energi Arkiveret 11. august 2020 ved Wayback Machine // Membrane
↑ Militæret modtog den første industrielle jernbanepistol Arkiveret 3. marts 2012 på Wayback Machine // Membrane
↑ Oleg Titkov. Magnetiske krige // Populær mekanik . - 2017. - Nr. 7 . - S. 76-80 .
↑ Amerikanerne nægtede at finansiere railgun-projektet på trods af 16 års udvikling . Nøgen Videnskab (3. juni 2021). Hentet 6. juni 2021. Arkiveret fra originalen 6. juni 2021. (ubestemt)
↑ Føderationsrådet annoncerede udviklingen af en elektromagnetisk pistol af Rusland . Lenta.ru (30. maj 2016). Hentet 30. maj 2016. Arkiveret fra originalen 31. maj 2016. (ubestemt)
↑ Russiske videnskabsmænd testede først en elektromagnetisk skinnepistol (utilgængeligt link) . Defense.ru (12. juli 2016). Hentet 12. juli 2016. Arkiveret fra originalen 15. juli 2016. (ubestemt)