Un cañón de riel es un dispositivo de motor lineal , típicamente diseñado como un arma, que usa fuerza electromagnética para lanzar proyectiles de alta velocidad . El proyectil normalmente no contiene explosivos, sino que depende de la alta velocidad , masa y energía cinética del proyectil para infligir daño. [2] El cañón de riel utiliza un par de conductores paralelos (rieles), a lo largo de los cuales se acelera una armadura deslizante por los efectos electromagnéticos de una corriente que fluye por un riel, hacia la armadura y luego de regreso a lo largo del otro riel. Se basa en principios similares a los del motor homopolar .[3]
A partir de 2020, los cañones de riel se han investigado como armas que utilizan fuerzas electromagnéticas para impartir una energía cinética muy alta a un proyectil (por ejemplo, APFSDS ) en lugar de utilizar propulsores convencionales. Mientras que los cañones militares de propulsión explosiva no pueden alcanzar fácilmente una velocidad de salida de más de ± 2 km / s, los cañones de riel pueden superar fácilmente los 3 km / s. Para un proyectil similar, el alcance de los cañones de riel puede exceder el de los cañones convencionales. La fuerza destructiva de un proyectil depende de su energía cinética y masa en el punto de impacto y, debido a la velocidad potencialmente alta de un proyectil lanzado por un cañón de riel, su fuerza destructiva puede ser mucho mayor que la de los proyectiles lanzados convencionalmente del mismo tamaño. La ausencia de propulsores explosivos o ojivas para almacenar y manipular, así como el bajo costo de los proyectiles en comparación con el armamento convencional, son ventajas adicionales. [4]
A pesar de las ventajas anteriores, los cañones de riel todavía se encuentran en la etapa de investigación después de décadas de I + D , y queda por ver si alguna vez se utilizarán o no como armas militares prácticas. Cualquier análisis de compensación entre los sistemas de propulsión electromagnéticos (EM) y los propulsores químicos para aplicaciones de armas también debe tener en cuenta su durabilidad, disponibilidad y economía, así como la novedad, el volumen, la alta demanda de energía y la complejidad de las fuentes de alimentación pulsadas que se necesitan. para sistemas de lanzadores electromagnéticos.
Lo esencial
El cañón de riel en su forma más simple se diferencia de un motor eléctrico tradicional [5] en que no se utilizan bobinas de campo adicionales (o imanes permanentes). Esta configuración básica está formada por un solo bucle de corriente y, por lo tanto, requiere altas corrientes (por ejemplo, del orden de un millón de amperios ) para producir suficientes aceleraciones (y velocidades de salida). Una variante relativamente común de esta configuración es el cañón de riel aumentado en el que la corriente de conducción se canaliza a través de pares adicionales de conductores paralelos, dispuestos para aumentar ("aumentar") el campo magnético experimentado por la armadura en movimiento. [6] Estos arreglos reducen la corriente requerida para una aceleración dada. En la terminología de motores eléctricos, los cañones de riel aumentados suelen ser configuraciones de bobinado en serie . Algunos cañones de riel también utilizan potentes imanes de neodimio con el campo perpendicular al flujo de corriente para aumentar la fuerza sobre el proyectil.
La armadura puede ser una parte integral del proyectil, pero también puede estar configurada para acelerar un proyectil separado, eléctricamente aislado o no conductor. Los conductores deslizantes metálicos sólidos son a menudo la forma preferida de armadura de cañón de riel, pero también se pueden usar armaduras de plasma o "híbridas". [7] Una armadura de plasma está formada por un arco de gas ionizado que se utiliza para empujar una carga útil sólida no conductora de manera similar a la presión del gas propulsor en una pistola convencional. Una armadura híbrida utiliza un par de contactos de plasma para conectar una armadura metálica a los rieles de la pistola. Las armaduras sólidas también pueden "hacer la transición" a armaduras híbridas, generalmente después de que se excede un umbral de velocidad particular. La alta corriente requerida para alimentar un cañón de riel puede ser proporcionada por varias tecnologías de suministro de energía, como capacitores, generadores de pulsos y generadores de discos. [8]
Para posibles aplicaciones militares, los cañones de riel suelen ser de interés porque pueden alcanzar velocidades de salida mucho mayores que los cañones propulsados por propulsores químicos convencionales. El aumento de la velocidad de salida con proyectiles aerodinámicamente optimizados puede transmitir los beneficios de un mayor alcance de disparo, mientras que, en términos de efectos de objetivo, el aumento de la velocidad terminal puede permitir el uso de rondas de energía cinética que incorporan guía de golpe para matar, como reemplazo de proyectiles explosivos . Por lo tanto, los diseños típicos de cañones de riel militares apuntan a velocidades de salida en el rango de 2.000–3.500 m / s (4.500–7.800 mph; 7.200–12.600 km / h) con energías de boca de 5–50 megajulios (MJ). En comparación, 50 MJ es equivalente a la energía cinética de un autobús escolar que pesa 5 toneladas métricas y viaja a 509 km / h (316 mph; 141 m / s). [9] Para cañones de riel de bucle simple, estos requisitos de misión requieren corrientes de lanzamiento de unos pocos millones de amperios , por lo que una fuente de alimentación de cañón de riel típica podría diseñarse para entregar una corriente de lanzamiento de 5 MA durante unos pocos milisegundos. Como las intensidades del campo magnético requeridas para tales lanzamientos serán típicamente de aproximadamente 10 tesla (100 kilogauss ), la mayoría de los diseños de cañones de riel contemporáneos están efectivamente con núcleo de aire, es decir, no utilizan materiales ferromagnéticos como el hierro para mejorar el flujo magnético. Sin embargo, si el cilindro está hecho de un material magnéticamente permeable, la intensidad del campo magnético aumenta debido al aumento de la permeabilidad ( μ = μ 0 * μ r , donde μ es la permeabilidad efectiva, μ 0 es la constante de permeabilidad y μ r es la permeabilidad relativa del cañón). Esto aumenta la fuerza sobre el proyectil.
Las velocidades de los cañones de riel generalmente caen dentro del rango de las alcanzables por cañones de gas ligero de dos etapas ; sin embargo, estos últimos generalmente solo se consideran adecuados para uso en laboratorio, mientras que se considera que los cañones de riel ofrecen algunas perspectivas potenciales de desarrollo como armas militares. Otro cañón de gas ligero, el cañón de gas ligero de combustión en forma de prototipo de 155 mm, se proyectó para alcanzar 2500 m / s con un cañón de calibre 70. [10] En algunos proyectos de investigación de hipervelocidad , los proyectiles se 'preinyectan' en los cañones de riel, para evitar la necesidad de un arranque parado, y para esta función se han utilizado tanto pistolas de gas ligero de dos etapas como pistolas de pólvora convencionales. En principio, si la tecnología de suministro de energía de cañón de riel se puede desarrollar para proporcionar unidades seguras, compactas, confiables, con capacidad de supervivencia en combate y livianas, entonces el volumen y la masa total del sistema necesarios para acomodar dicha fuente de energía y su combustible primario pueden ser menores que los requeridos volumen y masa totales para una misión cantidad equivalente de propulsores convencionales y municiones explosivas. Podría decirse que dicha tecnología ha madurado con la introducción del Sistema de Lanzamiento de Aeronaves Electromagnético (EMALS) (aunque los cañones de riel requieren potencias del sistema mucho más altas, porque energías aproximadamente similares deben entregarse en unos pocos milisegundos, en lugar de unos pocos segundos). Un desarrollo de este tipo transmitiría una ventaja militar adicional en el sentido de que la eliminación de explosivos de cualquier plataforma de armas militares reduciría su vulnerabilidad al fuego enemigo. [ cita requerida ]
Historia
El concepto del cañón de riel fue introducido por primera vez por el inventor francés Andre Louis Octave Fauchon-Villeplee, quien creó un pequeño modelo de trabajo en 1917 con la ayuda de la Société anonyme des aggreulateurs Tudor (ahora Tudor Batteries ). [11] [12] Durante la Primera Guerra Mundial, el director francés de Invenciones del Ministerio de Armamento , Jules-Louis Brenton , encargó a Fauchon-Villeplee que desarrollara un cañón eléctrico de 30 mm a 50 mm el 25 de julio de 1918 después de que los delegados de la Commission des Inventions fue testigo de ensayos de prueba del modelo de trabajo en 1917. Sin embargo, el proyecto fue abandonado una vez que terminó la Primera Guerra Mundial ese mismo año, el 11 de noviembre de 1918. [12] Fauchon-Villeplee solicitó una patente estadounidense el 1 de abril de 1919 , que se emitió en julio de 1922 como patente núm. 1.421.435 "Aparatos eléctricos para propulsar proyectiles". [13] En su dispositivo, dos barras colectoras paralelas están conectadas por las alas de un proyectil y todo el aparato está rodeado por un campo magnético . Al pasar la corriente a través de las barras colectoras y el proyectil, se induce una fuerza que impulsa el proyectil a lo largo de las barras colectoras y al vuelo. [14]
En 1923, el científico ruso AL Korol'kov detalló sus críticas al diseño de Fauchon-Villeplee, argumentando en contra de algunas de las afirmaciones que Fauchon-Villeplee hizo sobre las ventajas de su invento. Korol'kov finalmente concluyó que, si bien la construcción de un arma eléctrica de largo alcance estaba dentro del ámbito de lo posible, la aplicación práctica del cañón de riel de Fauchon-Villeplee se vio obstaculizada por su enorme consumo de energía eléctrica y la necesidad de un generador eléctrico especial de considerable capacidad. para alimentarlo. [12] [15]
En 1944, durante la Segunda Guerra Mundial , Joachim Hänsler de la Oficina de Artillería de la Alemania nazi propuso el primer cañón de riel teóricamente viable. [12] [16] A finales de 1944, la teoría detrás de su cañón antiaéreo eléctrico se había elaborado lo suficiente como para permitir que el Comando Antiaéreo de la Luftwaffe emitiera una especificación, que exigía una velocidad inicial de 2.000 m / s (4.500 mph). ; 7.200 km / h; 6.600 pies / s) y un proyectil que contiene 0,5 kg (1,1 lb) de explosivo. Los cañones iban a ser montados en baterías de seis disparando doce rondas por minuto, y debía adaptarse a las monturas FlaK 40 de 12,8 cm existentes . Nunca se construyó. Cuando se descubrieron detalles después de la guerra, despertaron mucho interés y se realizó un estudio más detallado, que culminó con un informe de 1947 que concluyó que era teóricamente factible, pero que cada arma necesitaría energía suficiente para iluminar la mitad de Chicago . [14]
Durante 1950, Sir Mark Oliphant , físico australiano y primer director de la Escuela de Investigación de Ciencias Físicas de la nueva Universidad Nacional Australiana , inició el diseño y la construcción del generador homopolar más grande del mundo (500 megajulios) . [17] Esta máquina estuvo operativa desde 1962 y más tarde se utilizó para impulsar un cañón de riel a gran escala que se utilizó como experimento científico. [18]
En 1980, el Laboratorio de Investigación Balística (posteriormente consolidado para formar el Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. ) Inició un programa a largo plazo de investigación teórica y experimental sobre cañones de riel. El trabajo se llevó a cabo principalmente en Aberdeen Proving Ground , y gran parte de las primeras investigaciones se inspiraron en los experimentos con cañones de riel realizados por la Universidad Nacional de Australia . [19] [20] Los temas de investigación incluyeron dinámica de plasma, [21] campos electromagnéticos, [22] telemetría, [23] y transporte de corriente y calor. [24] Si bien la investigación militar sobre la tecnología de cañones de riel en los Estados Unidos se desarrolló continuamente en las décadas siguientes, la dirección y el enfoque que tomó cambiaron drásticamente con cambios importantes en los niveles de financiación y las necesidades de diferentes agencias gubernamentales. En 1984, la formación de la Organización de la Iniciativa de Defensa Estratégica hizo que los objetivos de la investigación cambiaran hacia el establecimiento de una constelación de satélites para interceptar misiles balísticos intercontinentales . Como resultado, el ejército de los EE. UU. Se centró en desarrollar pequeños proyectiles guiados que pudieran resistir el lanzamiento de alta G de los cañones de riel de armadura de plasma de velocidad ultra alta. Pero después de la publicación de un importante estudio de la Junta de Ciencias de la Defensa en 1985, se asignó al Ejército de EE. UU. , La Infantería de Marina y la DARPA el desarrollo de tecnologías de lanzamiento electromagnético y antiblindaje para vehículos móviles de combate terrestre . [25] En 1990, el Ejército de los EE. UU. Colaboró con la Universidad de Texas en Austin para establecer el Instituto de Tecnología Avanzada (IAT), que se centró en la investigación de armaduras sólidas e híbridas, interacciones ferrocarril-armadura y materiales lanzadores electromagnéticos. [26] La instalación se convirtió en el primer Centro de Investigación y Desarrollo financiado con fondos federales del Ejército y albergaba algunos de los lanzadores electromagnéticos del Ejército, como el Lanzador de calibre medio. [25] [27]
Desde 1993, los gobiernos británico y estadounidense han colaborado en un proyecto de cañón de riel en el Centro de Pruebas de Armas de Dundrennan que culminó en la prueba de 2010 en la que BAE Systems disparó un proyectil de 3,2 kg (7 libras) a 18,4 megajulios [3.390 m / s (7.600 mph; 12.200 km / h; 11.100 pies / s)]. [28] [ verificación fallida ] En 1994, la India DRDO 's Establecimiento de Armamento de Investigación y Desarrollo desarrolló un cañón de riel con un 240 kJ, baja inductancia de funcionamiento del banco de condensadores de potencia en 5 kV capaz de proyectiles de lanzamiento de 3-3,5 g de peso a una velocidad de más de 2.000 m / s (4.500 mph; 7.200 km / h; 6.600 pies / s). [29] En 1995, el Centro de Electromagnetismo de la Universidad de Texas en Austin diseñó y desarrolló un lanzador de cañones de riel de fuego rápido llamado Cañón Electromagnético Calibre Cannon . El prototipo del lanzador se probó más tarde en el Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. , Donde demostró una eficiencia de recámara superior al 50 por ciento. [30] [31]
En 2010, la Marina de los Estados Unidos probó un cañón de riel de tamaño compacto diseñado por BAE Systems para el emplazamiento de un barco que aceleraba un proyectil de 3,2 kg (7 libras) a velocidades hipersónicas de aproximadamente 3.390 m / s (7.600 mph; 12.200 km / h; 11.100 pies). / s), o alrededor de Mach 10, con 18,4 MJ de energía cinética. Fue la primera vez en la historia que se alcanzaron tales niveles de desempeño. [28] [32] [ verificación fallida ] Le dieron al proyecto el lema "Velocitas Eradico", en latín "Yo, [que soy] velocidad, erradicar", o en la lengua vernácula, "Speed Kills". Un cañón de riel anterior del mismo diseño (32 megajulios) reside en el Centro de Pruebas de Armas de Dundrennan en el Reino Unido. [33]
Los cañones de riel de baja potencia y pequeña escala también han hecho populares proyectos universitarios y de aficionados. Varios aficionados investigan activamente sobre cañones de riel. [34] [35] No se ha desarrollado ni se espera ningún arma práctica de cañón de riel en un futuro próximo a partir de enero de 2020[actualizar].
Diseño
Teoría
Un cañón de riel consta de dos rieles de metal paralelos (de ahí el nombre). En un extremo, estos rieles están conectados a una fuente de alimentación eléctrica para formar el extremo de la recámara de la pistola. Luego, si se inserta un proyectil conductor entre los rieles (por ejemplo, mediante inserción en la recámara), se completa el circuito. Los electrones fluyen desde el terminal negativo de la fuente de alimentación por el carril negativo, a través del proyectil y por el carril positivo, de regreso a la fuente de alimentación. [36]
Esta corriente hace que el cañón de riel se comporte como un electroimán , creando un campo magnético dentro del bucle formado por la longitud de los rieles hasta la posición del inducido. De acuerdo con la regla de la mano derecha , el campo magnético circula alrededor de cada conductor. Dado que la corriente está en la dirección opuesta a lo largo de cada riel, el campo magnético neto entre los rieles ( B ) se dirige en ángulo recto con el plano formado por los ejes centrales de los rieles y la armadura. En combinación con todo con la corriente ( I ) en la armadura, esto produce una fuerza de Lorentz que acelera el proyectil a lo largo de los rieles, siempre fuera del bucle (independientemente de la polaridad de suministro) y lejos de la fuente de alimentación, hacia el extremo de la boca de los rieles. También hay fuerzas de Lorentz que actúan sobre los rieles e intentan separarlos, pero como los rieles están montados firmemente, no pueden moverse.
Por definición, si una corriente de un amperio fluye en un par de conductores paralelos ideales infinitamente largos que están separados por una distancia de un metro, entonces la magnitud de la fuerza en cada metro de esos conductores será exactamente 0.2 micro-newtons. Además, en general, la fuerza será proporcional al cuadrado de la magnitud de la corriente e inversamente proporcional a la distancia entre los conductores. También se deduce que, para cañones de riel con masas de proyectil de unos pocos kg y longitudes de cañón de unos pocos m, se requerirán corrientes muy grandes para acelerar los proyectiles a velocidades del orden de 1000 m / s.
Una fuente de alimentación muy grande, que proporciona del orden de un millón de amperios de corriente, creará una fuerza tremenda sobre el proyectil, acelerándolo a una velocidad de muchos kilómetros por segundo (km / s). Aunque estas velocidades son posibles, el calor generado por la propulsión del objeto es suficiente para erosionar los rieles rápidamente. En condiciones de uso intensivo, los cañones de riel actuales requerirían un reemplazo frecuente de los rieles o utilizar un material resistente al calor que fuera lo suficientemente conductor para producir el mismo efecto. En este momento, generalmente se reconoce que se necesitarán grandes avances en la ciencia de los materiales y disciplinas relacionadas para producir cañones de riel de alta potencia capaces de disparar más de unos pocos tiros desde un solo juego de rieles. El cañón debe soportar estas condiciones hasta varias rondas por minuto durante miles de disparos sin fallas o degradación significativa. Estos parámetros están mucho más allá del estado del arte en ciencia de materiales. [37]
Análisis electromagnético
Esta sección presenta un análisis elemental de los principios electromagnéticos teóricos fundamentales que gobiernan la mecánica de los cañones de riel.
Si un cañón de riel proporcionara un campo magnético uniforme de fuerza , orientado perpendicularmente tanto al inducido como al eje del orificio, luego, con una corriente del inducido y una longitud de armadura , la fuerza acelerar el proyectil vendría dado por la fórmula: [3]
Aquí la fuerza, la corriente y el campo se tratan como vectores, por lo que el producto vectorial cruzado anterior da una fuerza dirigida a lo largo del eje del orificio, que actúa sobre la corriente en el inducido, como consecuencia del campo magnético.
En la mayoría de los cañones de riel simples, el campo magnético sólo la proporciona la corriente que fluye por los rieles, es decir, detrás del inducido. De ello se deduce que el campo magnético no será constante ni espacialmente uniforme. Por lo tanto, en la práctica, la fuerza debe calcularse después de tener en cuenta la variación espacial del campo magnético sobre el volumen de la armadura.
Para ilustrar los principios involucrados, puede ser útil considerar los rieles y la armadura como alambres delgados o "filamentos". Con esta aproximación, la magnitud del vector de fuerza se puede determinar a partir de una forma de la ley de Biot-Savart y un resultado de la fuerza de Lorentz. La fuerza se puede derivar matemáticamente en términos de la constante de permeabilidad (), el radio de los rieles (que se supone que son circulares en sección transversal) (), la distancia entre los ejes centrales de los raíles () y la actual () como se describe abajo.
Primero, se puede demostrar a partir de la ley de Biot-Savart que en un extremo de un cable portador de corriente semiinfinito, el campo magnético a una distancia perpendicular dada () desde el extremo del cable viene dado por [38]
Tenga en cuenta que esto es si el cable se extiende desde la ubicación del inducido, por ejemplo, desde x = 0 hasta y se mide en relación con el eje del cable.
Entonces, si la armadura conecta los extremos de dos de esos cables semiinfinitos separados por una distancia, , una aproximación bastante buena asumiendo que la longitud de los cables es mucho mayor que , el campo total de ambos cables en cualquier punto del inducido es:
dónde es la distancia perpendicular desde el punto del inducido al eje de uno de los cables.
Tenga en cuenta que entre los rieles es asumiendo que los rieles están en el plano xy y corren desde x = 0 de regreso a como se sugirió anteriormente.
A continuación, para evaluar la fuerza en la armadura, la expresión anterior para el campo magnético en la armadura se puede utilizar junto con la Ley de fuerza de Lorentz,
Para dar la fuerza como
Esto muestra que la fuerza será proporcional al producto de y el cuadrado de la corriente, . Debido a que el valor de μ 0 es pequeño (4 π × 10 −7 H / m ) se deduce que los cañones de riel potentes necesitan grandes corrientes de impulsión.
La fórmula anterior se basa en el supuesto de que la distancia () entre el punto donde la fuerza () se mide y el comienzo de los rieles es mayor que la separación de los rieles () por un factor de aproximadamente 3 o 4 (). También se han hecho algunos otros supuestos simplificadores; para describir la fuerza con mayor precisión, se debe considerar la geometría de los rieles y el proyectil.
Con la mayoría de las geometrías prácticas de los cañones de riel, no es fácil producir una expresión electromagnética para la fuerza del cañón de riel que sea simple y razonablemente precisa. Para un modelo simple más viable, una alternativa útil es usar un modelo de circuito agrupado para describir la relación entre la corriente de conducción y la fuerza del cañón de riel.
En estos modelos, el cañón de riel se modela en un circuito eléctrico y la fuerza impulsora se puede determinar a partir del flujo de energía en el circuito. El voltaje en la recámara del cañón de riel viene dado por
Entonces, la potencia total que fluye hacia el cañón de riel es simplemente el producto . Este poder representa un flujo de energía en tres formas principales: energía cinética en el proyectil y la armadura, energía almacenada en el campo magnético, y pérdida de energía a través del calentamiento por resistencia eléctrica de los rieles (y la armadura).
A medida que el proyectil viaja a lo largo del cañón, aumenta la distancia desde la recámara hasta la armadura. Por lo tanto, la resistencia y la inductancia del cañón también aumentan. Para un modelo simple, se puede suponer que la resistencia del cañón y la inductancia varían como funciones lineales de la posición del proyectil,, por lo que estas cantidades se modelan como
dónde es la resistencia por unidad de longitud y es la inductancia por unidad de longitud, o el gradiente de inductancia. Resulta que
dónde es la velocidad del proyectil más importante, . Luego
Ahora, si la corriente impulsora se mantiene constante, la el término será cero. Las pérdidas resistivas ahora corresponden a un flujo de energía, mientras el poder fluye representa el trabajo electromagnético realizado.
Este modelo simple predice que exactamente la mitad del trabajo electromagnético se utilizará para almacenar energía en el campo magnético a lo largo del barril. , a medida que aumenta la longitud del bucle de corriente.
La otra mitad del trabajo electromagnético representa el flujo de energía más útil, en la energía cinética del proyectil. Dado que la potencia se puede expresar como fuerza multiplicada por velocidad, esto muestra que la fuerza en la armadura del cañón de riel está dada por
Esta ecuación también muestra que las altas aceleraciones requerirán corrientes muy altas. Para un cañón de riel de una sola vuelta de calibre cuadrado ideal, el valor sería de aproximadamente 0,6 microHenries por metro (μH / m), pero la mayoría de los cañones de cañón de riel prácticos exhiben valores más bajos de que esto. Maximizar el gradiente de inductancia es solo uno de los desafíos que enfrentan los diseñadores de cañones de cañones de riel.
Dado que el modelo de circuito agrupado describe la fuerza del cañón de riel en términos de ecuaciones de circuito bastante normales, es posible especificar un modelo simple en el dominio del tiempo de un cañón de riel. Ignorando la fricción y la resistencia del aire, la aceleración del proyectil viene dada por
donde m es la masa del proyectil. El movimiento a lo largo del cañón viene dado por
y los términos de voltaje y corriente anteriores se pueden colocar en ecuaciones de circuito apropiadas para determinar la variación en el tiempo de la corriente y el voltaje.
También se puede observar que la fórmula del libro de texto para la inductancia de alta frecuencia por unidad de longitud de un par de alambres redondos paralelos, de radio r y separación axial d es:
Entonces, el modelo de parámetros agrupados también predice la fuerza para este caso como:
Con geometrías prácticas de cañones de riel, se pueden calcular modelos bidimensionales o tridimensionales mucho más precisos del riel y las distribuciones de corriente del inducido (y las fuerzas asociadas), por ejemplo, utilizando métodos de elementos finitos para resolver formulaciones basadas en el potencial magnético escalar o en el magnético. potencial vectorial.
Consideraciones de diseño
La fuente de alimentación debe poder entregar grandes corrientes, sostenidas y controladas durante un período de tiempo útil. El indicador más importante de la eficacia del suministro de energía es la energía que puede suministrar. En diciembre de 2010, la mayor energía conocida utilizada para propulsar un proyectil desde un cañón de riel fue de 33 megajulios. [39] Las formas más comunes de fuentes de alimentación utilizadas en los cañones de riel son los condensadores y los compulsadores que se cargan lentamente a partir de otras fuentes de energía continua.
Los rieles deben resistir enormes fuerzas repulsivas durante el disparo, y estas fuerzas tenderán a separarlos y alejarlos del proyectil. A medida que aumentan las holguras de los rieles / proyectiles, se forman arcos que provocan una rápida vaporización y daños extensos a las superficies de los rieles y aislantes. Esto limitó algunos cañones de riel de investigación temprana a un disparo por intervalo de servicio.
La inductancia y resistencia de los rieles y la fuente de alimentación limitan la eficiencia de un diseño de cañón de riel. Actualmente se están probando diferentes formas de riel y configuraciones de cañón de riel, principalmente por la Marina de los EE. UU. ( Laboratorio de Investigación Naval ), el Instituto de Tecnología Avanzada de la Universidad de Texas en Austin y BAE Systems.
Materiales usados
Los rieles y proyectiles deben construirse con materiales conductores fuertes ; los rieles deben sobrevivir a la violencia de un proyectil acelerado y al calentamiento debido a las grandes corrientes y la fricción involucradas. Algún trabajo erróneo ha sugerido que la fuerza de retroceso en los cañones de riel puede redirigirse o eliminarse; Un análisis teórico y experimental cuidadoso revela que la fuerza de retroceso actúa sobre el cierre de la recámara como en un arma de fuego química. [40] [41] [42] [43] Los rieles también se repelen a través de una fuerza lateral causada por el empuje de los rieles por el campo magnético, al igual que el proyectil. Los rieles deben sobrevivir a esto sin doblarse y deben montarse de manera muy segura. El material publicado actualmente sugiere que se deben realizar avances importantes en la ciencia de los materiales antes de que se puedan desarrollar rieles que permitan que los cañones de riel disparen más de unos pocos disparos a máxima potencia antes de que se requiera el reemplazo de los rieles.
Disipación de calor
En los diseños actuales, se crean cantidades masivas de calor por la electricidad que fluye a través de los rieles, así como por la fricción del proyectil que sale del dispositivo. Esto causa tres problemas principales: fusión del equipo, disminución de la seguridad del personal y detección por parte de las fuerzas enemigas debido al aumento de la firma infrarroja . Como se discutió brevemente anteriormente, las tensiones involucradas en el encendido de este tipo de dispositivo requieren un material extremadamente resistente al calor. De lo contrario, los rieles, el cañón y todo el equipo adjunto se derretirían o sufrirían daños irreparables.
En la práctica, los rieles utilizados con la mayoría de los diseños de cañones de riel están sujetos a erosión con cada lanzamiento. Además, los proyectiles pueden estar sujetos a cierto grado de ablación , y esto puede limitar la vida útil del cañón de riel, en algunos casos gravemente. [44]
Aplicaciones
Los cañones de riel tienen varias aplicaciones prácticas potenciales, principalmente para el ejército. Sin embargo, actualmente se están investigando otras aplicaciones teóricas.
Lanzamiento o asistencia de lanzamiento de naves espaciales
Se ha estudiado la asistencia electrodinámica para lanzar cohetes. [45] Las aplicaciones espaciales de esta tecnología probablemente involucrarían bobinas electromagnéticas especialmente formadas e imanes superconductores . [46] Es probable que se utilicen materiales compuestos para esta aplicación. [47]
Para los lanzamientos espaciales desde la Tierra, distancias de aceleración relativamente cortas (menos de unos pocos kilómetros) requerirían fuerzas de aceleración muy fuertes, más altas de lo que los humanos pueden tolerar. Otros diseños incluyen una pista helicoidal más larga (en espiral) o un diseño de anillo grande por el cual un vehículo espacial daría vueltas al anillo varias veces, ganando velocidad gradualmente, antes de ser liberado en un corredor de lanzamiento que conduce hacia el cielo. Sin embargo, si es técnicamente factible y rentable de construir, impartir una velocidad de escape de hipervelocidad a un proyectil que se lanza al nivel del mar, donde la atmósfera es más densa, puede resultar en que gran parte de la velocidad de lanzamiento se pierda debido a la resistencia aerodinámica . Además, es posible que el proyectil aún requiera alguna forma de guía y control a bordo para obtener un ángulo de inserción orbital útil que puede no ser alcanzable basándose simplemente en el ángulo de elevación hacia arriba del lanzador en relación con la superficie de la tierra (ver consideraciones prácticas de velocidad de escape ).
En 2003, Ian McNab esbozó un plan para convertir esta idea en una tecnología realizada. [48] Debido a la fuerte aceleración, este sistema lanzaría solo materiales resistentes, como alimentos, agua y, lo más importante, combustible. En circunstancias ideales (ecuador, montaña, rumbo al este) el sistema costaría $ 528 / kg, [48] comparado con $ 5,000 / kg en el cohete convencional. [49] El cañón de riel McNab podría realizar aproximadamente 2000 lanzamientos por año, para un total máximo de 500 toneladas lanzadas por año. Dado que la pista de lanzamiento tendría 1,6 km de longitud, la energía será suministrada por una red distribuida de 100 máquinas rotativas (compulsator) repartidas a lo largo de la pista. Cada máquina tendría un rotor de fibra de carbono de 3.3 toneladas girando a altas velocidades. Una máquina se puede recargar en cuestión de horas con una potencia de 10 MW. Esta máquina podría ser alimentada por un generador dedicado. El paquete de lanzamiento total pesaría casi 1,4 toneladas. La carga útil por lanzamiento en estas condiciones supera los 400 kg. [48] Habría un campo magnético de funcionamiento máximo de 5 T, la mitad de este procedente de los rieles y la otra mitad de los imanes aumentados. Esto reduce a la mitad la corriente requerida a través de los rieles, lo que reduce cuatro veces la potencia.
La NASA ha propuesto usar un cañón de riel para lanzar "aviones en forma de cuña con scramjets " a gran altitud a Mach 10, donde luego lanzaría una pequeña carga útil en órbita utilizando propulsión de cohete convencional. [50] Las fuerzas G extremas involucradas con el lanzamiento directo desde tierra de cañones de riel al espacio pueden restringir el uso solo a las cargas útiles más resistentes. Alternativamente, se pueden usar sistemas de rieles muy largos para reducir la aceleración de lanzamiento requerida. [48]
Arsenal
Los cañones de riel se están investigando como armas con proyectiles que no contienen explosivos ni propulsores, pero se les da velocidades extremadamente altas: 2.500 m / s (8.200 pies / s) (aproximadamente Mach 7 al nivel del mar) o más. A modo de comparación, el rifle M16 tiene una velocidad de boca de 930 m / s (3050 pies / s), y el cañón Mark 7 calibre 16 "/ 50 que armó los acorazados estadounidenses de la Segunda Guerra Mundial tiene una velocidad de boca de 760 m / s (2490 ft / s)), que debido a su masa de proyectil mucho mayor (hasta 2,700 libras) generó una energía de boca de 360 MJ y un impacto cinético de energía de rango descendente de más de 160 MJ (ver también Proyecto HARP ). Al disparar proyectiles más pequeños a A velocidades extremadamente altas, los cañones de riel pueden producir impactos de energía cinética iguales o superiores a la energía destructiva de los cañones navales de 5 "/ 54 calibre Mark 45 , (que alcanzan hasta 10MJ en la boca), pero con mayor alcance. Esto reduce el tamaño y el peso de las municiones, lo que permite transportar más municiones y elimina los peligros de llevar explosivos o propulsores en un tanque o plataforma de armas navales. Además, al disparar proyectiles aerodinámicamente más aerodinámicos a mayores velocidades, los cañones de riel pueden lograr un mayor alcance, menos tiempo para apuntar y, a distancias más cortas, menos deriva del viento, evitando las limitaciones físicas de las armas de fuego convencionales: "los límites de expansión del gas prohíben lanzar un proyectil sin ayuda a velocidades superiores a aproximadamente 1,5 km / sy rangos de más de 50 millas [80 km] desde un práctico sistema de cañón convencional ". [51]
Las tecnologías actuales de cañones de riel requieren un cañón largo y pesado, pero la balística de un cañón de riel supera con creces a los cañones convencionales de cañones de igual longitud. Los cañones de riel también pueden causar daño de área de efecto al detonar una carga explosiva en el proyectil que desata un enjambre de proyectiles más pequeños sobre un área grande. [52] [53]
Suponiendo que se superen los muchos desafíos técnicos que enfrentan los cañones de riel de campo, incluidos problemas como la guía de proyectiles de los cañones de riel, la resistencia de los rieles y la supervivencia en combate y la confiabilidad del suministro de energía eléctrica, las velocidades de lanzamiento aumentadas de los cañones de riel pueden proporcionar ventajas sobre las armas más convencionales para una variedad de escenarios ofensivos y defensivos. Los cañones de riel tienen un potencial limitado para usarse contra objetivos tanto en la superficie como en el aire.
El primer cañón de riel armado previsto para la producción, el sistema General Atomics Blitzer, comenzó las pruebas del sistema completo en septiembre de 2010. El arma lanza una ronda de sabot de descarte optimizada diseñada por Phantom Works de Boeing a 1.600 m / s (5.200 pies / s) (aproximadamente Mach 5 ) con aceleraciones superiores a 60.000 g n . [54] Durante una de las pruebas, el proyectil fue capaz de viajar 7 kilómetros (4,3 millas) adicionales hacia abajo después de penetrar una placa de acero de 1 ⁄ 8 de pulgada (3,2 mm) de espesor. La compañía espera tener una demostración integrada del sistema para 2016 seguida de producción para 2019, pendiente de financiación. Hasta el momento, el proyecto se autofinancia. [55]
En octubre de 2013, General Atomics presentó una versión terrestre del cañón de riel Blitzer. Un funcionario de la empresa afirmó que el arma podría estar lista para la producción en "dos o tres años". [56]
Los cañones de riel están siendo examinados para su uso como armas antiaéreas para interceptar amenazas aéreas, en particular misiles de crucero antibuque , además de bombardeos terrestres. Un misil supersónico antibuque que roza el mar puede aparecer en el horizonte a 20 millas de un buque de guerra, lo que deja un tiempo de reacción muy corto para que un barco lo intercepte. Incluso si los sistemas de defensa convencionales reaccionan lo suficientemente rápido, son costosos y solo se puede transportar un número limitado de interceptores grandes. Un proyectil de cañón de riel puede alcanzar varias veces la velocidad del sonido más rápido que un misil; debido a esto, puede alcanzar un objetivo, como un misil de crucero, mucho más rápido y más lejos del barco. Los proyectiles también suelen ser mucho más baratos y pequeños, lo que permite transportar muchos más (no tienen sistemas de guía y dependen del cañón de riel para suministrar su energía cinética, en lugar de proporcionarla ellos mismos). La velocidad, el costo y las ventajas numéricas de los sistemas de cañones de riel pueden permitirles reemplazar varios sistemas diferentes en el enfoque de defensa en capas actual. [57] Un proyectil de cañón de riel sin la capacidad de cambiar de rumbo puede golpear misiles de movimiento rápido a un alcance máximo de 30 nmi (35 mi; 56 km). [58] Como es el caso con el Phalanx CIWS, las rondas de cañón de riel no guiadas requerirán múltiples / muchos disparos para derribar misiles antibuque supersónicos de maniobra, con las probabilidades de golpear el misil mejorando dramáticamente cuanto más se acerca. La Marina planea que los cañones de riel puedan interceptar misiles balísticos endoatmosféricos , amenazas aéreas furtivas, misiles supersónicos y amenazas de superficie en enjambre; un prototipo de sistema para apoyar las tareas de interceptación debe estar listo para 2018 y operativo para 2025. Este plazo sugiere que las armas están planeadas para ser instaladas en los combatientes de superficie de la Armada de próxima generación, y se espera que comiencen la construcción en 2028. [59]
BAE Systems estuvo en un momento interesado en instalar cañones de riel en sus vehículos terrestres tripulados de Future Combat Systems . [60] [61] [62] Este programa fue el tercer intento del Ejército de los Estados Unidos de reemplazar el envejecido M2 Bradley . [63] [64]
India ha probado con éxito su propio cañón de riel. [65] Rusia , [66] China , [67] [68] y la empresa de defensa turca ASELSAN [69] también están desarrollando cañones de riel. [70]
Cañón de riel helicoidal
Los cañones de riel helicoidales [71] son cañones de riel de múltiples vueltas que reducen la corriente del carril y del cepillo en un factor igual al número de vueltas. Dos rieles están rodeados por un barril helicoidal y el proyectil o portador reutilizable también es helicoidal. El proyectil es energizado continuamente por dos cepillos que se deslizan a lo largo de los rieles, y dos o más cepillos adicionales en el proyectil sirven para energizar y conmutar varios devanados de la dirección del cañón helicoidal delante y / o detrás del proyectil. El cañón de riel helicoidal es un cruce entre un cañón de riel y un cañón de bobina . Actualmente no existen en una forma práctica y utilizable.
Un cañón de riel helicoidal se construyó en el MIT en 1980 y estaba alimentado por varios bancos de, por el momento, grandes condensadores (aproximadamente 4 faradios ). Tenía unos 3 metros de largo y constaba de 2 metros de bobina de aceleración y 1 metro de bobina de desaceleración. Fue capaz de lanzar un planeador o proyectil a unos 500 metros.
Cañón de plasma
Un cañón de riel de plasma es un acelerador lineal y un arma de energía de plasma que, como un cañón de riel de proyectiles, utiliza dos electrodos largos paralelos para acelerar una armadura "corta deslizante". Sin embargo, en un cañón de riel de plasma, la armadura y el proyectil expulsado consisten en plasma, o partículas calientes, ionizadas, similares a gas, en lugar de un trozo sólido de material. MARAUDER ( Anillo magnéticamente acelerado para lograr radiación y energía ultrarrápida dirigida ) es, o fue, un proyecto del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos sobre el desarrollo de un cañón de riel de plasma coaxial. Es uno de los varios esfuerzos del gobierno de los Estados Unidos para desarrollar proyectiles basados en plasma. Las primeras simulaciones por computadora ocurrieron en 1990, y su primer experimento publicado apareció el 1 de agosto de 1993. [72] [73] En 1993, el proyecto parecía estar en las primeras etapas experimentales. El arma fue capaz de producir anillos de plasma en forma de rosquilla y bolas de rayos que explotaron con efectos devastadores al golpear a su objetivo. [74] El éxito inicial del proyecto lo llevó a ser clasificado, y solo aparecieron unas pocas referencias a MARAUDER después de 1993.
Pruebas
Se han construido y disparado modelos a gran escala, incluido un cañón de energía cinética de 9 megajulios de 90 mm (3,5 pulgadas) de diámetro desarrollado por la DARPA de EE . UU . Los problemas de desgaste de los rieles y aisladores aún deben resolverse antes de que los cañones de riel puedan comenzar a reemplazar las armas convencionales. Probablemente, el sistema más antiguo y exitoso fue construido por la Agencia de Investigación de Defensa del Reino Unido en Dundrennan Range en Kirkcudbright , Escocia . Este sistema se estableció en 1993 y se ha utilizado durante más de 10 años.
El Instituto de Tecnología Militar de Yugoslavia desarrolló, dentro de un proyecto llamado EDO-0, un cañón de riel con energía cinética de 7 kJ, en 1985. En 1987 se creó un sucesor, el proyecto EDO-1, que utilizaba proyectiles con una masa de 0,7 kg (1,5 lb ) y alcanzó velocidades de 3.000 m / s (9.800 pies / s), y con una masa de 1,1 kg (2,4 lb) alcanzó velocidades de 2.400 m / s (7900 pies / s). Usó una longitud de pista de 0,7 m (2,3 pies). Según los que trabajaban en él, con otras modificaciones pudo alcanzar una velocidad de 4.500 m / s (14.800 pies / s). El objetivo era alcanzar una velocidad de proyectil de 7.000 m / s (23.000 pies / s).
China es ahora uno de los principales actores en lanzadores electromagnéticos; en 2012 fue sede del 16º Simposio Internacional sobre Tecnología de Lanzamiento Electromagnético (EML 2012) en Beijing. [75] Imágenes de satélite a finales de 2010 sugirieron que se estaban realizando pruebas en un campo de tiro de artillería y blindaje cerca de Baotou , en la Región Autónoma de Mongolia Interior . [76]
Fuerzas Armadas de los Estados Unidos
El ejército de los Estados Unidos ha expresado interés en realizar investigaciones en tecnología de armas eléctricas a lo largo del siglo XX debido a que las armas electromagnéticas no requieren propulsores para disparar un tiro como los sistemas de armas convencionales, lo que aumenta significativamente la seguridad de la tripulación y reduce los costos de logística, así como proporcionar una mayor variedad. Además, se ha demostrado que los sistemas de cañones de riel proporcionan potencialmente una mayor velocidad de proyectiles, lo que aumentaría la precisión de la defensa antitanque, de artillería y aérea al disminuir el tiempo que tarda el proyectil en alcanzar su destino objetivo. A principios de la década de 1990, el Ejército de los EE. UU. Dedicó más de 150 millones de dólares a la investigación de armas eléctricas. [77] En el Centro de Electromecánica de la Universidad de Texas en Austin , se han desarrollado cañones de riel militares capaces de lanzar balas perforantes de tungsteno con energías cinéticas de nueve megajulios (9 MJ). [78] Nueve megajulios es energía suficiente para lanzar 2 kg (4,4 lb) de proyectil a 3 km / s (1,9 mi / s); a esa velocidad, una barra suficientemente larga de tungsteno u otro metal denso podría penetrar fácilmente un tanque , y potencialmente pasar a través de él (ver APFSDS ).
La División Dahlgren del Centro Naval de Guerra de Superficie de los Estados Unidos demostró un cañón de riel de 8 MJ que disparaba proyectiles de 3,2 kg (7,1 lb) en octubre de 2006 como un prototipo de un arma de 64 MJ que se desplegaría a bordo de los buques de guerra de la Armada. El principal problema que ha tenido la Marina de los EE. UU. Con la implementación de un sistema de cañones de riel es que los cañones se desgastan debido a las inmensas presiones, tensiones y calor que generan los millones de amperios de corriente necesarios para disparar proyectiles con megajulios de energía. Si bien no es tan poderoso como un misil de crucero como un Tomahawk BGM-109 , que entregará 3.000 MJ de energía destructiva a un objetivo, tales armas, en teoría, permitirían a la Armada entregar una potencia de fuego más granular a una fracción del costo de un misil, y será mucho más difícil de derribar frente a los futuros sistemas defensivos. Para el contexto, otra comparación relevante es el cañón Rheinmetall de 120 mm utilizado en los tanques de batalla principales, que genera 9 MJ de energía de boca.
En 2007, BAE Systems entregó un prototipo de 32 MJ (energía de boca) a la Marina de los EE. UU. [79] La misma cantidad de energía es liberada por la detonación de 4.8 kg (11 lb) de C4 .
El 31 de enero de 2008, la Marina de los EE. UU. Probó un cañón de riel que disparaba un proyectil a 10,64 MJ con una velocidad de salida de 2.520 m / s (8.270 pies / s). [80] La energía fue proporcionada por un nuevo prototipo de banco de capacitores de 9 megajulios que usa interruptores de estado sólido y capacitores de alta densidad de energía entregados en 2007 y un sistema de energía por pulsos de 32 MJ más antiguo de Green Farm Electric Gun Research y Instalación de desarrollo desarrollada a fines de la década de 1980 que fue previamente renovada por la División de Sistemas Electromagnéticos de General Atomics (EMS). [81] Se espera que esté listo entre 2020 y 2025. [82]
Una prueba de un cañón de riel tuvo lugar el 10 de diciembre de 2010 por la Armada de los Estados Unidos en la División de Dahlgren del Centro de Guerra Naval de Superficie. [83] Durante la prueba, la Oficina de Investigación Naval estableció un récord mundial al realizar un disparo de 33 MJ desde el cañón de riel, que fue construido por BAE Systems. [39] [84]
En febrero de 2012 se llevó a cabo una prueba en la División Dahlgren del Centro de Guerra Naval de Superficie. Si bien es similar en energía a la prueba antes mencionada, el cañón de riel utilizado es considerablemente más compacto, con un cañón de aspecto más convencional. Un prototipo construido por General Atomics se entregó para pruebas en octubre de 2012. [85]
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Material adicional | |
Prueba de febrero de 2012 |
En 2014, la Marina de los EE. UU. Tenía planes de integrar un cañón de riel que tenga un alcance de más de 16 km (10 millas) en un barco para 2016. [86] Esta arma, aunque tiene un factor de forma más típico de un cañón naval, utilizará componentes en gran parte en común con los desarrollados y demostrados en Dahlgren. [87] Las rondas de hipervelocidad pesan 10 kg (23 lb), miden 18 pulgadas (460 mm) y se disparan a Mach 7. [88]
Un objetivo futuro es desarrollar proyectiles autoguiados, un requisito necesario para alcanzar objetivos distantes o interceptar misiles. [89] Cuando se desarrollen las rondas guiadas, la Marina proyecta que cada ronda cueste alrededor de $ 25,000, [90] aunque el desarrollo de proyectiles guiados para armas tiene un historial de duplicar o triplicar las estimaciones de costos iniciales. Algunos proyectiles de alta velocidad desarrollados por la Armada tienen guía de comando, pero se desconoce la precisión de la guía de comando, ni siquiera si puede sobrevivir a un disparo a máxima potencia.
Actualmente, los únicos buques de la Armada de Estados Unidos que pueden producir suficiente energía eléctrica para conseguir el rendimiento deseado son los tres Zumwalt -class destructores (DDG-1000 series); pueden generar 78 megavatios de energía, más de lo necesario para alimentar un cañón de riel. Sin embargo, el Zumwalt ha sido cancelado y no se construirán más unidades. Los ingenieros están trabajando para derivar tecnologías desarrolladas para los barcos de la serie DDG-1000 en un sistema de batería para que otros barcos de guerra puedan operar un cañón de riel. [91] La mayoría de los destructores actuales pueden ahorrar sólo nueve megavatios de electricidad adicional, mientras que se necesitarían 25 megavatios para propulsar un proyectil al alcance máximo deseado [92] (es decir, para lanzar proyectiles de 32MJ a una velocidad de 10 disparos por minuto). Incluso si los barcos actuales, como el Arleigh Burke -class destructor , pueden actualizarse con la suficiente energía eléctrica para operar un cañón de riel, el espacio ocupado en los barcos por la integración de un sistema de arma adicional puede forzar la eliminación de sistemas de armas existentes para hacer espacio disponible. [93] Las primeras pruebas a bordo iban a ser de un cañón de riel instalado en un transporte rápido expedicionario (EPF) clase Spearhead , pero esto se cambió más tarde a pruebas en tierra. [94]
Aunque los proyectiles de 23 libras no tienen explosivos, su velocidad Mach 7 les da 32 megajulios de energía, pero la energía cinética de impacto en el rango descendente será típicamente el 50 por ciento o menos de la energía de la boca. La Marina está investigando otros usos de los cañones de riel, además del bombardeo terrestre, como la defensa aérea; con los sistemas de orientación adecuados, los proyectiles podrían interceptar aviones, misiles de crucero e incluso misiles balísticos. La Marina también está desarrollando armas de energía dirigida para uso de defensa aérea, pero pasarán años o décadas antes de que sean efectivas. [95] [96] [97]
El cañón de riel sería parte de una flota de la Armada que prevé que las futuras capacidades ofensivas y defensivas se proporcionen en capas: láseres para proporcionar defensa de corto alcance, cañones de riel para proporcionar ataque y defensa de alcance medio y misiles de crucero para proporcionar ataque de largo alcance; aunque los cañones de riel cubrirán objetivos hasta 100 millas de distancia que antes necesitaban un misil. [98] La Armada puede eventualmente mejorar la tecnología de cañones de riel para permitirle disparar a un rango de 200 millas náuticas (230 millas; 370 km) e impactar con 64 megajulios de energía. Un disparo requeriría 6 millones de amperios de corriente, por lo que llevará mucho tiempo desarrollar condensadores que puedan generar suficiente energía y materiales de pistola lo suficientemente fuertes. [76]
La aplicación a corto plazo más prometedora para los cañones de riel y los cañones electromagnéticos con clasificación de armamento, en general, es probablemente a bordo de barcos navales con suficiente capacidad de generación eléctrica de repuesto y espacio de almacenamiento de batería. A cambio, la capacidad de supervivencia de los buques puede mejorarse mediante una reducción comparable en las cantidades de propulsores químicos y explosivos potencialmente peligrosos que se emplean actualmente. Las fuerzas de combate terrestres, sin embargo, pueden encontrar que la ubicación conjunta de una fuente de energía eléctrica adicional en el campo de batalla para cada sistema de armas puede no ser tan eficiente en peso y espacio, como una fuente de supervivencia o conveniente de energía de lanzamiento de proyectiles inmediata como los propulsores convencionales, que Actualmente se fabrican de forma segura detrás de las líneas y se entregan al arma, preempaquetados, a través de un sistema logístico robusto y disperso.
En julio de 2017, Defensetech informó que la Marina quiere impulsar el prototipo de cañón de riel de la Oficina de Investigación Naval de un experimento científico a un territorio de armas útiles. El objetivo, según Tom Beutner , jefe de Armas y Guerra Aérea Naval de la ONR, es de diez disparos por minuto a 32 megajulios. Un disparo de cañón de riel de 32 megajulios equivale a aproximadamente 23,600,000 pies-libras, por lo que un solo disparo de 32 MJ tiene la misma energía de boca que aproximadamente 200,000 .22 rondas que se disparan simultáneamente. [99] En las unidades de potencia más convencionales, un disparo de 32 MJ cada 6 s es una potencia neta de 5,3 MW (o 5300 kW). Si se supone que el cañón de riel tiene una eficiencia del 20% para convertir la energía eléctrica en energía cinética, los suministros eléctricos del barco deberán proporcionar aproximadamente 25 MW mientras continúe el disparo.
Para 2020, después de 17 años y 500 millones gastados en el programa, el cañón de riel de la Armada no estaba ni cerca de estar listo para ser desplegado en ningún barco, y la Armada se centró en su lugar en disparar proyectiles hipersónicos de armas convencionales existentes que ya estaban disponibles en cantidades. [100]
Laboratorio de investigación del ejército
La investigación sobre la tecnología de cañones de riel sirvió como un área importante de enfoque en el Laboratorio de Investigación Balística (BRL) durante la década de 1980. Además de analizar el rendimiento y las propiedades electrodinámicas y termodinámicas de los cañones de riel en otras instituciones (como el cañón de riel CHECMATE de Maxwell Laboratories ), BRL adquirió sus propios cañones de riel para el estudio, como su cañón de riel de un metro y su cañón de riel de cuatro metros. [101] [102] [103] En 1984, los investigadores de BRL idearon una técnica para analizar el residuo que queda en la superficie del orificio después de que se disparó un tiro con el fin de investigar la causa de la degradación progresiva del orificio. [104] En 1991, determinaron las propiedades necesarias para desarrollar un paquete de lanzamiento eficaz, así como los criterios de diseño necesarios para que un cañón de riel incorpore proyectiles de varilla larga con aletas. [105] [106]
La investigación sobre cañones de riel continuó después de que el Laboratorio de Investigación Balística se consolidó con otros seis laboratorios independientes del Ejército para formar el Laboratorio de Investigación del Ejército de los EE. UU. (ARL) en 1992. Uno de los principales proyectos en la investigación de cañones de riel en el que participó ARL fue el Cañón Electromagnético Calibre Cannon programa (CCEMG) , que tuvo lugar en el Centro de Electromecánica en la Universidad de Texas (UT-CEM) y fue patrocinado por el Cuerpo de Marines de los Estados Unidos y el Desarrollo de la Investigación de Armamento del Ejército de Estados Unidos y el Centro de Ingeniería . [107] Como parte del programa CCEMG, UT-CEM diseñó y desarrolló el lanzador electromagnético de calibre de cañón, un lanzador de cañón de riel de disparo rápido, en 1995. [30] Con un calibre redondo de 30 mm, el lanzador era capaz de disparar tres , salvas de cinco rondas de paquetes de lanzamiento de 185 g a una velocidad inicial de 1850 m / sy una velocidad de disparo de 5 Hz. La operación de disparo rápido se logró impulsando el lanzador con múltiples pulsos de pico 83544 proporcionados por el compulsador CCEMG. El cañón de riel CCEMG incluía varias características: paredes laterales de cerámica, precarga direccional y refrigeración líquida. [31] ARL fue responsable de evaluar el rendimiento del lanzador, que fue probado en la Instalación Experimental ARL Transonic en Aberdeen Proving Ground, MD . [108]
El Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. También supervisó el desarrollo de tecnología de armas electromagnéticas y electrotérmicas en el Instituto de Tecnología Avanzada (IAT) de la Universidad de Texas en Austin , uno de los cinco laboratorios universitarios e industriales que ARL federó para obtener apoyo técnico. Albergaba los dos lanzadores electromagnéticos, el Leander OAT y el AugOAT, así como el Lanzador de calibre medio. La instalación también proporcionó un sistema de energía que incluía trece bancos de capacitores de 1 MJ, una variedad de dispositivos lanzadores electromagnéticos y aparatos de diagnóstico. La actividad de investigación se centró en los diseños, las interacciones y los materiales necesarios para los lanzadores electromagnéticos. [109]
En 1999, una colaboración entre ARL e IAT condujo al desarrollo de un método radiométrico para medir la distribución de temperatura de las armaduras de los cañones de riel durante una descarga eléctrica pulsada sin perturbar el campo magnético. [110] En 2001, ARL se convirtió en el primero en obtener un conjunto de datos de precisión sobre proyectiles lanzados con armas electromagnéticas utilizando pruebas de salto. [111] En 2004, los investigadores de ARL publicaron artículos que examinaban la interacción de plasmas de alta temperatura con el propósito de desarrollar encendedores de cañón de riel eficientes. [112] Los primeros artículos describen el grupo de interacción plasma-propelente en ARL y sus intentos de comprender y distinguir entre el efecto químico, térmico y de radiación de los plasmas sobre los propelentes sólidos convencionales. Utilizando microscopía electrónica de barrido y otras técnicas de diagnóstico, evaluaron en detalle la influencia de los plasmas en materiales propulsores específicos. [113] [112] [114]
República Popular de China
China está desarrollando su propio sistema de cañones de riel. [115] Según un informe de la CNBC de la inteligencia estadounidense, el sistema de cañones de riel de China se reveló por primera vez en 2011 y las pruebas en tierra comenzaron en 2014. En 2015, cuando el sistema de armas ganó la capacidad de atacar en rangos extendidos con mayor letalidad. El sistema de armas se montó con éxito en un barco de la Armada china en diciembre de 2017, y las pruebas en el mar se realizaron más tarde. [116]
A principios de febrero de 2018, se publicaron en línea imágenes de lo que se dice que es un cañón de riel chino. En las imágenes, el arma está montada en la proa de un barco de desembarco clase 072III Haiyangshan . Los medios sugieren que el sistema está o pronto estará listo para ser probado. [117] [118] En marzo de 2018, se informó que China confirmó que había comenzado a probar su cañón de riel electromagnético en el mar. [119] [120]
India
En noviembre de 2017, la Organización de Investigación y Desarrollo de Defensa de la India llevó a cabo una prueba exitosa de un cañón de riel electromagnético de 12 mm de diámetro cuadrado. Está previsto realizar pruebas de una versión de 30 mm. India tiene como objetivo disparar un proyectil de un kilogramo a una velocidad de más de 2.000 metros por segundo utilizando un banco de condensadores de 10 megajulios. [121] [65] Las armas electromagnéticas y las armas de energía dirigida se encuentran entre los sistemas que Indian Navy pretende adquirir en su plan de modernización hasta 2030. [122]
Asuntos
Grandes dificultades
Se deben superar los principales obstáculos tecnológicos y operativos antes de que se puedan desplegar los cañones de riel:
- Durabilidad del cañón de riel: hasta la fecha, las demostraciones de cañón de riel, aunque impresionantes, no han demostrado la capacidad de disparar múltiples tiros a máxima potencia desde el mismo conjunto de rieles. La Marina de los Estados Unidos ha reclamado cientos de disparos desde el mismo juego de rieles. En una declaración de marzo de 2014 al Subcomité de Inteligencia, Amenazas Emergentes y Capacidades del Comité de Servicios Armados de la Cámara de Representantes, el Jefe de Investigación Naval, Almirante Matthew Klunder, declaró: "La vida útil del barril ha aumentado de decenas de disparos a más de 400, con una ruta de programa para lograr 1000 disparos ". [87] Sin embargo, la Oficina de Investigación Naval (ONR) no confirmará que los 400 disparos sean disparos a máxima potencia. Además, no hay nada publicado que indique que existan cañones de riel de clase megajulios con la capacidad de disparar cientos de tiros a máxima potencia mientras se mantienen dentro de los estrictos parámetros operativos necesarios para disparar tiros de cañones de riel con precisión y seguridad. Los cañones de riel deberían poder disparar 6 rondas por minuto con una vida útil de aproximadamente 3000 rondas, tolerando aceleraciones de lanzamiento de decenas de miles de g, presiones extremas y corrientes de megaamperios, sin embargo, esto no es factible con la tecnología actual. [123]
- Guía de proyectiles: una capacidad futura crítica para desplegar un arma de cañón de riel real es desarrollar un paquete de guía robusto que permitirá que el cañón de riel dispare a objetivos distantes o golpee misiles entrantes. Desarrollar un paquete de este tipo es un verdadero desafío. La RFP Navy SBIR 2012.1 de la Marina de los EE. UU. - Tema N121-102 [124] para el desarrollo de un paquete de este tipo ofrece una buena descripción general de cuán desafiante es la guía de proyectiles de cañón de riel :
El paquete debe ajustarse a las limitaciones de masa (<2 kg), diámetro (<40 mm de diámetro exterior) y volumen (200 cm 3 ) del proyectil y hacerlo sin alterar el centro de gravedad. También debería ser capaz de sobrevivir a aceleraciones de al menos 20.000 g (umbral) / 40.000 g (objetivo) en todos los ejes, campos electromagnéticos elevados (E> 5.000 V / m, B> 2 T) y temperaturas superficiales de> 800 grados. C. El bulto debe poder operar en presencia de cualquier plasma que pueda formarse en el orificio o en la salida del cañón y también debe estar endurecido por radiación debido al vuelo exoatmosférico. El consumo total de energía debe ser inferior a 8 vatios (umbral) / 5 vatios (objetivo) y la duración de la batería debe ser de al menos 5 minutos (desde el lanzamiento inicial) para permitir el funcionamiento durante todo el compromiso. Para que sea asequible, el costo de producción por proyectil debe ser lo más bajo posible, con una meta de menos de $ 1,000 por unidad.
El 22 de junio de 2015, los sistemas electromagnéticos de General Atomics anunciaron que los proyectiles con electrónica a bordo sobrevivieron a todo el entorno de lanzamiento del cañón de riel y realizaron sus funciones previstas en cuatro pruebas consecutivas el 9 y 10 de junio en el Dugway Proving Ground del Ejército de los EE. UU. En Utah. La electrónica a bordo midió con éxito las aceleraciones en el interior del orificio y la dinámica de los proyectiles, durante varios kilómetros hacia abajo, y el enlace de datos integral continuó funcionando después de que los proyectiles impactaron el suelo del desierto, lo cual es esencial para una guía de precisión. [125]
Gatillo para fusión por confinamiento inercial
Los cañones de plasma se utilizan en la investigación de la física y se han explorado como un mecanismo de activación potencial de la fusión magneto-inercial . Sin embargo, los cañones de plasma son muy diferentes de los impulsores de masa sólida o las armas, y solo comparten el concepto operativo básico.
Ver también
- Acelerador de RAM
- Proyecto Babilonia
- Lanzamiento espacial sin cohetes
- Lista de armas de fuego sin estuche
- Tecnología electrotérmica-química
- Cañón de plasma
- Pistola de bobina
- Cañón V-3 : otra pistola de propulsión por etapas
- USNS Trenton (T-EPF-5) , primer barco en montar un cañón de riel. [126]
- Teleforce , un dispositivo similar ideado por Nikola Tesla que implicó la utilización de proyectiles acelerados a altas velocidades a través de la repulsión electrostática.
Referencias
- ^ Fletcher, Seth (5 de junio de 2013). "La Marina prueba el cañón de riel de 32 megajulios |" . Ciencia popular . Archivado desde el original el 4 de junio de 2013 . Consultado el 16 de junio de 2013 .
- ^ "Rail Gun" . dictionary.com . Archivado desde el original el 26 de abril de 2017 . Consultado el 18 de julio de 2017 .
- ^ a b Rashleigh, CS y Marshall, RA (abril de 1978). "Aceleración electromagnética de macropartículas a altas velocidades". J. Appl. Phys. 49 (4): 2540. Bibcode : 1978JAP .... 49.2540R . doi : 10.1063 / 1.325107 .
- ^ "Rail Strike" . The Economist . 9 de mayo de 2015. Archivado desde el original el 17 de mayo de 2015 . Consultado el 31 de enero de 2016 .
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enlaces externos
- Observe el disparo del cañón de riel de la Marina desde todos los ángulos El cañón de riel toma el primer disparo de su serie de puesta en servicio. incluye un video de YouTube de noviembre de 2016