Gauss riffel

The Gauss riffel , også kendt under engelske navne gausskanon eller Gaussrifle (fra engelsk coil  = ' spole ', pistol  = ' kanon ', riffel  = ' riffel '), er en elektromagnetisk accelerator for masse kugler , som - i modsætning til en - er også magnetisk arbejder railgun  -  spoler bruges til at generere magnetfelter. I princippet svarer spiralpistolprincippet til den lineære motor , som også driver magnetisk levitationstog . Navnebroren er den tyske matematiker og fysiker Carl Friedrich Gauß eller den enhed, der er opkaldt efter ham for den magnetiske fluxdensitet . Gauss selv beskæftigede sig kun med det grundlæggende i magnetisme.

Animeret repræsentation af en tretrins Gauss-riffel

Ansøgninger

Et stort antal private projekter, skoleprojekter og demonstrationsudstyr beskæftiger sig med varianterne af princippet.

Ud over de relaterede jernbanepistoler beskæftiger forsknings- og udviklingsafdelinger for våbenfirmaer også principperne for Gauss-rifler. Som et våben kom Gauss-riflen imidlertid aldrig ud over det eksperimentelle stadium.

For et lignende koncept kun med en lineær motor se: elektromagnetisk katapult

funktionalitet

Gauss-riflen fremskynder ballistiske projektiler , hvis effekt i målet kun udfolder sig gennem deres kinetiske energi . I princippet er der to grundlæggende forskellige metoder til at accelerere et projektil med et arrangement af spoler:

Ferromagnetisk Gaussisk kanon

I et ferromagnetisk Gaußkanone ( engelsk reluctance coil gun ) er der et våben, der omfatter et ferromagnetisk accelereret projektil ved hjælp af elektromagnetiske kræfter. For at accelerere ledes elektrisk strøm gennem en spole foran projektilet . Det magnetiske felt, der genereres i processen, tiltrækker projektilet og fremskynder det ind i midten af ​​spolen. Magnetfeltet skal slukkes i god tid, inden kuglen når midten, ellers har den en bremseeffekt (forestil dig en pil, der forbliver forbundet med buestrengen). Den sekventielle aktivering af flere spoler anbragt bag hinanden gør det muligt at opnå højere og højere hastigheder (såkaldt flertrinsspolepistol ).

Den korte og meget kraftige strømimpuls, der kræves til dette, genereres normalt ved hjælp af kondensatorer , som kortsluttes via spolen og dermed pludselig aflades. Problemet er, at spolen er slukket på det nøjagtige tidspunkt og mætningsmagnetiseringen af projektilet. Konstruktioner, der slukker for spolestrømmen på en kontrolleret måde, når projektilet har nået et bestemt punkt, har sensorer og signalfeedback ( lukket sløjfe ). I systemer, hvor strømmen strømmer gennem spolerne, indtil energilageret er opbrugt, detekteres ikke projektilets placering, der er ingen signalfeedback ( open-loop ). Sådanne systemer fungerer kun, hvis projektilmassen er nøjagtigt tilpasset kredsløbene. Det ferromagnetiske materiale, som kuglen er fremstillet af, påvirker også spolernes magnetfelter på en ikke-lineær måde, hvilket gør beregningerne vanskelige.

Hvis den elektriske ledningsevne for det materiale, som projektilet er fremstillet af, er for høj, genereres hvirvelstrømme i projektilet på grund af det skiftende magnetfelt . Disse har ikke kun en bremseeffekt på projektilet, men opvarmer det også gennem induktiv opvarmning . Så snart temperaturen på projektilet overstiger Curies temperatur på dets materiale ( 768 ° C for jern ), ophører det med at være ferromagnetisk. Som et resultat forsvinder fremdriftskraften fra magnetfeltet, mens bremsekraften forbliver effektiv på grund af hvirvelstrømmene. Dette kan afhjælpes ved hjælp af ferrit med lav elektrisk ledningsevne eller lamineret eller såret dynamo-ark . Alternativt kan elektrisk ledende materiale accelereres yderligere efter at have nået Curie-punktet i henhold til princippet om den induktive Gaussiske pistol.

Induktiv Gaussisk kanon

Denne type bruger ikke-magnetiske, elektrisk ledende projektiler (hovedsagelig lavet af kobber eller aluminium ). Med denne type genereres et meget stærkt og hurtigt skiftende magnetfelt i spolerne. Dette forårsager en frastødende kraft på projektilet gennem virvelstrøm eller feltforskydning forårsaget af dets magnetfelt og fremskynder det væk fra spolen (også kendt som Thomson-effekten ). Også her kan magnetfeltet med fordel genereres med en kondensator, der udledes i en spole - der dannes en dæmpet svingning. Kondensatorens spænding er typisk flere kV , således at strømstigningshastigheden i spolen er høj, og der opstår stærke hvirvelstrømme. Med denne metode er den nuværende puls normalt kortere end med den ferromagnetiske model. Den elektriske puls behøver ikke at blive slukket på et bestemt tidspunkt, hvilket forenkler konstruktionen. Fraværet af jern tillader en yderligere forøgelse af effekten selv med magnetfelter via dets mætningsinduktion - den maksimale styrke er i det væsentlige kun begrænset af den mekaniske styrke af spolen. Projektilerne har normalt en ringform, som har en fordelagtig effekt på de inducerede strømme og repræsenterer et kompromis mellem den lavest mulige luftmodstand og et stort tværsnitsareal.

Processen bruges også til dannelse af materiale , se Magnetisk formning .

Et specielt tilfælde af den induktive Gauss- kanon er plasmakanonen opfundet af Andrei Dmitrijewitsch Sakharov i 1953 . En Type 2 magnetkumulativ generator (MK-2), også kendt som en fluxkompressionsgenerator , genererer en magnetfeltpuls på 2 millioner Gauss eller 200 Tesla , hvilket inducerer en strøm på 100 millioner ampere. Karakteriseret af de inducerede hvirvelstrømme til en 100 a lille aluminiumring km / s accelereret plasma - torus fordampet. Plasmaet er lukket og komprimeret af magnetfeltet for ringstrømmen, der strømmer i plasma torus ( klemmeeffekt ). Den plasma torus bevarer sin hastighed i en vakuum .

En hvirvelstrømsaccelerator er et arrangement, hvor en flad spole fremskynder en ledende aluminiumsskive (sabot). Midt på disken ligger et projektil (stålkugle), der på grund af transmission af impulser har en signifikant højere hastighed (næsten lydens hastighed) end disken.

fordele

Konventionelle våben, der drives af drivmiddelafgifter, er begrænset i deres maksimale mundingshastighed. Den teoretisk maksimale opnåelige hastighed for et konventionelt accelereret projektil er lig med ekspansionshastigheden for den frembragte drivgas, når drivmiddelladningen forbrændes.

En Gauss-riffel kan derimod teoretisk nå de aerodynamiske grænser for projektilet, der gælder for alle projektilvåben .

Det kan tænkes at justere en kugles bane med et magnetfelt i næsepartiet meget finere end det er muligt ved at rette og krydse en traditionel tønde. Dette muliggør hurtige affyringssekvenser, hvor banen til den forrige kugle evalueres, og den næste kugle spores i det fineste interval.

Faktisk er udgangshastigheden, der kan opnås med begge metoder, ekstremt høj (flere km / s) - projektilets kinetiske energi og den resulterende penetrationsydelse er tilsvarende høje.

Våbnene ville formodentlig være meget mere støjsvage end konventionelle skydevåben og producere mindre røg, der ville forråde positionen. Da kun en eller et par drivmiddelafgifter vil blive lagret, elimineres risikoen forbundet med opbevaring af ammunition stort set.

ulempe

En Gauss-riffel kræver meget elektrisk energi for at fungere. Indtil videre har der ikke været nogen måde at lagre denne energi på en kompakt og hurtigt tilgængelig måde. På tanke og krigsskibe kan en Gauss-riffel tilsluttes deres strømforsyning - dog kræves der en ekstra voluminøs energilagringsenhed (normalt kondensatorer), som kan levere en meget høj øjeblikkelig effekt ( MW til GW) i en kort periode .

På grund af den måde, Gauss-rifler fungerer på, er designene vanskelige at implementere. Ud over de problemer, der opstår med andre magnetiske våben (vægt, strømforsyning osv.), Er der andre komplikationer her:

  • Høje hastigheder kan opnås med Gauss rifler - energien øges med kvadratet af hastigheden - men luftmodstanden øges også med pladsen. Dette kan føre til termisk ødelæggelse af projektilet, som allerede opvarmes kraftigt, når det lanceres.
  • Med de nuværende lave niveauer af effektivitet frigøres enorme mængder varme i selve våbnet.
  • Med de såkaldte flertrinsspolepistoler falder bidraget fra de forreste spoler på grund af projektilens stigende hastighed, når handlingen eller tilslutningstiden falder.

litteratur

Individuelle beviser

  1. ↑ Rapp-instrumenter: Eddy Current Accelerator
  2. ↑ https://www.lrt.mw.tum.de/index.php?id=109 Virvelstrømsaccelerator ved det tekniske universitet i München