Railgun - Railgun

Testskyting ved United States Naval Surface Warfare Center Dahlgren Division i januar 2008

En railgun er en lineær motorenhet , vanligvis designet som et våpen, som bruker elektromagnetisk kraft til å skyte høyhastighetsprosjektiler . Prosjektilet inneholder normalt ikke sprengstoff, i stedet for å stole på prosjektilets høye hastighet , masse og kinetiske energi for å påføre skade. Railgun bruker et par parallelle ledere (skinner), langs hvilke en glidende anker akselereres av de elektromagnetiske effektene av en strøm som strømmer nedover den ene skinnen, inn i ankeret og deretter tilbake langs den andre skinnen. Den er basert på prinsipper som ligner på homopolar motor .

Fra 2020 har jernbanevåpen blitt undersøkt som våpen som bruker elektromagnetiske krefter for å gi et prosjektil (f.eks. APFSDS ) en meget høy kinetisk energi i stedet for å bruke konvensjonelle drivmidler. Mens eksplosivdrevne militære våpen kan ikke lett å oppnå en utgangshastighet på mer enn ≈2 km / s, railguns kan lett overstige 3 km / s. For et lignende prosjektil kan rekkevidden av jernbanevåpen overstige rekkevidden til konvensjonelle våpen. Destillasjonskraften til et prosjektil avhenger av kinetisk energi og masse ved støtpunktet, og på grunn av den potensielt høye hastigheten til et prosjektil som er skutt med jernvåpen, kan deres destruktive kraft være mye større enn konvensjonelt lanserte prosjektiler av samme størrelse. Fraværet av eksplosive drivstoff eller stridshoder å lagre og håndtere, samt de lave kostnadene til prosjektiler sammenlignet med konvensjonelle våpen, kommer som ytterligere fordeler.

Til tross for de ovennevnte fordelene, er jernbanepistoler fremdeles veldig på forskningsstadiet etter flere tiår med FoU , og det gjenstår å se om de noen gang vil bli utplassert som praktiske militære våpen eller ikke. Enhver avveiingsanalyse mellom elektromagnetiske (EM) fremdriftssystemer og kjemiske drivmidler for våpenapplikasjoner må også påvirke holdbarhet, tilgjengelighet og økonomi, samt nyheten, bulkigheten, det høye energibehovet og kompleksiteten til de nødvendige pulserende strømforsyningene. for elektromagnetiske lanseringssystemer.

Grunnleggende

Skjematisk diagram av en railgun

Railgun i sin enkleste form skiller seg fra en tradisjonell elektrisk motor ved at det ikke brukes ekstra feltviklinger (eller permanente magneter). Denne grunnleggende konfigurasjonen dannes av en enkelt sløyfe med strøm og krever derfor høye strømmer (f.eks. I størrelsesorden en million ampere ) for å produsere tilstrekkelige akselerasjoner (og snutehastigheter). En relativt vanlig variant av denne konfigurasjonen er den forsterkede jernbanepistolen der drivstrømmen ledes gjennom ytterligere par parallelle ledere, som er arrangert for å øke ('forstørre') magnetfeltet som bevegelige anker opplever. Disse arrangementene reduserer strømmen som kreves for en gitt akselerasjon. I terminologi for elektriske motorer er forsterkede jernbanepistoler vanligvis seriekonfigurasjoner . Noen jernbanevåpen bruker også sterke neodymmagneter med feltet vinkelrett på strømmen for å øke kraften på prosjektilet.

Ankeret kan være en integrert del av prosjektilet, men det kan også være konfigurert til å akselerere et separat, elektrisk isolert eller ikke-ledende prosjektil. Solide, metalliske glideledere er ofte den foretrukne formen for jernbanevåpenarmatur, men plasma- eller "hybrid" -anker kan også brukes. En plasma-armatur dannes av en bue av ionisert gass som brukes til å presse en fast, ikke-ledende nyttelast på en lignende måte som drivgasstrykket i en konvensjonell pistol. En hybridanker bruker et par plasmakontakter for å koble en metallisk anker til pistolskinnene. Solid armaturer kan også "overgå" til hybridarmaturer, vanligvis etter at en bestemt hastighetsterskel er overskredet. Den høye strømmen som kreves for å drive et railgun kan leveres av forskjellige strømforsyningsteknologier, for eksempel kondensatorer, pulsgeneratorer og skivegeneratorer.

For potensielle militære applikasjoner er jernbanevåpen vanligvis av interesse fordi de kan oppnå mye større snutehastigheter enn våpen drevet av konvensjonelle kjemiske drivmidler. Økte snutehastigheter med bedre aerodynamisk strømlinjeformede prosjektiler kan formidle fordelene med økte skytebaner, mens måleffekter kan økte terminalhastigheter tillate bruk av kinetiske energirunder som inkluderer veiledning for å drepe, som erstatninger for eksplosive skall . Derfor tar typiske militære railgun -design sikte på snutehastigheter i området 2.000–3.500 m/s (4.500–7.800 mph; 7.200–12.600 km/t) med munningsenergi på 5–50 megajoules (MJ). Til sammenligning  tilsvarer 50 MJ den kinetiske energien til en skolebuss som veier 5 tonn, og kjører i 509 km/t (316 mph; 141 m/s). For jernbanevåpen med en sløyfe krever disse oppdragskravene oppskytningsstrømmer på noen få millioner ampere , så en typisk railgun -strømforsyning kan være designet for å levere en lanseringsstrøm på 5 MA i noen få millisekunder. Ettersom magnetfeltstyrkene som kreves for slike oppskytninger typisk vil være omtrent 10 tesla (100 kilogauss ), er de fleste moderne railgun-konstruksjoner effektivt luftkjernede , dvs. de bruker ikke ferromagnetiske materialer som jern for å forsterke den magnetiske fluksen. Men hvis fatet er laget av et magnetisk permeabelt materiale, øker magnetfeltstyrken på grunn av økningen i permeabilitet ( μ = μ 0 * μ r , hvor μ er den effektive permeabiliteten, μ 0 er permeabilitetskonstanten og μ r er den relative permeabiliteten til fatet). Dette øker kraften på prosjektilet.

Railgun hastigheter generelt falle innenfor området av de som kan oppnås ved to-trinns lys-gass kanoner ; Imidlertid anses sistnevnte vanligvis bare for å være egnet for laboratoriebruk, mens jernbanevåpen vurderes å tilby noen potensielle muligheter for utvikling som militære våpen. En annen lettgasspistol, Combustion Light Gas Gun i en 155 mm prototypform, ble anslått å oppnå 2500 m/s med et fat på 70 kaliber. I noen hypervelocity- forskningsprosjekter injiseres prosjektiler på forhånd i jernbanevåpen, for å unngå behovet for en stående start, og både to-trinns lettgasspistoler og konvensjonelle pulverpistoler har blitt brukt til denne rollen. I prinsippet, hvis railgun -strømforsyningsteknologi kan utvikles for å gi trygge, kompakte, pålitelige, kampoverlevende og lette enheter, kan det totale systemvolumet og massen som trengs for å imøtekomme en slik strømforsyning og dets primære drivstoff bli mindre enn nødvendig totalt volum og masse for en oppdragsekvivalent mengde konvensjonelle drivmidler og eksplosiv ammunisjon. Sannsynligvis har slik teknologi blitt modnet med introduksjonen av Electromagnetic Aircraft Launch System (EMALS) (riktignok at jernbanevåpen krever mye høyere systemkrefter, fordi omtrent like energier må leveres på noen få millisekunder, i motsetning til noen få sekunder). En slik utvikling vil da formidle en ytterligere militær fordel ved at eliminering av eksplosiver fra enhver militær våpenplattform vil redusere sårbarheten for fiendens ild.

Historie

Tyske railgun -diagrammer

Konseptet med railgun ble først introdusert av den franske oppfinneren André Louis Octave Fauchon-Villeplée, som opprettet en liten arbeidsmodell i 1917 ved hjelp av Société anonyme des accumumulurs Tudor (nå Tudor Batteries ). Under første verdenskrig ga den franske oppfinnelsesdirektøren i rustningsdepartementet , Jules-Louis Brenton , oppdraget til Fauchon-Villeplee å utvikle en 30 mm til 50 mm elektrisk kanon 25. juli 1918 etter at delegater fra Commission des Inventions var vitne til testforsøk av arbeidsmodellen i 1917. Prosjektet ble imidlertid forlatt når første verdenskrig ble avsluttet senere samme år 11. november 1918. Fauchon-Villeplee søkte om amerikansk patent 1. april 1919, som ble utstedt i juli 1922 som patent Nei. 1.421.435 "Elektrisk apparat for fremdrift av prosjektiler". I enheten hans er to parallelle samleskinner forbundet med et prosjektils vinger, og hele apparatet er omgitt av et magnetfelt . Ved å føre strøm gjennom samleskinner og prosjektil, induseres en kraft som driver prosjektilet langs bussstengene og ut i flukt.

I 1923 redegjorde den russiske forskeren AL Korol'kov for sin kritikk av Fauchon-Villeplees design, og argumenterte mot noen av påstandene Fauchon-Villeplee fremmet om fordelene med oppfinnelsen. Korol'kov konkluderte til slutt med at mens konstruksjonen av en langdistanse elektrisk pistol var innenfor rammen av muligheter, ble den praktiske anvendelsen av Fauchon-Villeplees jernvåpen hindret av dens enorme elektriske energiforbruk og behovet for en spesiell elektrisk generator med betydelig kapasitet å drive den.

I 1944, under andre verdenskrig , foreslo Joachim Hänsler fra Tysklands Ordnance Office den første teoretisk levedyktige jernbanegeværet. I slutten av 1944 hadde teorien bak hans elektriske luftfartsvåpen blitt utarbeidet tilstrekkelig til at Luftwaffes Flak-kommando kunne utstede en spesifikasjon, som krevde en snutehastighet på 2000 m/s (4500 mph; 7 200 km/t; 6600 fot/s) og et prosjektil som inneholder 0,5 kg eksplosiv. Kanonene skulle monteres i batterier på seks avfyring tolv runder i minuttet, og det skulle passe til eksisterende 12,8 cm FlaK 40 -fester. Det ble aldri bygget. Da detaljer ble oppdaget etter krigen, vakte det stor interesse og en mer detaljert studie ble gjort, som kulminerte med en rapport fra 1947 som konkluderte med at det var teoretisk mulig, men at hver pistol ville trenge nok strøm til å belyse halvparten av Chicago .

I løpet av 1950 startet Sir Mark Oliphant , en australsk fysiker og første direktør ved Research School of Physical Sciences ved det nye Australian National University , design og konstruksjon av verdens største (500 megajoule) homopolare generator . Denne maskinen var i drift fra 1962 og ble senere brukt til å drive et storskinnelig jernbanegevær som ble brukt som et vitenskapelig eksperiment.

I 1980 begynte Ballistic Research Laboratory (senere konsolidert for å danne US Army Research Laboratory ) et langsiktig program for teoretisk og eksperimentell forskning på jernbanevåpen. Arbeidet ble hovedsakelig utført på Aberdeen Proving Ground , og mye av den tidlige forskningen hentet inspirasjon fra railgun -eksperimentene utført av Australian National University . Forskningsemner inkluderte plasmadynamikk, elektromagnetiske felt, telemetri og strøm- og varmetransport. Mens militær forskning på railgun -teknologi i USA fulgte kontinuerlig i de følgende tiårene, skiftet retningen og fokuset den tok dramatisk med store endringer i finansieringsnivå og behovene til forskjellige offentlige etater. I 1984 fikk dannelsen av Strategic Defense Initiative Organization forskningsmål til å skifte mot å etablere en konstellasjon av satellitter for å fange opp interkontinentale ballistiske missiler . Som et resultat fokuserte det amerikanske militæret på å utvikle små guidede prosjektiler som kunne motstå høy-G-oppskytningen fra plasma-armaturbaner med ultrahøy hastighet. Men etter publiseringen av en viktig Defense Science Board- studie i 1985, fikk den amerikanske hæren , Marine Corps og DARPA i oppdrag å utvikle anti-rustning, elektromagnetisk oppskytingsteknologi for mobile bakkekampbiler . I 1990 samarbeidet den amerikanske hæren med University of Texas i Austin for å etablere Institute for Advanced Technology (IAT), som fokuserte på forskning som involverte solide og hybridarmaturer, jernbane-armaturinteraksjoner og elektromagnetiske bæreraketter. Anlegget ble hærens første føderalt finansierte forsknings- og utviklingssenter og inneholdt noen få av hærens elektromagnetiske bæreraketter, for eksempel mellomkaliberskytteren.

Siden 1993 har de britiske og amerikanske regjeringene samarbeidet om et railgun-prosjekt ved Dundrennan Weapons Testing Center som kulminerte i testen i 2010 der BAE Systems avfyrte et 3,2 kg (7 pund) prosjektil ved 18,4 megawatt [3,390 m/s (7 600 mph; 12 200 km/t; 11 100 fot/s)]. I 1994, India DRDO 's Armament Research and Development Establishment utviklet en strålevåpen med en 240 kJ, lav induktans kondensatorbatteri som opererer ved 5 kV i stand til å lansere prosjektiler av 3-3,5 g vekt til en hastighet på mer enn 2000 m / s ( 4500 mph; 7 200 km/t; 6 600 ft/s). I 1995 designet og utviklet Center for Electromagnetics ved University of Texas i Austin en hurtigskyteskyteskyteskyteskjerm kalt Cannon-Caliber Electromagnetic Gun . Utskytingsprototypen ble senere testet ved US Army Research Laboratory , hvor den demonstrerte en seteflekseffektivitet over 50 prosent.

I 2010 testet den amerikanske marinen en BAE Systems-designet jernbanegevær i kompakt størrelse for plassering av skip som akselererte et 3,2 kg (7 pund) prosjektil til hypersoniske hastigheter på omtrent 3390 m/s (7 600 mph; 12 200 km/t; 11 100 fot /s), eller omtrent Mach 10, med 18,4  MJ kinetisk energi. Det var første gang i historien at slike ytelsesnivåer ble nådd. De ga prosjektet mottoet "Velocitas Eradico", latin for "jeg, [som er] fart, utrydd" "eller på folkemunne" Speed ​​Kills ". En tidligere railgun av samme design (32-megajoules) er bosatt ved Dundrennan Weapons Testing Center i Storbritannia.

Jernbanevåpen med liten effekt har også gjort populære college- og amatørprosjekter. Flere amatører forsker aktivt på jernbanevåpen.

Design

Teori

En railgun består av to parallelle metallskinner (derav navnet). I den ene enden er disse skinnene koblet til en elektrisk strømforsyning, for å danne setestøtteenden på pistolen. Hvis et ledende prosjektil blir satt inn mellom skinnene (f.eks. Ved å sette det inn i seteleddet), fullfører det kretsen. Elektroner strømmer fra den negative terminalen på strømforsyningen opp den negative skinnen, over prosjektilet og nedover den positive skinnen, tilbake til strømforsyningen.

Denne strømmen får railgun til å oppføre seg som en elektromagnet , og skaper et magnetisk felt inne i sløyfen dannet av skinnens lengde opp til ankerets posisjon. I samsvar med høyre regel sirkulerer magnetfeltet rundt hver leder. Siden strømmen er i motsatt retning langs hver skinne, er nettmagnetfeltet mellom skinnene ( B ) rettet vinkelrett på planet som dannes av de sentrale aksene til skinnene og ankeret. I kombinasjon med alle med strømmen ( I ) i ankeret, produserer dette en Lorentz -kraft som akselererer prosjektilet langs skinnene, alltid ut av sløyfen (uavhengig av forsyningspolaritet) og vekk fra strømforsyningen, mot nesen på nesen på skinnene. Det er også Lorentz -krefter som virker på skinnene og prøver å skyve dem fra hverandre, men siden skinnene er festet godt, kan de ikke bevege seg.

Per definisjon, hvis en strøm på en ampere strømmer i et par ideelle uendelig lange parallelle ledere som er atskilt med en avstand på en meter, vil størrelsen på kraften på hver meter av disse lederne være nøyaktig 0,2 mikro-newton. Videre vil kraften generelt være proporsjonal med kvadratet av størrelsen på strømmen og omvendt proporsjonal med avstanden mellom lederne. Det følger også at for jernbanevåpen med prosjektilmasser på noen få kg og fatlengder på noen få m, vil det kreves svært store strømmer for å akselerere prosjektiler til hastigheter i størrelsesorden 1000 m/s.

En veldig stor strømforsyning, i størrelsesorden en million ampere strøm, vil skape en enorm kraft på prosjektilet og akselerere det til en hastighet på mange kilometer i sekundet (km/s). Selv om disse hastighetene er mulige, er varmen som genereres fra fremdriften av objektet nok til å tære skinnene raskt. Under forhold med høy bruk vil dagens jernbanepistoler kreve hyppig utskifting av skinnene, eller å bruke et varmebestandig materiale som vil være ledende nok til å gi samme effekt. På dette tidspunktet er det generelt anerkjent at det vil ta store gjennombrudd innen materialvitenskap og beslektede disipliner for å produsere kraftige jernbanevåpen som kan skyte mer enn noen få skudd fra et enkelt sett skinner. Tønnen må tåle disse forholdene i opptil flere runder i minuttet for tusenvis av skudd uten feil eller vesentlig nedbrytning. Disse parameterne er langt utover det siste innen materialvitenskap.

Elektromagnetisk analyse

Denne delen presenterer noen elementære analyser av de grunnleggende teoretiske elektromagnetiske prinsippene som styrer mekanikken til jernbanevåpen.

Hvis et jernbanevåpen skulle gi et jevnt magnetisk styrkefelt , orientert i rette vinkler mot både ankeret og boreaksen, med en ankerstrøm og en ankerlengde , ville kraften som akselererer prosjektilet gitt av formelen:

Her blir kraften, strømmen og feltet alle behandlet som vektorer, så vektorkryssproduktet ovenfor gir en kraft rettet langs boreaksen, som virker på strømmen i ankeret, som en konsekvens av magnetfeltet.

I de fleste enkle jernbanevåpen tilføres magnetfeltet bare av strømmen som strømmer i skinnene, det vil si bak ankeret. Det følger at magnetfeltet verken vil være konstant eller romlig uniform. Derfor må kraften i praksis beregnes etter at det er tatt behørig hensyn til den romlige variasjonen av magnetfeltet over ankerets volum.

For å illustrere prinsippene som er involvert, kan det være nyttig å betrakte skinnene og ankeret som tynne ledninger eller "filamenter". Med denne tilnærmingen kan størrelsen på kraftvektoren bestemmes ut fra en form for Biot - Savart -loven og et resultat av Lorentz -kraften. Kraften kan avledes matematisk når det gjelder permeabilitetskonstanten ( ), skinnenes radius (som antas å være sirkulære i tverrsnitt) ( ), avstanden mellom skinnens sentrale akser ( ) og strømmen ( ) som beskrevet nedenfor.

For det første kan det vises fra Biot – Savart-loven at i den ene enden av en semi-uendelig strømførende ledning er magnetfeltet i en gitt vinkelrett avstand ( ) fra enden av ledningen gitt av

Merk at dette er hvis tråden går fra ankerets plassering, f.eks. Fra x = 0 tilbake til og måles i forhold til trådens akse.

Så hvis ankeret forbinder endene på to slike semi-uendelige ledninger atskilt med en avstand, er en ganske god tilnærming forutsatt at lengden på ledningene er mye større enn , det totale feltet fra begge ledningene når som helst på ankeret er:

hvor er den vinkelrette avstanden fra punktet på ankeret til aksen til en av ledningene.

Vær oppmerksom på at mellom skinnene er det forutsatt at skinnene ligger i xy -planet og går fra x = 0 tilbake til som foreslått ovenfor.

For å evaluere kraften på ankeret kan uttrykket ovenfor for magnetfeltet på ankeret brukes i forbindelse med Lorentz Force Law,

Å gi kraften som

Dette viser at den kraft som vil være proporsjonal med produktet av og kvadratet av strømmen, . Fordi verdien til μ 0 er liten (4 π × 10 −7  H / m ) følger det at kraftige jernbanevåpen trenger store kjørestrømmer.

Formelen ovenfor er basert på antagelsen om at avstanden ( ) mellom punktet der kraften ( ) måles og begynnelsen på skinnene er større enn separasjonen av skinnene ( ) med en faktor på omtrent 3 eller 4 ( ). Noen andre forenklende forutsetninger har også blitt gjort; For å beskrive kraften mer nøyaktig må skinnenes og prosjektilets geometri vurderes.

Med de fleste praktiske railgun -geometrier er det ikke lett å produsere et elektromagnetisk uttrykk for railgun -styrken som er både enkelt og rimelig nøyaktig. For en mer gjennomførbar enkel modell er et nyttig alternativ å bruke en kretsmodell for å beskrive forholdet mellom drivstrømmen og jernbanekraften.

I disse modellene er railgun modellert på en elektrisk krets, og drivkraften kan bestemmes ut fra energistrømmen i kretsen. Spenningen over railgun -seteleddet er gitt av

Så den totale kraften som strømmer inn i railgun er da bare produktet . Denne kraften representerer en energistrøm til tre hovedformer: kinetisk energi i prosjektilet og ankeret, energi lagret i magnetfeltet og energi tapt via elektrisk motstandsoppvarming av skinnene (og anker).

Når prosjektilet beveger seg langs tønnen, øker avstanden fra seteleddet til ankeret. Derfor øker også motstanden og induktansen til fatet. For en enkel modell kan fatmotstanden og induktansen antas å variere som lineære funksjoner i prosjektilposisjonen , så disse størrelsene er modellert som

hvor er motstanden per lengdenhet og er induktansen per lengdenhet, eller induktansgradienten. Det følger at

der er alle viktige prosjektilhastigheten, . Deretter

Hvis drivstrømmen holdes konstant, vil termen være null. Resistive tap tilsvarer nå en effektstrøm , mens strømmen representerer det elektromagnetiske arbeidet som er utført.

Denne enkle modellen spår at nøyaktig halvparten av det elektromagnetiske arbeidet vil bli brukt til å lagre energi i magnetfeltet langs fatet , ettersom lengden på strømsløyfen øker.

Den andre halvdelen av det elektromagnetiske verket representerer den mer nyttige kraftstrømmen - inn i den kinetiske energien til prosjektilet. Siden kraft kan uttrykkes som kraft ganger hastighet, viser dette at kraften på railgun -ankeret er gitt av

Denne ligningen viser også at høye akselerasjoner vil kreve svært høye strømmer. For en ideell firkantet enkeltsvinget skyttegevær vil verdien på være omtrent 0,6 mikroHenries per meter (μH/m), men de fleste praktiske jernbanegevær viser lavere verdier enn dette. Maksimering av induktansgradienten er bare en av utfordringene som designerne av railgun -fat står overfor.

Siden modellen med kretsløp beskriver jernbanekraften i forhold til ganske normale kretsligninger, blir det mulig å spesifisere en enkel tidsdomenemodell for et skyttegevær. Ved å ignorere friksjon og luftmotstand, blir prosjektilakselerasjonen gitt av

hvor m er prosjektilmassen. Bevegelsen langs fatet er gitt av

og ovennevnte spennings- og strømuttrykk kan plasseres i passende kretsligninger for å bestemme tidsvariasjonen av strøm og spenning.

Det kan også bemerkes at lærebokformelen for høyfrekvent induktans per lengdenhet for et par parallelle runde ledninger, med radius r og aksial separasjon d er:

Så den klumpede parametermodellen forutsier også kraften i denne saken som:

Med praktiske railgun -geometrier kan mye mer nøyaktige to eller tredimensjonale modeller av skinne- og ankerstrømfordelingene (og de tilhørende kreftene) beregnes, f.eks. Ved å bruke endelige elementmetoder for å løse formuleringer basert på enten det skalære magnetiske potensialet eller magnetiske vektorpotensial.

Designhensyn

Strømforsyningen må kunne levere store strømmer, vedvarende og kontrollert over en nyttig tid. Den viktigste måleren for effektforsyningseffektivitet er energien den kan levere. Fra desember 2010 var den største kjente energien som ble brukt til å drive et prosjektil fra et jernbanevåpen, 33 megajoules. De vanligste formene for strømforsyninger som brukes i jernbanepistoler er kondensatorer og kompressorer som sakte lades fra andre kontinuerlige energikilder.

Skinnene må tåle enorme frastøtende krefter under skyting, og disse kreftene vil ha en tendens til å skyve dem fra hverandre og vekk fra prosjektilet. Etter hvert som skinner/prosjektilklaringer øker, utvikler det lysbue , noe som forårsaker rask fordampning og omfattende skade på skinneoverflatene og isolatorflatene. Dette begrenset noen tidlige forskningsskyttervåpen til ett skudd per serviceintervall.

Skinnens og strømforsyningens induktans og motstand begrenser effektiviteten til en railgun -design. For tiden testes forskjellige jernbaneformer og railgun -konfigurasjoner, særlig av US Navy ( Naval Research Laboratory ), Institute for Advanced Technology ved University of Texas i Austin og BAE Systems.

Materialer som brukes

Skinnene og prosjektilene må bygges av sterke ledende materialer; skinnene må overleve volden til et akselererende prosjektil og oppvarming på grunn av de store strømmer og friksjon som er involvert. Noe feil arbeid har antydet at rekylstyrken i jernbanevåpen kan omdirigeres eller elimineres; grundig teoretisk og eksperimentell analyse avslører at rekylkraften virker på setebeskyttelsen akkurat som i et kjemisk skytevåpen. Skinnene frastøter seg også via en sidelengs kraft forårsaket av at skinnene skyves av magnetfeltet, akkurat som prosjektilet er. Skinnene må overleve dette uten å bøye seg og må være veldig sikkert montert. Foreløpig publisert materiale antyder at store fremskritt innen materialvitenskap må gjøres før skinner kan utvikles som gjør at jernbanevåpen kan skyte mer enn noen få full-effekt-skudd før det er nødvendig å bytte skinner.

Varmespredning

I dagens design skapes enorme mengder varme av elektrisiteten som strømmer gjennom skinnene, samt av friksjonen til prosjektilet som forlater enheten. Dette forårsaker tre hovedproblemer: smelting av utstyr, redusert sikkerhet for personell og oppdagelse av fiendtlige styrker på grunn av økt infrarød signatur . Som kort omtalt ovenfor, krever påkjenningene ved avfyring av denne typen enheter et ekstremt varmebestandig materiale. Ellers vil skinnene, fatet og alt utstyr som er festet smelte eller bli uopprettelig skadet.

I praksis er skinnene som brukes med de fleste railgun -design utsatt for erosjon fra hver lansering. I tillegg kan prosjektiler bli utsatt for en viss grad av ablasjon , og dette kan begrense jernbanevåpen, i noen tilfeller alvorlig.

applikasjoner

Railguns har en rekke potensielle praktiske bruksområder, først og fremst for militæret. Imidlertid er det andre teoretiske anvendelser som nå undersøkes.

Lanserings- eller oppskytningsassistent for romfartøyer

Elektrodynamisk bistand til å skyte opp raketter har blitt studert. Romapplikasjoner av denne teknologien vil sannsynligvis innebære spesialformede elektromagnetiske spoler og superledende magneter . Komposittmaterialer vil sannsynligvis bli brukt til denne applikasjonen.

For romoppskytninger fra jorden vil relativt korte akselerasjonsavstander (mindre enn noen få km) kreve svært sterke akselerasjonskrefter, høyere enn mennesker kan tåle. Andre design inkluderer et lengre spiralformet (spiralformet) spor, eller et stort ringdesign der et romfartøy ville sirkle rundt ringen flere ganger, gradvis få fart, før det ble sluppet inn i en lanseringskorridor som leder mot himmelen. Likevel, hvis teknisk mulig og kostnadseffektivt å bygge, formidle hyper-hastighet unnslipningshastighet til et prosjektil lansering ved havnivå, hvor atmosfæren er den mest tett, kan resultere i mye av lanseringen hastighet som tapt til luftmotstand . I tillegg kan prosjektilet fremdeles kreve en form for styring og kontroll om bord for å realisere en nyttig innsettingsvinkel som ikke kan oppnås, bare basert på løfterakettens høydevinkel oppover i forhold til jordoverflaten, (se praktiske hensyn til rømningshastighet ).

I 2003 skisserte Ian McNab en plan for å gjøre denne ideen til en realisert teknologi. På grunn av sterk akselerasjon ville dette systemet bare lansere solide materialer, for eksempel mat, vann og - viktigst - drivstoff. Under ideelle omstendigheter (ekvator, fjell, på vei østover) ville systemet koste $ 528/kg, sammenlignet med $ 5000/kg på den konvensjonelle raketten. McNab -skyttegeværet kunne foreta omtrent 2000 oppskytninger per år, for totalt maksimalt 500 tonn som ble lansert per år. Fordi lanseringsbanen ville være 1,6 km lang, vil strøm bli levert av et distribuert nettverk av 100 roterende maskiner (obligatorisk) spredt langs banen. Hver maskin ville ha en 3,3 tonn karbonfiberrotor som spinner i høye hastigheter. En maskin kan lades på noen få timer med 10 MW strøm. Denne maskinen kan leveres av en dedikert generator. Den totale lanseringspakken ville veie nesten 1,4 tonn. Nyttelast per lansering under disse forholdene er over 400 kg. Det vil være et toppmagnetisk felt på 5 T - halvparten av dette kommer fra skinnene, og den andre halvparten fra forstørrelsesmagneter. Dette halverer den nødvendige strømmen gjennom skinnene, noe som reduserer effekten fire ganger.

NASA har foreslått å bruke en jernbanegevær til å skyte "kileformede fly med scramjets " til stor høyde ved Mach 10, hvor den deretter ville starte en liten nyttelast i bane ved hjelp av konvensjonell rakettdrift. De ekstreme g-kreftene som er involvert i direkte oppskyting av jernbanevåpen til verdensrommet, kan begrense bruken til bare de mest effektive nyttelastene. Alternativt kan svært lange skinnesystemer brukes til å redusere den nødvendige oppskytingsakselerasjonen.

Våpen

Tegninger av elektriske pistolprosjektiler
Elektromagnetisk railgun plassert ved Naval Surface Warfare Center

Railguns blir forsket på som våpen med prosjektiler som ikke inneholder eksplosiver eller drivmidler, men som får ekstremt høye hastigheter: 2500 m/s (8.200 ft/s) (omtrent Mach 7 ved havnivå) eller mer. Til sammenligning har M16 -riflet en snutehastighet på 930 m/s (3.050 ft/s), og 16 "/50 kaliber Mark 7 -pistolen som bevæpnet amerikanske slagskip fra andre verdenskrig har en snutehastighet på 760 m/s (2490 ft/s)), som på grunn av sin mye større prosjektilmasse (opptil 2700 pund) genererte en snuteenergi på 360 MJ og en nedadgående kinetisk påvirkning av energi på over 160 MJ (se også Prosjekt HARP ). Ved å skyte mindre prosjektiler mot ekstremt høye hastigheter, kan jernbanepistoler gi kinetiske energipåvirkninger som er like eller bedre enn den destruktive energien til 5 "/54 kaliber Mark 45 Naval guns , (som oppnår opptil 10MJ ved nesen), men med større rekkevidde. Dette reduserer ammunisjonens størrelse og vekt, slik at mer ammunisjon kan bæres og eliminerer farene ved å bære eksplosiver eller drivmidler i en tank eller marinevåpenplattform. Ved å skyte flere aerodynamisk strømlinjeformede prosjektiler med større hastigheter kan jernbanepistoler oppnå større rekkevidde, mindre tid til mål og på kortere avstander mindre vinddrift, og omgå de fysiske begrensningene til konvensjonelle skytevåpen: "grensene for gassutvidelse forbyr å skyte et prosjekt uten hjelp til hastigheter større enn omtrent 1,5 km/s og rekkevidder på mer enn 80 mil fra et praktisk konvensjonelt pistolsystem. "

Gjeldende railgun -teknologier krever en lang og tung tønne, men en railguns ballistikk overgår langt konvensjonelle kanoner med like fatlengder. Railguns kan også levere effektområde ved å detonere en sprengladning i prosjektilet som frigjør en sverm av mindre prosjektiler over et stort område.

Forutsatt at de mange tekniske utfordringene som kan håndteres med jernbanevåpen, er overvunnet, inkludert problemer som prosjektilveiledning for jernbane, jernbaneutholdenhet og bekjempelse av overlevelse og pålitelighet for den elektriske strømforsyningen, kan de økte lanseringshastighetene til jernbanevåpen gi fordeler fremfor mer konvensjonelle våpen for en rekke forskjellige offensive og defensive scenarier. Railguns har begrenset potensial til å brukes mot både overflate- og luftbårne mål.

Det første våpengjernede jernbanegeværet som var planlagt for produksjon, General Atomics Blitzer -systemet, begynte full systemtesting i september 2010. Våpenet lanserer en strømlinjeformet kassert sabotrunde designet av Boeings Phantom Works i 1600 m/s (5.200 ft/s) (omtrent Mach 5 ) med akselerasjoner over 60 000 g n . I en av prøvene, prosjektilet var i stand til å reise en ytterligere 7 kilometer (4,3 mi) downrange etter gjennomtrenger en Anmeldelse for 1. / 8 tomme (3,2 mm) tykk stålplate. Selskapet håper å ha en integrert demo av systemet innen 2016 etterfulgt av produksjon innen 2019, i påvente av finansiering. Så langt er prosjektet egenfinansiert.

I oktober 2013 avduket General Atomics en landbasert versjon av Blitzer railgun. En tjenestemann i selskapet hevdet at pistolen kunne være klar for produksjon om "to til tre år".

Railguns blir undersøkt for bruk som luftfartsvåpen for å fange opp lufttrusler , spesielt cruisemissiler mot skip , i tillegg til landbombardement. Et supersonisk sjøskummende anti-skip missil kan dukke opp over horisonten 20 miles fra et krigsskip, og etterlate en veldig kort reaksjonstid for et skip å fange opp det. Selv om konvensjonelle forsvarssystemer reagerer raskt nok, er de dyre, og bare et begrenset antall store avskjærere kan transporteres. Et railgun -prosjektil kan nå flere ganger lydens hastighet raskere enn et missil; på grunn av dette kan den treffe et mål, for eksempel et cruisemissil, mye raskere og lenger unna skipet. Prosjektiler er også vanligvis mye billigere og mindre, slik at mange flere kan bæres (de har ingen styringssystemer, og er avhengige av jernbanepistolen for å levere sin kinetiske energi, i stedet for å skaffe den selv). Hastigheten, kostnaden og de numeriske fordelene med railgun -systemer kan tillate dem å erstatte flere forskjellige systemer i den nåværende lagdelte forsvarstilnærmingen. Et railgun-prosjektil uten evne til å endre kurs kan treffe hurtiggående missiler med en maksimal rekkevidde på 56 km. Som tilfellet er med Phalanx CIWS, vil ustyrte railgun-runder kreve flere/mange skudd for å få ned manøvrering av supersoniske anti-skip-missiler, med oddsen for å treffe missilet forbedres dramatisk jo nærmere den kommer. Sjøforsvaret planlegger at jernbanevåpen skal kunne fange opp endoatmosfæriske ballistiske missiler, skjulte lufttrusler , supersoniske missiler og svermende trusler på overflaten; et prototypesystem for å støtte avskjæringsoppgaver skal være klart innen 2018, og operasjonelt innen 2025. Denne tidsrammen antyder at våpnene er planlagt installert på marinens neste generasjons overflatekampanter, som forventes å starte byggingen innen 2028.

BAE Systems var på et tidspunkt interessert i å installere jernbanevåpen på deres Future Combat Systems Manned Ground Vehicles . Dette programmet var den amerikanske hærens tredje forsøk på å erstatte den aldrende M2 Bradley .

India har testet sin egen railgun. Russland , Kina , Tyrkia 's ASELSAN   og Yeteknoloji utvikler også railguns.

Spiralskytende pistol

Spiralske jernbanevåpen er jernbanevåpen med flere svinger som reduserer skinne- og børstelast med en faktor lik antall svinger. To skinner er omgitt av en spiralformet tønne, og prosjektilen eller gjenbrukbare bæreren er også spiralformet. Prosjektilet får kontinuerlig energi av to børster som glir langs skinnene, og to eller flere ekstra børster på prosjektilet tjener til å aktivere og pendle flere viklinger av den spiralformede fatretningen foran og/eller bak prosjektilet. Den spiralformede railgun er en krysning mellom en railgun og en coilgun . De eksisterer foreløpig ikke i en praktisk, brukbar form.

En spiralformet railgun ble bygget på MIT i 1980 og ble drevet av flere banker av, for tiden, store kondensatorer (omtrent 4 farads ). Den var omtrent 3 meter lang, bestående av 2 meter akselerasjonsspole og 1 meter retardasjonsspole. Den klarte å skyte en seilfly eller et prosjektil omtrent 500 meter.

Plasmaskinnepistol

En plasmastrålevåpen er en lineær akselerator og et plasma energi våpen som, som et prosjektil strålevåpen, benytter seg av to lange parallelle elektroder for å akselerere en "glide kort" armatur. I en plasmaskinnepistol består imidlertid ankeret og det utkastede prosjektilet av plasma, eller varme, ioniserte, gasslignende partikler, i stedet for et solid materiale. MARAUDER ( Magnetically Accelerated Ring to Achieve Ultra-high Directed Energy and Radiation ) er, eller var, et United States Air Force Research Laboratory- prosjekt om utvikling av et koaksialt plasmaskinnegevær. Det er en av flere innsatser fra USAs regjering for å utvikle plasmabaserte prosjektiler. De første datasimuleringene skjedde i 1990, og det første publiserte eksperimentet dukket opp 1. august 1993. Fra og med 1993 så prosjektet ut til å være i de tidlige eksperimentelle stadiene. Våpenet var i stand til å produsere smultringformede ringer av plasma og lynkuler som eksploderte med ødeleggende effekter når de traff målet. Prosjektets første suksess førte til at det ble klassifisert, og bare noen få referanser til MARAUDER dukket opp etter 1993.

Tester

Diagram som viser tverrsnittet av en lineær motorkanon

Modeller i full skala har blitt bygget og avfyrt, inkludert en 90 mm (3,5 tommer) boring, 9 megajoule kinetisk energipistol utviklet av amerikanske DARPA . Problemer med jernbane og isolator må fortsatt løses før jernbanevåpen kan begynne å erstatte konvensjonelle våpen. Sannsynligvis det eldste konsekvent vellykkede systemet ble bygget av Storbritannias forsvarsforskningsbyrå ved Dundrennan Range i Kirkcudbright , Skottland . Dette systemet ble etablert i 1993 og har vært i drift i over 10 år.

Det jugoslaviske militære teknologiinstituttet utviklet i et prosjekt ved navn EDO-0, en jernbanevåpen med 7 kJ kinetisk energi, i 1985. I 1987 ble det opprettet en etterfølger, prosjekt EDO-1, som brukte prosjektil med en masse på 0,7 kg (1,5 lb ) og oppnådde hastigheter på 3000 m/s (9 800 ft/s), og med en masse på 1,1 kg (2,4 lb) nådde hastigheter på 2400 m/s (7 900 ft/s). Den brukte en banelengde på 0,7 m (2,3 fot). I følge de som jobber med det, var det med andre modifikasjoner i stand til å oppnå en hastighet på 4500 m/s (14 800 ft/s). Målet var å oppnå prosjektilhastighet på 7.000 m/s (23.000 ft/s).

Kina er nå en av de største aktørene innen elektromagnetiske bæreraketter; i 2012 var det vert for det 16. internasjonale symposiet om elektromagnetisk lanseringsteknologi (EML 2012) i Beijing. Satellittbilder i slutten av 2010 antydet at tester ble utført på et rustnings- og artilleriområde nær Baotou , i Indre Mongolia autonome region .

USAs væpnede styrker

Det amerikanske militæret har uttrykt interesse for å forske på forskning innen elektrisk pistolteknologi gjennom slutten av 1900 -tallet på grunn av hvordan elektromagnetiske våpen ikke krever at drivstoff skyter et skudd som konvensjonelle pistolsystemer, noe som øker mannskapets sikkerhet og reduserer logistikkostnader, samt gi et større utvalg. I tillegg har railgun-systemer potensielt gitt høyere hastighet på prosjektiler, noe som vil øke nøyaktigheten for antitank, artilleri og luftvern ved å redusere tiden det tar for prosjektilet å nå målet. På begynnelsen av 1990 -tallet dedikerte den amerikanske hæren mer enn $ 150 millioner dollar til forskning på elektriske våpen. Ved University of Texas i Austin Center for Electromechanics har militære jernbanevåpen som er i stand til å levere wolfram rustningsgjennomtrengende kuler med kinetisk energi på ni megajoule (9 MJ) blitt utviklet. Ni megajoules er nok energi til å levere 2 kg prosjektil med 3 km/s (1,9 mi/s) - med den hastigheten kan en tilstrekkelig lang stang av wolfram eller et annet tett metall lett trenge gjennom en tank og potensielt passere gjennom den, (se APFSDS ).

Naval Surface Warfare Center Dahlgren Division

United States Naval Surface Warfare Center Dahlgren Division demonstrerte et 8 MJ jernbanegevær som avfyrte 3,2 kg (7,1 lb) prosjektiler i oktober 2006 som en prototype av et 64 MJ våpen som skulle settes ut ombord på marinekrigskip. Hovedproblemet den amerikanske marinen har hatt med å implementere et railgun kanonsystem er at pistolene slites ut på grunn av det enorme trykket, påkjenningene og varmen som genereres av de millioner ampere strøm som er nødvendig for å skyte prosjektiler med megajoule energi. Selv om det ikke er like kraftig som et cruisemissil som en BGM-109 Tomahawk , som vil levere 3000 MJ energi til et mål, ville slike våpen i teorien tillate marinen å levere mer granulert ildkraft til en brøkdel av kostnaden for en missil, og vil være mye vanskeligere å skyte ned mot fremtidige forsvarssystemer. For kontekst er en annen relevant sammenligning Rheinmetall 120mm -pistolen som brukes på hovedstridsvogner, som genererer 9 MJ munnkurv.

I 2007 leverte BAE Systems en 32 MJ prototype (snutenergi) til den amerikanske marinen. Den samme mengden energi frigjøres ved detonasjon av 4,8 kg C4 .

31. januar 2008 testet den amerikanske marinen en jernbanegevær som avfyrte et prosjektil på 10,64 MJ med en snutehastighet på 2520 m/s (8270 fot/s). Strømmen ble levert av en ny 9-megajoule prototype kondensatorbank ved bruk av solid-state-brytere og kondensatorer med høy energi-tetthet levert i 2007 og et eldre 32-MJ pulskraftsystem fra den amerikanske hærens Green Farm Electric Gun Research and Development Facility utviklet på slutten av 1980 -tallet som tidligere ble pusset opp av General Atomics Electromagnetic Systems (EMS) Division. Det forventes å være klart mellom 2020 og 2025.

En test av en railgun fant sted 10. desember 2010, av den amerikanske marinen ved Naval Surface Warfare Center Dahlgren Division. Under testen satte Office of Naval Research en verdensrekord ved å gjennomføre et 33 MJ skudd fra railgun, som ble bygget av BAE Systems.

En annen test fant sted i februar 2012, ved Naval Surface Warfare Center Dahlgren Division. Selv om den ligner på energi til den ovennevnte testen, var railgun som ble brukt, betydelig mer kompakt, med en mer konvensjonell tønne. En General Atomics-bygget prototype ble levert for testing i oktober 2012.

Ekstern video
videoikon Ekstra opptak
videoikon Februar 2012 test

I 2014 hadde den amerikanske marinen planer om å integrere et jernbanevåpen som har en rekkevidde på over 16 km (10 mi) på et skip innen 2016. Dette våpenet, mens det hadde en formfaktor mer typisk for en marinepistol, var å bruke komponenter i stor grad i felles med de som er utviklet og demonstrert på Dahlgren. Hyperhastighetsrundene veier 10 kg (23 lb), er 460 mm (18 tommer) og skytes mot Mach 7.

Et fremtidig mål var å utvikle prosjektiler som var selvstyrte-et nødvendig krav for å treffe fjerne mål eller fange opp missiler. Når de guidede rundene er utviklet, anslår marinen hver runde å koste rundt $ 25 000, selv om utvikling av guidede prosjektiler for våpen har en historie med dobling eller tredobling av første kostnadsestimater. Noen høyhastighetsprosjektiler utviklet av marinen har kommandoveiledning, men nøyaktigheten av kommandoveiledningen er ikke kjent, og ikke engang om den kan overleve et full effektskudd.

De eneste amerikanske marinefartøyene som kan produsere nok elektrisk kraft til å oppnå ønsket ytelse er de tre Zumwalt -klasse -ødeleggerne (DDG -1000 -serien); de kan generere 78 megawatt kraft, mer enn det som er nødvendig for å drive en railgun. Zumwalt har imidlertid blitt kansellert, og det vil ikke bli bygget flere enheter. Ingeniører jobber med å få teknologier utviklet for skipene i DDG-1000-serien til et batterisystem, slik at andre krigsskip kan betjene et jernbanegevær. Fra og med 2014 kan de fleste destroyere spare bare ni megawatt ekstra strøm, mens det vil kreve 25 megawatt å drive et prosjektil til ønsket maksimal rekkevidde (dvs. å skyte 32MJ prosjektiler med en hastighet på 10 skudd per minutt). Selv om skip, for eksempel Arleigh Burke -klasse -ødeleggeren , kan oppgraderes med nok elektrisk kraft til å drive et jernbanegevær, kan plassen som tas opp på skipene ved integrering av et ekstra våpensystem tvinge fjerning av eksisterende våpensystemer til å gjøre rom tilgjengelig. De første testene ombord skulle være fra en jernbanegevær installert på en ekspedisjonær hurtigtransport (EPF) i Spearhead -klasse , men dette ble senere endret til landbasert testing.

Selv om prosjektilene på 23 lb ikke har noen eksplosiver, gir Mach 7 -hastigheten dem 32 megajoule energi, men nedtrapping av kinetisk energi vil typisk være 50 prosent eller mindre av snutenergien. Sjøforsvaret undersøkte andre bruksområder for jernbanevåpen, i tillegg til landbombardement, for eksempel luftvern; med de riktige målsystemene kan prosjektiler fange opp fly, cruisemissiler og til og med ballistiske missiler. Sjøforsvaret utvikler også våpen med målrettet energi til luftvern, men det vil ta år eller tiår før de vil være effektive.

Jernbanegeværet ville være en del av en marineflåte som ser for seg at offensive og defensive evner i fremtiden blir levert i lag: lasere for å gi nærtgående forsvar, jernbanevåpen for å tilby mellomdistanseangrep og forsvar, og cruisemissiler for å gi langdistanseangrep; selv om jernbanevåpen vil dekke mål opptil 100 miles unna som tidligere trengte et missil. Sjøforsvaret kan til slutt forbedre railgun -teknologien slik at den kan skyte på en rekkevidde på 370 km og påvirke med 64 megajoules energi. Ett skudd vil kreve 6 millioner ampere strøm, så det vil ta lang tid å utvikle kondensatorer som kan generere nok energi og sterke nok pistolmaterialer.

Den mest lovende kortsiktige applikasjonen for våpenklassifiserte jernbanevåpen og elektromagnetiske våpen er generelt sannsynligvis ombord på marineskip med tilstrekkelig ledig elektrisk produksjonskapasitet og batterilagringsplass. I bytte kan skipets overlevelsesevne forbedres gjennom en sammenlignbar reduksjon i mengder potensielt farlige kjemiske drivstoff og eksplosiver som brukes. Bakkampstyrker kan imidlertid finne at samlokalisering av en ekstra elektrisk strømforsyning på slagmarken for hvert pistolsystem kanskje ikke er like vekt- og plasseffektivt, overlevende eller praktisk en kilde til umiddelbar prosjektilutsendingsenergi som konvensjonelle drivmidler, som er produsert trygt bak linjene og levert til våpenet, ferdigpakket, gjennom et robust og spredt logistikksystem.

I juli 2017 rapporterte Defensetech at marinen ønsket å skyve Office of Naval Researchs prototype railgun fra et vitenskapelig eksperiment til nyttig våpenområde. Målet, ifølge Tom Beutner , sjef for Naval Air Warfare and Weapons for ONR, var ti skudd i minuttet på 32 megajoules. Et 32 megajoule railgun-skudd tilsvarer omtrent 23 600 000 fotpund, så et enkelt 32 MJ-skudd har samme munnkurv som omtrent 200 000 .22 runder som avfyres samtidig. I mer konvensjonelle kraftenheter er et 32 ​​MJ -skudd hvert 6. sekund en nettoeffekt på 5,3 MW (eller 5300 kW). Hvis jernbanepistolen antas å være 20% effektiv til å gjøre elektrisk energi til kinetisk energi, må skipets elektriske forsyninger gi omtrent 25 MW så lenge avfyringen fortsetter.

I 2020, etter 17 år og 500 millioner dollar brukt på programmet, var Navy railgun ikke i nærheten av klar til å bli utplassert på et skip, med marinen i stedet fokusert på å skyte hypersoniske prosjektiler fra eksisterende konvensjonelle våpen som allerede var tilgjengelig i antall. 1. juni 2021 rapporterte The Drive at den amerikanske marines foreslåtte regnskapsårsbudsjett for 2022 ikke hadde midler til forskning og utvikling av jernbanevåpen. Tekniske utfordringer kunne ikke overvinnes, for eksempel de massive kreftene ved å skyte ut tønnen etter bare ett eller to dusin skudd, og en skuddhastighet for lav til å være nyttig for missilforsvar. Prioritetene hadde også endret seg siden utviklingen av railgun begynte, med marinen satte mer fokus på hypersoniske missiler med lengre rekkevidde sammenlignet med relativt kortere rekkevidde railgun -prosjektiler.

Army Research Laboratory

Forskning på railgun -teknologi tjente som et stort fokusområde ved Ballistic Research Laboratory (BRL) gjennom 1980 -årene. I tillegg til å analysere ytelsen og de elektrodynamiske og termodynamiske egenskapene til jernbanevåpen ved andre institusjoner (som Maxwell Laboratories ' CHECMATE railgun ), anskaffet BRL sine egne jernbanevåpen for studier som deres en-meter railgun og deres fire meter rail gun. I 1984 utviklet BRL -forskere en teknikk for å analysere restene som var igjen på boringsoverflaten etter at et skudd ble avfyrt for å undersøke årsaken til borets progressive nedbrytning. I 1991 bestemte de egenskapene som kreves for å utvikle en effektiv oppskytingspakke, samt designkriteriene som er nødvendige for at en jernbanevåpen skal inneholde finnede, lange stangprosjektiler.

Forskning på jernbanevåpen fortsatte etter at Ballistic Research Laboratory ble konsolidert med seks andre uavhengige hærlaboratorier for å danne US Army Research Laboratory (ARL) i 1992. Et av de store prosjektene innen jernbaneforskning som ARL var involvert i var Cannon-Caliber Electromagnetic Gun (CCEMG) -programmet , som fant sted ved Center for Electromechanics ved University of Texas (UT-CEM) og ble sponset av US Marine Corps og US Army Armament Research Development and Engineering Center . Som en del av CCEMG-programmet designet og utviklet UT-CEM Cannon-Caliber Electromagnetic Launcher, en hurtigskyteskyteskyteskyteskyteskive, i 1995. Med en 30 mm rundboring kunne bæreraketten skyte tre, fem-runde salver av 185 g lanseringspakker med en snutehastighet på 1850 m/s og en avfyringshastighet på 5 Hz. Hurtig-brann-operasjon ble oppnådd ved å kjøre skytespillet med flere 83544 toppimpulser levert av CCEMG-kompasatoren. CCEMG railgun inneholdt flere funksjoner: keramiske sidevegger, retningsbestemt forhåndsinnlasting og væskekjøling. ARL var ansvarlig for å vurdere ytelsen til bæreraketten, som ble testet på ARL Transonic Experimental Facility i Aberdeen Proving Ground, MD .

US Army Research Laboratory overvåket også utvikling av elektromagnetisk og elektrotermisk pistolteknologi ved Institute for Advanced Technology (IAT) ved University of Texas i Austin , et av fem universitets- og industrilaboratorier som ARL forbundte for å skaffe teknisk støtte. Den inneholdt de to elektromagnetiske bærerakettene, Leander OAT og AugOAT, samt Medium Caliber Launcher. Anlegget ga også et kraftsystem som inkluderte tretten 1-MJ kondensatorbanker, et utvalg av elektromagnetiske lanseringsenheter og diagnostiske apparater. Fokuset for forskningsaktiviteten var på design, interaksjoner og materialer som kreves for elektromagnetiske bæreraketter.

I 1999 førte et samarbeid mellom ARL og IAT til utviklingen av en radiometrisk metode for måling av temperaturfordelingen på jernbanevåpenarmaturer under en pulserende elektrisk utladning uten å forstyrre magnetfeltet. I 2001 ble ARL den første til å skaffe et sett med nøyaktighetsdata om elektromagnetiske pistol-lanserte prosjektiler ved hjelp av hoppetester. I 2004 publiserte ARL -forskere artikler som undersøkte samspillet mellom høytemperaturplasmaer med det formål å utvikle effektive railgun -tennere. Tidlige artikler beskriver plasma-drivstoffinteraksjonsgruppen ved ARL og deres forsøk på å forstå og skille mellom den kjemiske, termiske og strålingseffekten av plasma på konvensjonelle faste drivmidler. Ved hjelp av skanningelektronmikroskopi og andre diagnostiske teknikker evaluerte de i detalj påvirkning av plasma på spesifikke drivstoffmaterialer.

Folkerepublikken Kina

Kina utvikler sitt eget railgun -system. Ifølge en CNBC -rapport fra amerikansk etterretning, ble Kinas railgun -system først avslørt i 2011, og bakketesting begynte i 2014. I 2015 da våpensystemet fikk muligheten til å slå over utvidede områder med økt dødelighet. Våpensystemet ble vellykket montert på et kinesisk marineskip i desember 2017, med sjøforsøk senere.

I begynnelsen av februar 2018 ble det publisert bilder av det som hevdes å være en kinesisk railgun. På bildene er pistolen montert på baugen på et landingsskip Haiyangshan av type 072III-klasse . Media antyder at systemet er eller snart vil være klart for testing. I mars 2018 ble det rapportert at Kina bekreftet at det hadde begynt å teste sin elektromagnetiske jernbanepistol til sjøs.

India

I november 2017 utførte Indias forsvarsforsknings- og utviklingsorganisasjon en vellykket test av et 12 mm firkantet elektromagnetisk railgun. Tester av en 30 mm versjon er planlagt utført. India har som mål å skyte et kilo prosjektil med en hastighet på mer enn 2000 meter per sekund ved hjelp av en kondensatorbank på 10 megajoules. Elektromagnetiske kanoner og styrte energivåpen er blant systemene som Indian Navy har som mål å skaffe seg i moderniseringsplanen frem til 2030.

Problemer

Store vanskeligheter

Store teknologiske og operasjonelle hindringer må overvinnes før jernbanevåpen kan settes inn:

  1. Railgun holdbarhet: Hittil har railgun demonstrasjoner, selv om de er imponerende, ikke demonstrert en evne til å skyte flere full effektskudd fra det samme settet med skinner. Den amerikanske marinen har hevdet hundrevis av skudd fra det samme settet med skinner. I en uttalelse fra mars 2014 til underutvalget for etterretning, fremvoksende trusler og evner i House Armed Services Committee, uttalte sjef for marineforskningsadmiral Matthew Klunder: "Tønnslivet har økt fra titalls skudd til over 400, med en programbane for å oppnå 1000 skudd. " Imidlertid vil Office of Naval Research (ONR) ikke bekrefte at de 400 skuddene er skudd med full effekt. Videre er det ingenting publisert som indikerer at det er jernbanevåpen i høy klasse i megajouleklasse med evnen til å skyte hundrevis av fullskuddskudd mens de holder seg innenfor de strenge operasjonelle parametrene som er nødvendige for å skyte skyteskudd nøyaktig og sikkert. Railguns skal kunne skyte 6 runder i minuttet med et jernbaneliv på ca 3000 runder, som tåler lanseringsakselerasjoner på titusenvis av g -er, ekstreme trykk og megaampere, men dette er ikke mulig med dagens teknologi.
  2. Prosjektil veiledning: En fremtidig evne som er kritisk for å sette i gang et ekte jernvåpenvåpen, utvikler en robust veiledningspakke som gjør det mulig for jernvåpenet å skyte mot fjerne mål eller å treffe innkommende missiler. Å utvikle en slik pakke er en reell utfordring. US Navy's RFP Navy SBIR 2012.1-Emne N121-102 for å utvikle en slik pakke gir en god oversikt over hvor utfordrende railgun-prosjektilveiledning er:

Pakken må passe innenfor masse (<2 kg), diameter (<40 mm ytterdiameter) og volum (200 cm 3 ) på prosjektilet og gjøre det uten å endre tyngdepunktet. Den skal også kunne overleve akselerasjoner på minst 20 000 g (terskel) / 40 000 g (objektiv) i alle akser, høye elektromagnetiske felt (E> 5000 V / m, B> 2 T) og overflatetemperaturer på> 800 grader C. Pakken skal kunne operere i nærvær av plasma som kan dannes i hullet eller ved utløpet av snuten, og må også være strålingsherdet på grunn av ekso-atmosfærisk flyging. Totalt strømforbruk må være mindre enn 8 watt (terskel)/5 watt (objektiv) og batterilevetiden må være minst 5 minutter (fra første lansering) for å muliggjøre drift under hele innkoblingen. For å være rimelig må produksjonskostnaden per prosjektil være så lav som mulig, med et mål på mindre enn $ 1000 per enhet.

22. juni 2015 kunngjorde General Atomics 'elektromagnetiske systemer at prosjektiler med elektronikk ombord overlevde hele skyteskytemiljøet og utførte de tiltenkte funksjonene i fire påfølgende tester 9. juni og 10. juni på den amerikanske hærens Dugway Proving Ground i Utah. Elektronikken om bord målte vellykket akselerasjoner og prosjektildynamikk i borehullet i flere kilometer nedover, med integrert dataforbindelse som fortsatte å fungere etter at prosjektilene påvirket ørkenbunnen, noe som er avgjørende for presisjonsveiledning.

Utløser for treghetsfengsel

Plasmaskinnepistoler brukes i fysikkforskning, og de har blitt utforsket som en potensiell utløsermekanisme for magneto-inertial fusjon . Men plasma railguns er svært forskjellig fra solid masse drivere eller våpen, og de bare dele den grunnleggende driftskonseptet.

Se også

Referanser

Eksterne linker