Elektrisk kanon

Den elektriske pistolen , også kjent med det engelske navnet railgun - eller gun rail - derav oversettelsen rail gun - ikke å forveksle med jernbanepistolen (1914-1918 og 1939-1945) - er et prosjektilvåpen akselerert av en elektromagnetisk kraft , i likhet med det som dreier den homopolare motoren .

Prinsippet

Det underliggende konseptet er sannsynligvis like gammelt som oppdagelsen av Laplace-styrken (med et forslag i Frankrike allerede i 1884 , da 1908 , og et forsøk på utvikling under første verdenskrig som ble forlatt på grunn av manglende overbevisende resultater). Dens operasjonelle realisering er fortsatt ikke relevant. Det er for tiden bare prototyper som kan brukes i laboratoriet.

Konseptet består i å etablere en forskjell i elektrisk potensial mellom to parallelle elektrisk ledende skinner og sette inn et ledende prosjektil mellom dem som kan gli eller rulle på dem, og komme i kontakt. Så snart kontakten finner sted sirkulerer en elektrisk strøm mellom de to skinnene, et magnetfelt blir født og prosjektilet akselereres av Laplace-kraften (interaksjon mellom strømmen som sirkulerer i prosjektilet og magnetfeltet som opprettes).

Den elektriske pistolen, med elektromagnetisk fremdrift , skal imidlertid ikke forveksles med en annen form, magnetpistolen , der magnetfeltet er parallelt med aksen, og der prosjektilet, i stedet for å bli krysset av en strøm , er ferromagnetisk .

For å øke styrken til den elektriske pistolen, kan vi imidlertid styrke magnetfeltet ved å legge til, på hver side av planet dannet av de to skinnene, magneter som skaper et magnetfelt, vinkelrett på aksen, og i riktig retning. For å legge til til feltet som genereres av strømmen.

Teori

De to parallelle metallskinnene er koblet til en elektrisk generator og danner dermed en åpen krets . Så snart et ledende objekt er satt inn mellom skinnene, er kretsen lukket, og en strøm følger den, og går fra + polen til generatoren, ved + skinnen, det plasserte objektet, - skinnen, til - polen til generatoren.

Denne strømmen skaper i sløyfen som således dannes et magnetfelt med verdi B , som er viklet rundt hvert ledende element i henhold til loven til Biot og Savart eller teoremet til Ampère . Forutsatt at sløyfen i et horisontalt plan, vil magnetfeltet som er opprettet derfor være loddrett i sløyfens plan. Den er derfor vinkelrett på strømmen av intensitet I og utøver derfor den i henhold til Laplaces lov en intensitetskraft B × I per lengdeenhet.

Denne kraften, som virker på prosjektilet, vil drive den langs skinnene, og det kan vises å bevege seg bort fra generatoren, og dermed forstørre overflaten av sløyfen. Dette er en konsekvens av Lenzs lov , som er mer generell. Laplace-kraften driver prosjektilet og utøver også sterke påkjenninger på skinnene, generatoren og muligens på magneten.

Ettersom magnetfeltet B er proporsjonalt med intensiteten I av strømmen, er Laplace-kraften proporsjonal med kvadratet av intensiteten.

En intensitet på en million ampere kan utøve en utrolig kraft på prosjektilet, og den kan nå veldig høye hastigheter. Vi klarte å nå 20  km / s med små prosjektiler kastet på skinnene av en eksplosjon. NASA har skapt og testet et jernkanon hvis prosjektil kan nå 9000  km / t ( 2,5  km / s ) og treffe et mål på 5  m vingespenn 350  km fra skytepunktet. Den store mengden elektrisk energi som kreves er motstykket til den tunge og eksplosive ammunisjonen som skal transporteres med et konvensjonelt skytevåpen.

Teknisk

Materialvalg

Skinner og prosjektil må være konstruert av motstandsdyktige og ledende materialer. De må motstå volden fra det akselererte prosjektilet, og varmen som utvikles av Joule-effekten av den svært høye strømmen, friksjonen og de elektriske støtene fra de bevegelige kontaktene, som forårsaker alvorlig skade på overflatene.

Tønnen må også ta rekyl på grunn av akselerasjonen til prosjektilet, som i ethvert våpen. Det nøyaktige brukspunktet for denne rekylstyrken er fortsatt kontroversiell. Artillerietradisjoner vil at det skal være på våpenets sete, det vil si den delen av kretsen som lukker sløyfen overfor prosjektilet, men noen stoler på Maxwell-Ampere- teoremet for å hevde at det fordeles langs skinnene. Det er trolig sant stricto sensu , men hvis man forsømmer hastighetene i spill i forhold til lysets, forblir tilnærmingen av skyttere passende.

Et viktigere problem er at skinnene per lengdeenhet skyves til side akkurat slik prosjektilet skyves fremover (alltid vinkelrett). De må derfor tåle denne belastningen uten å vri, og derfor være veldig fast festet på en ikke-deformerbar ramme, men isolerende for å unngå induksjon av strømmer som vil representere et tap.

Utbytte

Joule-effekten, ved å varme opp skinnene og prosjektilet, bruker en del av energien, på bekostning av effektiviteten til installasjonen. Varmen utviklet av denne effekten, så vel som friksjonen av prosjektilet, har tre viktigste ulemper:

• i det minste delvis fusjon av fatet,
• sikkerheten til skytterpersonalet,
• enkel oppdagelse av fienden.

I praksis slites skinnene i de fleste utførelser ekstremt raskt. Også prosjektiler, men i prinsippet brukes de bare en gang. Skinnens slitasje begrenser fatets levetid, og deres standardutveksling er vanskelig med tanke på den nødvendige soliditeten til festingen og den nødvendige kvaliteten på kontaktene med generatoren.

Bruk av superledende materialer er tenkelig, men for øyeblikket veldig urealistisk (temperatur, mekanisk motstand, etc.). På den annen side begrenser induktansen til kretsen økningstiden for strømens intensitet, og begrenser også gjennomsnittseffektiviteten over den totale akselerasjonstiden.

En lysbue kan skyte ut mellom skinnene, forårsake en destruktiv kortslutning og negere effekten på prosjektilet. Noen versjoner forsøker å utnytte denne lysbueeffekten: et plasma startes av et enkelt ark av ledende metall fordampet av Joule-effekten. dette plasmaet skyver deretter det virkelige prosjektilet, som ikke er ledende, som gassene fra en vanlig pistol, men uten problemene forbundet med nødvendig tetthet og mekanisk motstand (inneslutningen utføres av den elektromagnetiske enheten).

Generatoren

Generatoren må kunne levere meget sterke strømmer, kontrollert og i løpet av den tiden som er nødvendig for akselerasjonen av prosjektilet. For å måle effektiviteten til generatoren, trenger du i utgangspunktet å vite energien den kan levere, målt i joule . Et prosjektil med masse m , lansert med en hastighet v, har en kinetisk energi lik ½ mv 2 . Maksimal energi brukt til en elektrisk pistol var 33 millioner joule ( MJ ) på10. desember 2010i USA. De vanlige formene for generatorer som brukes til elektriske våpen er impulsgeneratorer med svinghjul og kondensatorer  ; man kan også bruke SMB .

Militær bruk

Den elektriske kanonsektoren blir utforsket fordi den vil tillate utvikling av våpen hvis prosjektiler ikke inneholder eksplosiver, men har veldig høy hastighet ved utgangen av kanonen  : 3500  m / s , eller omtrent Mach 10 på sjønivå, eller mer. Til sammenligning gir Famas- riflen kulene en omtrentlig hastighet på 950  m / s . Dette vil gi prosjektilene mer energi enn et eksplosivt skall med lik masse, og dermed tillate mer ammunisjon å bli fraktet, og eliminere faren for å føre eksplosiver i en tank eller et skips tårn. Slitasjeproblemene på skinnene og isolatorene må likevel løses før den elektriske pistolen kan gå i drift . Amerikanerne hevder å være i stand til å nå hastigheter mellom 7000 og 9000  km / t ( 1 950 og 2 500  m / s ), og håper å kunne raskt nå mål i 185  km .

På grunn av den høye innledende hastigheten til prosjektilene, er de elektriske pistolene interessante i kampen mot veldig raske raketter . I tillegg vil en høyere hastighet gi lengre rekkevidde, mindre avbøyning til banen og mindre følsomhet for vinden. Det vil dermed omgå grensene som ligger i vanlige skytevåpen, som på grunn av lovene om gassutvidelse begrenser hastighetene til prosjektilene til ca. 1,5  km / s og rekkevidden til ca. 80  km .

Hvis teknikken kan brukes til hurtigvåpen automatiske våpen, vil en elektrisk kanon ha fordeler når det gjelder skytehastighet. Mekanismene til et konvensjonelt våpen må sikre setemanøvrene, lossingen og omlastingen av hver patron, mens en elektrisk kanon mellom skudd bare må sørge for tilførsel av et nytt prosjektil, og for å levere kraften som er nødvendig for å lade generatoren . En 10 MJ pistol som  skyter på 1  omgang / s vil dermed trenge en gjennomsnittlig strømforsyning på 10  MW , dvs. halvparten av den totale elektriske kraften som er installert på kjernefysiske hangarskip Charles-de-Gaulle, og fremfor alt sikre kontinuerlig kjøling av forsamlingen .

Tester

Sannsynligvis det eldste, gjennomgående tilfredsstillende systemet ble bygget av UK Defense Research Agency ved Dundrennan Range i Kirkcudbright , Skottland . Dette systemet har vært i drift i mer enn 10 år , I en intern, mellomliggende, ekstern og terminal ballistisk studietjeneste , og har slått flere masse- og hastighetsrekorder.

Den Pegasus bygget av den fransk-tyske Institute of Military Forskning Saint Louis (ISL) kunne avfyre et skudd i 1998 av ett kilo med en hastighet på 2600  m / s for en kapasitet på 15  GW . Til sammenligning ville det samme pulverprosjektilet ikke overstige 1800  m / s .

USA ( DARPA ) siden 1970-tallet, som en del av   president Ronald Reagans " strategiske forsvarsinitiativ ", kalt "Star Wars", har finansiert eksperimenter med elektriske våpen.

Institute of Advanced Technology ved University of Texas i Austin bygde elektriske kanoner som var i stand til å skyte 9 MJ energi  wolframpanserskjær . Denne energien er tilstrekkelig til å lansere et 2 kg skall  på 3 km / s , og i denne hastigheten kan en stang av wolfram eller annet tett metall lett trenge gjennom en tank og muligens passere gjennom.  

United States Naval Surface Warfare Center i Dahlgren, Virginia, testet en prototype elektrisk kanon, levert av BAE Systems , som akselererte et syv pund (3,17 kg ) skall  til Mach 7, designet for å skyves opp til 32 eller kanskje til og med 64  MJ .

Hovedproblemet som marinen står overfor i forbindelse med tune-ups er den raske slitasje på skinnene forårsaket av den enorme brannvarmen. Våpen av denne typen bør være kraftige nok til å forårsake litt mer skade enn et rakett BGM-109 Tomahawk konvensjonelt, for en brøkdel av kostnaden.

I Februar 2008testet den amerikanske marinen en elektrisk pistol med magnetisk komplement: den skjøt et skall på 2500  m / s med 10  MJ . Det er planlagt å øke sin opprinnelige hastighet til 8 300  m / s , med tilstrekkelig nøyaktighet til å treffe et mål på 5  m til 360  km , med en skuddhastighet på 10  runder / min . Det forventes å være ferdig rundt 2020–2025.

De 10. desember 2010, den 10 meter, 54-toners pistolen fra BAE Systems i Dahlgren, Virginia , kastet en gjenstand på 20 kilo 160  km unna . Sin frigjøringshastigheten var tilnærmet Mach 5 og den energi som kreves var 32  M J . Til slutt håper den amerikanske marinen å øke pistolens rekkevidde til 320  km .

Den første prototypen ble levert den 30. januar 2012av BAE Systems til marinen som var i stand til å utføre sine første tester på slutten avfebruar 2012. Denne kanonen har en kapasitet på 32 megajouler, vel vitende om at en megajoule tilsvarer en ett-tonns bil lansert i 160  km / t .

Fantasivåpen

Railguns brukes ofte i science fiction eller videospill for å inneholde veldig kraftige skarpskytterrifler, veldig kraftige ødeleggelsessystemer eller våpen som skyter gjennom vegger (prosjektilene er så raske at de går gjennom veggen uten å miste sin kinetiske energi merkbart). Distinksjonen med de magnetiske kanoner ( "coilguns"), eller stråler av død ( "rayguns"), er ofte uklart.

Spill

De ble kjent

• I Fallout-serien, i Fallout 3 og Fallout New Vegas-spillene, bruker Gauss Rifle ganske enkelt energivåpenammunisjon (batterier) til å skyte et prosjektil i pelletsstørrelse i fenomenal hastighet på prinsippet om magnetisk kanon, derimot, den avfyrte ammunisjon er inkludert i en tank på siden av våpenet og er i praksis ubegrenset (men ikke batteriene)
• I videospillserien Quake and Red Faction , som en skarpskytterrifle.
• I Metal Gear Solid-serien, som hovedpistol til Metal Gear REX ( Metal Gear Solid ) og som presisjonsgevær (MGS4). I Metal Gear Solid 4 er dette også våpenet Crying Wolf bruker når han skyter Solid Snake med en skarpskytterrifle. Fortunes våpen i Metal Gear Solid 2 ser også ut til å være en jernbane. I Metal Gear Solid: Peace Walker er skinnegeværet det primære våpenet til Metal Gear ZEKE og kan også utvikles og brukes av spilleren.
• I Perfect Dark kan en rifle av fremmed opprinnelse brukes i en modus som kalles Rail-Gun. Den har egenskaper som er typiske for en første generasjons elektrisk pistol som man kan forestille seg: veldig lang fat, langsom hastighet, boring av alle materialer av hvilken som helst tykkelse og i ubegrenset antall, ekstrem presisjon. Som i filmen The Eraser , er den utstyrt med en visjon som kan zoome gjennom materialet som letter, som i filmen, bruken av å krysse vegger. Det er også en maskinpistol i spillet som er en del av samme våpenklasse, Callisto NTG, som har en rustningspiercing-modus.
• I Command and Conquer- videospillserien har GDI en enorm bevæpning når det gjelder jernvåpen, alt fra bevæpning av eksosoldater der vi tydelig kan skille de to bladene til pistolene til de pansrede divisjonene.
• I Nexus: The Jupiter Incident videospill er Railgun det primære anti-skrogvåpenet, ved siden av plasmakanon og torpedoer.
• I Parasite Eve II , den andre delen i Parasite Eve- serien , blir Hypervelocity beskrevet som en elektrisk kanon, men skyter faktisk laserstråler.
• I spillet Ace Combat 6: Fires of Liberation er et av spesialvåpnene til CFA-44 Nosferatu en EML (ElectroMagnetic Launcher)
• I det gratis nettspillet S4 League er det en skarpskytterrifle som heter railgun som håndterer uhyrlig skade (eller dreper i en enkelt hit), og krever en viss ladetid for å oppnå maksimal brannkraft (blålig lysstråle som etterlater et hvitt spor under støt med veggene som minner om sjokkkanonen i spillene Unreal Tournament 2003 og Unreal Tournament 2004 ).
• I spillet Hordes of Orcs 2 har et nytt tårn blitt introdusert. Det er en elektrisk pistol montert på et tårn.
• Den Gauss Rifle fra STALKER spillserien bruker magnetisk kanon teknologi.
• I GoldenEye: In the Service of Evil of the James Bond videospillserie er et av de mange våpnene som er tilgjengelig en EM-rifle. Hvis du bruker det kunstige øyet riktig, er våpenet veldig nyttig for å ta fiender ned gjennom vegger.
• I Crysis og Crysis 2-spill er Gauss Sniper Rifle et ødeleggende våpen som skjærer gjennom hindringer og etterlater en blåaktig sti, samt gnister der kulen forstyrres.
• I spillet EVE Online er det mulig å utstyre romskipet ditt med et skinnvåpen som er definert som et hybridvåpen, et våpen som bruker prosjektiler og energi. Vi finner også magnetpistolen kalt Coilgun i samme kategori.
• I OpenArena- spillet er det et våpen som kalles railgun, vanligvis til stede på ett sted på kart, som er et elektrisk våpen (det etterlater en blåaktig sti, den har en ganske lang nedkjøling) og som vanligvis dreper i et enkelt slag. Hun er sammen med neglepistolen det kraftigste våpenet i spillet.
• I spillene Nexuiz og Xonotic er "sniper" -våpenet, Nex, et våpen med høy presisjon, av langstrakt form, elektrisk (ved sin blå og knitrende sti, og lyden når den brukes), som påfører alvorlig skade og lades sakte. I tillegg har Xonotic Nex begge lederskinner, noe som gir den den karakteristiske formen på et skinne. I begge spill gir "Minsta" -modus alle spillerne et unikt våpen, MinstaNex, som er en oppgradert versjon av Nex (den dreper med hvert treff). Siden versjon 0.6 av Xonotic har MinstaNex gått fra hvilken som helst form til noe som ligner på Nex, men med fire lederskinner, noe som øker railgun-utseendet.
• Spillet Elite: Dangerous tar prinsippet til den elektriske kanonen, og gjør det til et ekstremt kraftig våpen, men vanskelig å bruke. Faktisk kan den bare brukes i et fast punkt, noe som innebærer å være på linje med målet å treffe.
• Prinsippet med den elektriske kanonen brukes til de fleste Mass Effect våpen . Et metallprosjektil på størrelse med et sandkorn akselereres kraftig av en elektrisk kanon, hvis effekt blir tidoblet ved å redusere massen til prosjektilet med elementet null. Dette resulterer i en de facto uendelig kapasitet til ammunisjon i våpenet, den eneste grensen for skytingen er fortsatt oppvarming av våpenet.
• Det er også til stede i Halo 4.
• I PlanetSide2-spillet har snikskyttere fra det nye konglomeratet muligheten til å bruke AF-8 RailJack, som er en magnetisk rifle med lite nedfall.
• I sci-fi-spillet Deserts of Kharak er Electric Cannon en kraftig, langdistanseartillerienhet.
• I nettleserspillet OGame er Gauss's kanon et av landforsvarene som kan kjøpes for å forsvare en av planetene hans.
• I Warhammer 40.000-universet utstyrer Tau-løpet Hammerhead-stridsvogner og XV-88-rustning med bredbånd og skyttegrupper med skytteriffel, en elektrisk skarpskytterrifle.
• I Robocraft-spillet er Railguns enheter som håndterer høy skade på relativt høy avstand, men krever betydelig nedkjøling og kraft til å laste på nytt.

• I videospillet Cyberpunk 2077 har en hagle-modell prosjektilakselerasjonsteknologi inspirert av skinnekanoner.

I kino og TV

• I filmen The Eraser , med skuespilleren Arnold Schwarzenegger , er et futuristisk våpen som blir handlet, ingen ringere enn en elektromagnetisk eller elektrisk kanon .
• I filmen Transformers 2: Revenge bruker det amerikanske militæret en elektrisk kanon for å ødelegge et Decepticon , en fiende av Autobots .
• I Stargate SG-1-serien og dens Stargate Atlantis- og Stargate Universe- derivater er klasseskipene BC-303 og BC-304 bevæpnet med mange elektromagnetiske kanoner eller kanonpistoler .
• I serien The Expanse er elektriske kanoner en del av arsenalet som brukes i kamper i verdensrommet.
• I Salvation- serien brukes en elektrisk kanon til å bombardere en asteroide med jernholdige kjerner.

Mangas

• I mangaen Black Cat of Kentaro Yabuki får helten ( Train Heartnet ) nye krefter etter den plutselige kuren sin "mutasjon". Kroppen hans produserer elektrisitet, som han sprøyter inn i Hades (valgfri våpen, orichalcum pistol) for å bruke den som en jernbane. Et skudd av destruktiv kraft. Det er imidlertid begrenset til 4 bilder per dag.
• I lysromanen tilpasset i manga og anime Toaru Majutsu no Index (så vel som i Toaru Kagaku no Railgun ) får karakteren til Mikoto Misaka kallenavnet railgun fordi hun mestrer strøm og bruker en mynt som et prosjektil.
• I den animerte Gundam SEED og Gundam Seed Destiny blir railgun og den lineære kanonen (tilsynelatende fungerer på samme prinsipp som railgun) nevnt som hovedvåpenet til noen stridsvogner (erstatter skallkanonen), og som et sekundært våpen av noen romskip (hovedsakelig erkeengelen) og MS (blant annet friheten).
• I Akimine Kamijyos manga Code Breaker er Toki Fujiwara i stand til å sende prosjektiler utover lydhastigheten ved hjelp av sin magnetiske og elektriske kraft.
• I Tsuina Miuras Sky High Survival- manga holder Kuon Shinzaki det elektriske kanonsystemet representert av et stort tårn som gjør at han kan målrette mot alle som er tilstede i dimensjonen de er lokalisert i, forutsatt at de vet nøyaktige koordinater.

Merknader og referanser

1. Svar på "Elektrodynamisk maktlovskonflikt" [ (in)  lest online ]
2. "PowerLabs Den elektriske pistolen" [ (in)  lest online ]
3. http://www.liberation.fr/monde/06012838-le-railgun-le-giga-canon-de-la-navy Liberation.fr
4. Redaksjon av Monde.fr, "  IN THE NAVY - Første industrielle prototype av en elektromagnetisk pistol  " , på lemonde.fr ,29. februar 2012(åpnet 7. september 2020 ) .
5. David Adams, "Are Railguns Naval Revolutionary" [ (in)  lest online ]
6. Karakteristikker av Charles-de-Gaulle
7. University of Texas , "EM Systems" [ (in)  lest online ]
8. Teknologianmeldelse: "Elektromagnetisk Railgun sprenger av" [ (in)  lest online ]
9. Erik Sofge, populær mekanikk , "Verdens kraftigste jernbanepistol levert til marinen" [ (in)  lest online ] , 14/11/2007
10. Michael Zitz, Fredericksburg.com , "A missile punch at bullet prices" [ (in)  read online ] , 17/1/2007
11. Bilde og kommentarer: [ (no)  Se online ]
12. Den elektromagnetiske pistolen består brannprøven , i Science & Vie n o  1122, mars 2011, s.  46 ( ISSN  0036-8369 )

Kilde

• (fr) Denne artikkelen er delvis eller helt hentet fra den engelske Wikipedia- artikkelen med tittelen "  Railgun  " ( se listen over forfattere ) .

Se også

Relaterte artikler

• Magnetisk fat
• Elektromagnetisk katapult
• Maxwells ligninger
• Superstato eller supersonisk forbrenning ramjet
• Elektronpistol