Elektrikli top

Elektrik tabanca da İngilizce adıyla bilinen, Railgun veya - gun rayına - dolayısıyla çeviri demiryolu silah - ile karıştırılmamalıdır demiryolu tabancası (1914-1918 ve 1939-1945) - bir mermi silah bir elektromanyetik kuvvet tarafından hızlandırılmış homopolar motoru döndürene benzer .

İlke

Altta yatan kavram muhtemelen Laplace gücünün keşfi kadar eskidir (Fransa'da 1884 , ardından 1908 gibi erken bir teklif ve inandırıcı sonuçların olmaması nedeniyle terk edilen Birinci Dünya Savaşı sırasında bir kalkınma girişimi ile ). Operasyonel gerçekleştirilmesi hala geçerli değil. Şu anda laboratuvarda kullanılabilen sadece prototipler var.

Konsept, iki paralel elektriksel olarak iletken ray arasında bir elektrik potansiyeli farkı oluşturmaktan ve aralarına temas ederek kayabilen veya yuvarlanabilen iletken bir merminin sokulmasından ibarettir . Temas meydana gelir gelmez, iki ray arasında bir elektrik akımı dolaşır, bir manyetik alan doğar ve mermi Laplace kuvveti ile hızlandırılır (mermi içinde dolaşan akım ile oluşturulan manyetik alan arasındaki etkileşim).

Elektrik tabancası ile elektromanyetik itme gücü , ancak başka bir formu ile karıştırılmamalıdır manyetik gun manyetik alan eksenine paralel olan, ve merminin, yerine geçtiği olan durumlarda akım , bir ferromanyetik .

Bununla birlikte, elektrikli tabancanın gücünü artırmak için, iki rayın oluşturduğu düzlemin her iki tarafına , eksene dik ve uygun yönde manyetik alan oluşturan mıknatıslar ekleyerek manyetik alanı güçlendirebiliriz . akım tarafından oluşturulan alana.

Teori

İki paralel metal ray bir elektrik jeneratörüne bağlanır , böylece bir açık devre oluşturur . Raylar arasına iletken bir nesne sokulduğu anda devre kapanır ve onu jeneratörün + kutbundan + ray, yerleştirilen nesne, - raya, - kutbuna giden bir akım izler. jeneratör.

Bu akım döngüde yaratır ve böylece Biot ve Savart yasasına veya Ampère teoremine göre her bir iletken elemanın etrafına sarılan B değerinde bir manyetik alan oluşturur . Döngünün yatay bir düzlemde olduğu varsayıldığında, oluşturulan manyetik alan bu nedenle döngü düzleminde dikey olacaktır. Bu nedenle, yoğunluk I akımına diktir ve bu nedenle, Laplace yasasına göre , uzunluk birimi başına B × I yoğunluklu bir kuvvet uygular .

Mermiye etki eden bu kuvvet, onu raylar boyunca itecektir ve jeneratörden uzaklaştığı ve böylece ilmeğin yüzeyini genişlettiği gösterilebilir. Bu, daha genel olan Lenz yasasının bir sonucudur . Laplace kuvveti mermiyi hareket ettirir ve ayrıca raylar, jeneratör ve muhtemelen mıknatıs üzerinde güçlü gerilimler uygular.

Manyetik alan olarak B yoğunluğu ile orantılıdır I akımının, Laplace kuvvet ile orantılıdır kare yoğunluğu.

Bir milyon amperlik bir yoğunluk, mermiye inanılmaz bir kuvvet uygulayabilir ve çok yüksek hızlara ulaşabilir. Bir patlamayla raylara atılan küçük mermilerle 20  km / s'ye ulaşmayı başardık . NASA, mermisi 9.000  km / saate ( 2.5  km / s ) ulaşabilen ve atış noktasından 350 km uzaklıkta 5 m kanat açıklığı  hedefini vurabilen  bir raylı tüfeği yarattı ve test etti . İhtiyaç duyulan büyük miktarda elektrik enerjisi, geleneksel bir atış silahı ile taşınacak ağır ve patlayıcı mühimmatın karşılığıdır.

Teknik

Malzeme seçimi

Raylar ve mermi, dayanıklı ve iletken malzemelerden yapılmalıdır. Hızlandırılmış merminin şiddetine ve çok yüksek akımın Joule etkisinin oluşturduğu ısıya , sürtünmeye ve hareketli kontakların elektrik çarpmalarına karşı direnmelidirler , bu da yüzeylerde ciddi hasara neden olur.

Namlu ayrıca herhangi bir silahta olduğu gibi merminin hızlanmasından dolayı geri tepmeyi almalıdır. Bu geri tepme kuvvetinin kesin uygulama noktası hala tartışmalıdır. Topçu gelenekleri, silahın, yani devrenin merminin karşısındaki halkayı kapatan kısmının üzerinde olmasını ister, ancak bazıları , tüm raylar boyunca dağıtıldığını iddia etmek için Maxwell-Ampere teoremine güvenir . Muhtemelen doğrudur üzerinde dogmatik , ancak oyunda bir ihmaller hızları ışık ile karşılaştırıldığında ise, Askerlerden yaklaşım uygun olarak kalır.

Daha önemli bir problem, rayların, mermi ileri itilirken (her zaman dik), birim uzunluk başına kenara itilmesidir. Bu nedenle, bu gerilmeye bükülmeden dayanmalı ve bu nedenle deforme olmayan bir çerçeveye çok sıkı bir şekilde sabitlenmeli, ancak bir kaybı temsil edecek akımların indüksiyonunu önlemek için yalıtımlı olmalıdırlar .

Yol ver

Joule etkisi, rayları ve mermiyi ısıtarak, tesisin verimliliği pahasına enerjinin bir kısmını tüketir. Bu etkinin ve merminin sürtünmesinin geliştirdiği ısının üç ana dezavantajı vardır:

Uygulamada, çoğu düzenlemede raylar son derece hızlı aşınır. Mermiler de, ancak prensipte sadece bir kez kullanılırlar. Rayların aşınması, namlunun ömrünü sınırlar ve sabitlemelerinin gerekli sağlamlığı ve jeneratörle temasların gerekli kalitesi dikkate alındığında standart değişimleri zordur.

Süper iletken malzemelerin kullanımı düşünülebilir, ancak şu an için çok gerçekçi değil (sıcaklık, mekanik direnç, vb.). Öte yandan, devrenin endüktansı , akımın yoğunluğunun yükselme süresini sınırlandırır ve aynı zamanda toplam hızlanma süresi üzerindeki ortalama verimi de sınırlar.

Raylar arasında bir elektrik arkı fırlayarak yıkıcı bir kısa devreye neden olabilir ve mermi üzerindeki etkiyi ortadan kaldırabilir. Bazı versiyonlar bu elektrik arkı etkisinden yararlanmaya çalışır: bir plazma Joule etkisiyle buharlaşan basit bir iletken metal levha ile başlatılır; bu plazma daha sonra sıradan bir silahın gazları gibi iletken olmayan gerçek mermiyi iter, ancak gerekli sıkılık ve mekanik dirençle ilgili sorunlar olmadan (hapsetme elektromanyetik cihaz tarafından gerçekleştirilir).

Jeneratör

Jeneratör, kontrollü ve merminin ivmelenmesi için gerekli süre boyunca çok güçlü akımlar verebilmelidir. Jeneratörün verimliliğini ölçmek için, temel olarak joule cinsinden ölçülen verebileceği enerjiyi bilmeniz gerekir . Kütle bir mermi m bir hızda başlatıldı, v bir sahiptir kinetik enerji için eşit ½ mv 2 . Bir elektrikli tabanca için kullanılan maksimum enerji, üzerinde 33 milyon joule ( MJ ) idi.10 Aralık 2010ABD'de. Elektrikli tabancalar için kullanılan genel jeneratör biçimleri, volanlı ve kapasitörlü dürtü üreteçleridir  ; KOBİ'ler de kullanılabilir .

Askeri kullanım

Elektrikli top sektörü, mermileri patlayıcı içermeyen ancak topun çıkışında çok yüksek hıza sahip silahların geliştirilmesine izin vereceği için araştırılmıştır  : 3500  m / s veya deniz seviyesinde yaklaşık Mach 10, yada daha fazla. Buna karşılık, Famas tüfeği , mermilerine yaklaşık 950  m / sn'lik bir hız veriyor . Bu, mermilere eşit kütleli bir patlayıcı mermiden daha fazla enerji verecek ve bu nedenle, bir tankta veya geminin taretinde patlayıcı taşıma tehlikesini ortadan kaldırarak daha fazla cephane taşınmasına izin verecektir. Bununla birlikte, elektrikli tabancanın operasyonel hizmete girebilmesi için rayların ve izolatörlerin aşınma sorunlarının çözülmesi gerekir . Amerikalılar arasında hıza ulaşabilecek iddia 7,000 ve 9,000  km / s ( 1.950 ve 2.500  m / sn hızla 185 de hedeflere ulaşmak edebilmek için), ve umut  Km .

Mermilerin yüksek başlangıç ​​hızından dolayı, elektrikli silahlar çok hızlı füzelere karşı mücadelede ilgi çekicidir . Ek olarak, daha yüksek bir hız, daha uzun bir menzil, yörüngede daha az sapma ve rüzgara karşı daha az hassasiyet sağlar. Böylece, gaz genişleme yasaları nedeniyle mermilerin hızlarını yaklaşık 1.5  km / s ve menzillerini yaklaşık 80  km ile sınırlayan geleneksel ateşli silahların doğasında bulunan sınırları aşacaktır .

Teknik, hızlı ateş eden otomatik silahlara uygulanabiliyorsa, bir elektrikli topun atış hızı açısından avantajları olacaktır. Geleneksel bir silahın mekanizmaları, her bir kartuşun kama manevralarını, boşaltılmasını ve yeniden doldurulmasını sağlamalıdır; bir elektrikli top, atışlar arasında, yalnızca yeni bir merminin beslenmesini sağlamalı ve jeneratörü yeniden şarj etmek için gerekli gücü sağlamalıdır. . Bu nedenle , 1 mermi / s ile ateşleyen  bir 10 MJ silah  , ortalama 10 MW'lık bir güç kaynağına ihtiyaç duyacaktır  , yani nükleer uçak gemisi Charles-de-Gaulle'de kurulu toplam elektrik gücünün yarısı ve hepsinden önemlisi, bütünün sürekli soğutulmasını sağlar. .

Testler

Muhtemelen en eski ve tutarlı olarak tatmin edici sistem , İskoçya , Kirkcudbright'daki Dundrennan Range'de Birleşik Krallık Savunma Araştırma Ajansı tarafından inşa edildi . Bu sistem 10 yıldan fazla bir süredir , Dahili, orta, harici ve terminal balistik etüt hizmetinde çalışmaktadır ve birçok kütle ve hız rekorunu kırmıştır.

Pegasus tarafından inşa Askeri Araştırma Saint Louis Fransız-Alman Enstitüsü'nün (ISL) bir hızda bir kilogram 1998 yılında bir atış olabilir 2600  m / s 15 kapasiteli için  GW . Buna karşılık, aynı toz mermi 1.800  m / s'yi aşmayacaktır .

ABD ( DARPA ),  Başkan Ronald Reagan'ın "Yıldız Savaşları" olarak adlandırılan " stratejik savunma girişimi " nin bir parçası olarak 1970'lerden beri  elektrikli silah deneylerini finanse ediyor.

Austin'deki Texas Üniversitesi'ndeki İleri Teknoloji Enstitüsü, 9 MJ enerjili  tungsten zırh delici mermi ateşleyebilen elektrikli toplar üretti . Bu enerji, bir 2 başlatmak için yeterli olan kg kabuk  az 3 km / s , ve bu hız, bir tungsten çubuğu ya da başka yoğun metal de, kolay bir tank nüfuz eder ve muhtemelen geçebilir.  

Virginia, Dahlgren'deki Birleşik Devletler Deniz Yüzey Harp Merkezi, yedi kiloluk (3,17 kg ) bir mermiyi Mach 7'ye hızlandıran, 32 veya hatta 64 MJ'e kadar itilebilecek şekilde tasarlanmış ,  BAE Systems tarafından teslim edilen prototip bir elektrikli topu test etti.  .

Donanmanın gelişiminde karşılaştığı temel sorun, muazzam ateş ısısının neden olduğu rayların hızlı aşınması ve yıpranmasıdır. Bu tür silahlar , maliyetin bir kısmına bir füze BGM-109 Tomahawk konvansiyonel füzesinden biraz daha fazla hasara neden olacak kadar güçlü olmalıdır .

İçinde Şubat 2008Amerikan donanması manyetik tamamlayıcıya sahip bir elektrikli silahı test etti: 10 MJ ile  2.500  m / s'de bir mermi ateşledi . Onun ilk hızını artırmak için planlanan 8.300 m / s 5 bir hedefe ulaşmak için yeterli doğrulukla,  m ila 360  km 10 ateşinin oranı ile,  mermi / dak . 2020–2025 civarında tamamlanması bekleniyor.  

10 Aralık 2010Virginia , Dahlgren'deki BAE Systems'ın 10 metrelik 54 tonluk silahı, 20 kilogramlık bir cismi 160 km uzağa fırlattı  . Serbest bırakma hızı yaklaşık 5 Mach ve gerekli enerji 32  M J idi . Sonuçta, ABD Deniz Kuvvetleri 320 silahın aralığını artırmayı umuyor  km .

İlk prototip şu tarihte teslim edildi: 30 Ocak 2012BAE Systems tarafından ilk testlerini sonunda gerçekleştirebilen DonanmayaŞubat 2012. Bu topun kapasitesi 32 megajoule, bir megajoule'un 160  km / s hızla fırlatılan bir tonluk bir arabaya karşılık geldiği biliniyor .

Hayali silah

Raylı tüfekler genellikle bilim kurgu veya video oyunlarında çok güçlü keskin nişancı tüfekleri, çok güçlü imha sistemleri veya duvarlardan ateş eden silahlar (mermiler o kadar hızlıdır ki, kinetik enerjilerini önemli ölçüde kaybetmeden duvardan geçerler). İle fark manyetik toplar ( "coilguns") ya da ölüm ışınları ( "rayguns"), genellikle bulanıktır.

Oyunlar

Ünlü oldular

Sinema ve televizyonda

Manga

Notlar ve referanslar

  1. "Elektrodinamik güç yasası tartışmasına" yanıt [ (  çevrimiçi okuyun ]
  2. "PowerLabs The electric gun" [ (in)  çevrimiçi okuyun ]
  3. http://www.liberation.fr/monde/06012838-le-railgun-le-giga-canon-de-la-navy Liberation.fr
  4. Redaction of Monde.fr, "  DENİZCİLİKTE - Bir elektromanyetik silahın ilk endüstriyel prototipi  "Serbest erişim , lemonde.fr üzerinde ,29 Şubat 2012(erişim tarihi 7 Eylül 2020 ) .
  5. David Adams, "Demir Silahları Deniz Devrimi mi?" [ (  Çevrimiçi okundu )
  6. Charles-de-Gaulle'ün Özellikleri
  7. University of Texas , "EM Systems" [ (  çevrimiçi olarak okundu ) ]
  8. Teknoloji İncelemesi: "Elektromanyetik Raylı Tüfek Patladı" [ (  çevrimiçi okuyun ]
  9. Erik Sofge, Popular Mechanics , "Dünyanın En Güçlü Demiryolu Silahı Donanmaya Teslim Edildi" [ (  çevrimiçi okuyun ] , 14/11/2007
  10. Michael Zitz, Fredericksburg.com , "Mermi fiyatlarında bir füze yumruğu" [ (  çevrimiçi okuyun ) ] , 17/1/2007
  11. Resim ve yorumlar: [ (en)  Çevrimiçi görün ]
  12. Elektromanyetik silah ateş testini geçti, Science & Vie n o  1122, Mart 2011, s.  46 ( ISSN  0036-8369 )

Kaynak

Ayrıca görün

İlgili Makaleler