Cannone elettrico

Il fucile elettrico , noto anche con il nome inglese di railgun - o gun rail - da cui la traduzione rail gun - da non confondere con il rail gun (1914-1918 e 1939-1945) - è un'arma a proiettili accelerata da una forza elettromagnetica , simile a quello che fa girare il motore omopolare .

Il principio

Il concetto di fondo è probabilmente antico quanto la scoperta della forza di Laplace (con una proposta in Francia già nel 1884 , poi nel 1908 , e un tentativo di sviluppo durante la prima guerra mondiale che fu abbandonato per mancanza di risultati convincenti). La sua realizzazione operativa non è ancora rilevante. Attualmente esistono solo prototipi utilizzabili in laboratorio.

Il concetto consiste nello stabilire una differenza di elettrica potenziale tra due parallele elettricamente conducendo rotaie e inserendo tra loro un proiettile conduttivo che può scorrere o rotolare su di essi, il contatto. Non appena avviene il contatto, una corrente elettrica circola tra i due binari, nasce un campo magnetico e il proiettile viene accelerato dalla forza di Laplace (interazione tra la corrente che circola nel proiettile e il campo magnetico creato).

Il fucile elettrico, a propulsione elettromagnetica , non va però confuso con un'altra forma, il fucile magnetico , dove il campo magnetico è parallelo all'asse, e dove il proiettile, invece di essere attraversato da una corrente , è ferromagnetico .

Tuttavia, per aumentare la forza del fucile elettrico, possiamo rafforzare il campo magnetico aggiungendo, su entrambi i lati del piano formato dai due binari, magneti che creano un campo magnetico, perpendicolare all'asse, e di direzione appropriata. al campo generato dalla corrente.

Teoria

Le due rotaie metalliche parallele sono collegate ad un generatore elettrico , formando così un circuito aperto . Non appena un oggetto conduttivo viene inserito tra le rotaie, il circuito si chiude, e una corrente lo segue, passando dal polo + del generatore, per il binario +, l'oggetto posto, il binario -, al polo - di il generatore.

Questa corrente crea nell'anello così formato un campo magnetico di valore B , che si avvolge attorno ad ogni elemento conduttore secondo la legge di Biot e Savart o il teorema di Ampère . Assumendo il loop su un piano orizzontale, il campo magnetico creato sarà quindi verticale nel piano del loop. È quindi perpendicolare alla corrente di intensità I e quindi esercita su di essa, secondo la legge di Laplace, una forza di intensità B × I per unità di lunghezza.

Questa forza, agendo sul proiettile, lo spingerà lungo le rotaie e si può mostrare che si allontana dal generatore, allargando così la superficie del circuito. Questa è una conseguenza della legge di Lenz , che è più generale. La forza di Laplace spinge il proiettile ed esercita anche forti sollecitazioni sui binari, sul generatore e, eventualmente, sul magnete.

Poiché il campo magnetico B è proporzionale all'intensità I della corrente, la forza di Laplace è proporzionale al quadrato dell'intensità.

Un'intensità di un milione di ampere potrebbe esercitare una forza incredibile sul proiettile e potrebbe raggiungere velocità molto elevate. Siamo riusciti a raggiungere i 20  km / s con piccoli proiettili lanciati sui binari da un'esplosione. La NASA ha creato e testato un cannone a rotaia il cui proiettile può raggiungere i 9.000  km / h ( 2,5  km / s ) e colpire un bersaglio di 5  m di apertura alare a 350  km dal punto di tiro. La grande quantità di energia elettrica richiesta è la controparte delle munizioni pesanti ed esplosive da trasportare con un'arma da tiro convenzionale.

Tecnico

Scelta dei materiali

Le rotaie e il proiettile devono essere costruiti con materiali resistenti e conduttivi. Devono resistere alla violenza del proiettile accelerato e al calore sviluppato dall'effetto Joule della corrente molto elevata, dell'attrito e delle scosse elettriche dei contatti mobili, che provocano gravi danni alle superfici.

La canna deve anche subire il rinculo dovuto all'accelerazione del proiettile, come in qualsiasi arma. Il punto esatto di applicazione di questa forza di rinculo è ancora controverso. Le tradizioni dell'artiglieria vogliono che sia sulla culatta dell'arma, cioè la parte del circuito che chiude l'anello opposto al proiettile, ma alcuni si affidano al teorema di Maxwell-Ampere per affermare che è distribuito lungo le rotaie. Probabilmente è vero stricto sensu , ma se si trascurano le velocità in gioco rispetto a quella della luce, l'approssimazione dei cannonieri resta adeguata.

Un problema più importante è che, per unità di lunghezza, i binari si spingono da parte esattamente come il proiettile viene spinto in avanti (sempre perpendicolare). Devono quindi sopportare questa sollecitazione senza torsioni, e quindi essere fissati in modo molto saldo su un telaio indeformabile, ma isolante per evitare l' induzione di correnti che rappresenterebbero una perdita.

dare la precedenza

L'effetto Joule, riscaldando le rotaie e il proiettile, consuma parte dell'energia, a scapito dell'efficienza dell'impianto. Il calore sviluppato da questo effetto, oltre che dall'attrito del proiettile, presenta tre principali inconvenienti:

In pratica, nella maggior parte delle forme di realizzazione, le rotaie si consumano estremamente rapidamente. Anche i proiettili, ma in linea di principio vengono usati solo una volta. L'usura delle rotaie limita la vita della canna e il loro ricambio standard è difficile data la necessaria solidità del loro fissaggio e la qualità richiesta dei contatti con il generatore.

L'uso di materiali superconduttori è concepibile, ma per il momento molto irrealistico (temperatura, resistenza meccanica, ecc.). D'altra parte, l' induttanza del circuito limita il tempo di salita dell'intensità della corrente, limitando anche l'efficienza media sul tempo di accelerazione totale.

Un arco elettrico può sparare tra le rotaie, provocando un cortocircuito distruttivo e annullando l'effetto sul proiettile. Alcune versioni tentano di sfruttare questo effetto dell'arco elettrico: un plasma è avviato da un semplice foglio di metallo conduttivo vaporizzato dall'effetto Joule; questo plasma spinge poi il proiettile vero e proprio, che non è conduttivo, come i gas di un normale cannone, ma senza i problemi legati alla necessaria tenuta e resistenza meccanica (il confinamento è operato dal dispositivo elettromagnetico).

Il generatore

Il generatore deve essere in grado di erogare correnti molto forti, controllate e durante il tempo necessario all'accelerazione del proiettile. Per misurare l'efficienza del generatore, è fondamentalmente necessario conoscere l'energia che può fornire, misurata in joule . Un proiettile di massa m , lanciato ad una velocità v ha un'energia cinetica pari a ½ mv 2 . L'energia massima utilizzata per un fucile elettrico era di 33 milioni di joule ( MJ )10 dicembre 2010Negli USA. Le forme usuali di generatori utilizzati per i fucili elettrici sono generatori di impulsi con volano e condensatori  ; si può anche usare SMES .

Uso militare

Il settore dei fucili elettrici è esplorato perché consentirebbe lo sviluppo di armi i cui proiettili non contengono esplosivi, ma hanno una velocità molto elevata all'uscita della canna  : 3500  m / s , o circa Mach 10 a livello del mare, o più. In confronto, il fucile Famas fornisce ai suoi proiettili una velocità approssimativa di 950  m / s . Ciò darebbe ai proiettili più energia di un proiettile esplosivo di uguale massa, e quindi consentirebbe di trasportare più munizioni, eliminando il pericolo di trasportare esplosivi in ​​un carro armato o nella torretta di una nave. Tuttavia, i problemi di usura dei binari e degli isolatori devono ancora essere risolti prima che il fucile elettrico possa entrare in servizio operativo . Gli americani affermano di essere in grado di raggiungere velocità comprese tra 7.000 e 9.000  km / h ( 1.950 e 2.500  m / s ), e sperano di poter raggiungere rapidamente obiettivi a 185  km .

A causa dell'elevata velocità iniziale dei proiettili, i fucili elettrici sono interessanti nella lotta contro i missili molto veloci. Inoltre, una velocità maggiore darebbe una portata più lunga, una minore deflessione sulla traiettoria e una minore sensibilità al vento. Si aggirerebbero così i limiti insiti nelle armi da fuoco convenzionali, che limitano, a causa delle leggi di espansione del gas, le velocità dei proiettili a circa 1,5  km / se la loro portata a circa 80  km .

Se la tecnica può essere applicata ad armi automatiche a fuoco rapido, un cannone elettrico avrebbe dei vantaggi in termini di velocità di fuoco. I meccanismi di un'arma convenzionale devono garantire le manovre di culatta, lo scarico e la ricarica di ogni cartuccia, mentre un cannone elettrico, tra i colpi, deve solo garantire l'alimentazione di un nuovo proiettile, e fornire la potenza necessaria alla ricarica del generatore . Un cannone da 10 MJ che spari  a 1  round / s richiederebbe quindi un'alimentazione media di 10  MW , ovvero la metà della potenza elettrica totale installata sulla portaerei nucleare Charles-de-Gaulle e, soprattutto, garantire un raffreddamento continuo del tutto .

Test

Probabilmente il più antico sistema costantemente soddisfacente è stato costruito dalla UK Defense Research Agency presso il Dundrennan Range a Kirkcudbright , in Scozia . Questo sistema è operativo da più di 10 anni , In un servizio di studio balistico interno, intermedio, esterno e terminale, e ha battuto diversi record di massa e velocità.

Il Pegasus costruito dall'Istituto franco-tedesco di ricerca militare Saint Louis (ISL) potrebbe sparare nel 1998 un colpo di un chilogrammo alla velocità di 2600  m / s per una capacità di 15  GW . In confronto, lo stesso proiettile di polvere non supererebbe i 1.800  m / s .

Gli Stati Uniti ( DARPA ) dagli anni '70, come parte dell  '" iniziativa di difesa strategica " del  presidente Ronald Reagan, soprannominata "Star Wars", hanno finanziato esperimenti di armi elettriche.

L'Institute of Advanced Technology dell'Università del Texas ad Austin ha costruito cannoni elettrici in grado di sparare proiettili perforanti di tungsteno a 9 MJ di energia  . Questa energia è sufficiente per lanciare un proiettile da 2  kg a 3  km / se a questa velocità una bacchetta di tungsteno, o altro metallo denso, può facilmente penetrare in un serbatoio ed eventualmente passare attraverso.

Il Naval Surface Warfare Center degli Stati Uniti a Dahlgren, Virginia, ha testato un prototipo di cannone elettrico, consegnato da BAE Systems , che ha accelerato un proiettile da sette libbre (3,17  kg ) a Mach 7, progettato per essere spinto fino a 32 o forse anche 64  MJ .

Il problema principale che deve affrontare la Marina nel suo sviluppo è la rapida usura delle rotaie causata dall'enorme calore del fuoco. Armi di questo tipo dovrebbero essere abbastanza potenti da causare un po 'più di danno di un missile BGM-109 Tomahawk convenzionale, per una frazione del costo.

Nel Febbraio 2008, la marina americana ha testato un fucile elettrico con complemento magnetico: ha sparato un proiettile a 2.500  m / s con 10  MJ . Si prevede di aumentare la sua velocità iniziale a 8.300  m / s , con una precisione sufficiente per colpire un bersaglio da 5  ma 360  km , con una velocità di fuoco di 10  colpi / min . Dovrebbe essere completato intorno al 2020-2025.

Il 10 dicembre 2010, il cannone da 10 metri e 54 tonnellate della BAE Systems a Dahlgren, in Virginia , ha lanciato un oggetto da 20 chilogrammi a 160  km di distanza . Il suo tasso di rilascio è stato di circa Mach 5 e l'energia richiesta era di 32  M J . In definitiva, la Marina degli Stati Uniti spera di aumentare la portata del cannone a 320  km .

Il primo prototipo è stato consegnato 30 gennaio 2012da BAE Systems alla Marina Militare che ha potuto effettuare i primi test al termine delfebbraio 2012. Questo cannone ha una capacità di 32 megajoule, sapendo che un megajoule corrisponde a un'auto da una tonnellata lanciata a 160  km / h .

Arma immaginaria

I cannoni a rotaia sono spesso usati nella fantascienza o nei videogiochi per presentare fucili da cecchino molto potenti, sistemi di distruzione molto potenti o armi che sparano attraverso i muri (i proiettili sono così veloci da attraversare il muro senza perdere in modo apprezzabile la loro energia cinetica). La distinzione con i cannoni magnetici ("coilguns"), o raggi di morte ("rayguns"), è spesso offuscata.

Giochi

Sono stati resi famosi

Al cinema e in televisione

Manga

Note e riferimenti

  1. Risposta a "Controversia sulla legge sulla potenza elettrodinamica" [ (in)  letta online ]
  2. "PowerLabs The electric gun" [ (in)  read online ]
  3. http://www.liberation.fr/monde/06012838-le-railgun-le-giga-canon-de-la-navy Liberation.fr
  4. redazione di Monde.fr, "  In the Navy - Primo prototipo industriale di un cannone elettromagnetico  " Accesso libero , su lemonde.fr ,29 febbraio 2012(accesso 7 settembre 2020 ) .
  5. David Adams, "Are Railguns Naval Revolutionary" [ (in)  read online ]
  6. Caratteristiche di Charles-de-Gaulle
  7. University of Texas , "EM Systems" [ (in)  read online ]
  8. Technology Review: "Electromagnetic Railgun Blasts Off" [ (in)  read online ]
  9. Erik Sofge, Popular Mechanics , "The World's Most Powerful Rail Gun Delivered to Navy" [ (in)  read online ] , 14/11/2007
  10. Michael Zitz, Fredericksburg.com , "A missile punch at bullet prices" [ (in)  read online ] , 17/1/2007
  11. Immagine e commenti: [ (en)  Vedi online ]
  12. La pistola elettromagnetica supera la prova del fuoco , in Science & Vie n o  1122, marzo 2011, p.  46 ( ISSN  0036-8369 )

fonte

Vedi anche

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