RailGuns


پیشگفتار
پرتابگرهایی که ما می شناسیم عموما به وسیله ایجاد یک انفجار ، انرژی و سرعت اولیه ای را به پرتابه منتقل می کنند تا این پرتابه بتواند مسیر مشخصی را به سمت هدف طی کند، اما اساس کار ریلگان ها به این صورت می باشد که جریان الکرتیکی به سمت یک ریل رسانا هدایت می شود ، سپس این جریان وارد یک آرمیچر لغزان می شود (که پرتابه درون آن قرار دارد) و سپس جریان الکتریکی از ریل دیگری که موازی ریل اولیه قرار دارد و در جهت عکس خارج می شود، نتیجه این چرخه اعمال نیرویی حاصل از میدان الکترومغناطیسی ریل ها بر پرتابه می باشد که آن را با سرعت بسیار بالا به حرکت در می آورد.


ایده ساخت چنین پرتابگری مدت هاست که وجود داشته است اما عواملی مانند جرم ، اندازه و انرژی مورد نیاز این گونه از پرتابگرها مانع آن شده است که ریلگان ها به صورت عملیاتی وارد خدمت شوند. اما در سال های اخیر با پیشرفت های چشمگیر علوم نظامی امکان ساخت و عملیاتی شدن این گونه از پرتابگرها افزایش یافته است . برای نمونه در سال 2008 نیروی دریایی ایالات متحده آمریکا پرتابگری را ساخت که می تواند یک پرتابه 3.2 کیلوگرمی را به سرعتی در حدود 2.4 کیلومتر بر ثانیه (~7 ماخ) برساند . نام این پروژه نیز Velocitas Eradico نهاده شده است . البته این پرتابگر ها می توانند استفاده دیگری نیز داشته باشند ، برای مثال می توان از این پرتابگرها برای ارسال سفینه های فضایی (عموما بی سرنشین) به مدار زمین نیز استفاده کرد. نکته ای قابل تامل می باشد این است که بیشتر ریلگان ها در حال ساخت و تست توسط نیروی دریایی ایالات متحده آمریکا می باشد .

تاریخچه
در سال 1918 مخترع فرانسوی الاصلی به نام لوئیس اکتاو نوعی توپ الکتریکی ساخت که می توان آن را مدل اولیه ریلگان های امروزی دانست . در 1 آوریل سال 1919 او فرم اختراع خود را به شماره 1,421,435 و با نام "ماشین الکتریکی جهت شتاب دهی پرتابه ها" در ایالات متحده آمریکا به ثبت رساند. در دستگاهی که او ساخته بود، دو میله انتقال به بال های یک پرتابه متصل بود و کل دستگاه نیز تحت تاثیر یک میدان مغناطیسی قرار داشت . زمانیکه یک جریان الکتریکی به میله های انتقال متصل میشد ، پرتابه مورد نظر هم راستا با میله های انتقال و در اثر نیروی الکترومغناطیس ایجاد شده به پرواز در می آمد.


در سال 1944 و در خلال جنگ جهانی دوم جوآشیم هانسلر از مرکز توپخانه آلمان اولین ریلگان عملیاتی جهان را ساخت تا به عنوان یک توپ ضد هوایی مورد استفاده قرار گیرد. نهایتا در اواخر سال 1944 محاسبات تئوری و کارهای تحقیقاتی اولیه چنین توپی به پایان رسید و این امکان را برای بخش پدافند ضد هوایی لوفت وافه فراهم ساخت تا مشخصات توپ مورد نیازش را برای ساخت ارائه کند. مشخصاتی که نهایتا لوفت وافه سفارش داد عبارت است از : سرعت دهانه 2000 متر بر ثانیه و پرتابه ای با سرجنگی نیم کیلوگرم . این توپ ها باید توانایی شلیک ششگانه در دوازده دور بر دقیقه را دارا می بودند ، همچنین قرار بود تا این توپ ها بر روی پلتفرم توپ های 12.8 cm Flak 40 نصب شوند . البته این توپ ها هیچگاه به مرحله تولید نرسیدند ، اما پس از جنگ جهانی دوم جزئییات این طرح مورد بررسی بیشتری قرار گرفت و نتایج جالبی را به دنبال داشت . نهایتا در گزارش سال 1947 مشخص شد که انرژی لازم جهت راه اندازی این طرح آلمان ها برابر با توان مورد نیاز جهت روشن ساختن نیمی از شهر شیکاگو بوده است .
در دهه 50 میلادی ، سر مارک الیفانت، فیزیکدان اتریشی و اولین سرپرست موسسه تحقیقات علوم فیزیک دانشگاه ملی اتریش بزرگترین ژنراتور هوموپلار جهان را با توان 500 مگاژول طراحی و تولید کرد . این ژنراتور از سال 1962 عملیاتی شد و بعدها به عنوان یک ریلگان غول پیکر جهت انجام تحقیقات علمی مورد استفاده قرار گرفت.


سر مارک اولیفانت باقی مانده موتور APN با قدرت 500 مگاژول

مبانی عملکرد پرتابگر و طراحی ریلگان
قسمتی از نحوه عملکرد ریلگان ها در قسمت مقدمه توضیح داده شد. حال ادامه این مبحث را دنبال می کنیم .
آرمیچری که محل قرار گیری پرتابه است می تواند به عنوان قسمتی از پرتابه ساخته شود و یا به صورتی طراحی شود که بتواند پرتابه ها به سمت بیرون ریلگان شلیک کند ، همچنین آرمیچرهای ریلگان ها عموما از رساناهای فلزی ، جامد و لغزان ساخته می شوند ، اما بعضا از پلاسما و هیبرید ها نیز به عنوان آرمیچر استفاده می شود. یک آرمیچر پلاسمایی به وسیله ایجاد یک تخلیه الکتریکی در گاز یونیزه تشکیل می شود که می تواند یک محموله جامد نارسانا را مشابه با سیستم رانش فشار مستقیم گاز به بیرون پرتاب کند. آرمیچرهای هیبریدی ، از یک جفت رابط پلاسمایی برای اتصال یک آرمیچر فلزی به ریل های سیستم (میله های انتقال جریان) استفاده می برند. برخی از آرمیچرهای جامد نیز پس از تجاوز از آستانه سرعت خود به آرمیچرهای هیبریدی تبدیل می شوند.
در واقع می توان تفاوت اصلی ریلگان ها را با ژنراتورهای هوموپلار در این دانست که در ریلگان ها هیچ استفاده دیگری از میدان پیچه ها صورت نمی گیرد. چنین ساختاری در واقع یک موتور هوموپلار خطی خود برانگیخته است که به وسیله یک حلقه جریان کار می کند . نوع نسبتا رایج این نوع ریل گان ها ریل گان های افزایشی می باشند. در این ریل گان ها جریان به جفت رساناهای دیگری وارد می شوند تا بتوانند میدان مغناطیسی وارد بر آرمیچر در حال حرکت را افزایش دهند . در واژگان موتورهای الکتریکی ریلگان های افزایشی از ساختار Series-Wound بهره می برند. ریلگان ها به یک منبع تغذیه با جریان مستقیم پالسی نیاز دارند.
دلیل توجه به ریلگان ها در کاربردهای نظامی نیز این است که ریلگان های توانایی دستیابی به سرعت دهانه ای به مراتب بیشتر از تسلیحات متعارف -که به وسیله پیشرانه های شیمیایی تامین انرژی می شوند- دارند. این موضوع سبب می شود تا در کنار افزایش برد درگیری تسلیحات ، سرعت فاز ترمینال آن ها نیز افزایش یابد و این امر باعث می شود تا بتوان از گلوله های انرژی جنبشی به جای گلوله های شیمیایی استفاده کرد ، بنابراین طراحی ریلگان های نظامی به سمت سرعت دهانه 2 تا 3.5 هزارمتر بر ثانیه و انرژی دهانه 5 تا 50 مگاژول می باشد . برای مقایسه بهتر است بدانیم ، 50 مگاژول انرژی برابر با انرژی جنبشی یک اتوبوس مدرسه با وزن 5 تن می باشد که با سرعت 509 کیلومتر بر ساعت در حال حرکت است ! حال در ریلگان های تک حلقه ای ، جریبان لحظه پرتاب چیزی در حدود چند میلیون آمپر می باشد ، لذا منابع تغذیه ریلگان ها به گونه ای ساخته می شوند که بتوانند 5 مگاآمپر جریان را در چند میلی ثانیه برای ریلگان فراهم سازند . حال به دلیل اینکه میدان مغنایطیسی ایجاد شده در این ریلگان ها در حدود 10 تسلا می باشد ، طراحی بیشتر ریلگان ها به صورت "هوا-مرکز ، air-cored" می باشد ، به این معنا که از مواد فرومغناطیس نظیر آهن برای افزایش جریان مغناطیسی استفاده نمی شود .


نمونه هایی از گلوله های انرژی جنبشی

نکته ای که وجود دارد این است که سرعت ریلگان ها در مقایسه با تفنگ های گازی نوری دو مرحله دارای سرعت دهانه کمتری می باشد ، اما در واقع با سطح تکنولوژی کنونی تفنگ های گازی نوری تنها برای ایجاد سرعت های بالا در حوزه آزمایشگاهی مناسب می باشند ، اما ریلگان ها توانایی تبدیل شدن به سلاح های عملیاتی را دارا می باشند.



تئوری
ریلگان ها شامل دو عدد ریل فلزی موازی می باشند که به یک منبع تغذیه متصل می باشند . زمانیکه یک پرتابه رسانا در میان این دو ریل قرار گیرد و در نهایت ریل ها به منبع اغذیه متصل شوند ، چرخه مدار کامل می شود و الکترون از سمت پایه منفی منبع تغذیه به ریل منفی و سمت پرتابه جریان پیدا می کنند ، سپس وارد ریل مثبت شده و به منبع تغذیه باز می گردد . این جریان باعث می شود تا ریل ها مانند یک مگنت (هسته مغناطیسی) الکتریکی رفتار کند و یک میدان مغناطیسی از ابتدای طول ریل ها تا مکان آرمیچر ایجاد می شود . با توجه به این موضوع که میدان مغناطیسی هر ریل در خلاف جهت یکدیگر می باشد ، در نتیجه شبکه مغناطیسی کل سیستم ( به گونه ای با جریان (I) برهمکنش می کند که یک نیروی لورنتز به پرتابه وارد می شود و پرتابه را هم راستا با ریل ها شلیک می کند .

میدان مغناطیسی یک هسته مغناطیسی الکتریکی میله ای

زمانی که چند میلیون آمپر جریان به ریل ها وارد شود ، نیروی بسیار عظیمی به پرتابه وارد می شود که می تواند سرعت پرتابه را به چندین کیلومتر بر ساعت برساند . تا کنون سرعت 20 کیلومتر بر ثانیه برای پرتابه های کوچکی که در ریل گان ها قرار گرفته اند نیز ثبت شده است . اما مشکلی بر سر افزایش سرعت وجود دارد و آن دمای بسیار زیاد حاصل از پرتاب می باشد ، این گرما به حدی زیاد است که می تواند ریل ها را به سرعت ذوب کند . حال برای رفع این مشکل دو راه حل وجود دارد : 1- تعویض ریل ها و 2- استفاده از مواد رسانای گرمایی که بتوانند جایگزین ریل ها شوند ولی همان اثر را از خود بروز دهند .
ملاحضات
منبع تغذیه باید توانایی ایجاد جریان های بسیار شدید ، حفظ و کنترل آن را در مدت زمان معینی دارا باشد . معیار اصلی برای منبع تغذیه در ریلگان ها ، جریانی است که می توانند به ما ارائه کنند . تا دسامبر سال 2010 بیشترین انرژی که در ریلگان ها استفاده شده است 33 مگاژول می باشد . شایع ترین نوع منبع تغذیه های مورد استفاده در ریل گان ها خازن ها و compulsator می باشد. همچنین ریل ها باید توانایی تحمل نیروهای بسیار شدید را دارا باشند و در اثر فرآیند های تبخیر که در اثر تخلیه الکتریکی رخ می دهند مقاوم باشند . این معضل در مدل های اولیه ریلگان ها باعث شده بود که این ریل ها یکبار مصرف باشند .
ضریب القا و مقاومت ریل ها و منبع تغذیه تعیین کننده طراحی ریلگان ها می باشد . تا کنون مدل های مختلفی از ریل ها و ریلگان ها ساخته و تست شده اند . بیشترین این سیستم ها توسط BAE SYSTEMS ، نیرو دریایی ایالات متحده آمریکا و موسسه تحقیقات پیشرفته آمریکا ساخته شده اند .
مواد مورد استفاده
ریل ها و پرتابه باید از مواد رسانای قوی ساخته شوند ، ریل ها باید توانایی تحمل فشارهای حاصل از پرتاب و گرمای حاصل از جریان های بالا و اصطکاک را دارا باشد . البته تست ها نشان می دهد که با طراحی مناسب می توان نیروهای منحرف کننده را منحرف ساخت و یا تقریبا از بین برد . تحقیقات نشان می دهد که نیروهای منحرف کننده می توانند باعث انسداد مجرای خروجی ریلگان نیز شوند ، درست مانند اسلحه های گرم دیگر. (گیر کنه بابا !) همچنین نیروهای جانبی دیگری نیز به پرتابه و ریل ها وارد می شوند که می توانند باعث خمش ریل ها شوند ، ریل ها نیز باید به گونه ای طراحی شوند که این نیروهای را بدون تغییری تحمل کنند.
پراکندگی حرارت
حرارت بسیار زیادی در اثر ورود جریان الکتریکی به ریل ها و اصطکاک پرتابه در حین خروج از ریلگان ایجاد می شود که این حرارت به تنهایی می تواند ریل ها و پرتابه را دچار انبساط شدید کند . این حرارت باعث ایجاد سه مشکل اساسی در ریل گان ها می شود : ذوب شدن تجهیزات ، کاهش امنیت خدمه و افزایش احتمال کشف توسط نیروهای دشمن . بنابراین باید از موادی استفاده شود که بتوانند گرمای حاصل از این پرتاب را به سرعت کاهش دهد ، در غیر این صورت تمامی تجهیزات مورد استفاده ذوب خواهند شد و یا به صورت جدی دچار آسیب دیدگی خواهند شد. فرسایش ریل ها به دلیل پرتاب و ابیراهی چند درجه ای پرتابه ها نیز از عواملی است که طول عمر ریلگان ها را کاهش می دهد .


تصویر متحرک شلیک یک گلوله از ریلگان



پایان قسمت اول
مترجم : حامد فاتحی
All-rights reserved , Military.ir
منابع:
http://en.wikipedia.org/wiki/Railgun
http://en.wikipedia....i/Electromagnet
http://en.wikipedia....i/Mark_Oliphant
http://en.wikipedia....i/Light_gas_gun
http://www.wired.com...ilgun-launcher/