Fusil à rail

Un railgun est un dispositif à moteur linéaire , généralement conçu comme une arme, qui utilise la force électromagnétique pour lancer des projectiles à grande vitesse . Le projectile ne contient normalement pas d’explosifs, mais s’appuie plutôt sur la vitesse élevée , la masse et l’énergie cinétique du projectile pour infliger des dégâts. ^[2] Le railgun utilise une paire de conducteurs parallèles (rails), le long desquels une armature coulissante est accélérée par les effets électromagnétiques d’un courant qui circule le long d’un rail, dans l’armature, puis revient le long de l’autre rail. Il repose sur des principes similaires à ceux du moteur homopolaire .^[3]

Tir d’essai au United States Naval Surface Warfare Center Dahlgren Division en janvier 2008 ^{[1] [ clarification nécessaire ]}

Depuis 2020, les railguns ont été étudiés comme des armes utilisant des forces électromagnétiques pour conférer une énergie cinétique très élevée à un projectile (par exemple APFSDS ) plutôt que d’utiliser des propulseurs conventionnels. Alors que les canons militaires à propulsion explosive ne peuvent pas facilement atteindre une vitesse initialede plus de ≈2 km/s, les railguns peuvent facilement dépasser 3 km/s. Pour un projectile similaire, la portée des railguns peut dépasser celle des canons conventionnels. La force destructrice d’un projectile dépend de son énergie cinétique et de sa masse au point d’impact. En raison de la vitesse potentiellement élevée d’un projectile lancé par railgun, sa force destructrice peut être bien supérieure à celle des projectiles lancés de manière conventionnelle de même taille. L’absence de propulseurs explosifs ou d’ogives à stocker et à manipuler, ainsi que le faible coût des projectiles par rapport à l’armement conventionnel, sont également des avantages. ^[4]

Les railguns sont encore au stade de la recherche après des décennies de R&D , et il reste à voir s’ils seront un jour déployés en tant qu’armes militaires pratiques. Toute analyse de compromis entre les systèmes de propulsion électromagnétique (EM) et les propulseurs chimiques pour les applications d’armes doit également tenir compte de sa durabilité, de sa disponibilité et de son économie, ainsi que de la nouveauté, de l’encombrement, de la forte demande énergétique et de la complexité des alimentations pulsées nécessaires. pour les systèmes de lancement électromagnétiques.

Bases

Schéma de principe d’un railgun

Le railgun dans sa forme la plus simple diffère d’un moteur électrique traditionnel ^[5] en ce qu’il n’utilise pas d’enroulements de champ supplémentaires (ou d’aimants permanents). Cette configuration de base est formée par une seule boucle de courant et nécessite donc des courants élevés (par exemple, de l’ordre d’un million d’ Ampères ) pour produire des accélérations (et des vitesses initiales) suffisantes. Une variante relativement courante de cette configuration est le railgun augmenté dans lequel le courant d’entraînement est canalisé à travers des paires supplémentaires de conducteurs parallèles, disposés pour augmenter («augmenter») le champ magnétique subi par l’armature mobile. ^[6] Ces dispositions réduisent le courant nécessaire pour une accélération donnée. Dans la terminologie des moteurs électriques, les railguns augmentés sont généralementconfigurations bobinées en série . Certains railguns utilisent également de puissants aimants en néodyme avec le champ perpendiculaire au flux de courant pour augmenter la force sur le projectile.

L’armature peut faire partie intégrante du projectile, mais elle peut également être configurée pour accélérer un projectile séparé, électriquement isolé ou non conducteur. Les conducteurs coulissants métalliques solides sont souvent la forme préférée d’armature de railgun, mais des armatures plasma ou «hybrides» peuvent également être utilisées. ^[7]Une armature à plasma est formée par un Arc de gaz ionisé qui est utilisé pour pousser une charge utile solide et non conductrice d’une manière similaire à la pression du gaz propulseur dans un pistolet conventionnel. Une armature hybride utilise une paire de contacts à plasma pour interfacer une armature métallique avec les rails du pistolet. Les armatures solides peuvent également «transitionner» en armatures hybrides, généralement après le dépassement d’un seuil de vitesse particulier. Le courant élevé nécessaire pour alimenter un railgun peut être fourni par diverses technologies d’alimentation, telles que des condensateurs, des générateurs d’impulsions et des générateurs de disques. ^[8]

Pour les applications militaires potentielles, les railguns sont généralement intéressants car ils peuvent atteindre des vitesses initiales beaucoup plus élevées que les canons alimentés par des propulseurs chimiques conventionnels. Des vitesses initiales accrues avec de meilleurs projectiles aérodynamiquement profilés peuvent transmettre les avantages de portées de tir accrues tandis que, en termes d’effets de cible, des vitesses terminales accrues peuvent permettre l’utilisation de cartouches à énergie cinétique incorporant un guidage hit-to-kill, en remplacement des obus explosifs . Par conséquent, les conceptions typiques des armes à feu militaires visent des vitesses initiales comprises entre 2 000 et 3 500 m / s (4 500 et 7 800 mph; 7 200 et 12 600 km / h) avec des énergies initiales de 5 à 50 mégajoules (MJ). A titre de comparaison, 50 MJ équivaut à l’énergie cinétique d’un autobus scolairepesant 5 tonnes métriques, se déplaçant à 509 km / h (316 mph; 141 m / s). ^[9] Pour les railguns à boucle unique, ces exigences de mission nécessitent des courants de lancement de quelques millions d’ Ampères , de sorte qu’une alimentation électrique typique pour railgun peut être conçue pour fournir un courant de lancement de 5 MA pendant quelques millisecondes. Comme les intensités de champ magnétique requises pour de tels lancements seront généralement d’environ 10 tesla (100 Kilogauss ), la plupart des conceptions de canons à rail contemporains sont effectivement à noyau d’air, c’est-à-dire qu’elles n’utilisent pas de Matériaux ferromagnétiques tels que le fer pour améliorer le flux magnétique. Cependant, si le canon est fait d’un matériau magnétiquement perméable, l’intensité du champ magnétique augmente car l’augmentation de la perméabilité ( μ= μ ₀ * μ _r , où μ est la perméabilité effective, μ ₀ est la Constante de perméabilité et μ _r est la perméabilité relative du fût). Cela augmente la force sur le projectile.

Les vitesses des canons ferroviaires se situent généralement dans la plage de celles pouvant être atteintes par des canons à gaz léger à deux étages ; cependant, ces derniers ne sont généralement considérés que comme adaptés à une utilisation en laboratoire, tandis que les railguns sont jugés offrir des perspectives potentielles de développement en tant qu’armes militaires. Un pistolet à gaz léger, le Combustion Light Gas Gun sous une forme prototype de 155 mm, devait atteindre 2500 m / s avec un canon de calibre 70. ^[10] Dans certaines hypervitessesprojets de recherche, les projectiles sont “ pré-injectés ” dans les railguns, pour éviter d’avoir besoin d’un départ arrêté, et des pistolets à gaz léger à deux étages et des pistolets à poudre conventionnels ont été utilisés pour ce rôle. En principe, si la technologie d’alimentation électrique du railgun peut être développée pour fournir des unités sûres, compactes, fiables, résistantes au combat et légères, alors le volume et la masse totaux du système nécessaires pour accueillir une telle alimentation électrique et son carburant principal peuvent devenir inférieurs au niveau requis. volume et masse totaux pour une quantité équivalente de mission d’ergols conventionnels et de munitions explosives. On peut dire que cette technologie a mûri avec l’introduction du Système de lancement d’avion électromagnétique(EMALS) (bien que les railguns nécessitent des puissances système beaucoup plus élevées, car des énergies à peu près similaires doivent être délivrées en quelques millisecondes, par opposition à quelques secondes). Un tel développement conférerait alors un avantage militaire supplémentaire dans la mesure où l’élimination des explosifs de toute plate-forme d’armes militaires réduirait sa vulnérabilité aux tirs ennemis. ^{[ citation nécessaire ]}

Histoire

Diagrammes de railgun allemands

Le concept du railgun a été introduit pour la première fois par l’inventeur français André Louis Octave Fauchon-Villeplée, qui a créé un petit modèle de travail en 1917 avec l’aide de la Société anonyme des accumulateurs Tudor (aujourd’hui Tudor Batteries ). ^{[11] [12]} Pendant la Première Guerre mondiale, le directeur français des Inventions au ministère de l’Armement , Jules-Louis Brenton , charge Fauchon-Villeplee de développer un canon électrique de 30 à 50 mm le 25 juillet 1918, après des délégués de la Commission des Inventions ont assisté à des essais d’essai du modèle de travail en 1917. Cependant, le projet a été abandonné une fois la Première Guerre mondiale terminée plus tard cette année-là, le 11 novembre 1918. ^[12]Fauchon-Villeplee a déposé un brevet américain le 1er avril 1919, qui a été délivré en juillet 1922 sous le numéro de brevet. 1 421 435 “Appareil électrique pour propulser des projectiles”. ^[13] Dans son appareil, deux jeux de barres parallèles sont reliés par les ailes d’un projectile, et l’ensemble de l’appareil entouré d’un champ magnétique . En faisant passer le courant à travers les barres omnibus et le projectile, une force est induite qui propulse le projectile le long des barres omnibus et en vol. ^[14]

En 1923, le scientifique russe AL Korol’kov a détaillé ses critiques de la conception de Fauchon-Villeplee, argumentant contre certaines des affirmations de Fauchon-Villeplee sur les avantages de son invention. Korol’kov a finalement conclu que si la construction d’un canon électrique à longue portée était du domaine du possible, l’application pratique du railgun de Fauchon-Villeplee était entravée par son énorme consommation d’énergie électrique et son besoin d’un générateur électrique spécial d’une capacité considérable. pour l’alimenter. ^{[12] [15]}

En 1944, pendant la Seconde Guerre mondiale , Joachim Hänsler de l’Ordnance Office allemand proposa le premier railgun théoriquement viable. ^{[12] [16]} À la fin de 1944, la théorie derrière son canon anti-aérien électrique avait été suffisamment élaborée pour permettre au Flak Command de la Luftwaffe de publier une spécification, qui exigeait une vitesse initiale de 2 000 m/s (4 500 mph ; 7 200 km/h ; 6 600 ft/s) et un projectile contenant 0,5 kg (1,1 lb) d’explosif. Les canons devaient être montés en batteries de six tirant douze coups par minute, et il devait s’adapter au FlaK 40 de 12,8 cm existant.monte. Il n’a jamais été construit. Lorsque des détails ont été découverts après la guerre, ils ont suscité beaucoup d’intérêt et une étude plus détaillée a été réalisée, aboutissant à un rapport de 1947 concluant que c’était théoriquement faisable, mais que chaque arme aurait besoin de suffisamment de puissance pour éclairer la moitié de Chicago . ^[14]

En 1950, Sir Mark Oliphant , physicien australien et premier directeur de l’ École de recherche en sciences physiques de la nouvelle Université nationale australienne , a lancé la conception et la construction du plus grand générateur homopolaire au monde (500 mégajoules) . ^[17] Cette machine était opérationnelle à partir de 1962 et a ensuite été utilisée pour alimenter un railgun à grande échelle qui a été utilisé comme expérience scientifique. ^[18]

En 1980, le Laboratoire de recherche balistique (plus tard consolidé pour former le Laboratoire de recherche de l’armée américaine ) a lancé un programme à long terme de recherche théorique et expérimentale sur les railguns. Les travaux ont été menés principalement à l’ Aberdeen Proving Ground , et une grande partie des premières recherches s’est inspirée des expériences de railgun réalisées par l’ Université nationale australienne . ^{[19] [20]} Les sujets de recherche comprenaient la dynamique du plasma, ^[21] les champs électromagnétiques, ^[22] la télémétrie, ^[23] et le transport de courant et de chaleur. ^[24]Alors que la recherche militaire sur la technologie des armes à feu aux États-Unis s’est poursuivie de manière continue au cours des décennies suivantes, la direction et l’orientation qu’elle a prises ont radicalement changé avec des changements majeurs dans les niveaux de financement et les besoins des différentes agences gouvernementales. En 1984, la création de la Strategic Defence Initiative Organization a entraîné une réorientation des objectifs de recherche vers l’établissement d’une constellation de satellites pour intercepter les missiles balistiques intercontinentaux . En conséquence, l’armée américaine s’est concentrée sur le développement de petits projectiles guidés capables de résister au lancement à haute G à partir de canons à rail à armature plasma à ultra-haute vitesse. Mais après la publication d’une importante étude du Defense Science Board en 1985, l’ US Army ,Le Corps des Marines et la DARPA ont été chargés de développer des technologies de lancement électromagnétique anti-blindage pour les véhicules mobiles de combat au sol . ^[25] En 1990, l’armée américaine a collaboré avec l’ Université du Texas à Austin pour créer l’Institute for Advanced Technology (IAT), qui s’est concentré sur la recherche impliquant des armatures solides et hybrides, des interactions rail-armature et des matériaux de lanceurs électromagnétiques. ^[26] L’installation est devenue le premier centre de recherche et de développement financé par le gouvernement fédéral et abritait quelques-uns des lanceurs électromagnétiques de l’armée, tels que le lanceur de calibre moyen. ^{[25] [27]}

Depuis 1993, les gouvernements britannique et américain ont collaboré à un projet de canon à rail au Dundrennan Weapons Testing Center qui a abouti au test de 2010 où BAE Systems a tiré un projectile de 3,2 kg (7 livres) à 18,4 mégajoules [3 390 m / s (7 600 mph; 12 200 km/h ; 11 100 pieds/s)]. ^{[28] [ échec de la vérification ]} En 1994, le DRDO indien Armament Research and Development Establishment a développé un railgun avec une batterie de condensateurs à faible inductance de 240 kJ fonctionnant à une puissance de 5 kV capable de lancer des projectiles de 3 à 3,5 g à une vitesse de plus de 2 000 m/s (4 500 mph ; 7 200 km/h ; 6 600 ft/s). ^[29]En 1995, le Center for Electromagnetics de l’Université du Texas à Austin a conçu et développé un lanceur de rails à tir rapide appelé Cannon-Caliber Electromagnetic Gun . Le prototype de lanceur a ensuite été testé au laboratoire de recherche de l’armée américaine , où il a démontré une efficacité de culasse supérieure à 50 %. ^{[30] [31]}

En 2010, la marine américaine a testé un railgun de taille compacte conçu par BAE Systems pour la mise en place de navires qui accélérait un projectile de 3,2 kg (7 livres) à des vitesses hypersoniques d’environ 3 390 m/s (7 600 mph ; 12 200 km/h ; 11 100 ft /s), soit environ Mach 10, avec 18,4 MJ d’énergie cinétique. C’était la première fois dans l’histoire que de tels niveaux de performance étaient atteints. ^{[28] [32] [ échec de la vérification ]} Ils ont donné au projet la devise “Velocitas Eradico”, latin pour “moi, [qui suis] vitesse, éradique” – ou en langue vernaculaire, “Speed ​​Kills”. Un railgun antérieur de la même conception (32 mégajoules) réside au Dundrennan Weapons Testing Center au Royaume-Uni. ^[33]

Les railguns à faible puissance et à petite échelle ont également fait des projets universitaires et amateurs populaires. Plusieurs amateurs mènent activement des recherches sur les railguns. ^{[34] [35]}

Concevoir

La théorie

Un railgun se compose de deux rails métalliques parallèles (d’où le nom). A une extrémité, ces rails sont reliés à une alimentation électrique, pour former le côté culasse du canon. Ensuite, si un projectile conducteur est inséré entre les rails (par exemple par insertion dans la culasse), il complète le circuit. Les électrons circulent de la borne négative de l’alimentation électrique vers le rail négatif, à travers le projectile et le long du rail positif, jusqu’à l’alimentation électrique. ^[36]

Ce courant fait que le railgun se comporte comme un électroaimant , créant un champ magnétique à l’intérieur de la boucle formée par la longueur des rails jusqu’à la position de l’armature. Conformément à la Règle de la main droite , le champ magnétique circule autour de chaque conducteur. Comme le courant est dans la direction opposée le long de chaque rail, le champ magnétique net entre les rails ( B ) est dirigé perpendiculairement au plan formé par les axes centraux des rails et de l’armature. En combinaison avec le courant ( I ) dans l’induit, cela produit une force de Lorentzqui accélère le projectile le long des rails, toujours hors de la boucle (quelle que soit la polarité de l’alimentation) et loin de l’alimentation, vers l’extrémité de bouche des rails. Il y a aussi des forces de Lorentz agissant sur les rails et essayant de les séparer, mais comme les rails sont montés fermement, ils ne peuvent pas bouger.

Par définition, si un courant d’un ampère circule dans une paire de conducteurs parallèles idéaux infiniment longs séparés par une distance d’un mètre, alors l’amplitude de la force sur chaque mètre de ces conducteurs sera exactement de 0,2 micro-newtons. De plus, en général, la force sera proportionnelle au carré de l’intensité du courant et inversement proportionnelle à la distance entre les conducteurs. Il s’ensuit également que, pour des railguns ayant des masses de projectiles de quelques kg et des longueurs de canon de quelques mètres, des courants très importants seront nécessaires pour accélérer les projectiles à des vitesses de l’ordre de 1000 m/s.

Une très grande alimentation électrique, fournissant de l’ordre d’un million d’Ampères de courant, créera une force énorme sur le projectile, l’accélérant à une vitesse de plusieurs kilomètres par seconde (km/s). Bien que ces vitesses soient possibles, la chaleur générée par la propulsion de l’objet est suffisante pour éroder rapidement les rails. Dans des conditions d’utilisation intensive, les railguns actuels nécessiteraient un remplacement fréquent des rails ou l’utilisation d’un matériau résistant à la chaleur qui serait suffisamment conducteur pour produire le même effet. À l’heure actuelle, il est généralement admis qu’il faudra des percées majeures dans la science des matériaux et les disciplines connexes pour produire des railguns de grande puissance capables de tirer plus de quelques coups à partir d’un seul ensemble de rails. Le canon doit résister à ces conditions jusqu’à plusieurs coups par minute pour des milliers de tirs sans panne ni dégradation importante. Ces paramètres sont bien au-delà de l’état de l’art en science des matériaux.^[37]

Analyse électromagnétique

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Cette section présente une analyse élémentaire des principes électromagnétiques théoriques fondamentaux qui régissent la mécanique des railguns.

Si un railgun devait fournir un champ magnétique uniforme de force B {displaystyle B} , orienté perpendiculairement à la fois à l’induit et à l’axe de l’alésage, puis, avec un courant d’induit je {displaystyle I} et une longueur d’armature l {displaystyle {boldsymbol {ell }}} , la force F {displaystyle F} l’accélération du projectile serait donnée par la formule : ^[3]

F = I l × B {displaystyle {boldsymbol {F}}=Je{boldsymbol {ell }}times {boldsymbol {B}}}

Ici, la force, le courant et le champ sont tous traités comme des vecteurs, de sorte que le produit croisé vectoriel ci-dessus donne une force dirigée le long de l’axe de l’alésage, agissant sur le courant dans l’armature, en conséquence du champ magnétique.

Dans la plupart des railguns simples, le champ magnétique B {displaystyle B} est uniquement fourni par le courant circulant dans les rails, c’est-à-dire derrière l’induit. Il s’ensuit que le champ magnétique ne sera ni constant ni spatialement uniforme. Ainsi, en pratique, la force doit être calculée après avoir dûment tenu compte de la variation spatiale du champ magnétique dans le volume de l’armature.

Pour illustrer les principes mis en jeu, il peut être utile de considérer les rails et l’armature comme des fils fins ou “filaments”. Avec cette approximation, l’amplitude du vecteur de force peut être déterminée à partir d’une forme de la loi de Biot-Savart et d’un résultat de la force de Lorentz. La force peut être dérivée mathématiquement en termes de Constante de perméabilité ( μ 0 {displaystylemu _{0}} ), le rayon des rails (qui sont supposés être de section circulaire) ( r {displaystyle r} ), la distance entre les axes centraux des rails ( d {displaystyle d} ) et le courant ( I {displaystyle I} ) comme décrit ci-dessous.

Premièrement, on peut montrer à partir de la loi de Biot-Savart qu’à une extrémité d’un fil conducteur de courant semi-infini, le champ magnétique à une distance perpendiculaire donnée ( s {displaystyle s} ) à partir de l’extrémité du fil est donnée par ^[38]

B ( s ) = μ 0 I 4 π s φ ^ {displaystyle mathbf {B} (s)={frac {mu _{0}I}{4pi s}}{widehat {varphi }}}

Notez que c’est si le fil part de l’emplacement de l’armature, par exemple de x = 0 à x = − ∞ {displaystyle x=-infty} et s {displaystyle s} est mesuré par rapport à l’axe du fil.

Ainsi, si l’armature relie les extrémités de deux de ces fils semi-infinis séparés par une distance, d {displaystyle d} , une assez bonne approximation en supposant que la longueur des fils est beaucoup plus grande que d {displaystyle d} , le champ total des deux fils en tout point de l’armature est :

B ( s ) = μ 0 I 4 π ( 1 s + 1 d − s ) z ^ {displaystyle mathbf {B} (s)={frac {mu _{0}I}{4pi }}left({frac {1}{s}}+{frac {1} {ds}}right){widehat {z}}}

où s {displaystyle s} est la distance perpendiculaire entre le point de l’armature et l’axe de l’un des fils.

Noter que φ ^ {displaystyle {widehat {varphi}}} entre les rails est z ^ {displaystyle {widehat {z}}} en supposant que les rails se trouvent dans le plan xy et vont de x = 0 à x = − ∞ {displaystyle x=-infty} comme suggéré ci-dessus.

Ensuite, pour évaluer la force sur l’armature, l’expression ci-dessus pour le champ magnétique sur l’armature peut être utilisée en conjonction avec la loi de force de Lorentz,

F = I ∫ d l × B ( s ) {displaystyle mathbf {F} =Iint mathrm {d} {boldsymbol {ell }}times mathbf {B} (s)}

Donner la force comme

F = I ∫ r d − r d l × μ 0 I 4 π ( 1 s + 1 d − s ) z ^ = μ 0 I 2 2 π ln ⁡ ( d − r r ) x ^ {displaystyle mathbf {F} =Iint _{r}^{dr}mathrm {d} {boldsymbol {ell }}times {frac {mu _{0}I}{4 pi }}left({frac {1}{s}}+{frac {1}{ds}}right){widehat {z}}={frac {mu _{0}I^ {2}}{2pi }}ln left({frac {dr}{r}}right){widehat {x}}}

Cela montre que la force sera proportionnelle au produit de μ 0 {displaystylemu _{0}} et le carré du courant, I {displaystyle I} . Parce que la valeur de μ ₀ est petite (4 π × 10 ⁻⁷ H / m ) il s’ensuit que les railguns puissants ont besoin de courants d’entraînement importants.

La formule ci-dessus est basée sur l’hypothèse que la distance ( l {displaystyle l} ) entre le point où la force ( F {displaystyle F} ) est mesuré et le début des rails est supérieur à la séparation des rails ( d {displaystyle d} ) par un facteur d’environ 3 ou 4 ( l > 3 d {displaystyle l>3d} ). Certaines autres hypothèses simplificatrices ont également été faites; pour décrire la force plus précisément, il faut tenir compte de la géométrie des rails et du projectile.

Avec la plupart des géométries de railgun pratiques, il n’est pas facile de produire une expression électromagnétique de la force du railgun qui soit à la fois simple et raisonnablement précise. Pour un modèle simple plus réalisable, une alternative utile consiste à utiliser un modèle de circuit localisé, pour décrire la relation entre le courant d’entraînement et la force du railgun.

Dans ces modèles, le railgun est modélisé sur un circuit électrique et la force motrice peut être déterminée à partir du flux d’énergie dans le circuit. La tension aux bornes de la culasse du railgun est donnée par

V = d ( L I ) d t + I R {displaystyle V={frac {mathrm {d} (LI)}{mathrm {d} t}}+IR}

Ainsi, la puissance totale circulant dans le railgun est alors simplement le produit V I {displaystyle VI} . Cette puissance représente un flux d’énergie sous trois formes principales : énergie cinétique dans le projectile et l’armature, énergie stockée dans le champ magnétique, B {displaystyle B} et l’énergie perdue via le chauffage par résistance électrique des rails (et de l’armature).

Au fur et à mesure que le projectile se déplace le long du canon, la distance entre la culasse et l’armature augmente. Par conséquent, la résistance et l’inductance du barillet augmentent également. Pour un modèle simple, on peut supposer que la résistance et l’inductance du canon varient en fonction linéaire de la position du projectile, x {style d’affichage x} , donc ces quantités sont modélisées comme

R = R ′ x L = L ′ x {displaystyle {begin{aligned}R&=R’x\L&=L’xend{aligned}}}

où R ′ {displaystyle R’} est la résistance par unité de longueur et L ′ {displaystyle L’} est l’inductance par unité de longueur, ou le gradient d’inductance. Il s’ensuit que

d ( L I ) d t = I d L d t + L d I d t = L ′ I d x d t + L ′ x d I d t = I L ′ v + L ′ x d I d t {displaystyle {frac {mathrm {d} (LI)}{mathrm {d} t}}=I{frac {mathrm {d} L}{mathrm {d} t}}+L{ frac {mathrm {d} I}{mathrm {d} t}}=L’I{frac {mathrm {d} x}{mathrm {d} t}}+L’x{frac {mathrm {d} je}{mathrm {d} t}}=IL’v+L’x{frac {mathrm {d} je}{mathrm {d} t}}}

où d x / d t {displaystyle {mathrm {d} x}/{mathrm {d} t}} est la vitesse du projectile la plus importante, v {style d’affichage v} . Puis

V = I L ′ v + L ′ x d I d t + I R ′ x = I ( L ′ v + R ′ x ) + L ′ x d I d t {displaystyle V=IL’v+L’x{frac {mathrm {d} I}{mathrm {d} t}}+IR’x=Ileft(L’v+R’xright )+L’x{frac {mathrm {d} je}{mathrm {d} t}}}

Maintenant, si le courant d’entraînement est maintenu constant, le d I / d t {displaystyle {mathrm {d} je}/{mathrm {d} t}} terme sera nul. Les pertes résistives correspondent désormais à un flux de puissance I 2 R ′ x {displaystyle I^{2}R’x} , tandis que le flux de puissance I 2 L ′ v {displaystyle I^{2}L’v} représente le travail électromagnétique effectué.

Ce modèle simple prédit qu’exactement la moitié du travail électromagnétique sera utilisée pour stocker de l’énergie dans le champ magnétique le long du canon, L ′ x I 2 / 2 {displaystyle L’xI^{2}/2} , à mesure que la longueur de la boucle de courant augmente.

L’autre moitié du travail électromagnétique représente le flux de puissance le plus utile – dans l’énergie cinétique du projectile. Étant donné que la puissance peut être exprimée en force multipliée par la vitesse, cela montre que la force sur l’armature du railgun est donnée par

F = L ′ I 2 2 {displaystyle F={frac {L’I^{2}}{2}}}

Cette équation montre également que de fortes accélérations nécessiteront des courants très élevés. Pour un railgun monotour à alésage carré idéal, la valeur de L ′ {displaystyle L’} serait d’environ 0,6 microHenries par mètre (μH / m) mais la plupart des canons de railgun pratiques présentent des valeurs inférieures de L ′ {displaystyle L’} que cela. Maximiser le gradient d’inductance n’est que l’un des défis auxquels sont confrontés les concepteurs de canons de railgun.

Étant donné que le modèle de circuit localisé décrit la force du railgun en termes d’équations de circuit assez normales, il devient possible de spécifier un modèle de domaine temporel simple d’un railgun. En ignorant le frottement et la traînée d’air, l’accélération du projectile est donnée par

d v d t = L ′ I 2 2 m {displaystyle {frac {mathrm {d} v}{mathrm {d} t}}={frac {L’I^{2}}{2m}}}

où m est la masse du projectile. Le mouvement le long du canon est donné par

d x d t = v {displaystyle {frac {mathrm {d} x}{mathrm {d} t}}=v}

et les termes de tension et de courant ci-dessus peuvent être placés dans des équations de circuit appropriées pour déterminer la variation temporelle du courant et de la tension.

On peut également noter que la formule classique de l’ inductance haute fréquence par unité de longueur d’une paire de fils ronds parallèles, de rayon r et de séparation axiale d est :

L ′ = μ 0 π ln ⁡ ( d − r r ) {displaystyle L’={frac {mu _{0}}{pi }}ln left({frac {dr}{r}}right)}

Ainsi, le modèle à paramètres localisés prédit également la force pour ce cas comme suit :

F = L ′ I 2 2 = μ 0 I 2 2 π ln ⁡ ( d − r r ) . {displaystyle F={frac {L’I^{2}}{2}}={frac {mu _{0}I^{2}}{2pi }}ln left({ frac {dr}{r}}right).}

Avec des géométries pratiques de railgun, des modèles bidimensionnels beaucoup plus précis des distributions de courant de rail et d’induit (et les forces associées) peuvent être calculés, par exemple, en utilisant des méthodes d’éléments finis pour résoudre des formulations basées soit sur le potentiel magnétique scalaire, soit sur le potentiel magnétique scalaire. potentiel vectoriel.

Considérations sur la conception

L’alimentation doit être capable de délivrer des courants importants, soutenus et contrôlés pendant une durée utile. L’indicateur le plus important de l’efficacité de l’alimentation électrique est l’énergie qu’elle peut fournir. En décembre 2010, la plus grande énergie connue utilisée pour propulser un projectile à partir d’un railgun était de 33 mégajoules. ^[39] Les formes les plus courantes d’alimentations électriques utilisées dans les railguns sont les condensateurs et les compulsateurs qui sont lentement chargés à partir d’autres sources d’énergie continues.

Les rails doivent résister à d’énormes forces de répulsion pendant le tir, et ces forces auront tendance à les écarter et à les éloigner du projectile. Au fur et à mesure que les dégagements rail/projectile augmentent, un Arc se développe, ce qui provoque une vaporisation rapide et des dommages importants aux surfaces du rail et aux surfaces de l’isolateur. Cela limitait certains des premiers railguns de recherche à un coup par intervalle de service.

L’inductance et la résistance des rails et de l’alimentation limitent l’efficacité d’une conception de railgun. Actuellement, différentes formes de rails et configurations de railgun sont testées, notamment par l’US Navy ( Naval Research Laboratory ), l’ Institute for Advanced Technology de l’Université du Texas à Austin et BAE Systems.

Les matériaux utilisés

Les rails et les projectiles doivent être construits à partir de matériaux conducteurs solides ; les rails doivent survivre à la violence d’un projectile en accélération et au chauffage en raison des courants importants et des frottements impliqués. Certains travaux erronés ont suggéré que la force de recul des railguns pouvait être redirigée ou éliminée; une analyse théorique et expérimentale minutieuse révèle que la force de recul agit sur la fermeture de la culasse comme dans une arme à feu chimique. ^{[40] [41] [42] [43]}Les rails se repoussent également via une force latérale causée par les rails poussés par le champ magnétique, tout comme le projectile. Les rails doivent survivre à cela sans se plier et doivent être montés de manière très sûre. Les documents actuellement publiés suggèrent que des progrès majeurs dans la science des matériaux doivent être réalisés avant que des rails puissent être développés qui permettent aux railguns de tirer plus que quelques coups à pleine puissance avant que le remplacement des rails ne soit nécessaire.

Dissipation de la chaleur

Dans les conceptions actuelles, des quantités massives de chaleur sont créées par l’électricité circulant à travers les rails, ainsi que par le frottement du projectile quittant l’appareil. Cela pose trois problèmes principaux : la fonte des équipements, la sécurité réduite du personnel et la détection par les forces ennemies en raison de l’augmentation de la signature infrarouge . Comme brièvement discuté ci-dessus, les contraintes impliquées dans la cuisson de ce type de dispositif nécessitent un matériau extrêmement résistant à la chaleur. Sinon, les rails, le canon et tous les équipements attachés fondraient ou seraient irrémédiablement endommagés.

En pratique, les rails utilisés avec la plupart des conceptions de railgun sont sujets à l’érosion à chaque lancement. De plus, les projectiles peuvent être soumis à un certain degré d’ ablation , ce qui peut limiter la durée de vie du railgun, dans certains cas sévèrement. ^[44]

Applications

Les railguns ont un certain nombre d’applications pratiques potentielles, principalement pour l’armée. Cependant, d’autres applications théoriques sont actuellement à l’étude.

Lancement ou assistance au lancement d’engins spatiaux

L’assistance électrodynamique au lancement des fusées a été étudiée. ^[45] Les applications spatiales de cette technologie impliqueraient probablement des bobines électromagnétiques spécialement formées et des aimants supraconducteurs . ^[46] Des matériaux composites seraient probablement utilisés pour cette application. ^[47]

Pour les lancements spatiaux depuis la Terre, des distances d’accélération relativement courtes (moins de quelques km) nécessiteraient des forces d’accélération très fortes, supérieures à ce que l’homme peut tolérer. D’autres conceptions incluent une piste hélicoïdale plus longue (en spirale) ou une grande conception d’anneau dans laquelle un véhicule spatial ferait le tour de l’anneau plusieurs fois, gagnant progressivement de la vitesse, avant d’être relâché dans un couloir de lancement menant vers le ciel. Néanmoins, si cela est techniquement faisable et rentable à construire, conférer une vitesse d’ échappement hyper-vitesse à un projectile lancé au niveau de la mer, où l’atmosphère est la plus dense, peut entraîner la perte d’une grande partie de la vitesse de lancement au profit de la traînée aérodynamique.. De plus, le projectile peut encore nécessiter une certaine forme de guidage et de contrôle à bord pour réaliser un angle d’insertion orbital utile qui peut ne pas être réalisable simplement sur la base de l’angle d’élévation vers le haut du lanceur par rapport à la surface de la terre (voir les considérations pratiques de vitesse de fuite ).

En 2003, Ian McNab a présenté un plan pour transformer cette idée en une technologie réalisée. ^[48] ​​En raison d’une forte accélération, ce système ne lancerait que des matériaux solides, tels que de la nourriture, de l’eau et, surtout, du carburant. Dans des circonstances idéales (équateur, montagne, vers l’est), le système coûterait 528 $/kg, ^[48] contre 5 000 $/kg sur la fusée conventionnelle. ^[49]Le railgun McNab pouvait effectuer environ 2000 lancements par an, pour un total maximum de 500 tonnes lancées par an. La piste de lancement étant longue de 1,6 km, l’alimentation sera assurée par un réseau distribué de 100 machines tournantes (compulseur) réparties le long de la piste. Chaque machine aurait un rotor en fibre de carbone de 3,3 tonnes tournant à grande vitesse. Une machine peut se recharger en quelques heures avec une puissance de 10 MW. Cette machine pourrait être alimentée par un groupe électrogène dédié. Le paquet de lancement total pèserait près de 1,4 tonne. La charge utile par lancement dans ces conditions est supérieure à 400 kg. ^[48] ​​Il y aurait un champ magnétique de fonctionnement de pointe de 5 T – la moitié de celui-ci provenant des rails et l’autre moitié des aimants d’augmentation. Cela réduit de moitié le courant requis à travers les rails, ce qui réduit la puissance par quatre.

La NASA a proposé d’utiliser un railgun pour lancer “un avion en forme de coin avec des scramjets ” à haute altitude à Mach 10, où il lancerait ensuite une petite charge utile en orbite en utilisant la propulsion de fusée conventionnelle. ^[50] Les forces g extrêmes impliquées dans le lancement direct du railgun au sol dans l’espace peuvent limiter l’utilisation aux seules charges utiles les plus robustes. Alternativement, des systèmes de rails très longs peuvent être utilisés pour réduire l’accélération de lancement requise. ^[48]

Armes

Dessins de projectiles de pistolet électrique Railgun électromagnétique situé au Naval Surface Warfare Center

Les railguns sont étudiés comme des armes avec des projectiles qui ne contiennent ni explosifs ni propulseurs, mais reçoivent des vitesses extrêmement élevées : 2 500 m/s (8 200 pieds/s) (environ Mach 7 au niveau de la mer) ou plus. À titre de comparaison, le fusil M16 a une vitesse initiale de 930 m/s (3 050 pieds/s) et le canon Mark 7 de 16 pouces/calibre 50 qui a armé les cuirassés américains de la Seconde Guerre mondiale a une vitesse initiale de 760 m/s. (2 490 pieds/s), qui, en raison de sa masse de projectile beaucoup plus importante (jusqu’à 2 700 livres), a généré une énergie initiale de 360 ​​MJ et un impact cinétique en aval de l’énergie de plus de 160 MJ (voir aussi Projet HARP). En tirant des projectiles plus petits à des vitesses extrêmement élevées, les railguns peuvent produire des impacts d’énergie cinétique égaux ou supérieurs à l’énergie destructrice des canons navals Mark 45 de calibre 5 “/ 54, (qui atteignent jusqu’à 10MJ au museau), mais avec une plus grande portée. Cela réduit la taille et le poids des munitions, ce qui permet de transporter plus de munitions et d’éliminer les risques liés au transport d’explosifs ou de propulseurs dans un char ou une plate-forme d’armes navales. De plus, en tirant des projectiles plus aérodynamiquement profilés à des vitesses plus élevées, les railguns peuvent atteindre une plus grande portée, moins de temps pour cibler et à des portées plus courtes moins de dérive du vent, contournant les limites physiques des armes à feu conventionnelles: “les limites de l’expansion du gaz interdisent de lancer un projectile sans assistance à des vitesses supérieures à environ 1,5 km/s et à des portées de plus de 50 miles [80 km] à partir d’un système de canon conventionnel pratique.” ^[51]

Les technologies actuelles du railgun nécessitent un canon long et lourd, mais la balistique d’un railgun surpasse de loin les canons conventionnels de longueurs de canon égales. Les railguns peuvent également infliger des dégâts de zone d’effet en faisant exploser une charge explosive dans le projectile qui libère un essaim de projectiles plus petits sur une grande surface. ^{[52] [53]}

En supposant que les nombreux défis techniques auxquels sont confrontés les railguns utilisables sur le terrain sont surmontés, y compris des problèmes tels que le guidage des projectiles de railgun, l’endurance du rail et la capacité de survie au combat et la fiabilité de l’alimentation électrique, les vitesses de lancement accrues des railguns peuvent offrir des avantages par rapport aux canons plus conventionnels pour une variété de Scénarios offensifs et défensifs. Les canons ferroviaires ont un potentiel limité pour être utilisés contre des cibles de surface et aéroportées.

Le premier railgun armé prévu pour la production, le système General Atomics Blitzer , a commencé les tests complets du système en septembre 2010. L’arme lance un obus de sabot de rejet rationalisé conçu par Boeing’s Phantom Works à 1 600 m / s (5 200 pieds / s) (environ Mach 5 ) avec des accélérations supérieures à 60 000 g _n . ^[54] Au cours de l’un des tests, le projectile a pu parcourir 7 kilomètres supplémentaires (4,3 mi) en aval après avoir pénétré une plaque d’acier de 1 ⁄ 8 pouce (3,2 mm) d’épaisseur. La société espère avoir une démonstration intégrée du système d’ici 2016, suivie d’une production d’ici 2019, en attendant le financement. Jusqu’à présent, le projet est autofinancé. ^[55]

En octobre 2013, General Atomics a dévoilé une version terrestre du railgun Blitzer. Un responsable de l’entreprise a affirmé que l’arme pourrait être prête pour la production dans “deux à trois ans”. ^[56]

Les railguns sont à l’étude pour être utilisés comme armes anti-aériennes pour intercepter les menaces aériennes, en particulier les missiles de croisière anti-navires , en plus du bombardement terrestre. Un écrémage supersoniqueun missile anti-navire peut apparaître à l’horizon à 20 milles d’un navire de guerre, laissant un temps de réaction très court au navire pour l’intercepter. Même si les systèmes de défense conventionnels réagissent assez rapidement, ils sont coûteux et seul un nombre limité de grands intercepteurs peuvent être emportés. Un projectile railgun peut atteindre plusieurs fois la vitesse du son plus rapidement qu’un missile; pour cette raison, il peut toucher une cible, comme un missile de croisière, beaucoup plus rapidement et plus loin du navire. Les projectiles sont également généralement beaucoup moins chers et plus petits, ce qui permet d’en transporter beaucoup plus (ils n’ont pas de système de guidage et dépendent du railgun pour fournir leur énergie cinétique, plutôt que de la fournir eux-mêmes). La vitesse, le coût et les avantages numériques des systèmes de canons ferroviaires peuvent leur permettre de remplacer plusieurs systèmes différents dans l’approche actuelle de défense en couches.^[57] Un projectile railgun sans la capacité de changer de cap peut frapper des missiles rapides à une portée maximale de 30 nmi (35 mi; 56 km). ^[58] Comme c’est le cas avec le Phalanx CIWS, les obus de railgun non guidés nécessiteront plusieurs / plusieurs tirs pour abattre des missiles anti-navires supersoniques manoeuvrants, les chances de toucher le missile s’améliorant considérablement à mesure qu’il se rapproche. La Marine prévoit que les railguns puissent intercepter les émissions endoatmosphériquesmissiles balistiques, menaces aériennes furtives, missiles supersoniques et menaces de surface grouillantes ; un système prototype pour soutenir les tâches d’interception doit être prêt d’ici 2018 et opérationnel d’ici 2025. Ce délai suggère que les armes devraient être installées sur les combattants de surface de la prochaine génération de la Marine, dont la construction devrait commencer d’ici 2028. ^[59]

BAE Systems était à un moment intéressé par l’installation de railguns sur son futur véhicule de combat . ^{[60] [61] [62]}

L’Inde a testé avec succès son propre railgun. ^[63] La Russie , ^[64] la Chine , ^{[65] [66]} la Turquie ASELSAN ^[67] et Yeteknoloji ^[68] développent également des railguns. ^[69]

Railgun hélicoïdal

Les railguns hélicoïdaux ^[70] sont des railguns multi-tours qui réduisent le courant de rail et de brosse d’un facteur égal au nombre de tours. Deux rails sont entourés d’un canon hélicoïdal et le projectile ou support réutilisable est également hélicoïdal. Le projectile est alimenté en continu par deux balais coulissant le long des rails, et deux ou plusieurs balais supplémentaires sur le projectile servent à alimenter et commuter plusieurs enroulements de la direction du canon hélicoïdal devant et/ou derrière le projectile. Le railgun hélicoïdal est un croisement entre un railgun et un coilgun . Ils n’existent pas actuellement sous une forme pratique et utilisable.

Un railgun hélicoïdal a été construit au MIT en 1980 et était alimenté par plusieurs bancs de, pour l’époque, de gros condensateurs (environ 4 farads ). Il mesurait environ 3 mètres de long, composé de 2 mètres de bobine d’accélération et 1 mètre de bobine de décélération. Il était capable de lancer un planeur ou un projectile à environ 500 mètres.

Pistolet à plasma

Un railgun à plasma est un accélérateur linéaire et une arme à énergie plasma qui, comme un railgun à projectile, utilise deux longues électrodes parallèles pour accélérer une armature “courte coulissante”. Cependant, dans un railgun à plasma, l’armature et le projectile éjecté sont constitués de plasma, ou de particules chaudes, ionisées, semblables à du gaz, au lieu d’une masse solide de matériau. MARAUDER ( Magnetically Accelerated Ring to Achieve Ultra-high Directed Energy and Radiation ) est, ou était, un projet du laboratoire de recherche de l’US Air Force concernant le développement d’un railgun à plasma coaxial. C’est l’un des nombreux gouvernement des États-Unisefforts pour développer des projectiles à base de plasma. Les premières simulations informatiques ont eu lieu en 1990 et sa première expérience publiée est apparue le 1er août 1993. ^{[71] [72]} À partir de 1993, le projet semblait en être aux premiers stades expérimentaux. L’arme était capable de produire des anneaux de plasma en forme de beignet et des boules de foudre qui explosaient avec des effets dévastateurs lorsqu’elles touchaient leur cible. ^[73] Le succès initial du projet l’a conduit à être classé, et seules quelques références à MARAUDER sont apparues après 1993.

Essais

Schéma montrant la section transversale d’un canon à moteur linéaire

Des modèles à grande échelle ont été construits et tirés, y compris un canon à énergie cinétique de 90 mm (3,5 pouces) d’alésage et 9 mégajoules développé par l’ US DARPA . Les problèmes d’usure des rails et des isolateurs doivent encore être résolus avant que les railguns puissent commencer à remplacer les armes conventionnelles. Probablement le plus ancien système à succès constant a été construit par la Defense Research Agency du Royaume-Uni à Dundrennan Range à Kirkcudbright , en Écosse . Ce système a été établi en 1993 et ​​fonctionne depuis plus de 10 ans.

L’ Institut yougoslave de technologie militaire a développé, dans le cadre d’un projet nommé EDO-0, un railgun avec une énergie cinétique de 7 kJ, en 1985. En 1987, un successeur a été créé, le projet EDO-1, qui utilisait un projectile d’une masse de 0,7 kg (1,5 lb ) et atteint des vitesses de 3 000 m/s (9 800 pieds/s), et avec une masse de 1,1 kg (2,4 lb) atteint des vitesses de 2 400 m/s (7 900 pieds/s). Il utilisait une longueur de piste de 0,7 m (2,3 pi). Selon ceux qui y travaillaient, avec d’autres modifications, il était capable d’atteindre une vitesse de 4 500 m/s (14 800 pieds/s). L’objectif était d’atteindre une vitesse de projectile de 7 000 m/s (23 000 pieds/s).

La Chine est aujourd’hui l’un des acteurs majeurs des lanceurs électromagnétiques ; en 2012, il a accueilli le 16e Symposium international sur la technologie de lancement électromagnétique (EML 2012) à Pékin. ^[74] L’imagerie satellitaire à la fin de 2010 suggérait que des tests étaient menés sur un champ de tir de blindés et d’artillerie près de Baotou , dans la région autonome de Mongolie intérieure . ^[75]

Forces armées des États-Unis

L’armée américaine a exprimé son intérêt à poursuivre des recherches sur la technologie des pistolets électriques tout au long du 20e siècle, car les pistolets électromagnétiques n’ont pas besoin de propulseurs pour tirer un coup comme le font les systèmes de pistolet conventionnels, ce qui augmente considérablement la sécurité de l’équipage et réduit les coûts logistiques, ainsi que offrent une plus grande portée. De plus, les systèmes de canons ferroviaires se sont avérés fournir potentiellement une vitesse plus élevée des projectiles, ce qui augmenterait la précision de l’antichar, de l’artillerie et de la défense aérienne en réduisant le temps nécessaire au projectile pour atteindre sa destination cible. Au début des années 1990, l’ armée américaine a consacré plus de 150 millions de dollars à la recherche sur les armes électriques. ^[76] À l’ Université du Texas à AustinCenter for Electromechanics , des canons militaires capables de délivrer des balles perforantes en tungstène avec des énergies cinétiques de neuf mégajoules (9 MJ) ont été développés. ^[77] Neuf mégajoules représentent une énergie suffisante pour délivrer 2 kg (4,4 lb) de projectile à 3 km/s (1,9 mi/s) – à cette vitesse, une tige suffisamment longue de tungstène ou d’un autre métal dense pourrait facilement pénétrer dans un réservoir , et potentiellement le traverser (voir APFSDS ).

Division Dahlgren du Centre de guerre navale de surface

La division Dahlgren du Naval Surface Warfare Center des États-Unis a fait la démonstration d’un railgun de 8 MJ tirant des projectiles de 3,2 kg (7,1 lb) en octobre 2006 en tant que prototype d’une arme de 64 MJ à déployer à bord des navires de guerre de la Marine. Le principal problème que la marine américaine a eu avec la mise en œuvre d’un système de canon à rail est que les canons s’usent en raison des immenses pressions, contraintes et chaleur générées par les millions d’Ampères de courant nécessaires pour tirer des projectiles avec des mégajoules d’énergie. Bien qu’il ne soit pas aussi puissant qu’un missile de croisière comme un BGM-109 Tomahawk, qui fourniront 3 000 MJ d’énergie à une cible, de telles armes permettraient, en théorie, à la Marine de fournir une puissance de feu plus granulaire à une fraction du coût d’un missile, et seront beaucoup plus difficiles à abattre par rapport aux futurs systèmes défensifs. Pour le contexte, une autre comparaison pertinente est le canon Rheinmetall de 120 mm utilisé sur les chars de combat principaux, qui génère 9 MJ d’énergie initiale.

En 2007, BAE Systems a livré un prototype de 32 MJ (énergie initiale) à l’US Navy. ^[78] La même quantité d’énergie est libérée par la détonation de 4,8 kg (11 lb) de C4 .

Le 31 janvier 2008, l’US Navy a testé un railgun qui a tiré un projectile à 10,64 MJ avec une vitesse initiale de 2 520 m/s (8 270 pieds/s). ^[79] L’alimentation a été fournie par une nouvelle batterie de condensateurs prototype de 9 mégajoules utilisant des commutateurs à semi-conducteurs et des condensateurs à haute densité d’énergie livrés en 2007 et un ancien système d’alimentation par impulsions de 32 MJ de l’US Army’s Green Farm Electric Gun Research and Installation de développement développée à la fin des années 1980 qui a été précédemment rénovée par la division des systèmes électromagnétiques (EMS) de General Atomics. ^[80] Il devrait être prêt entre 2020 et 2025. ^[81]

Un test d’un railgun a eu lieu le 10 décembre 2010 par l’US Navy au Naval Surface Warfare Center Dahlgren Division. ^[82] Pendant le test, l’Office of Naval Research a établi un record du monde en effectuant un tir de 33 MJ depuis le railgun, qui a été construit par BAE Systems. ^{[39] [83]}

Un autre test a eu lieu en février 2012, au Naval Surface Warfare Center Dahlgren Division. Bien que similaire en énergie au test susmentionné, le railgun utilisé était considérablement plus compact, avec un canon d’aspect plus conventionnel. Un prototype construit par General Atomics a été livré pour des tests en octobre 2012. ^[84]

Vidéo externe
Images supplémentaires
essai de février 2012

En 2014, l’US Navy avait prévu d’intégrer un railgun d’une portée de plus de 160 km (100 mi) sur un navire d’ici 2016. ^[85] Cette arme, tout en ayant un facteur de forme plus typique d’un canon naval, devait utiliser composants largement en commun avec ceux développés et démontrés à Dahlgren. ^[86] Les cartouches à hyper-vitesse pèsent 10 kg (23 lb), mesurent 18 po (460 mm) et sont tirées à Mach 7. ^[87]

Un objectif futur était de développer des projectiles autoguidés – une condition nécessaire pour toucher des cibles éloignées ou intercepter des missiles. ^[88] Lorsque les cartouches guidées sont développées, la Marine projette que chaque cartouche coûte environ 25 000 $, ^[89] bien que le développement de projectiles guidés pour les armes à feu ait une histoire de doubler ou de tripler les estimations de coût initiales. Certains projectiles à grande vitesse développés par la marine ont un guidage de commande, mais la précision du guidage de commande n’est pas connue, ni même s’il peut survivre à un tir à pleine puissance.

Les seuls navires de la marine américaine capables de produire suffisamment d’énergie électrique pour obtenir les performances souhaitées sont les trois destroyers de la classe Zumwalt (série DDG-1000) ; ils peuvent générer 78 mégawatts de puissance, plus que nécessaire pour alimenter un railgun. Cependant, le Zumwalt a été annulé et aucune autre unité ne sera construite. Les ingénieurs travaillent à dériver les technologies développées pour les navires de la série DDG-1000 dans un système de batterie afin que d’autres navires de guerre puissent utiliser un railgun. ^[90] En 2014, la plupart des destroyers ne peuvent épargner que neuf mégawatts d’électricité supplémentaire, alors qu’il faudrait 25 mégawatts pour propulser un projectile à la portée maximale souhaitée ^[91] (c’est-à-dire pour lancer des projectiles de 32 MJ à une cadence de 10 coups par minute ). Même si des navires, comme le Le destroyer de classe Arleigh Burke peut être amélioré avec suffisamment de puissance électrique pour faire fonctionner un railgun, l’espace occupé sur les navires par l’intégration d’un système d’arme supplémentaire peut forcer la suppression des systèmes d’arme existants pour libérer de l’espace. ^[92] Les premiers essais à bord devaient être effectués à partir d’un railgun installé sur un transport rapide expéditionnaire (EPF) de classe Spearhead , mais cela a ensuite été remplacé par des essais terrestres. ^[93]

Bien que les projectiles de 23 lb n’aient pas d’explosifs, leur vitesse de Mach 7 leur donne 32 mégajoules d’énergie, mais l’énergie cinétique d’impact en aval sera généralement de 50% ou moins de l’énergie initiale. La marine a examiné d’autres utilisations des railguns, en plus du bombardement terrestre, comme la défense aérienne ; avec les bons systèmes de ciblage, les projectiles pourraient intercepter des avions, des missiles de croisière et même des missiles balistiques. La Marine développe également des armes à énergie dirigée pour la défense aérienne, mais il faudra des années ou des décennies avant qu’elles ne soient efficaces. ^{[94] [95] [96]}

Le railgun ferait partie d’une flotte de la Marine qui envisage de futures capacités offensives et défensives fournies par couches : des lasers pour fournir une défense à courte portée, des railguns pour fournir une attaque et une défense à moyenne portée, et des missiles de croisière pour fournir une attaque à longue portée ; bien que les railguns couvrent des cibles jusqu’à 100 miles de distance qui nécessitaient auparavant un missile. ^[97] La ​​marine pourrait éventuellement améliorer la technologie du railgun pour lui permettre de tirer à une distance de 200 nmi (230 mi; 370 km) et d’avoir un impact de 64 mégajoules d’énergie. Un tir nécessiterait 6 millions d’Ampères de courant, il faudra donc beaucoup de temps pour développer des condensateurs capables de générer suffisamment d’énergie et des matériaux de pistolet suffisamment solides. ^[75]

L’application à court terme la plus prometteuse pour les armes à feu et les armes électromagnétiques, en général, est probablement à bord de navires de guerre disposant d’une capacité de production électrique et d’un espace de stockage de batterie suffisants. En échange, la capacité de survie des navires peut être améliorée grâce à une réduction comparable des quantités de propulseurs et d’explosifs chimiques potentiellement dangereux utilisés. Les forces de combat au sol, cependant, peuvent trouver que la co-localisation d’une alimentation électrique supplémentaire sur le champ de bataille pour chaque système de canon peut ne pas être aussi efficace en termes de poids et d’espace, de survie ou pratique comme source d’énergie de lancement de projectile immédiat que les propulseurs conventionnels, qui sont fabriqués en toute sécurité derrière les lignes et livrés à l’arme, préemballés, grâce à un système logistique robuste et dispersé.

En juillet 2017, Defensetech a signalé que la marine souhaitait faire passer le prototype de canon à rails de l’Office of Naval Research d’une expérience scientifique à un territoire d’armes utiles. L’objectif, selon Tom Beutner , chef de Naval Air Warfare and Weapons pour l’ONR, était de dix tirs par minute à 32 mégajoules. Un tir de railgun de 32 mégajoules équivaut à environ 23 600 000 pieds-livres, donc un seul tir de 32 MJ a la même énergie initiale qu’environ 200 000 cartouches de 0,22 tirées simultanément. ^[98]Dans les unités de puissance plus conventionnelles, un tir de 32 MJ toutes les 6 s correspond à une puissance nette de 5,3 MW (ou 5300 kW). Si l’on suppose que le railgun est efficace à 20% pour transformer l’énergie électrique en énergie cinétique, les alimentations électriques du navire devront fournir environ 25 MW tant que le tir se poursuivra.

En 2020, la Marine avait dépensé 500 millions de dollars pour le développement de canons ferroviaires sur 17 ans. La marine se concentrait sur le tir de projectiles hypersoniques à partir de canons conventionnels existants déjà disponibles en nombre. ^[99] Le 1er juin 2021, The Drive a rapporté que le budget proposé pour l’exercice 2022 de la marine américaine ne prévoyait aucun financement pour la recherche et le développement des armes à feu. ^[100] Les défis techniques n’ont pas pu être surmontés, tels que les forces massives de tir usant le canon après seulement une ou deux douzaines de tirs, et une cadence de tir trop faible pour être utile pour la défense antimissile. Les priorités avaient également changé depuis le début du développement du railgun, la marine mettant davantage l’accent sur les missiles hypersoniques à plus longue portée par rapport aux projectiles de railgun à portée relativement plus courte.^[101]

Laboratoire de recherche de l’armée

La recherche sur la technologie des armes à feu a été l’un des principaux domaines d’intérêt du Laboratoire de recherche balistique (BRL) tout au long des années 1980. En plus d’analyser les performances et les propriétés électrodynamiques et thermodynamiques des railguns dans d’autres institutions (comme le railgun CHECMATE de Maxwell Laboratories ), BRL a acheté ses propres railguns pour étude, tels que leur railgun d’un mètre et leur rail gun de quatre mètres. ^{[102] [103] [104]} En 1984, les chercheurs de BRL ont conçu une technique pour analyser le résidu laissé sur la surface de l’alésage après qu’un coup de feu a été tiré afin d’enquêter sur la cause de la dégradation progressive de l’alésage. ^[105]En 1991, ils ont déterminé les propriétés requises pour développer un ensemble de lancement efficace ainsi que les critères de conception nécessaires pour qu’un railgun intègre des projectiles à ailettes et à longue tige. ^{[106] [107]}

La recherche sur les canons ferroviaires s’est poursuivie après la consolidation du laboratoire de recherche balistique avec six autres laboratoires indépendants de l’armée pour former le laboratoire de recherche de l’armée américaine (ARL) en 1992. L’un des principaux projets de recherche sur les canons ferroviaires auquel ARL a participé était le canon électromagnétique de calibre canon. (CCEMG) , qui a eu lieu au Center for Electromechanics de l’Université du Texas (UT-CEM) et a été parrainé par le US Marine Corps et le US Army Armament Research Development and Engineering Center . ^[108] Dans le cadre du programme CCEMG, l’UT-CEM a conçu et développé le Cannon-Caliber Electromagnetic Launcher, un lanceur de rails à tir rapide, en 1995. ^[30]Doté d’un alésage rond de 30 mm, le lanceur était capable de tirer trois salves de cinq coups de paquets de lancement de 185 g à une vitesse initiale de 1850 m/s et une cadence de tir de 5 Hz. L’opération de tir rapide a été obtenue en pilotant le lanceur avec plusieurs impulsions de crête 83544 fournies par le Compulsateur CCEMG. Le railgun CCEMG comprenait plusieurs caractéristiques: parois latérales en céramique, préchargement directionnel et refroidissement liquide. ^[31] ARL était chargé d’évaluer les performances du lanceur, qui a été testé à l’ARL Transonic Experimental Facility à Aberdeen Proving Ground, MD . ^[109]

Le laboratoire de recherche de l’armée américaine a également surveillé le développement de la technologie des armes à feu électromagnétiques et électrothermiques à l’Institute for Advanced Technology (IAT) de l’ Université du Texas à Austin , l’un des cinq laboratoires universitaires et industriels que l’ARL a fédérés pour obtenir un support technique. Il abritait les deux lanceurs électromagnétiques, le Leander OAT et l’AugOAT, ainsi que le lanceur de moyen calibre. L’installation a également fourni un système d’alimentation comprenant treize batteries de condensateurs de 1 MJ, un assortiment de dispositifs de lancement électromagnétiques et d’appareils de diagnostic. L’activité de recherche s’est concentrée sur les conceptions, les interactions et les matériaux nécessaires aux lanceurs électromagnétiques. ^[110]

En 1999, une collaboration entre l’ARL et l’IAT a conduit au développement d’une méthode radiométrique de mesure de la distribution de température des armatures de railgun lors d’une décharge électrique pulsée sans perturber le champ magnétique. ^[111] En 2001, ARL est devenu le premier à obtenir un ensemble de données de précision sur les projectiles électromagnétiques lancés par des armes à feu en utilisant des tests de saut. ^[112] En 2004, les chercheurs de l’ARL ont publié des articles examinant l’interaction des plasmas à haute température dans le but de développer des allumeurs de railgun efficaces. ^[113]Les premiers articles décrivent le groupe d’interaction plasma-propulseur de l’ARL et leurs tentatives pour comprendre et distinguer les effets chimiques, thermiques et de rayonnement des plasmas sur les propulseurs solides conventionnels. En utilisant la microscopie électronique à balayage et d’autres techniques de diagnostic, ils ont évalué en détail l’influence des plasmas sur des matériaux propulseurs spécifiques. ^{[114] [113] [115]}

les gens de la République de Chine

La Chine développe son propre système de railgun. ^[116] Selon un rapport CNBC des services de renseignement américains, le système de railgun chinois a été révélé pour la première fois en 2011 et les essais au sol ont commencé en 2014. En 2015, lorsque le système d’arme a acquis la capacité de frapper sur des distances étendues avec une létalité accrue. Le système d’arme a été monté avec succès sur un navire de la marine chinoise en décembre 2017, les essais en mer ayant lieu plus tard. ^[117]

Début février 2018, des photos de ce qui serait un railgun chinois ont été publiées en ligne. Sur les photos, le canon est monté sur la proue d’un navire de débarquement de classe Type 072III Haiyangshan . Les médias suggèrent que le système est ou sera bientôt prêt pour les tests. ^{[118] [119]} En mars 2018, il a été signalé que la Chine avait confirmé qu’elle avait commencé à tester son canon à rail électromagnétique en mer. ^{[120] [121]}

Inde

En novembre 2017, l’Organisation indienne de recherche et de développement pour la défense a effectué un test réussi d’un canon électromagnétique à canon carré de 12 mm. Des tests d’une version 30 mm sont prévus. L’Inde vise à tirer un projectile d’un kilogramme à une vitesse de plus de 2 000 mètres par seconde à l’aide d’une batterie de condensateurs de 10 mégajoules. ^{[122] [63]} Les canons électromagnétiques et les armes à énergie dirigée font partie des systèmes que la marine indienne vise à acquérir dans son plan de modernisation jusqu’en 2030. ^[123]

Questions

Difficultés majeures

Des obstacles technologiques et opérationnels majeurs doivent être surmontés avant que les railguns puissent être déployés :

1. Durabilité du railgun : à ce jour, les démonstrations publiques de railgun n’ont pas montré la capacité de tirer plusieurs coups à pleine puissance à partir du même ensemble de rails. Cependant, la marine américaine a réclamé des centaines de tirs du même ensemble de rails. Dans une déclaration de mars 2014 au sous-comité du renseignement, des menaces émergentes et des capacités du comité des services armés de la Chambre, le chef de la recherche navale, l’amiral Matthew Klunder, a déclaré: “La durée de vie du canon est passée de dizaines de coups à plus de 400, avec un chemin de programme pour atteindre 1000 coups.” ^[86]Cependant, l’Office of Naval Research (ONR) ne confirmera pas que les 400 tirs sont des tirs à pleine puissance. De plus, rien n’indique qu’il existe des railguns de classe Mégajoule élevée capables de tirer des centaines de coups à pleine puissance tout en restant dans les paramètres opérationnels stricts nécessaires pour tirer des railguns avec précision et en toute sécurité. Les railguns devraient être capables de tirer 6 coups par minute avec une durée de vie d’environ 3000 coups, tolérant des accélérations de lancement de dizaines de milliers de g, des pressions extrêmes et des courants de mégaampères, mais cela n’est pas réalisable avec la technologie actuelle. ^[124]
2. Guidage des projectiles : une future capacité essentielle à la mise en service d’une véritable arme à rail est le développement d’un ensemble de guidage robuste qui permettra au railgun de tirer sur des cibles éloignées ou de toucher des missiles entrants. Développer un tel package est un vrai challenge. Le RFP Navy SBIR 2012.1 – Topic N121-102 ^[125] de l’US Navy pour le développement d’un tel package donne un bon aperçu de la difficulté du guidage de projectile railgun :

Le colis doit tenir dans les limites de masse (< 2 kg), de diamètre (< 40 mm de diamètre extérieur) et de volume (200 cm ³) contraintes du projectile et le faire sans modifier le centre de gravité. Il doit également pouvoir résister à des accélérations d’au moins 20 000 g (seuil) / 40 000 g (objectif) dans tous les axes, à des champs électromagnétiques élevés (E > 5 000 V/m, B > 2 T) et à des températures de surface > 800 deg C. Le colis doit pouvoir fonctionner en présence de tout plasma susceptible de se former dans l’alésage ou à la sortie de la bouche et doit également être durci aux radiations en raison du vol exo-atmosphérique. La consommation électrique totale doit être inférieure à 8 watts (seuil)/5 watts (objectif) et l’autonomie de la batterie doit être d’au moins 5 minutes (à partir du lancement initial) pour permettre le fonctionnement pendant toute la durée de l’engagement. Pour être abordable, le coût de production par projectile doit être le plus bas possible, avec un objectif inférieur à 1 000 $ par unité.

Le 22 juin 2015, les systèmes électromagnétiques de General Atomics ont annoncé que les projectiles avec électronique embarquée avaient survécu à tout l’environnement de lancement du railgun et rempli leurs fonctions prévues lors de quatre tests consécutifs les 9 et 10 juin au Dugway Proving Ground de l’armée américaine dans l’Utah. L’électronique embarquée a mesuré avec succès les accélérations dans l’alésage et la dynamique des projectiles, sur plusieurs kilomètres en aval, la liaison de données intégrale continuant de fonctionner après que les projectiles ont touché le sol du désert, ce qui est essentiel pour un guidage de précision. ^[126]

Voir également

• Accélérateur de bélier
• Projet Babylone
• Lancement spatial sans fusée
• Liste des armes à feu sans étui
• Technologie électrothermique-chimique
• Pistolet à plasma
• Bobine
• Canon V-3 : un autre canon à propulsion étagée
• USNS Trenton (T-EPF-5) , premier navire à monter un railgun. ^[127]
• Teleforce , un dispositif similaire conçu par Nikola Tesla qui impliquait l’utilisation de projectiles accélérés à des vitesses élevées via la répulsion électrostatique

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Liens externes

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• Regardez le tir du railgun de la marine sous tous les angles Le railgun prend le premier coup de sa série de mise en service. comprend une vidéo YouTube de novembre 2016