¿Cómo funciona el cañón de riel de la Marina de los EE. UU.? Eso debe necesitar una corriente instantánea loca. ¿Cómo consiguen eso? ¿Cómo evitan que se derrita?

Gracias Rupert Baines por el A2A.
Tuve la suerte de formar parte de un equipo que desarrolló sensores de campo eléctrico / magnético de fibra óptica para el proyecto de cañón de riel del NRL, así que pude verlo bien.
Un poco de historia para aquellos que no entienden cómo funciona una pistola ferroviaria electromagnética:
El cañón de riel utiliza la fuerza de Lorentz para propulsar una armadura cargada con un proyectil, en lugar de utilizar explosivos o propulsores inflamables. La fuerza de Lorentz es una fuerza que un campo magnético aplica a un cable que transporta corriente. Aquí hay un diagrama de las fuerzas en un cañón de riel:
(Fuente: HowStuffWorks)
La corriente de conducción pasa entre los rieles a través de la armadura, que la corriente gigantesca (resulta ser mega-amperios, no giga-amperios) induce un campo magnético muy grande entre los rieles. La corriente que pasa a través de la armadura, entonces, es la corriente sobre la cual actúa la fuerza de Lorentz.

Hay una gran cantidad de ingeniería involucrada en hacer que esto funcione sin interrupciones. Curiosamente, puedes construir tu propio cañón de riel a una escala mucho más pequeña sin tener que lidiar con el mismo tipo de desafíos involucrados en esta gran arma. Todo lo que necesita es un multiplicador de alto voltaje y un condensador grande (para uno relativamente pequeño probablemente necesitará ~ 500V), junto con algunos rieles correctamente alineados y un proyectil conductor.
Aquí hay un diagrama de circuito básico para una artillería de tamaño uno que opera a 3600 voltios con una capacitancia de 6 Faradios:
Fuente: http://www.powerlabs.org/railgun…

Y una imagen de dicho sistema:
Es un poco más alto que un banco de trabajo, tal vez algo del tamaño de una cabeza de playa de la Segunda Guerra Mundial. Puedes hacerlos más pequeños y más baratos. * Advertencia: no use una pistola de riel construida en casa en la propiedad de nadie. Usted será responsable por daños a la propiedad. Si quieres destruir cosas, lleva el arma y algunos bloques de cemento a un área deshabitada y sopla los bloques de cemento. *

El cañón de riel del NRL es muy similar, solo tiene importantes factores de escala de potencia.

El primer factor es el almacenamiento y la entrega de energía.

El banco de condensadores es aproximadamente del tamaño de una casa rodante, probablemente un poco más grande.
Fuente: Sapienza SASLab
(Esta imagen es en realidad para un cañón de riel mucho más pequeño. El NRL es mucho más grande y entrega mucha más energía).

Los números exactos se mantuvieron clasificados de mí, pero por lo que pude deducir es de alrededor de 1 millón de voltios cuando se carga, con una corriente de pulso instantánea de alrededor de 1 millón de amperios. (Lo siento, Rupert, no 28 mil millones. Estoy bastante seguro del orden del rango de magnitud: D)

Los campos involucrados son tan intensos que para medirlos, no puedes usar ningún metal en absoluto.
Los sensores tradicionales de punto E y punto B son esencialmente antenas. Cuando se coloca * cerca * del riel, ni siquiera en él, los campos involucrados son lo suficientemente fuertes como para lanzar esos sensores. Colocados dentro, destrozarán los sensores. Cualquier medición de los campos dentro del arma debe hacerse sin metal, por lo tanto, contratar al grupo de investigación para desarrollar sensores que * puedan * entrar.
(los detalles están fuera del alcance de esta pregunta, pero aquí hay una foto)
Fuente: BYU Photonics

El siguiente es un problema mecánico: disipación de calor, etc.

¿Cómo evitan que se derrita?

Curiosamente, en realidad no lo hacen. Parte de eso es por diseño, y parte de eso es porque no lo han diseñado lo suficientemente bien.

Al no estar al tanto de la construcción real, pero conociendo un poco de ingeniería, lo más probable es que los rieles estén compuestos principalmente de tungsteno solo por el simple hecho de que puede soportar el calor mejor que cualquier otro metal. Según numerosas fuentes, los proyectiles también son bloques sólidos de tungsteno.

El primer disparo siempre es el más duro porque no pueden lubricar los rieles con nada. Entonces, cuando quieren dispararlo de verdad, varias veces seguidas, disparan primero una armadura en blanco, y la enorme corriente y fricción derrite los lados de la armadura para cubrir los rieles con aluminio líquido.

Sí, es cierto, está lubricado con aluminio líquido.

Aquí hay un disparo de muestra:
¿Todas esas cosas que parecen explosiones detrás de esto?

Eso no es pólvora, ni combustible para cohetes, y no es una explosión.

Eso es aluminio fundido.

Por cierto, el arma puede disparar unas pocas docenas de veces antes de que algo se rompa y deba ser reparada. Con todo ese estrés y calor, es completamente esperado, y de hecho es sorprendente que incluso pueda disparar algunas veces. Pero la armada quiere que dispare cientos de veces antes de que se rompa.

Algunos otros desafíos de ingeniería, como la precisión:

Resulta que la munición no es solo un simple bloque de metal sólido con una punta afilada y plumas. No hay explosivos, pero * hay * algunos componentes electrónicos y piezas móviles.

El trabajo del cañón de riel es disparar la pieza de metal arruinada fuera de la atmósfera en la dirección general correcta. A partir de ahí, depende del proyectil asegurarse de que aterrice en el lugar correcto.
Observe cómo, en el apogeo de la trayectoria, el proyectil no mira hacia adelante, sino hacia arriba. Esto se debe a que las plumas en la parte posterior del proyectil no apuntan cuando no hay * aire. * El arma dispara el proyectil fuera de la atmósfera, simplemente porque es más fácil que intentar apuntarlo de la manera más tradicional.

Después de que vuelve a caer en la atmósfera, el proyectil tiene un sistema de GPS y las plumas en la parte posterior son móviles, lo que permite que el proyectil se dirija a un objetivo de coordenadas de GPS definido con precisión. Esto elimina la inexactitud debido al viento y otros factores incontrolables, pero también elimina una pequeña parte de la tensión de apuntar en primer lugar.

Maldita sea, ahora estoy pensando en construir una ballesta con estas cosas. El banco de condensadores estará en una mochila, junto con una gran batería de energía. . .

Esta es la idea de Jerry Pournelle de “cañas de dios”, pero con las cañas disparadas desde alta mar. Hay algunos detalles sobre cómo debe funcionar esto que pueden ser esclarecedores.

Primero, un proyectil que cae desde 500,000 pies (100 millas) en caída libre tomará aproximadamente 3 minutos, por lo que puede ver que tienen la intención de que el proyectil sea mayormente balístico. La velocidad vertical desde la caída libre de 500k pies en el impacto es de 1730 m / s. La velocidad de lanzamiento es de 2550 m / s, el impacto es de 1700 m / s.

La trayectoria a través del aire será de aproximadamente 45 grados. A lo largo de esa trayectoria, el proyectil tendrá que desplazar al menos 2,9 kg de aire por cm ^ 2 de sección transversal.

El coeficiente de resistencia hipersónica no va a ser bueno. Incluso si asumimos que el proyectil tiene un frente cónico estrecho, seguirá siendo 0.5 más o menos.

A una velocidad promedio de 2100 m / s, eso es 3.2 megajulios por cm ^ 2 de sección transversal. Esos 3.2 megajulios son suministrados por una caída de velocidad de 2550 a 1730 m / s, por lo que el proyectil debe tener una masa de aproximadamente 1.8 kg / cm ^ 2 de sección transversal.

Está hecho principalmente de tungsteno, que tiene una densidad de 19.2 g / cc, por lo que el proyectil debe tener al menos 94 cm de largo. Agregue la nariz y los bits de guía, y es al menos un metro. Con una relación de finura de 20: 1, tendrá al menos 5 cm de diámetro.

Es un proyectil de 35 kg, que deja el hocico con 115 megajulios y llega con 50 megajulios. Espero que atraviese unos 2 kg / cm ^ 2 de material cuando llegue, que son unos 8 metros de hormigón.

Un Zumwalt puede producir 78 megavatios. Entre la ineficiencia del arma y el funcionamiento de la nave lo suficiente como para que no esté muerto en el agua mientras dispara, me imagino que pueden disparar, en el mejor de los casos, cada 5 segundos. Esto es bastante bueno: al presionar un poco la elevación entre disparos y reducir un poco la velocidad, pueden disparar alrededor de diez rondas que aterrizan en aproximadamente el mismo lugar simultáneamente.

Entonces, imagina que eres un observador marino avanzado, que te acercas a Natanz, e identificas un montón de tanques y emplazamientos de armas en tu camino. Entras en la radio y pides un poco de ayuda de un práctico Zumwalt en el golfo Pérsico. Identifica los tanques y emplazamientos, etc., y nueve minutos después, algunas estrellas brillantes aparecen en lo alto del cielo del horizonte sur. Usted y los comandantes de tanques observan los puntos durante el siguiente minuto, que no parecen moverse mucho, y los tipos de tanques hacen que esas cosas se muevan. En el transcurso de ese minuto, conducen los tanques a refugios en la ladera norte de algunas colinas cercanas. Puede seguir los tanques con el designador láser, que envía actualizaciones por satélite a las barras, pero una vez que los tanques están bajo 40 pies de tierra y concreto, no hay mucho que pueda hacer, incluso con los tanques que puede ver. Entonces, se rediseña las rondas donde la suciedad tiene 15 pies de espesor sobre el techo del refugio, y unos segundos más tarde el techo se derrumba parcialmente frente a cada tanque. Los tipos de tanques pasan las próximas horas excavando.

Es un arma ordenada, pero puedes verlo venir, especialmente con el radar.

es una cosa muy complicada y los desafíos técnicos son geniales, pero los resultados podrían ser apestosos. En comparación con los cañones de acorazado clase Iowa de 16 “, por ejemplo. Rango de precisión potencial y entrega de energía.

Y un barco más pequeño sin explosivos HE (propulsor o carga útil) a bordo sería mucho más seguro. Aunque unos pocos megajulios almacenados en un enorme banco de condensadores dan un poco de miedo.

Estoy asombrado de los tipos que trabajan con ese tipo de cosas.

Usted se enfocó en los desafíos de hacer funcionar un cañón de riel. Necesita mucha corriente, hasta millones de amperios. Por suerte para nosotros, hay cosas como condensadores que pueden almacenar carga y liberarla muy rápido. Pero todos esos amplificadores van a ser difíciles en los rieles de lanzamiento, tienen que estar hechos de las mejores cosas de conducción que hay. Probablemente incluso intentaron usar plata, pero probablemente se decidieron por usar un poco de aleación de cobre.

En realidad, puede ser todo un truco de relaciones públicas para salvar la cara. No está claro que estas armas sean de utilidad práctica. No está claro que el uso de un arma no sea muy preciso, probablemente no sea muy confiable y solo sea útil contra ciertos tipos de objetivos. Es posible que solo estén tratando de ponerle buena cara a un proyecto que ha tomado mucho tiempo y ha quemado mucho dinero.

El USS Gerald Ford, tiene un cañón de riel para lanzar aviones. ¿Probablemente lo llaman catapulta electromagnética? No estoy realmente seguro de la nomenclatura.

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