¿Qué es una pistola electromagnética? ¿Por qué se ha reactivado la investigación sobre armas electromagnéticas en los últimos años?
La pólvora ha sido durante mucho tiempo el propulsor elegido para las armas que disparan proyectiles. Pero la pólvora tenía tres limitaciones principales: tenía que transportarse con el proyectil, lo que hacía que todo el proyectil fuera más pesado. Las municiones basadas en pólvora negra eran inestables y, por tanto, difíciles de manipular y transportar. La velocidad de salida de los proyectiles propulsados por pólvora suele limitarse a unos 1.219 metros por segundo.
¿Es posible superar estos desafíos? Una solución es un cañón de riel electromagnético, o un cañón de riel para abreviar, o un cañón de riel para abreviar. Las pistolas electromagnéticas utilizan campos electromagnéticos para acelerar proyectiles metálicos, que pueden acelerar los proyectiles a 16.000 metros por segundo. Aunque el cañón electromagnético naval actual tiene un alcance máximo de 100 kilómetros, el cañón electromagnético de un tren puede alcanzar un objetivo a 400 kilómetros de distancia en 6 minutos.
En esta respuesta, discutiremos cómo funcionan los cañones de riel, cómo usarlos y las limitaciones de la tecnología.
La composición de una pistola electromagnética
Una pistola electromagnética es básicamente un gran circuito que consta de tres partes: una fuente de alimentación, un par de rieles paralelos y una armadura móvil. ?
La fuente de alimentación es la fuente de corriente de la pistola electromagnética. Normalmente, los cañones de riel de calibre mediano a grande utilizan millones de amperios. Los carriles guía se componen de tramos de metal conductor, como por ejemplo cobre, y sus longitudes oscilan entre 1,2 metros y 9 metros.
La armadura cierra el espacio entre los rieles. Puede ser una pieza sólida de metal conductor o puede ser una culata conductora, un soporte que sostiene un perdigón u otro proyectil. Algunos cañones de riel utilizan armaduras de plasma. En este dispositivo, se coloca una fina lámina de metal en la parte posterior de un proyectil no conductor. A medida que la energía fluye a través de la lámina, se evapora y se convierte en un plasma que transporta una corriente eléctrica.
Así es como funcionan juntas las piezas:
La corriente fluye desde el terminal positivo de la fuente de alimentación, a través del cable de alimentación positivo, a través de la armadura y de regreso a la fuente de alimentación desde el cable de alimentación negativo.
La corriente que fluye por cualquier cable crea un campo magnético alrededor del cable, un área donde se induce el magnetismo. Esta fuerza tiene magnitud y dirección. En un cañón de rieles, dos rieles actúan como cables, con un campo magnético circulando alrededor de cada riel. Las líneas de fuerza del campo magnético giran en sentido antihorario a lo largo de la órbita del polo positivo y en el sentido de las agujas del reloj a lo largo de la órbita del polo negativo. La dirección del campo magnético neto entre las órbitas apunta verticalmente.
Al igual que un cable cargado en un campo eléctrico, una fuerza llamada fuerza de Lorentz (llamada así en honor al físico holandés Hendrik A. Lorenz) actúa sobre el proyectil. La fuerza de Lorentz es perpendicular al campo magnético y a la dirección de la corriente que fluye a través de la armadura. Puedes ver cómo funciona esto en la imagen de abajo.
Nótese que la fuerza de Lorentz es paralela a la órbita, alejada de la fuente de energía. La magnitud de la fuerza está determinada por la ecuación F=(i)*(L)*(B), donde F es la fuerza de Lorentz, i es la corriente, L es la longitud de la pista y B es el campo magnético. Esta fuerza se puede aumentar aumentando la longitud del riel o la cantidad de corriente que fluye a través de él.
Dado que los rieles largos plantean desafíos de diseño, la mayoría de los cañones de riel utilizan corrientes fuertes (alrededor de un millón de amperios) para generar enormes cantidades de fuerza. Bajo la influencia de la fuerza de Lorentz, el proyectil acelera hasta el final de la pista frente a la fuente de energía y es expulsado a través de un agujero. Una vez que se desconecta el circuito, la corriente se desvanece y también el campo magnético.
¿Por qué se ha reavivado la investigación sobre armas electromagnéticas en los últimos años?
Como sustituto de la actual artillería de gran tamaño, el ejército está especialmente interesado en las armas electromagnéticas. La munición de cañón de riel en forma de pequeños misiles de tungsteno es relativamente liviana y fácil de transportar y manipular. Y debido a su alta velocidad, los misiles electromagnéticos son menos susceptibles a la caída de proyectiles y al viento que los proyectiles de artillería actuales. Las correcciones de rumbo son importantes, pero todos los misiles lanzados desde el cañón de riel serán guiados por satélites.
Debido principalmente al retroceso, será más difícil diseñar una pistola electromagnética montada en un brazo pequeño. El retroceso, la acción de retirada de un arma cuando se dispara, está determinada por el impulso del proyectil expulsado. Simplemente multiplique la masa del proyectil por su velocidad para obtener su impulso. El retroceso de un proyectil electromagnético de alta velocidad es muy grande. La solución es utilizar artillería portátil que dispare balas muy pequeñas. Una bala pequeña tendrá un retroceso limitado pero aún tendrá suficiente energía cinética para causar daños graves.
Las armas electromagnéticas fueron propuestas como un componente importante de la Iniciativa de Defensa Estratégica (comúnmente conocida como Star Wars). Star Wars es un programa del gobierno estadounidense responsable de la investigación y el desarrollo de sistemas espaciales para proteger a los Estados Unidos de misiles balísticos estratégicos. Las armas electromagnéticas pueden disparar proyectiles para interceptar misiles entrantes. Algunos científicos creen que los cañones de riel también podrían proteger a la Tierra de asteroides rebeldes disparando proyectiles de alta velocidad desde la órbita. Al impactar, estos proyectiles destruirían el asteroide entrante o alterarían su órbita.
Las armas electromagnéticas también tienen algunos usos no militares interesantes. En primer lugar, pueden ayudar a los cohetes a lanzar satélites o transbordadores espaciales sobre la Tierra sin atmósfera. Además, en cuerpos sin atmósfera, como la Luna, los cañones electromagnéticos pueden lanzar proyectiles al espacio sin propulsores químicos, que requieren aire para funcionar.
También se pueden utilizar pistolas electromagnéticas para desencadenar reacciones de fusión. La fusión ocurre cuando dos núcleos pequeños se combinan para formar un núcleo más grande, un proceso que libera grandes cantidades de energía. Los núcleos atómicos deben moverse a velocidades extremadamente altas para lograrlo. Algunos científicos han sugerido utilizar dos cañones electromagnéticos para disparar proyectiles de material fusible entre sí. El impacto de los proyectiles de alta velocidad generará enormes temperaturas y presiones, lo que permitirá que se produzca la fusión.
Muchas aplicaciones aún se encuentran en el ámbito de la teoría, la experimentación y el desarrollo. Por ejemplo, los cañones de riel actuales no generan suficiente energía para realizar una fusión nuclear. Aún así, la tecnología es prometedora. En 2003, el Ministerio de Defensa británico llevó a cabo una prueba a escala octava del cañón de riel electromagnético y su velocidad de salida alcanzó Mach 6, que es aproximadamente 2.040 metros por segundo. En la actualidad, nuestro arma electromagnética china tiene una velocidad de salida de Mach 6 y un alcance de 100 kilómetros. Esta es actualmente la arma electromagnética más rápida.
Con el éxito continuo de cosas como esta, algún día, las armas electromagnéticas. puede convertirse en una parte integral del arma de elección y el propulsor de elección en la plataforma de lanzamiento.
Hay problemas con los cañones de riel
En teoría, los cañones de riel son la solución ideal para potencia de fuego tanto de corto como de largo alcance. De hecho, tienen varios problemas serios: Energía: Generar la energía necesaria para acelerar un proyectil de cañón de riel es un verdadero desafío. Los condensadores deben almacenar carga hasta que se pueda acumular una corriente lo suficientemente grande. Si bien los condensadores pueden ser pequeños para algunas aplicaciones, los condensadores que se encuentran en los cañones de riel tienen un tamaño de varios metros cúbicos. Calentamiento resistivo: cuando la corriente eléctrica fluye a través de un conductor, encuentra resistencia del material conductor (en este caso, los rieles). La corriente eléctrica excita las moléculas de los rieles, provocando que se calienten. En un cañón de riel, esta acción genera una gran cantidad de calor. Fusión: La alta velocidad de la armadura y el calor provocado por el calentamiento resistivo pueden dañar la superficie del riel. Repulsión: La dirección de la corriente en cada carril del arma electromagnética es opuesta. Esto crea una fuerza repulsiva proporcional a la corriente que intenta separar los rieles. Dado que la corriente en el cañón electromagnético es muy grande, la fuerza repulsiva entre las dos pistas es muy grande. El desgaste del cañón de riel es un problema grave. Tuvo que suspenderse después de múltiples usos y, a veces, solo se pudo usar una vez.