Cañón de riel

Los rieles y los proyectiles deben ser construidos de materiales fuertes y conductores; los rieles deben sobrevivir a la violencia de un proyectil acelerado, y al calor producto de las fricciones y el paso de la corriente eléctrica. La fuerza de retroceso que se ejerce sobre los rieles es igual y opuesta a la fuerza que impulsa el proyectil. La ubicación de la fuerza de retroceso es aún objeto de debate. Las ecuaciones tradicionales predicen que la fuerza de retroceso actúa en la "recámara" del cañón. Otra escuela de pensamiento invoca la Ley de Ampère y afirma que actúa a lo largo de los rieles (que es su eje más fuerte).[4] Los carriles también se repelen entre ellos a través de una fuerza lateral causada por el campo magnético, al igual que el proyectil. Los rieles necesitan sobrevivir a esto sin doblarse, y deben estar montados en forma segura.

La fuente de energía debe ser capaz de entregar una corriente muy grande, sostenida y controlada, en un lapso utilizable. La medida más importante de la eficacia de la fuente de energía es la corriente que puede entregar. En febrero de 2008, la mayor energía conocida y utilizada para la propulsión de un proyectil de un cañón de riel fue de 32 millones de julios.[5] La fuente de energía más utilizada en cañones de riel son los condensadores y el alternador de pulsos compensado, que son cargados poco a poco de otras fuentes de energía continua o mediante un generador de Van de Graaff.^{[cita requerida]}

Los rieles deben soportar enormes fuerzas de repulsión durante el disparo, y estas fuerzas tienden a empujarlos en dirección contraria y lejos del proyectil. Cuando se incrementa la holgura entre el proyectil y los rieles se forman arcos eléctricos, lo que provoca la rápida vaporización y daños en la superficie de los rieles y en los aislantes. Esto limitaba a los primeros investigadores a un único disparo entre reparaciones del cañón de riel.

La inductancia y la resistencia de los rieles y de la fuente de energía limita la eficiencia de un diseño de cañón de riel. Actualmente, diferentes tipos de rieles y configuraciones de cañones están siendo probados, siendo los más notables los de la Armada de Estados Unidos, el Instituto de Tecnología Avanzada y BAE Systems.

Enormes cantidades de calor son generadas por la electricidad que fluye a través de los rieles, así como también por la fricción del proyectil al abandonar el dispositivo. El calor creado por la fricción puede ocasionar la dilatación de los rieles y el proyectil, aumentando aún más el calor por fricción. Esto provoca tres problemas principales: la fusión de los equipos, disminución de la seguridad del personal y la detección por las fuerzas enemigas. Como se explica brevemente más arriba, las fuerzas involucradas en el lanzamiento de este tipo de dispositivos requieren un material muy resistente al calor. De lo contrario los rieles, el cañón y todo el equipo conectado se fundirán o se dañarán irreparablemente. En la práctica los rieles son, junto con todos los componentes del cañón de riel, erosionados con cada disparo; y los proyectiles pueden ser objeto de algún grado de ablación también, y esto puede limitar la vida del cañón de riel, en algunos casos severamente.[6]

En la física del cañón de riel, la magnitud del vector fuerza puede determinarse por la Ley de Biot-Savart y como resultado de la Fuerza de Lorentz. Puede derivarse matemáticamente en términos de la permeabilidad constante (${\displaystyle \mu _{0}}$), el radio del riel (el cual se asume de sección circular) (${\displaystyle r}$), la distancia entre los centros de los rieles (${\displaystyle d}$) y la corriente en ampéres (${\displaystyle I}$) como sigue:

Se puede demostrar de la ley de Biot-Savart que el campo magnético a una distancia ${\displaystyle s}$ de un cable conductor semi-infinito por el que pasa una corriente está dado por:

${\displaystyle \mathbf {B} (s)={\frac {\mu _{0}I}{4\pi s}}{\hat {\phi }}}$

Así, en el espacio entre dos cables conductores semi-infinitos separados por una distancia ${\displaystyle d}$, la magnitud del campo es:

${\displaystyle B(s)={\frac {\mu _{0}I}{4\pi }}\left({\frac {1}{s}}+{\frac {1}{d-s}}\right)}$

Para obtener el campo magnético promedio en el espacio entre los dos cables, se supone que ${\displaystyle r}$ es pequeña en comparación con ${\displaystyle d}$ y calcular la integral siguiente:

${\displaystyle B_{\text{avg}}={\frac {1}{d}}\int _{r}^{d-r}B(s){\text{d}}s={\frac {\mu _{0}I}{4\pi d}}\int _{r}^{d-r}\left({\frac {1}{s}}+{\frac {1}{d-s}}\right){\text{d}}s={\frac {\mu _{0}I}{2\pi d}}\ln {\frac {d-r}{r}}}$

Por la ley de la fuerza de Lorentz, la fuerza magnética sobre un cable conduciendo corriente está dada por ${\displaystyle IdB}$, por lo que debido a que el ancho del proyectil conductor es ${\displaystyle d}$, tenemos que

${\displaystyle F=IdB_{\text{avg}}={\frac {\mu _{0}I^{2}}{2\pi }}\ln {\frac {d-r}{r}}}$

La fórmula está basada asumiendo que la distancia (${\displaystyle l}$) entre el punto donde la fuerza (${\displaystyle F}$) es medida y el comienzo del riel es mayor que la separación de los rieles (${\displaystyle d}$) por un factor de alrededor de 3 o 4 (${\displaystyle l>3d}$). Se asumen otras simplificaciones; para describir las fuerzas en forma más precisa, la geometría de los rieles y del proyectil deben ser consideradas.

Prueba de disparo con un cañón de riel en el Centro Naval de Guerra de Superficie (Surface Warfare Center) en enero de 2008. Se disparó un proyectil de 3,2 kg a 2.520 m/s, generando 10,64 megajulios.

Se han construido y disparado modelos a escala real, incluyendo un cañón de 90 mm y 9 megajulios de energía cinética con gran éxito, desarrollado por el DARPA de Estados Unidos. Aún deben resolverse problemas de desgaste del riel y del aislante antes que el cañón de riel comience a reemplazar la artillería convencional. Probablemente el más antiguo sistema consistente y exitoso fue construido por la Defence Research Agency del Reino Unido en el Dundrennan Range en Kirkcudbright, Escocia. Este sistema ha estado funcionando durante más de 10 años y como campo de pruebas de balística intermedia, externa y terminal, estableciendo varias marcas de masa y velocidad.

El VTI de Yugoslavia (VTI, Instituto de Tecnología Militar) desarrolló, en un proyecto llamado EDO-0, un cañón de riel de 7 kJ de energía cinética, en 1985. El proyecto EDO-1, sucesor del anterior, se creó en 1987, usando proyectiles con una masa de 0,7 g alcanzando velocidades de 3.000 m/s, y con una masa de 1,1 g alcanzaba velocidades de 2400 m/s. Usaba un "cañón" de 70 cm. De acuerdo con los que trabajaron en él, con otras modificaciones fue capaz de alcanzar una velocidad de 4500 m/s. El objetivo era alcanzar una velocidad de 7000 m/s. Al día de hoy, es considerado un secreto militar.

Las Fuerzas Armadas de Estados Unidos están financiando los experimentos con los cañones de riel. En el Instituto de Tecnología Avanzada de la Universidad de Texas en Austin, se desarrolló un cañón de riel militar con capacidad de enviar un proyectil antiblindaje de tungsteno con una energía cinética de nueve megajulios.[11] 9 MJ es suficiente energía para enviar un proyectil de 2 kg a 3 km/s; a esa velocidad un dardo de Wolframio u otro material denso puede penetrar fácilmente un tanque, e incluso atravesarlo de lado a lado.

El Centro Naval de Guerra de Superficie (Surface Warfare Center), División Dahlgren, de Estados Unidos, ha mostrado un cañón de riel de 8 MJ disparando proyectiles de 3,2 kg en octubre de 2006, como prototipo de un arma de 64 MJ que será emplazada a bordo de los buques de guerra de la Armada . El principal problema de la Armada al implementar un cañón de riel, es el desgaste del arma, debido al inmenso calor generado en el disparo. Se espera que estas armas sean lo suficientemente potentes como para hacer un daño algo mayor al producido por un misil BGM-109 Tomahawk a una fracción de su costo.[12] Desde entonces, BAE Systems ha enviado un prototipo de 32 MJ a la Marina.[13]

Debido a alta velocidad inicial que se puede alcanzar con un cañón de riel, hay interés en usarlos contra misiles de alta velocidad.^{[cita requerida]}

El 31 de enero de 2008 la Armada de los Estados Unidos probó un cañón de riel que disparó un proyectil con una energía de 10,64 MJ con una velocidad inicial de 2.520 m/s.[14] Se espera que alcance más de 5,8 km/s de velocidad inicial, con una precisión suficiente para alcanzar un blanco de 5 metros a más de 200 millas náuticas (463 km), con una velocidad de disparo de 10 tiros por minuto. Se espera que esté listo entre el año 2020 y el año 2025. Archivado el 26 de julio de 2010 en Wayback Machine.

El 30 de enero de 2012 un prototipo de la Oficina de Investigación Naval en Estados Unidos, disparó un proyectil con una energía de alrededor de los 32 MJ (megajulios) redondeando la velocidad de 8.960 km/h, 7,26 veces la velocidad del sonido, sin embargo el prototipo no es más que el sistema disparador, y a la fecha no cuenta con un sistema de puntería, pero una vez desarrollado debería ser capaz de impactar objetivos que se encuentren hasta 180 km.[15]

• howstuffworks.com - explanation with animations
• iop.org - Theoretical limits on exit velocity

• PowerLabs Rail Gun research
• Railgun theory, design, construction, and testing
• Railgun Blog by Jason Rollette
• Miniature Experimental Railgun
• Tim Ventura's 90's-era Railgun Designs
• American Antigravity's Mass-Driver Demo + Video
• +EML Laboratory－ Japanese Experiment＋Video

• The University of Texas at Austin Rail Gun
• Auburn University Rail Gun Archivado el 17 de diciembre de 2007 en Wayback Machine.

• Electromagnetic Railgun: An Innovative Naval Program

• What next? The Electromagnetic Gun? But perhaps we have had our last world war, Popular Science Monthly, February 1919, p18-19, Scanned by Google Books: http://books.google.com/books?id=7igDAAAAMBAJ&pg=PA18
• USN sets five-year target to develop electromagnetic gun Jane's Defence Weekly, 20 July 2006
• US Navy Invents Railgun Wired News blog article, Thurs January 18 2007
• Electromagnetic Railgun Popular Science Article
• Video of Navy railgun test firing, Navy Electromagnetic Launch Facility, Test Shot #1, 2 October 2006. Source: Fredericksburg.com, accessed 30 January 2007
• World’s Most Powerful Rail Gun Delivered to Navy, 14 November 2007

• powerlabs.org
• railgun.org