Rautatiease

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 6.6.2021 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 15 muokkausta .

Railgun ( eng. railgun - rail gun ) on sähkömagneettinen massakiihdytin , joka kiihdyttää johtavaa ammusta kahta metallikiskoa pitkin käyttämällä ampeerivoimaa .

Kuinka se toimii

Kiskopistooli koostuu kahdesta rinnakkaisesta elektrodista, joita kutsutaan kiskoiksi ja jotka on kytketty voimakkaaseen tasavirtalähteeseen. Kiihdytetty sähköä johtava massa sijaitsee kiskojen välissä sulkeen sähköpiirin ja saa kiihtyvyyden johtuen Ampère-voimasta , joka vaikuttaa suljettuun johtimeen, jonka virta on omassa magneettikentässään . Ampeerivoima vaikuttaa myös kiskoihin, mikä johtaa ne molemminpuoliseen hylkimiseen.

Historia

Aseen keksi ranskalainen keksijä André Louis Octave Fauchon-Villepley vuonna 1917 ensimmäisen maailmansodan aikana . Venäjän kielellä termiä railgun ehdotti 1950-luvun lopulla Neuvostoliiton akateemikko Lev Artsimovitš korvaamaan nykyisen hankalan nimen "elektrodynaaminen massakiihdytin" [1] . Syynä tällaisten lupaavien aseiden [2] kehittämiseen oli se, että asiantuntijoiden mukaan ruudin käyttö ampumiseen on saavuttanut rajansa - heidän avullaan vapautuvan panoksen nopeus on rajoitettu 2,5 km / s [1] .

1970-luvulla rautatykin suunnitteli ja rakensi kanadalainen John P. Barber ja hänen ohjaajansa Richard A. Marshall Uudesta-Seelannista Australian kansallisen yliopiston fysikaalisten tieteiden tutkimuslaitoksessa .

Teoria

Kiskojen fysiikassa voimavektorin moduuli voidaan laskea Biot-Savart-Laplacen lain ja Ampèren voimakaavan avulla . Laskentaa varten tarvitset:

$\mu_{0}$ on magneettinen vakio ,
$d$ - kiskojen halkaisija (olettaen, että poikkileikkaus on pyöreä),
$r$ on kiskojen akselien välinen etäisyys,
$minä$ on järjestelmässä kulkeva virta.

Biot-Savart-Laplacen laista seuraa, että magneettikenttä tietyllä etäisyydellä ( ) äärettömästä virtajohdosta lasketaan seuraavasti: $s$

{\mathbf {B}}(s)={\frac {\mu _{0}I}{2\pi s}}

Siksi kahden etäisyyden päässä toisistaan olevan äärettömän johtimen välisessä tilassa magneettikentän moduuli voidaan ilmaista kaavalla: $r$

B(s)={\frac {\mu _{0}I}{2\pi }}\left({\frac {1}{s}}+{\frac {1}{rs}} \oikea)

Kiskopistoolin ankkurissa olevan magneettikentän keskiarvon tarkentamiseksi oletetaan, että kiskon halkaisija on paljon pienempi kuin etäisyys , ja olettaen, että kiskoja voidaan pitää puoliäärettömien johtimien parina, voimme laske seuraava integraali: $d$ $r$

B_{\text{avg}}={\frac {1}{r}}\int _{d}^{rd}B(s){\text{d}}s={\frac {\ mu _{0}I}{2\pi r}}\int _{d}^{rd}\left({\frac {1}{s}}+{\frac {1}{rs}}\right ){\text{d}}s={\frac {\mu _{0}I}{\pi r}}\ln {\frac {rd}{d}}\noin {\frac {\mu _{ 0}I}{\pi r}}\ln {\frac {r}{d}}

Ampèren lain mukaan magneettinen voima johtoon, jolla on virta, on yhtä suuri kuin ; olettamalla johtimen ammuksen leveys , saamme: $IRB$ $r$

F=IrB_{\text{avg}}={\frac {\mu _{0}I^{2}}{\pi }}\ln {\frac {r}{d}}

Kaava perustuu oletukseen, että etäisyys voiman mittauspisteen ja kiskojen alun välillä on 3-4 kertaa ( ) suurempi kuin kiskojen välinen etäisyys ( ). Myös joitakin muita oletuksia on tehty; Voiman kuvaamiseksi tarkemmin on otettava huomioon kiskojen ja ammuksen geometria. $l$ $F$ $r$ $l>3r$

Rakentaminen

Kiskon valmistukseen liittyy useita vakavia ongelmia: virtapulssin on oltava niin voimakas ja terävä, että ammus ei ehdi haihtua ja hajota eikä sillä ole riittävää vastusta, mutta syntyisi kiihdytysvoima, joka kiihdyttää sitä eteenpäin . Ampère-voima vaikuttaa ammukseen tai plasmamäntään [3] , joten virran voimakkuus on tärkeä vaaditun magneettikentän induktion saavuttamiseksi, ja ammuksen läpi kohtisuorassa magneettikentän induktiolinjoja vastaan kulkeva virta on tärkeä. Kun virta kulkee ammuksen läpi, ammuksen materiaalissa ( kevyen polymeeriammuksen takana käytetään usein ionisoitua kaasua) ja kiskoissa tulee olla:

suurin mahdollinen johtavuus,
ammus - mahdollisimman pieni massa,
virtalähde - niin paljon tehoa kuin mahdollista ja vähemmän induktanssia .

Kiskokiihdyttimen erikoisuus on kuitenkin se, että se pystyy kiihdyttämään erittäin pieniä massoja erittäin suuriin nopeuksiin (ampuma-aseessa olevan ammuksen nopeutta rajoittaa aseessa tapahtuvan kemiallisen reaktion kinetiikka). Käytännössä kiskot on valmistettu hapettomasta kuparista , joka on päällystetty hopealla , alumiinitankoja tai lankaa käytetään ammuksena itse tunkeutuvan elementin nopeuttamiseksi, kuten volframitangot, titaaniin ja muihin metalleihin perustuvat seokset, polymeeriä voidaan käyttää yhdistelmänä sähköä johtavalla väliaineella virtalähteenä - korkeajännitteisten sähkökondensaattorien akku , joka ladataan yksinapaisista iskugeneraattoreista , kompulsaattoreista ja muista korkean käyttöjännitteen sähkölähteistä, ja ennen kiskoille pääsyä ne yrittävät antaa ammus suurimmalla mahdollisella alkunopeudella käyttämällä tähän pneumaattisia tai tuliaseita

Niissä kiskoaseissa, joissa ammus on johtava väliaine, sen jälkeen kun kiskoihin on kytketty jännite, ammus kuumenee ja palaa, muuttuen johtavaksi plasmaksi , joka myös kiihtyy. Siten kiskoase voi ampua plasmaa, mutta sen epävakauden vuoksi se haihtuu nopeasti . Tässä tapauksessa on otettava huomioon, että plasman liike, tarkemmin sanottuna purkauksen liike (katodi, anodipisteet), Ampère-voiman vaikutuksesta on mahdollista vain ilmassa tai muussa kaasumaisessa väliaineessa, joka ei ole alempi. kuin tietty paine, koska muuten esim. tyhjiössä plasmasiltakiskot liikkuvat voiman vastakkaiseen suuntaan - ns. kaaren käänteinen liike.

Käytettäessä johtamattomia ammuksia kiskoaseissa ammus sijoitetaan kiskojen väliin, ammuksen taakse, tavalla tai toisella, kiskojen väliin syttyy kaaripurkaus ja runko alkaa kiihtyä kiskoja pitkin. Kiihdytysmekanismi tässä tapauksessa eroaa yllä olevasta: ampeerivoima painaa purkausta kehon takaosaan, joka intensiivisesti haihtuessaan muodostaa suihkun , jonka vaikutuksesta tapahtuu kehon pääkiihtyvyys [4] .

Edut ja haitat

Edut

Säästöt: kiskolaukauksen hinta on huomattavasti alhaisempi kuin saman kantaman laivapohjaisen ohjuksen hinta: 25 000 dollaria vastaan miljoona dollaria [5] .
Ellei kaikki todelliseen käyttöön liittyvät tehtävät ratkaistaan, tällaiset aseet voivat tarjota taktisen kiinteän ohjuspuolustuksen ballistisia ohjuksia vastaan, jotka eivät liiku millään tavalla , tai laajentaa ampuma-alueen horisonttia.
Ammuksen suuri nopeus mahdollistaa rautatykin käytön ilmapuolustusvälineenä [5] . Vuonna 2016 testattavan lupaavan aseen ammuksen nopeuden [6] piti olla 6 M , mikä on huomattavasti pienempi kuin monien ilmatorjuntaohjuksien (9 M yhdellä S-300V4-ohjuksista ) [ 7] , ammuksen ohjailu on mahdotonta; käytännössä saavutettiin vain 3,6 M nopeus [8] .
Railtykin käyttö eliminoi tarpeen säilyttää laivoissa tavanomaisten ammusten räjähtäviä ammuksia, mikä lisää aluksen kestävyyttä [5] .

Haitat

Tehokkuudesta ei ole esitetty todisteita moneen vuoteen [9] , etenkään mitä tulee tarkkuuteen ja tuhovoimaan. Lisäksi pitkän matkan ampumisen aikana syntyy ongelma Maan epähomogeenisesta kaarevuudesta, painovoiman epäsäännöllisyydestä, lämpötilaeroista ja vastaavasti ilman tiheydestä sekä kosteudesta ja monia muita ongelmia, jotka rajoittavat tarkkaa tykistöammutusta korjaamattomilla ammuksilla. muutaman kymmenen kilometrin kantama.
Läpäisy , (etenkin pitkillä etäisyyksillä) ja iskun kokonaisvaikutus ei ylitä keskikaliiperisen tykistön suorituskykyä (nopeus on useita kertoja suurempi, mutta massa on useita kertoja pienempi, räjähde useiden kilogrammien sijaan on nolla , ainoa ero on kantaman kasvussa, joka johtuu massan, nopeuden ja ennen kaikkea pienentyneen koon yhdistelmästä, mikä vähentää aerodynaamista vastusta ).
Nykyisten prototyyppien tynnyriresurssi on erittäin pieni.

Epäselvä

Railtykin tehollinen tulikanta on jopa 200 km [10] , mutta voidaan väittää, että tykistölle maksimi tehollinen kantama on 20-40 km, ja suuremmalla etäisyydellä joudutaan joko käyttämään ammusta, joka on korjattu lento , tai ammusten kulutus moninkertaistuu.
Ammusten suhteellisen pieni koko mahdollistaa ammuskapasiteetin lisäämisen [5] . Koko järjestelmän koko ei kuitenkaan ole kovin pieni, ja se vie vähintään yhtä paljon tilaa kuin useat keskikokoiset laivantorjuntaohjukset .

Yhdysvaltain laivaston ohjelma

Vuonna 2005 Yhdysvaltain laivasto käynnisti rautatieaseohjelman nimeltä Velocitas Eradico. Yritykset General Atomics ja BAE Systems [11] osallistuvat ohjelmaan .

General Atomics on kehittänyt aseen, joka pystyy kuljettamaan 10 kg painavan ammuksen yli 200 km:n päähän noin 2000 m/s:n keskinopeudella. Asiantuntijoiden mukaan tällaisella työkalulla on tasainen liikerata jopa 30 km:n etäisyydellä [11] .
Helmikuussa 2008 esiteltiin ase, jonka suuenergia oli 10 MJ ja suunopeus 2520 m/s (9000 km/h) [12] . Joulukuun 10. päivänä 2010 33 MJ:n kuonoenergiaa testattiin onnistuneesti US Naval Surface Weapons Development Centerissä Dahlgrenissa, Virginiassa [13] . Kokeissa käytettyjen ammusten massa vaihteli välillä 2-3,2 kg. Helmikuussa 2012 BAE Systemsin tuotantoa lähellä oleva teollisuuskiskopistoolin prototyyppi toimitettiin Dahlgrenille, ja sitä testattiin 32 mJ:n jännitteellä [14] . Tämän järjestelmän sarjamallin ampumaetäisyyden tulisi olla jopa 180 km ja tulevaisuudessa jopa 400 km; insinöörit kehittävät järjestelmiä kuorien automaattiseen syöttöön, jäähdytykseen ja laitteiston virransyöttöön. [viisitoista]
Vuonna 2015 aluksella oli tarkoitus tehdä ensimmäiset testit [5] .
Vuoteen 2020 mennessä näiden aseiden pitäisi tulla palvelukseen Yhdysvalloissa rakenteilla olevien Zamvolt-luokan hävittäjien kanssa , niiden modulaarinen rakenne ja sähköinen voimansiirto on laskettu ottaen huomioon kehittyneet sähkömagneettiset aseet [16] .
Vuoteen 2025 mennessä suunniteltiin saavuttavan 64 MJ:n kuonoenergia. Pituus noin 10 metriä ja ammuksen nopeus noin 2000 metriä sekunnissa.
Vuonna 2021 hankkeen rahoitus päättyi. [17]

Venäjän kehitys

Liittoneuvoston puolustus- ja turvallisuuskomitean ensimmäisen varapuheenjohtajan Franz Klintsevichin mukaan myös Venäjällä tehdään aktiivisesti työtä sähkömagneettisen aseen (railgun) luomiseksi [18] . Sen käyttöä astronautiikassa oletetaan käytettävän hyötykuormien laukaisemiseen kiertoradalle, mutta näitä sanoja lukuun ottamatta ei ole vielä ollut luotettavia faktoja. [19]

Katso myös

Muistiinpanot

↑ 1 2 Aleksanteri Ageev Sähkömagneettinen ase: tulevaisuuden ase Arkistokopio 10.6.2016 Wayback Machinessa // Tekhkultin verkkosivut, 21.8.2014
↑ Pentagon päätti vapauttaa kiskoase taistelukentällä Arkistoitu 10. marraskuuta 2015 Wayback Machinessa // Vzglyad
↑ Sovellettavan mekaniikan ja teknisen fysiikan lehti // Neuvostoliiton tiedeakatemia. Siperian haara. - 1989. - Nro 1-6 . - S. 146 . (Venäjän kieli)
↑ Reaktiivinen liike kaasupurkauksen aikana ulkoisesta virtalähteestä // Kirjeitä ZhTF:lle. - 1989. - T. 13 , nro 15 . (Venäjän kieli)
↑ 1 2 3 4 5 "Kehittyneet aseet: Rail Strike", The Economist, 9. toukokuuta 2015 . Haettu 30. syyskuuta 2017. Arkistoitu alkuperäisestä 16. syyskuuta 2017. (määrätön)
↑ Business Insider: Yhdysvaltain laivasto testaa sähkömagneettista asetta vuonna 2016 Arkistoitu 25. toukokuuta 2015 Wayback Machinessa // RIA Novosti
↑ Tehtävä on vaikea, mutta ratkaistava Arkistokopio 13. joulukuuta 2015 Wayback Machinessa // Aerospace Defense Magazine
↑ Julian E. Barnes Ensimmäinen katse Amerikan superaseeseen // Arkistoitu 4. lokakuuta 2017 Wayback Machinessa The Wall Street Journal , 29. toukokuuta 2016
↑ Sähkömagneettinen "avioero": todellisuus ja spekulaatiot amerikkalaisesta rautatieaseesta. Arkistokopio 3. helmikuuta 2017 Wayback Machinessa // TK Zvezda , 1. kesäkuuta 2016
↑ ekonomisti . Haettu 30. syyskuuta 2017. Arkistoitu alkuperäisestä 21. toukokuuta 2017. (määrätön)
↑ 1 2 "Catapulting ahead", The Economist, 8. maaliskuuta 2014 . Haettu 30. syyskuuta 2017. Arkistoitu alkuperäisestä 21. toukokuuta 2017. (määrätön)
↑ Yhdysvaltain laivasto esittelee maailman tehokkaimman EMRG:n 10 megajoulella . Haettu 10. joulukuuta 2008. Arkistoitu alkuperäisestä 1. kesäkuuta 2012. (määrätön)
↑ Yhdysvalloissa he testasivat "tulevaisuuden ase" -arkistokopiota 14. joulukuuta 2010 Wayback Machinella // Vesti. Ru
↑ Sähkömagneettinen ase ammuttiin suurimmalla energialla Arkistoitu 11. elokuuta 2020 Wayback Machinessa // Membrane
↑ Armeija sai ensimmäisen teollisuusrautatykin Arkistoitu 3. maaliskuuta 2012 Wayback Machinessa // Membrane
↑ Oleg Titkov. Magneettiset sodat // Suosittu mekaniikka . - 2017. - Nro 7 . - S. 76-80 .
↑ Amerikkalaiset kieltäytyivät rahoittamasta rautatieprojektia 16 vuoden kehityksestä huolimatta . Naked Science (3. kesäkuuta 2021). Haettu 6. kesäkuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 6. kesäkuuta 2021. (määrätön)
↑ Liittoneuvosto ilmoitti Venäjän kehittämästä sähkömagneettista aseen . Lenta.ru (30. toukokuuta 2016). Haettu 30. toukokuuta 2016. Arkistoitu alkuperäisestä 31. toukokuuta 2016. (määrätön)
↑ Venäläiset tiedemiehet testasivat ensin sähkömagneettista kiskotykkiä (pääsemätön linkki) . Defense.ru (12. heinäkuuta 2016). Haettu 12. heinäkuuta 2016. Arkistoitu alkuperäisestä 15. heinäkuuta 2016. (määrätön)

Linkit

Radalla - "sähköveturilla". (pääsemätön linkki) Lehti "Russian Space" nro 9, 2011.
BAE Electromagnetic Gun (helmikuu 2012 ) YouTubessa
"Laivaston sähkömagneettisen rautatykin tulevaisuus voi olla iso askel taaksepäin" - ongelmia ja näkymiä kiskoaseiden käyttöön Yhdysvaltain laivastossa (eng.)