Ein railgun ist eine elektrisch angetriebene Artillerie-Pistole, die eine leitende Kugel entlang elektromagnetischen Schienen mit denselben Grundsätzen wie der homopolar Motor beschleunigt. Gebrauch von Railguns (zwei) das Schieben oder Rollen von Kontakten, die einem großen elektrischen Strom erlauben, die Kugel durchzuführen. Dieser Strom wirkt mit den starken magnetischen durch die Schienen erzeugten Feldern aufeinander, und das beschleunigt die Kugel. Besondere Eigenschaften sind der Mangel an Treibgas (nur die Kugel und die elektrische Energie loszufahren es ist erforderlich), und die Fähigkeit, Kugeln viel schneller zu starten, als Schusswaffe-Technologie erlaubt.

Railguns haben lange als experimentelle Technologie bestanden. Jedoch, in den letzten Jahren, sind sie ausführbare militärische Technologie geworden. Zum Beispiel, gegen Ende der 2000er Jahre, hat die amerikanische Marine einen railgun geprüft, der eine 3.2 Kg (7 Pfunde) Kugel zu ungefähr beschleunigt. Sie haben dem Projekt die lateinische Devise "Velocitas Eradico," gegeben, den sie als "Geschwindigkeit übersetzen, die ich töte". Die Devise ist zurzeit unter der Debatte in der railgun Gemeinschaft und unter lateinischen Gelehrten.

Abgesondert von militärischen Anwendungen sind railguns vorgeschlagen worden, um Raumfahrzeug in die Bahn zu starten. Jedoch, wenn die losfahrende Spur nicht besonders lang war, und die Beschleunigung Ausbreitung im Laufe einer viel längeren Zeit verlangt hat, würden solche Starts auf das unbemannte Raumfahrzeug notwendigerweise eingeschränkt.

Geschichte

1918 hat französischer Erfinder Louis Octave Fauchon-Villeplee eine elektrische Kanone erfunden, die eine starke Ähnlichkeit mit dem geradlinigen Motor hat. Er hat für ein US-Patent am 1. April 1919 abgelegt, das im Juli 1922 als offener Nr. 1,421,435 "Elektrischer Apparat ausgegeben wurde, um Kugeln Anzutreiben". In seinem Gerät wird zwei Parallele busbars durch die Flügel einer Kugel und den ganzen durch ein magnetisches Feld umgebenen Apparat verbunden. Durch den vorübergehenden Strom durch busbars und Kugel wird eine Kraft veranlasst, der die Kugel entlang den Busbars und in den Flug antreibt.

Während des Zweiten Weltkriegs wurde die Idee von Joachim Hänsler von Deutschlands Artillerie-Büro wiederbelebt, und eine elektrische Fliegerabwehrpistole wurde vorgeschlagen. Bis zum Ende 1944 war genug Theorie ausgearbeitet worden, um dem Luftabwehr-Befehl der Luftwaffe zu erlauben, eine Spezifizierung auszugeben, die eine Maul-Geschwindigkeit und eine Kugel gefordert hat, die von Explosivstoff enthält. Die Pistolen sollten in Batterien von sechs Zündung von zwölf Runden pro Minute bestiegen werden, und es sollte vorhandenen 12.8-Cm-FlaK 40 Gestelle anpassen. Es wurde nie gebaut. Als Details entdeckt wurden, nach dem Krieg hat es viel Interesse aufgeweckt, und eine ausführlichere Studie wurde getan, mit einem 1947-Bericht kulminierend, der beschlossen hat, dass es theoretisch ausführbar war, aber dass jede Pistole genug Macht brauchen würde, Hälfte Chicagos zu illuminieren.

Während 1950 hat Herr Mark Oliphant, ein australischer Physiker und der erste Direktor der Forschungsschule von Physischen Wissenschaften an der neuen australischen Nationalen Universität, das Design und den Aufbau der größten (500 Megajoule) in der Welt homopolar Generator begonnen. Diese Maschine wurde verwendet, um den groß angelegten railgun anzutreiben, der als ein wissenschaftliches Instrument verwendet wurde.

Design von Railgun

Theorie

Ein railgun besteht aus zwei parallelen Metallschienen (folglich der Name) verbunden mit einer Versorgung der elektrischen Leistung. Wenn eine leitende Kugel zwischen den Schienen eingefügt wird (am Ende, das mit der Macht-Versorgung verbunden ist), vollendet es den Stromkreis. Der Elektronfluss vom negativen Terminal der Macht liefert die negative Schiene, über die Kugel, und unten die positive Schiene zurück zur Macht-Versorgung.

Dieser Strom lässt sich den railgun als ein Elektromagnet benehmen, ein starkes magnetisches Feld im Gebiet der Schienen bis zur Position der Kugel schaffend. In Übereinstimmung mit der rechten Regel zirkuliert das magnetische Feld um jeden Leiter. Da der Strom in der entgegengesetzten Richtung entlang jeder Schiene ist, wird das magnetische Nettofeld zwischen den Schienen (B) vertikal geleitet. In der Kombination mit dem Strom (I) über die Kugel erzeugt das eine Kraft von Lorentz, die die Kugel entlang den Schienen beschleunigt. Es gibt auch Kräfte, die den Schienen folgen, die versuchen, sie einzeln zu stoßen, aber da die Schienen fest bestiegen werden, können sie sich nicht bewegen. Die Kugel lässt die Schienen weg von der Macht-Versorgung gleiten.

Eine sehr große Macht-Versorgung, auf der Ordnung von einer Million Ampere des Stroms zur Verfügung stellend, wird eine enorme Kraft auf der Kugel schaffen, es zu einer Geschwindigkeit von vielen Kilometern pro Sekunde (km/s) beschleunigend. 20 km/s sind mit kleinen in den railgun explosiv eingespritzten Kugeln erreicht worden. Obwohl diese Geschwindigkeiten möglich sind, ist die vom Antrieb des Gegenstands erzeugte Hitze genug, um die Schienen schnell wegzufressen. Unter Bedingungen des hohen Gebrauches würde Strom railguns häufigen Ersatz der Schienen verlangen, oder eine Hitze widerstandsfähiges Material zu verwenden, das leitend genug sein würde, um dieselbe Wirkung zu erzeugen.

Rücksichten

Die Macht-Versorgung muss im Stande sein, große Ströme zu liefern, die gestützt und über eine nützliche Zeitdauer kontrolliert sind. Das wichtigste Maß der Macht-Versorgungswirksamkeit ist die Energie, die es liefern kann. Bezüglich des Dezembers 2010 war die größte bekannte Energie, die verwendet ist, um eine Kugel von einem railgun anzutreiben, 33 Megajoule. Die meisten Standardformen des in railguns verwendeten Macht-Bedarfs sind Kondensatoren und compulsators, die von anderen dauernden Energiequellen langsam beladen werden.

Die Schienen müssen enormen abstoßenden Kräften während des Schießens widerstehen, und diese Kräfte werden dazu neigen, sie einzeln und weg von der Kugel zu stoßen. Als Abfertigungen der Schiene/Kugel zunehmen, entwickelt sich das Funken, der schnelle Eindampfung und großen Schaden zu den Schiene-Oberflächen und den Isolator-Oberflächen verursacht. Das hat etwas frühe Forschung railguns auf einen Schuss pro Dienstzwischenraum beschränkt.

Die Induktanz und der Widerstand der Schienen und Macht-Versorgung beschränken die Leistungsfähigkeit eines railgun Designs. Zurzeit verschiedene Schiene-Gestalten und railgun Konfigurationen, werden am meisten namentlich durch die USA-Marine, das Institut für die Fortgeschrittene Technologie und die BAE Systeme geprüft.

Materialien verwendet

Die Schienen und Kugeln müssen von starken leitenden Materialien gebaut werden; die Schienen müssen die Gewalt einer beschleunigenden Kugel und Heizung wegen der großen Ströme und beteiligten Reibung überleben. Die auf die Schienen ausgeübte Rückstoß-Kraft ist gleich und gegenüber der Kraft, die die Kugel antreibt. Der Sitz der Rückstoß-Kraft wird noch diskutiert. Die traditionellen Gleichungen sagen voraus, dass die Rückstoß-Kraft dem Laderaum des railgun folgt. Eine andere Schule des Gedankens ruft das Kraft-Gesetz von Ampère an und behauptet, dass es entlang den Schienen handelt (der ihre stärkste Achse ist). Die Schienen treiben auch sich über eine seitliche Kraft zurück, die durch die Schienen verursacht ist, die durch das magnetische Feld stoßen werden, wie die Kugel ist. Die Schienen müssen das überleben ohne sich zu biegen und müssen sehr sicher bestiegen werden.

Hitzeverschwendung

Massive Beträge der Hitze werden durch die Elektrizität geschaffen, die durch die Schienen, sowie durch die Reibung der Kugel fließt, das Gerät verlassend. Die Hitze, die durch diese Reibung selbst geschaffen ist, kann Thermalvergrößerung der Schienen und Kugel verursachen, weiter die Reibungshitze vergrößernd. Das verursacht drei Hauptprobleme: das Schmelzen der Ausrüstung, die verminderte Sicherheit des Personals und die Entdeckung durch feindliche Kräfte.

Wie kurz besprochen, oben verlangen die Betonungen, die an der Zündung dieser Sorte des Geräts beteiligt sind, ein äußerst hitzebeständiges Material. Sonst würden die Schienen, das Barrel und die ganze beigefügte Ausrüstung schmelzen oder nicht wiedergutzumachend beschädigt werden.

In der Praxis sind die Schienen, mit den meisten Designs von railgun, Thema der Erosion wegen jedes Starts; und Kugeln können etwas Grad von ablation auch unterworfen sein, und das kann railgun Leben in einigen Fällen streng beschränken.

Mathematische Formel

In der railgun Physik kann der Umfang des Kraft-Vektoren von einer Form des Biot-Savart Gesetzes und einem Ergebnis der Kraft von Lorentz bestimmt werden. Es kann mathematisch in Bezug auf die Durchdringbarkeit unveränderlich , der Radius der Schienen abgeleitet werden (die, wie man annimmt, in der bösen Abteilung kreisförmig sind) , die Entfernung zwischen dem centerpoints der Schienen und dem Strom in Ampere durch das System wie folgt:

Es kann aus dem Biot-Savart Gesetz gezeigt werden, dass durch das magnetische Feld in einer gegebenen Entfernung von einer halbunendlichen Strom tragenden Leitung gegeben wird:

Also, im Raum zwischen zwei halbunendlichen Leitungen, die durch eine Entfernung getrennt sind, ist der Umfang des Feldes:

Um das durchschnittliche magnetische Feld im Raum zwischen den zwei Leitungen zu erhalten, nehmen wir an, dass das im Vergleich dazu klein ist und schätzen Sie das folgende Integral:

Nach dem Kraft-Gesetz von Lorentz wird durch die magnetische Kraft auf einer Strom tragenden Leitung so gegeben, da die Breite der leitenden Kugel ist, haben wir

Die Formel basiert in der Annahme, dass die Entfernung zwischen dem Punkt, wo die Kraft gemessen wird und der Anfang der Schienen, größer ist als die Trennung der Schienen durch einen Faktor von ungefähr 3 oder 4 . Einige andere Vereinfachungsannahmen sind auch gemacht worden; um die Kraft genauer zu beschreiben, muss die Geometrie der Schienen und der Kugel betrachtet werden.

Anwendungen

Railguns haben mehrere potenzielle praktische Anwendungen in erster Linie für das Militär. Jedoch gibt es andere theoretische Anwendungen, die zurzeit erforschen werden.

Start oder Start helfen vom Raumfahrzeug

Hilfe von Electrodynamic, um Raketen zu starten, ist studiert worden. Raumanwendungen dieser Technologie würden wahrscheinlich besonders gebildete elektromagnetische Rollen und Superleiten-Magnete einschließen. Zerlegbare Materialien würden wahrscheinlich für diese Anwendung verwendet.

Für Raumstarts von der Erde würden relativ kurze Beschleunigungsentfernungen (weniger als einige Kilometer) sehr starke Beschleunigungskräfte höher verlangen, als Menschen dulden können. Andere Designs schließen eine längere spiralenförmige (spiralförmige) Spur oder ein großes Ringdesign ein, wodurch ein Raumfahrzeug den Ring zahlreiche Zeiten umkreisen würde, allmählich Geschwindigkeit gewinnend, bevor es in einen Start-Gang veröffentlicht wird, der himmelan führt.

2003 hat Ian McNab einen Plan entworfen, diese Idee in eine begriffene Technologie zu verwandeln. Die beteiligten Beschleunigungen sind bedeutsam stärker, als Menschen behandeln können. Dieses System würde nur verwendet, um kräftige Materialien, wie Essen, Wasser und Brennstoff zu starten. Bemerken Sie, dass die Flucht-Geschwindigkeit unter idealen Verhältnissen (Äquator, Berg, Osten anführend), 10.735 km/s ist. Das System würde $ 528/Kg im Vergleich zu $ 20,000/Kg auf Raumfähre kosten (sieh Nichtrakete spacelaunch). Das railgun System, das McNab vorgeschlagen hat, würde 500 Tonnen pro Jahr starten, sich über etwa 2000 Starts pro Jahr ausbreiten. Weil die Start-Spur 1.6 km sein würde, wird Macht durch ein verteiltes Netz von 100 rotierenden Maschinen (compulsator) Ausbreitung entlang der Spur geliefert. Jede Maschine würde einen 3.3-Tonne-Kohlenstoff-Faser-Rotor haben, der mit hohen Geschwindigkeiten spinnt. Eine Maschine kann in einer Sache von Stunden mit 10 MW wieder laden. Diese Maschine konnte durch einen hingebungsvollen Generator geliefert werden. Das Gesamtstart-Paket würde fast 1.4 Tonnen wiegen. Die Nutzlast pro Start in diesen Bedingungen ist mehr als 400 Kg. Es würde ein magnetisches Maximalbetriebsfeld 5T - Hälfte dieser Ankunft aus den Schienen und die andere Hälfte davon geben, Magnete zu vermehren. Das Hälften des erforderlichen Stroms durch die Schienen, der die vierfache Macht reduziert.

Als Waffen

Railguns werden als Waffen mit Kugeln erforscht, die Explosivstoffe nicht enthalten, aber äußerst hohe Geschwindigkeiten gegeben werden: 3,500 m/s (11,500 ft/s, ungefähr Mach 10 auf Meereshöhe) oder mehr (zum Vergleich, hat das M16 Gewehr eine Maul-Geschwindigkeit von 930 m/s oder 3,050 ft/s), der ihre kinetische Energie gleich oder höher als der Energieertrag einer Explosivstoff-gefüllten Schale der größeren Masse machen würde. Das würde Munitionsgröße und Gewicht vermindern, mehr Munition erlaubend, getragen zu werden und die Gefahren von tragenden Explosivstoffen in einer Zisterne oder Marinewaffenplattform beseitigend. Außerdem durch die Zündung an größeren Geschwindigkeiten haben railguns größere Reihe, weniger Kugel-Fall, schnellere Zeit auf dem Ziel und weniger Windantrieb, die physischen Beschränkungen von herkömmlichen Schusswaffen umgehend, "die Grenzen der Gasvergrößerung verbieten Stapellauf einer nicht unterstützten Kugel zu Geschwindigkeiten, die größer sind als ungefähr 1.5 km/s und Reihen von mehr als 50 Meilen [80 km] von einem praktischen herkömmlichen Pistole-System."

Die vergrößerten Start-Geschwindigkeiten von railguns würden auch größere Fähigkeit sowohl für beleidigende als auch für defensive Anwendungen verglichen mit traditionellen Waffen erlauben. Die größere kinetische Energie und verminderte Zeit auf dem Ziel, das mit vergrößerten Start-Geschwindigkeiten, wenn verbunden, mit nicht traditionellen Runden vereinigt ist, erlaubt einem einzelnen railgun, sowohl Bord-als auch Land effektiv anzugreifen, oder Meer hat Ziele gestützt.

Wenn es möglich wäre, die Technologie als eine automatische Schnellfeuerwaffe anzuwenden, würde ein railgun im Vorteil der vergrößerten Rate des Feuers sein. Die Futter-Mechanismen einer herkömmlichen Schusswaffe müssen sich bewegen, um die vorantreibende Anklage sowie die Munition herum anzupassen, während ein railgun nur die Kugel würde anpassen müssen. Außerdem würde ein railgun keine verausgabte Hülse aus dem Laderaum herausziehen müssen, bedeutend, dass eine frische Runde fast sofort periodisch wiederholt werden konnte, nachdem die vorherige Runde geschossen worden ist.

Viele Kritiker von weaponized railgun Systemanspruch, an einer anständigen Rate der Geschwindigkeit zu laufen, würden zu viel Macht verbrauchen, obwohl das wahrscheinlich kein Problem für Atomsysteme solcher als auf großen Schlachtschiffen oder Unterseebooten sein würde.

Der erste weaponized railgun geplant für die Produktion, die Allgemeine Atomphysik System von Blitzer, hat volle Systemprüfung im September 2010 begonnen. Die Waffe startet einen stromlinienförmigen Verschrottungsholzschuh, der herum durch die Gespenst-Arbeiten der Boeing an 1600 m/s (ungefähr Mach 5) mit Beschleunigungen entworfen ist, die 60,000 g's überschreiten. Während einen der Tests ist die Kugel im Stande gewesen, zusätzliche 7 km downrange nach dem Eindringen in einen 1/8 Zoll dicker Stahlteller zu reisen. Die Gesellschaft hofft, eine einheitliche Demo des Systems zu haben, das vor 2016 von der Produktion vor 2019 während der Finanzierung gefolgt ist. So weit wird das Projekt selbstgefördert.

Tests

Umfassende Modelle sind gebaut und, einschließlich einer sehr erfolgreichen langweiligen 90-Mm-Angelegenheit, 9 MJ kinetische durch den amerikanischen DARPA entwickelte Energiepistole angezündet worden. Schiene und Isolator-Tragen-Probleme müssen noch gelöst werden, bevor railguns anfangen kann, herkömmliche Waffen zu ersetzen. Wahrscheinlich wurde das älteste durchweg erfolgreiche System von Vereinigten Königreichs Verteidigungsforschungsagentur an der Dundrennan-Reihe in Kirkcudbright, Schottland gebaut. Dieses System ist jetzt seit mehr als 10 Jahren an einer verbundenen Flugreihe für die innere, Zwischen-Außen- und Endballistik betrieblich gewesen, und hat mehrere Massen- und Geschwindigkeitsaufzeichnungen erreicht.

Der jugoslawische MTI (MTI - Militär - Technologieinstitut) hat sich, innerhalb eines Projektes genannt EDO-0, eine Schiene-Pistole mit 7 kJ kinetischer Energie 1985 entwickelt. 1987 wurde ein Nachfolger geschaffen, Projekt EDO-1, das Kugel mit einer Masse von 0.7 Kg verwendet hat und Geschwindigkeiten von 3,000 m/s, und mit einer Masse von 1.1 Kg erreicht hat, hat Geschwindigkeiten von 2,400 m/s erreicht. Es hat eine Spur-Länge von 0.7 M verwendet. Gemäß denjenigen, die daran mit anderen Modifizierungen arbeiten, ist es im Stande gewesen, eine Geschwindigkeit von 4,500 m/s zu erreichen. Das Ziel war, Kugel-Geschwindigkeit von 7,000 m/s zu erreichen. Zurzeit wurde es als ein militärisches Geheimnis betrachtet.

Das USA-Militär unterstützt Railgun-Experimente finanziell. An der Universität Texas an Austin Center für Electromechanics ist Militär railguns fähig dazu, Wolfram-Rüstungsdurchstoßen-Kugeln mit kinetischen Energien von neun Megajoule zu liefern, entwickelt worden. 9 MJ sind genug Energie, 2 Kg der Kugel an 3 km/s-at zu liefern, dass Geschwindigkeit eine Stange des Wolframs oder eines anderen dichten Metalls in eine Zisterne leicht eindringen, und es potenziell durchführen konnte.

Das USA-Marineoberflächenkrieg-Zentrum Dahlgren Abteilung hat eine 8 MJ Schiene-Pistole demonstriert, die 3.2-Kg-Kugeln im Oktober 2006 als ein Prototyp einer 64 MJ an Bord von Marineschlachtschiffen sich aufzumarschierenden Waffe anzündet. Das Hauptproblem, das die amerikanische Marine mit dem Einführen eines railgun Kanone-Systems gehabt hat, besteht darin, dass sich die Pistolen wegen der riesigen erzeugten Hitze durch die Zündung abnutzen. Wie man erwartet, sind solche Waffen stark genug, um etwas mehr Schaden anzurichten, als eine BGM-109 Kriegsbeil-Rakete an einem Bruchteil der Kugel-Kosten. Seitdem, BAE Systeme hat einen 32 MJ Prototyp an die amerikanische Marine geliefert.

Am 31. Januar 2008 hat die US-Marine einen railgun geprüft, der eine Schale an 10.64 MJ mit einer Maul-Geschwindigkeit von 2,520 m/s angezündet hat. Seine erwartete Leistung ist eine Maul-Geschwindigkeit mehr als 5,800 m/s, genau genug, um ein 5-Meter-Ziel weg zu treffen, während sie an 10 Schüssen pro Minute schießt. Die Macht wurde durch neue 9 Megajoule (MJ) Prototyp-Kondensatorbank mit Halbleiterschaltern und Kondensatoren der hohen Energiedichte geliefert 2007 und ein älteres 32-MJ Pulsmacht-System von der Grünen Farm der US-Armee Elektrische Pistole-Forschungs- und Entwicklungsmöglichkeit entwickelt gegen Ende der 1980er Jahre zur Verfügung gestellt, der vorher durch die Allgemeine Atomphysik Elektromagnetische Systeme (EMS) Abteilung renoviert wurde. Wie man erwartet, ist es zwischen 2020 bis 2025 bereit.

Der neuste Test eines railgun hat am 10. Dezember 2010, durch die US-Marine am Marineoberflächenkrieg-Zentrum Dahlgren Abteilung stattgefunden. Während des Tests hat das Büro der Marineforschung einen Weltrekord durch das Leiten eines 33 MJ-Schusses vom railgun gebrochen, der durch BAE Systeme gebaut wurde.

Abzug für die Trägheitsbeschränkungsfusion

Railguns kann auch für die Trägheitsbeschränkung Kernfusion miniaturisiert werden.

• Fusion wird durch die sehr ultrahohe Temperatur und den Druck am Kern ausgelöst.
• Aktuelle Technologie verlangt nach vielfachen Lasern, gewöhnlich mehr als 100, um ein Kraftstoffkügelchen gleichzeitig zu schlagen, einen symmetrischen Druckdruck schaffend.
• Railguns kann im Stande sein, Fusion durch die Zündung energischen Plasmas von vielfachen Richtungen auszulösen. HyperV Technologies arbeitet, um diese Technologie zur Verwirklichung zu bringen. Der entwickelte Prozess ist mit vier Schlüsselschritten verbunden.
• Plasma wird in einen Raum gepumpt.
• Wenn der Druck groß genug ist, wird ein Diaphragma zerspringen, Benzin unten die Schiene sendend.
• Kurz später wird eine genügend Stromspannung auf die Schienen angewandt, einen Leitungspfad von ionisiertem Benzin schaffend.
• Dieses Plasma hat unten die Schiene beschleunigt, schließlich an einer großen Geschwindigkeit vertrieben werden.
• Die Schienen und Dimensionen sind auf der Ordnung von Zentimeter.

Siehe auch

• Coilgun
• Elektromagnetische Kugel-Geräte (Fiktion)
• Generator von Homopolar
• Kinetische Energie penetrator
• Leichte Gaspistole
• Liste von caseless Schusswaffen
• Fahrer von Massachusetts
• Nichtrakete spacelaunch
• Planen Sie Babylon
• Widder-Gaspedal
• Hauen Sie Kanone ab
• Raumpistole

Links

• NRL Railgun Demonstrationsvideo US-Marineforschungslabor, Juli 2010
• USN setzt fünfjähriges Ziel, um elektromagnetische Pistole-Verteidigung von Jane Wöchentlich, am 20. Juli 2006 zu entwickeln
• Elektromagnetischer Railgun populärer Wissenschaftsartikel
• Video der Marine railgun Testzündung, Elektromagnetische Marinestart-Möglichkeit, Testschuss #1, am 2. Oktober 2006. Quelle: Fredericksburg.com, zugegriffen am 30. Januar 2007
• Stärkste Schiene-Pistole in der Welt, die an die Marine, am 14. November 2007 geliefert ist