Tun electric

Pistol electric , de asemenea , cunoscut sub numele de limba engleză a railgun - sau feroviar pistol - , prin urmare, traducere arma feroviar - a nu se confunda cu arma de cale ferată (1914-1918 și 1939-1945) - este o armă proiectil accelerată de o forță electromagnetică , similar cu cel care roteste motorul homopolar .

Principiul

Conceptul de bază este probabil la fel de vechi ca descoperirea forței Laplace (cu o propunere în Franța încă din 1884 , apoi 1908 și o încercare de dezvoltare în timpul Primului Război Mondial care a fost abandonată din lipsa unor rezultate convingătoare). Realizarea sa operațională nu este încă relevantă. În prezent există doar prototipuri care pot fi utilizate în laborator.

Conceptul constă în stabilirea unei diferențe de potențial electric între două șine paralele conductoare electric și introducerea între ele a unui proiectil conductiv care poate aluneca sau se poate rostogoli pe ele, făcând contact. De îndată ce are loc contactul, un curent electric circulă între cele două șine, se naște un câmp magnetic și proiectilul este accelerat de forța lui Laplace (interacțiunea dintre curentul care circulă în proiectil și câmpul magnetic creat).

Pistolul electric, cu propulsie electromagnetică , nu trebuie totuși confundat cu o altă formă, pistolul magnetic , unde câmpul magnetic este paralel cu axa și unde proiectilul, în loc să fie traversat de un curent , este feromagnetic .

Cu toate acestea, pentru a crește puterea pistolului electric, putem întări câmpul magnetic adăugând, de ambele părți ale planului format de cele două șine, magneți creând un câmp magnetic, perpendicular pe axă și cu direcția adecvată. la câmpul generat de curent.

Teorie

Cele două șine metalice paralele sunt conectate la un generator electric , formând astfel un circuit deschis . De îndată ce un obiect conductor este introdus între șine, circuitul este închis, iar un curent îl urmează, mergând de la + polul generatorului, de + șina, obiectul plasat, șina -, la - polul generatorul.

Acest curent creează în buclă astfel format un câmp magnetic de valoare B , care este înfășurat în jurul fiecărui element conductor conform legii lui Biot și Savart sau a teoremei lui Ampère . Presupunând bucla într-un plan orizontal, câmpul magnetic creat va fi, prin urmare, vertical în planul buclei. Prin urmare, este perpendiculară pe curentul de intensitate I și, prin urmare, exercită asupra acestuia, conform legii lui Laplace, o forță de intensitate B × I pe unitate de lungime.

Această forță, acționând asupra proiectilului, o va propulsa de-a lungul șinelor și se poate arăta că se îndepărtează de generator, mărind astfel suprafața buclei. Aceasta este o consecință a legii lui Lenz , care este mai generală. Forța Laplace propulsează proiectilul și exercită, de asemenea, tensiuni puternice pe șine, generator și, eventual, pe magnet.

Deoarece câmpul magnetic B este proporțional cu intensitatea I a curentului, forța Laplace este proporțională cu pătratul intensității.

O intensitate de un milion de amperi ar putea exercita o forță incredibilă asupra proiectilului și ar putea atinge viteze foarte mari. Am reușit să ajungem la 20  km / s cu mici proiectile aruncate pe șine de o explozie. NASA a creat și testat o armă feroviară al cărei proiectil poate atinge 9.000  km / h ( 2,5  km / s ) și a atins o țintă de 5  m anvergură aripilor la 350  km de punctul de tragere. Cantitatea mare de energie electrică necesară este contrapartida muniției grele și explozive care trebuie transportată cu o armă de tragere convențională.

Tehnic

Alegerea materialelor

Șinele și proiectilul trebuie să fie construite din materiale rezistente și conductive. Ei trebuie să reziste violenței proiectilului accelerat și căldurii dezvoltate de efectul Joule al curentului foarte mare, al fricțiunii și al șocurilor electrice ale contactelor în mișcare, care provoacă daune grave suprafețelor.

Butoiul trebuie să ia și reculul datorită accelerării proiectilului, ca în orice armă. Punctul exact de aplicare a acestei forțe de retragere este încă controversat. Tradițiile artileriei doresc ca acesta să fie pe culmele armei, adică partea circuitului care închide bucla opusă proiectilului, dar unii se bazează pe teorema Maxwell-Ampere pentru a afirma că este distribuită de-a lungul șinelor. Este probabil adevărat stricto sensu , dar dacă se neglijează viteza de joc în comparație cu cea a luminii, aproximarea artilerilor rămâne adecvată.

O problemă mai importantă este că, pe unitatea de lungime, șinele se împing exact așa cum proiectilul este împins înainte (întotdeauna perpendicular). Prin urmare, acestea trebuie să reziste la această solicitare fără să se răsucească și, prin urmare, să fie fixate foarte ferm pe un cadru nedeformabil, dar izolante pentru a evita inducerea curenților care ar reprezenta o pierdere.

Randament

Efectul Joule, prin încălzirea șinelor și a proiectilului, consumă o parte din energie, în detrimentul eficienței instalației. Căldura dezvoltată de acest efect, precum și de fricțiunea proiectilului, are trei dezavantaje principale:

• fuziune cel puțin parțială a butoiului,
• siguranța personalului de tragere,
• ușurința detectării de către inamic.

În practică, în cele mai multe variante, șinele se uzează extrem de repede. Proiectilele, de asemenea, dar, în principiu, sunt folosite o singură dată. Uzura șinelor limitează durata de viață a butoiului, iar schimbul lor standard este dificil ținând seama de soliditatea necesară a fixării lor și de calitatea necesară a contactelor cu generatorul.

Utilizarea materialelor supraconductoare este concepută, dar pentru moment foarte nerealistă (temperatură, rezistență mecanică etc.). Pe de altă parte, inductanța circuitului limitează timpul de creștere a intensității curentului, limitând, de asemenea, eficiența medie peste timpul total de accelerație.

Un arc electric poate trage între șine, provocând un scurtcircuit distructiv și negând efectul asupra proiectilului. Unele versiuni încearcă să exploateze acest efect de arc electric: o plasmă este pornită de o simplă foaie de metal conductiv vaporizată de efectul Joule; această plasmă împinge apoi proiectilul real, neconductiv, ca gazele unui pistol obișnuit, dar fără problemele asociate cu etanșeitatea și rezistența mecanică necesare (confinarea fiind efectuată de dispozitivul electromagnetic).

Generatorul

Generatorul trebuie să fie capabil să furnizeze curenți foarte puternici, controlați și în timpul necesar accelerării proiectilului. Pentru a măsura eficiența generatorului, trebuie să cunoașteți energia pe care o poate furniza, măsurată în jouli . Un proiectil cu masa m , lansat la o viteză v are o energie cinetică egală cu ½ mv 2 . Energia maximă utilizată pentru un pistol electric a fost de 33 de milioane de jouli ( MJ )10 decembrie 2010în S.U.A. Formele obișnuite de generatoare utilizate pentru pistoalele electrice sunt generatoarele de impulsuri cu volant și condensatoare  ; se poate folosi și IMM-uri .

Utilizare militară

Sectorul tunurilor electrice este explorat deoarece ar permite dezvoltarea armelor ale căror proiectile nu conțin explozivi, dar au o viteză foarte mare la ieșirea tunului  : 3500  m / s , sau aproximativ Mach 10 la nivelul mării, sau mai mult. Prin comparație, pușca Famas oferă gloanțelor sale o viteză aproximativă de 950  m / s . Acest lucru ar oferi proiectilelor mai multă energie decât o carcasă explozivă de masă egală și, prin urmare, ar permite transportarea mai multor muniții, eliminând pericolul de a transporta explozivi într-un tanc sau în turela navei. Cu toate acestea, problemele de uzură ale șinelor și ale izolatoarelor trebuie încă rezolvate înainte ca pistolul electric să poată intra în serviciu operațional . Americanii susțin că pot atinge viteze cuprinse între 7.000 și 9.000  km / h ( 1.950 și 2.500  m / s ) și speră să poată atinge rapid ținte la 185  km .

Datorită vitezei inițiale ridicate a proiectilelor, armele electrice sunt interesante în lupta împotriva rachetelor foarte rapide. În plus, o viteză mai mare ar oferi un interval mai lung, o deviere mai mică a traiectoriei și o sensibilitate mai mică la vânt. Ar ocoli astfel limitele inerente armelor de foc convenționale, care limitează, datorită legilor expansiunii gazului, viteza proiectilelor la aproximativ 1,5  km / s și raza lor de acțiune la aproximativ 80  km .

Dacă tehnica poate fi aplicată armelor automate cu foc rapid, un tun electric ar avea avantaje în ceea ce privește viteza de tragere. Mecanismele unei arme convenționale trebuie să asigure operațiunile de culcare, descărcarea și reîncărcarea fiecărui cartuș, în timp ce un tun electric, între focuri, trebuie doar să asigure alimentarea unui nou proiectil și să furnizeze puterea necesară pentru reîncărcarea generatorului. Un tun de 10  MJ care aruncă la 1  rundă / s ar avea astfel nevoie de o sursă de alimentare medie de 10  MW , adică jumătate din puterea electrică totală instalată pe portavionul nuclear Charles-de-Gaulle și, mai presus de toate, asigură răcirea continuă a ansamblului .

Teste

Probabil cel mai vechi sistem satisfăcător în mod constant a fost construit de Agenția de Cercetare a Apărării din Marea Britanie la gama Dundrennan din Kirkcudbright , Scoția . Acest sistem este funcțional de mai bine de 10 ani , Într-un serviciu de studiu balistic intern, intermediar, extern și terminal și a doborât mai multe recorduri de masă și viteză.

Pegasus construit de Institutul franco-german Militare de Cercetare Saint Louis (ISL) ar putea trage un foc în 1998 a unui kilogram , la o viteză de 2600  m / s pentru o capacitate de 15  GW . În comparație, același proiectil de pulbere nu ar depăși 1.800  m / s .

Statele Unite ( DARPA ) încă din anii 1970, ca parte a  „ inițiativei de apărare strategică ” a  președintelui Ronald Reagan, supranumită „Războiul stelelor”, a finanțat experimentele cu arme electrice.

Institutul de Tehnologie Avansată de la Universitatea din Texas, la Austin, a construit tunuri electrice capabile să tragă 9 obuze de energie  MJ de tungsten care perforează armura . Această energie este suficientă pentru a lansa o carcasă de 2  kg la 3 km / s și, cu această viteză, o tijă de tungsten sau alt metal dens, poate pătrunde cu ușurință într-un rezervor și poate trece prin.  

Centrul de război de suprafață naval al Statelor Unite din Dahlgren, Virginia, a testat un prototip de tun electric, livrat de BAE Systems , care a accelerat o carcasă de 7 kilograme (3,17  kg ) la Mach 7, proiectată pentru a fi împinsă până la 32 sau poate chiar 64  MJ .

Principala problemă cu care se confruntă Marina în dezvoltarea sa este uzura rapidă a șinelor cauzată de căldura enormă de foc. Armele de acest fel ar trebui să fie suficient de puternice pentru a provoca ceva mai multe daune decât o rachetă BGM-109 Tomahawk convențională, pentru o fracțiune din cost.

În Februarie 2008, marina americană a testat un pistol electric cu complement magnetic: a tras o carabină la 2.500  m / s cu 10  MJ . Este planificată creșterea vitezei sale inițiale la 8.300  m / s , cu o precizie suficientă pentru a atinge o țintă de la 5  m la 360  km , cu o rată de foc de 10  runde / min . Se așteaptă să fie finalizat în jurul anului 2020-2025.

10 decembrie 2010, arma de 10 metri, 54 de tone de la BAE Systems din Dahlgren, Virginia , a aruncat un obiect de 20 de kilograme la 160  km distanță . Rata sa de eliberare a fost de aproximativ Mach 5 și energia necesară a fost de 32  M J . În cele din urmă, Marina Statelor Unite speră să mărească autonomia pistolului la 320  km .

Primul prototip a fost livrat pe 30 ianuarie 2012de către BAE Systems către Marina care a reușit să efectueze primele sale teste la sfârșitul anuluifebruarie 2012. Acest tun are o capacitate de 32 megajouli, știind că un megajoule corespunde unei mașini de o tonă lansată la 160  km / h .

Arma imaginara

Pistoalele sunt adesea folosite în ficțiunea științifică sau în jocurile video pentru a prezenta puști cu lunetă foarte puternice, sisteme de distrugere foarte puternice sau arme care trag prin pereți (proiectilele fiind atât de rapide încât trec prin perete fără a-și pierde considerabil energia cinetică). Distincția cu armele magnetice („coilguns”) sau razele morții („rayguns”) este adesea estompată.

Jocuri

Au fost renumiți

• În seria Fallout, în jocurile Fallout 3 și Fallout New Vegas, Gauss Rifle folosește pur și simplu muniția cu arme energetice (baterii) pentru a trage un proiectil de dimensiuni de peleți la o viteză fenomenală pe principiul tunului magnetic, pe de altă parte, muniția este inclusă într-un rezervor pe partea laterală a armei și este practic nelimitată (dar nu și bateriile)
• În seria de jocuri video Quake și Red Faction , ca o pușcă cu lunetă.
• În seria Metal Gear Solid, fiind pistolul principal al Metal Gear REX ( Metal Gear Solid ) și ca o pușcă de precizie (MGS4). În Metal Gear Solid 4 , aceasta este, de asemenea, arma pe care Crying Wolf o folosește atunci când trage Solid Snake cu o pușcă de lunetă. Arma Fortune din Metal Gear Solid 2 pare, de asemenea, să fie o armă de cale ferată. În Metal Gear Solid: Peace Walker , arma de cale ferată este arma principală a Metal Gear ZEKE și poate fi dezvoltată și utilizată de jucător.
• În Perfect Dark , o pușcă de origine extraterestră poate fi utilizată într-un mod numit Rail-Gun. Are caracteristici tipice unui pistol electric de primă generație, așa cum ne-am putea imagina: butoi foarte lung, viteză lentă, găurire a tuturor materialelor de orice grosime și într-un număr nelimitat, precizie extremă. La fel ca în filmul L'Effaceur , acesta este echipat cu o viziune care poate mări materialul care facilitează, la fel ca în film, utilizarea acestuia pentru a traversa pereții. Există, de asemenea, o mitralieră în joc care face parte din aceeași clasă de arme, Callisto NTG, care are un mod de perforare a armurii.
• În seria de jocuri video Command and Conquer , GDI are un armament vast în ceea ce privește armele ferate, variind de la armamentul exosoldanților, unde cele două lame sunt clar vizibile pentru armele diviziilor sale blindate.
• În jocul video Nexus: The Jupiter Incident , Railgun este arma principală anti-carenă, alături de tunul cu plasmă și torpile.
• În Parasite Eve II , a doua tranșă din seria Parasite Eve , Hipervelocitatea este descrisă ca un tun electric, dar, de fapt, trage raze laser.
• În jocul Ace Combat 6: Fires of Liberation , una dintre armele speciale ale CFA-44 Nosferatu este un EML (ElectroMagnetic Launcher)
• În jocul online gratuit S4 League , există o pușcă cu lunetă numită railgun care provoacă daune monstruoase (sau ucide cu o singură lovitură) și necesită un anumit timp de încărcare pentru a-și dobândi puterea maximă de foc (raza albastră de lumină lăsând o urmă albă în timpul impacturi cu pereții care amintesc de canonul de șoc în jocurile Unreal Tournament 2003 și Unreal Tournament 2004 ).
• În jocul Hordes of Orcs 2, a fost introdus un nou turn. Este un pistol electric montat pe o turelă.
• Gauss Rifle din STALKER serie de jocuri video utilizează tehnologia de tun magnetică.
• În GoldenEye: În serviciul răului din seria de jocuri video James Bond , una dintre multele arme disponibile este o pușcă EM. Dacă îți folosești corect ochiul artificial, arma este foarte la îndemână pentru dărâmarea dușmanilor prin pereți.
• În jocurile Crysis și Crysis 2 , Gauss Sniper Rifle este o armă devastatoare care trece prin obstacole și lasă o urmă albăstruie, precum și scântei în care glonțul s-a întrerupt.
• În jocul EVE Online , este posibil să vă echipați nava spațială cu o armă feroviară care este definită ca o armă hibridă, o armă care folosește proiectile și energie. De asemenea, găsim pistolul magnetic numit Coilgun în aceeași categorie.
• În jocul OpenArena , există o armă numită railgun, prezentă de obicei într-un singur loc pe hărți, care este o armă electrică (lasă o urmă albăstruie, are un timp de răcire destul de lung) și care ucide de obicei într-o singură lovitură. Ea este, împreună cu pistolul de unghii , cea mai puternică armă din joc.
• În jocurile Nexuiz și Xonotic, arma „lunetist”, Nex, este o armă de înaltă precizie, de o formă alungită, electrică (prin urmele sale albastre și trosnite și sunetul când este folosită), provocând daune grave și reîncărcându-se încet. În plus, Xonotic Nex are ambele șine conductoare, oferindu-i forma caracteristică a unei arme de cale ferată. În ambele jocuri, modul „Minsta” oferă tuturor jucătorilor o armă unică, MinstaNex, care este o versiune îmbunătățită a Nex (ucide la fiecare lovitură). De la versiunea 0.6 a Xonotic, MinstaNex a trecut de la orice formă la ceva similar cu Nex, dar cu patru șine conductoare, ceea ce crește aspectul pistolului.
• Jocul Elite: Dangerous ia principiul tunului electric și îl face o armă extrem de puternică, dar dificil de utilizat. Într-adevăr, poate fi folosit doar într-un punct fix, ceea ce implică alinierea cu ținta de atins.
• Principiul tunului electric este folosit pentru majoritatea armelor cu efect de masă . Un proiectil metalic de mărimea unui bob de nisip este puternic accelerat de un tun electric, al cărui efect este mărit de zece ori prin reducerea masei proiectilului cu elementul zero. Acest lucru are ca rezultat o capacitate infinită de fapt de muniție în armă, singura limită a împușcării rămâne încălzirea armei.
• Este prezent și în Halo 4.
• În jocul PlanetSide2, lunetistii din noul conglomerat au opțiunea de a folosi AF-8 RailJack, care este o pușcă magnetică cu scădere redusă.
• În jocul sci-fi Deserturi din Kharak , Tunul electric este o unitate puternică de artilerie cu rază lungă de acțiune.
• În jocul de browser online OGame , tunul lui Gauss este una dintre apărările terestre care pot fi achiziționate pentru a apăra una dintre planetele sale.
• În universul Warhammer 40.000 , cursa Tau echipează tancurile Hammerhead și armura cu bandă largă XV-88 cu pistoale ferate și echipele lor de țintă cu pușcă feroviară, o pușcă de lunetă electrică.
• În jocul Robocraft, pistolele sunt unități care provoacă daune mari la o distanță relativ mare, dar necesită o răcire semnificativă și putere de reîncărcare.

• În jocul video Cyberpunk 2077, un model de pușcă are tehnologia de accelerare a proiectilelor inspirată de tunurile feroviare.

În cinema și televiziune

• În filmul The Eraser , cu actorul Arnold Schwarzenegger , o armă futuristă care este traficată este nimeni alta decât un tun electromagnetic sau electric.
• În filmul Transformers 2: Revenge , armata SUA folosește un tun electric pentru a distruge un Decepticon , un inamic al Autobotilor .
• În seria Stargate SG-1 și derivatele sale Stargate Atlantis și Stargate Univers , navele din clasele BC-303 și BC-304 sunt înarmate cu numeroase tunuri electromagnetice sau cu tunuri feroviare.
• În seria The Expanse , tunurile electrice fac parte din arsenalul folosit în luptele din spațiu.
• În seria Salvation , un tun electric este folosit pentru a bombarda un asteroid cu miezuri feroase.

Manga

• În manga Pisica Neagră a lui Kentaro Yabuki , eroul ( Train Heartnet ) capătă noi puteri după vindecarea bruscă a „mutației” sale. Corpul său produce electricitate, pe care o injectează în Hades (arma la alegere, pistol orichalcum) pentru ao folosi ca pistol de cale ferată. O lovitură de putere distructivă. Cu toate acestea, este limitat la 4 fotografii pe zi.
• În romanul lumina adaptat în manga și anime Toaru Majutsu no index (precum și în Toaru Kagaku nu Railgun ) caracterul lui Mikoto Misaka este poreclit railgun , deoarece ea utilizări de masterat de energie electrică și o monedă ca un proiectil.
• În animația Gundam SEED și Gundam Seed Destiny , pistolul de cale ferată și tunul liniar (care par să funcționeze pe același principiu ca și pistolul de cale ferată), sunt menționate ca arma principală a unor tancuri (înlocuind tunul cu coajă) și ca armă secundară a unor nave spațiale (în principal Arhanghelul) și MS (printre altele Libertatea).
• În manga Code Breaker al lui Akimine Kamijyo, Toki Fujiwara este capabil să trimită proiectile dincolo de viteza sunetului folosind puterea sa magnetică și electrică.
• În manga Sky High Survival a lui Tsuina Miura, Kuon Shinzaki deține sistemul de tunuri electrice reprezentat de un turn imens care îi permite să vizeze pe oricine este prezent în dimensiunea în care sunt situate, cu condiția să-și cunoască coordonatele exacte.

Note și referințe

1. Răspuns la "Controversa legii puterii electrodinamice" [ (în)  citit online ]
2. „PowerLabs pistolul electric” [ (în)  citește online ]
3. http://www.liberation.fr/monde/06012838-le-railgun-le-giga-canon-de-la-navy Liberation.fr
4. Redactarea lui Monde.fr, „  ÎN MARINA - Primul prototip industrial al unui pistol electromagnetic  ” , pe lemonde.fr ,29 februarie 2012(accesat la 7 septembrie 2020 ) .
5. David Adams, „Are Railguns Naval Revolutionary” [ (în)  citit online ]
6. Caracteristicile lui Charles-de-Gaulle
7. Universitatea din Texas , „EM Systems” [ (în)  citit online ]
8. Revizuire tehnologică: „Arma electromagnetică a pistolului se dezactivează” [ (în)  citește online ]
9. Erik Sofge, Mecanici populari , „Cea mai puternică pistol feroviar din lume livrată marinei” [ (în)  citește online ] , 14/11/2007
10. Michael Zitz, Fredericksburg.com , „O lovitură de rachetă la prețurile glonțului” [ (în)  citit online ] , 01.01.2007
11. Imagine și comentarii: [ (en)  Vezi online ]
12. Pistolul electromagnetic trece testul focului , în Science & Vie n o  1122, martie 2011, p.  46 ( ISSN  0036-8369 )

Sursă

• (fr) Acest articol este preluat parțial sau în întregime din articolul din Wikipedia în engleză intitulat „  Railgun  ” ( vezi lista autorilor ) .

Vezi și tu

Articole similare

• Butoi magnetic
• Catapulta electromagnetică
• Ecuațiile lui Maxwell
• Ramjet cu combustie superstatoasă sau supersonică
• Arma electronică