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Cañón de bobina

Diagrama simplificado de un cañón de bobina multietapa con tres bobinas, un cañón y un proyectil ferromagnético. Un cañón de bobina es un tipo de impulsor de masa que consta de ...

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Diagrama simplificado de un cañón de bobina multietapa con tres bobinas, un cañón y un proyectil ferromagnético.

Un cañón de bobina es un tipo de impulsor de masa que consta de una o más bobinas utilizadas como electroimanes en la configuración de un motor lineal que acelera un proyectil ferromagnético o conductor a alta velocidad. [ 1 ] En casi todas las configuraciones de cañones de bobina, las bobinas y el cañón están dispuestos en un eje común. Un cañón de bobina no es un rifle, ya que el cañón es de ánima lisa (no estriada ).

Los cañones de bobina generalmente constan de una o más bobinas dispuestas a lo largo de un cañón, de modo que la trayectoria del proyectil acelerado sigue el eje central de las bobinas. Las bobinas se activan y desactivan en una secuencia temporizada con precisión, lo que provoca que el proyectil se acelere rápidamente a lo largo del cañón mediante fuerzas magnéticas.

Los cañones de bobina se distinguen de los cañones de riel , ya que la dirección de aceleración en un cañón de riel es perpendicular al eje central del bucle de corriente formado por los rieles conductores. Además, los cañones de riel generalmente requieren el uso de contactos deslizantes para hacer pasar una gran corriente a través del proyectil o sabot , mientras que los cañones de bobina no necesariamente requieren contactos deslizantes. [ 2 ] Si bien algunos conceptos simples de cañones de bobina pueden usar proyectiles ferromagnéticos o incluso proyectiles de imán permanente, la mayoría de los diseños para altas velocidades incorporan una bobina acoplada como parte del proyectil.

Los cañones de bobina también se distinguen de los cañones de Gauss , aunque muchas obras de ciencia ficción los han confundido erróneamente. Un cañón de bobina utiliza aceleración electromagnética, mientras que los cañones de Gauss son anteriores a la idea de los cañones de bobina y consisten en ferroimanes que utilizan una configuración similar a un péndulo de Newton para impartir aceleración. [ 3 ]

Historia

El cañón electromagnético más antiguo fue el cañón de bobina, inventado por el científico noruego Kristian Birkeland en la Universidad de Kristiania (actualmente Oslo). La invención fue patentada oficialmente en 1904, aunque se dice que su desarrollo comenzó ya en 1845. Según sus relatos, Birkeland aceleró un proyectil de 500 gramos a aproximadamente 50 metros por segundo (160 ft/s) . [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 

En 1933, el inventor texano Virgil Rigsby desarrolló un cañón de bobina estacionario diseñado para usarse de forma similar a una ametralladora . Funcionaba con un gran motor y generador eléctrico. [ 7 ] Apareció en numerosas publicaciones científicas de la época, pero nunca despertó el interés de las fuerzas armadas. [ 8 ]

Construcción

Existen dos tipos principales de cañones de bobina: de una etapa y de varias etapas. Un cañón de bobina de una etapa utiliza una bobina electromagnética para impulsar un proyectil. Un cañón de bobina de varias etapas utiliza varias bobinas electromagnéticas en sucesión para aumentar progresivamente la velocidad del proyectil.

Proyectiles ferromagnéticos

Un cañón de bobina de una sola etapa

Para proyectiles ferromagnéticos, se puede formar un cañón de bobina de una sola etapa con una bobina de alambre, un electroimán y un proyectil ferromagnético colocado en uno de sus extremos. Este tipo de cañón de bobina se forma como el solenoide de un relé electromecánico, es decir, una bobina conductora de corriente que atrae un objeto ferromagnético a través de su centro. Se aplica una corriente intensa a través de la bobina, generando un fuerte campo magnético que atrae el proyectil hacia el centro de la misma. Cuando el proyectil se acerca a este punto, se debe desconectar el electroimán para evitar que quede atrapado en su centro.

En un diseño multietapa, se utilizan electroimanes adicionales para repetir este proceso, acelerando progresivamente el proyectil. En los diseños comunes de cañones de bobina, el cañón consiste en una guía sobre la que se desliza el proyectil, con el impulsor hacia las bobinas magnéticas que la rodean. El electroimán recibe energía de algún tipo de dispositivo de almacenamiento de descarga rápida, generalmente una batería o condensadores (uno por electroimán), diseñados para una descarga de energía rápida. Se utiliza un diodo para proteger los componentes sensibles a la polaridad (como semiconductores o condensadores electrolíticos) de daños debido a la polaridad inversa del voltaje después de apagar la bobina.

Muchos aficionados utilizan diseños rudimentarios de bajo costo para experimentar con cañones de bobina, por ejemplo, usando condensadores de flash de una cámara desechable o un condensador de un televisor de tubo de rayos catódicos estándar como fuente de energía, y una bobina de baja inductancia para impulsar el proyectil hacia adelante. [ 9 ] [ 10 ]

Proyectiles no ferromagnéticos

Algunos diseños tienen proyectiles no ferromagnéticos, de materiales como aluminio o cobre , con la armadura del proyectil actuando como un electroimán con corriente interna inducida por pulsos de las bobinas de aceleración. [ 11 ] [ 12 ] Un cañón de bobina superconductora llamado cañón de extinción podría crearse extinguiendo sucesivamente una línea de bobinas superconductoras coaxiales adyacentes que forman un cañón, generando una onda de gradiente de campo magnético que viaja a cualquier velocidad deseada. Una bobina superconductora viajera podría ser hecha para cabalgar sobre esta onda como una tabla de surf . El dispositivo sería un impulsor de masa o un motor síncrono lineal con la energía de propulsión almacenada directamente en las bobinas de accionamiento. [ 13 ] Otro método tendría bobinas de aceleración no superconductoras y energía de propulsión almacenada fuera de ellas pero un proyectil con imanes superconductores. [ 14 ]

Aunque el costo de la conmutación de potencia y otros factores pueden limitar la energía del proyectil, una ventaja notable de algunos diseños de cañones de bobina sobre los cañones de riel más simples es que evitan un límite de velocidad intrínseco debido al contacto físico y la erosión por hipervelocidad. Al ser el proyectil atraído hacia el centro de las bobinas o levitado dentro de ellas mientras se acelera, no se produce fricción física con las paredes del orificio. Si el orificio es un vacío total (como un tubo con una ventana de plasma ), no hay fricción alguna, lo que ayuda a prolongar el período de reutilización. [ 14 ] [ 15 ]

Traspuesta

Un cañón de bobina multietapa

Uno de los principales obstáculos en el diseño de cañones de bobina es la conmutación de la potencia a través de las bobinas. Existen varias soluciones comunes; la más simple (y probablemente la menos efectiva) es el descargador de chispa , que libera la energía almacenada a través de la bobina cuando el voltaje alcanza un cierto umbral. Una mejor opción es utilizar interruptores de estado sólido; estos incluyen IGBT o MOSFET de potencia (que se pueden apagar a mitad del pulso) y SCR (que liberan toda la energía almacenada antes de apagarse). [ 16 ]

Un método rápido y sencillo para la conmutación, especialmente para quienes usan una cámara con flash como componente principal, consiste en utilizar el propio tubo de flash como interruptor. Al conectarlo en serie con la bobina, permite que una gran cantidad de corriente pase a la bobina de forma silenciosa y no destructiva (siempre que la energía en el condensador se mantenga por debajo de los límites de funcionamiento seguros del tubo). Como cualquier tubo de flash, se activa al ionizar el gas en su interior con un alto voltaje. Sin embargo, gran parte de la energía se disipa en forma de calor y luz, y, debido a que el tubo actúa como un descargador de chispa, dejará de conducir una vez que el voltaje a través de él disminuya lo suficiente, dejando cierta carga residual en el condensador.

Resistencia

La resistencia eléctrica de las bobinas y la resistencia serie equivalente (ESR) de la fuente de corriente disipan una potencia considerable.

A bajas velocidades, el calentamiento de las bobinas domina la eficiencia del cañón de bobinas, lo que resulta en una eficiencia excepcionalmente baja. Sin embargo, a medida que aumenta la velocidad, la potencia mecánica crece proporcionalmente al cuadrado de la velocidad, pero, con una conmutación adecuada, las pérdidas resistivas no se ven afectadas en gran medida, por lo que estas pérdidas resistivas se vuelven mucho menores en términos porcentuales .

Circuito magnético

Idealmente, el 100% del flujo magnético generado por la bobina se transmitiría al proyectil y actuaría sobre él; en realidad, esto es imposible debido a las pérdidas de energía siempre presentes en un sistema real, que no se pueden eliminar.

Con un solenoide simple con núcleo de aire, la mayor parte del flujo magnético no se acopla al proyectil debido a la alta reluctancia del circuito magnético . El flujo no acoplado genera un campo magnético que almacena energía en el aire circundante. La energía almacenada en este campo no desaparece simplemente del circuito magnético una vez que el condensador termina de descargarse, sino que regresa al circuito eléctrico del cañón de bobina. Dado que el circuito eléctrico del cañón de bobina es inherentemente análogo a un oscilador LC, la energía no utilizada regresa en sentido inverso ("oscilación"), lo que puede dañar gravemente los condensadores polarizados, como los electrolíticos .

La carga inversa se puede evitar conectando un diodo en paralelo inverso a los terminales del condensador; de esta forma, la corriente sigue fluyendo hasta que el diodo y la resistencia de la bobina disipan la energía del campo en forma de calor. Si bien esta es una solución sencilla y de uso frecuente, requiere un diodo adicional de alta potencia y una bobina bien diseñada con suficiente masa térmica y capacidad de disipación de calor para evitar fallos en los componentes.

Algunos diseños intentan recuperar la energía almacenada en el campo magnético mediante un par de diodos. Estos diodos, en lugar de disipar la energía restante, recargan los condensadores con la polaridad correcta para el siguiente ciclo de descarga. Esto también evita la necesidad de recargar completamente los condensadores, reduciendo significativamente los tiempos de carga. Sin embargo, la practicidad de esta solución se ve limitada por la elevada corriente de recarga resultante a través de la resistencia serie equivalente (ESR) de los condensadores; la ESR disipa parte de la corriente de recarga, generando calor en su interior y acortando potencialmente su vida útil.

Para reducir el tamaño, el peso, los requisitos de durabilidad y, sobre todo, el coste de los componentes, el circuito magnético debe optimizarse para suministrar más energía al proyectil con una entrada de energía determinada. Esto se ha abordado en cierta medida mediante el uso de hierro posterior y hierro final, que son piezas de material magnético que rodean la bobina y crean trayectorias de menor reluctancia para mejorar la cantidad de flujo magnético acoplado al proyectil. Los resultados pueden variar considerablemente según los materiales utilizados; los diseños de aficionados pueden emplear, por ejemplo, materiales que van desde acero magnético (más eficaz, menor reluctancia) hasta cinta de vídeo (poca mejora en la reluctancia). Además, las piezas adicionales de material magnético en el circuito magnético pueden aumentar la posibilidad de saturación de flujo y otras pérdidas magnéticas.

Saturación de proyectiles ferromagnéticos

Otra limitación importante del cañón de bobina es la saturación magnética del proyectil ferromagnético. Cuando el flujo magnético en el proyectil se encuentra en la porción lineal de la curva B(H) de su material, la fuerza aplicada al núcleo es proporcional al cuadrado de la corriente de la bobina (I): el campo (H) depende linealmente de I, B depende linealmente de H y la fuerza depende linealmente del producto BI. Esta relación se mantiene hasta que el núcleo se satura; una vez que esto ocurre, B solo aumenta marginalmente con H (y, por lo tanto, con I), por lo que la ganancia de fuerza es lineal. Dado que las pérdidas son proporcionales a I² , aumentar la corriente más allá de este punto disminuye la eficiencia, aunque puede aumentar la fuerza. Esto impone un límite absoluto a la aceleración que se puede lograr con una sola etapa para una eficiencia aceptable.

Magnetización del proyectil y tiempo de reacción

Además de la saturación, la dependencia B(H) suele presentar un ciclo de histéresis , y el tiempo de reacción del material del proyectil puede ser significativo. La histéresis implica que el proyectil se magnetiza permanentemente y que parte de su energía se pierde en forma de campo magnético permanente. Por otro lado, el tiempo de reacción del proyectil dificulta su respuesta a cambios bruscos de B; el flujo no aumenta tan rápido como se desea mientras se aplica corriente, y se produce una cola de B después de que el campo de la bobina haya desaparecido. Este retraso disminuye la fuerza, que se maximizaría si H y B estuvieran en fase.

Cañones de bobina de inducción

La mayor parte del trabajo para desarrollar cañones de bobina como lanzadores de hipervelocidad ha utilizado sistemas con núcleo de aire para sortear las limitaciones asociadas con los proyectiles ferromagnéticos. En estos sistemas, el proyectil es acelerado por una armadura de bobina móvil. Si la armadura está configurada como una o más espiras en cortocircuito, se producirán corrientes inducidas como consecuencia de la variación temporal de la corriente en la bobina (o bobinas) estática del lanzador.

En principio, los cañones de bobina también pueden construirse alimentando las bobinas móviles con corriente mediante contactos deslizantes. Sin embargo, la construcción práctica de tales sistemas requiere contactos deslizantes de alta velocidad y gran fiabilidad. Si bien alimentar con corriente una armadura de bobina multivuelta podría no requerir corrientes tan elevadas como las de un cañón de riel , la eliminación de la necesidad de contactos deslizantes de alta velocidad representa una clara ventaja potencial del cañón de bobina de inducción con respecto al cañón de riel .

Los sistemas con núcleo de aire también presentan la desventaja de que pueden requerir corrientes mucho mayores que los sistemas con núcleo de hierro. Sin embargo, siempre que se disponga de fuentes de alimentación con la capacidad adecuada, los sistemas con núcleo de aire pueden operar con campos magnéticos mucho más intensos que los sistemas con núcleo de hierro, lo que, en última instancia, debería permitir alcanzar aceleraciones y fuerzas mucho mayores.

Fórmula para la velocidad de salida de un proyectil de cañón de bobina

Se puede obtener un resultado aproximado para la velocidad de salida de un proyectil que ha sido acelerado por un cañón de bobina de una sola etapa mediante la ecuación [ 17 ].

vmiincógnitait=2metroVμ0χmetronorte2I2{\displaystyle v_{exit}={\sqrt {{\frac {2}{m}}{V\mu _{0}\chi _{m}n^{2}I^{2}}}}}

m es la masa del proyectil, definida como kg

V es el volumen del proyectil, definido como m³ .

donde μ 0 es la permeabilidad del vacío , definida en unidades del SI como 4π × 10 −7 V · s /( A · m ).

donde χm es la susceptibilidad magnética del proyectil, una constante de proporcionalidad adimensional que indica el grado de magnetización de un material en respuesta a campos magnéticos aplicados . Esto a menudo debe determinarse experimentalmente, y se pueden encontrar tablas con valores de susceptibilidad para ciertos materiales en el Manual CRC de Química y Física, así como en el artículo de Wikipedia sobre susceptibilidad magnética.

donde n es el número de vueltas de la bobina por unidad de longitud de la bobina, definido como m −1

Y siendo I la corriente que pasa a través de la bobina, definida como A.

Si bien esta aproximación es útil para definir rápidamente el límite superior de velocidad en un sistema de cañón de bobina, existen ecuaciones diferenciales de segundo orden más precisas y no lineales. [ 17 ] Los problemas con esta fórmula son que supone que el proyectil se encuentra completamente dentro de un campo magnético uniforme, que la corriente se extingue instantáneamente una vez que el proyectil alcanza el centro de la bobina (eliminando la posibilidad de que la bobina lo atraiga hacia atrás), que toda la energía potencial se transfiere a energía cinética (cuando la mayor parte se convertiría en fuerzas de fricción) y que los cables de la bobina son infinitamente delgados y no se apilan unos sobre otros, lo que aumenta acumulativamente la velocidad de salida esperada. [ 17 ]

Usos

Un proyectil de mortero M934 se adapta para el lanzamiento experimental de un cañón de bobina con un kit de cola de armadura conformable, para ser disparado a través de un cañón compuesto por electroimanes solenoidales cortos apilados extremo con extremo.

Los pequeños cañones de bobina son fabricados recreativamente por aficionados, típicamente con una energía de proyectil de varios julios a decenas de julios (esta última comparable a una carabina de aire comprimido típica y un orden de magnitud menor que un arma de fuego) mientras que la eficiencia varía desde menos del uno por ciento hasta varios por ciento. [ 18 ]

En 2018, una empresa con sede en Los Ángeles, Arcflash Labs, ofreció el primer cañón de bobina a la venta para el público general, el EMG-01A . Disparaba proyectiles de acero de 6 gramos a 45  m/s con una energía en la boca del cañón de aproximadamente 5 julios. [ 19 ] En 2021, desarrollaron un modelo más grande, el rifle Gauss GR-1 que disparaba proyectiles de acero de 30 gramos a hasta 75  m/s con una energía en la boca del cañón de aproximadamente 85 julios, [ 20 ] comparable a un rifle de aire comprimido PCP .

En 2022, Northshore Sports Club, un club de tiro estadounidense en Lake Forest, Illinois, comenzó a distribuir la CS/LW21 , también conocida como la "E-Shotgun", una escopeta compacta de bobina alimentada por cargador de 15 julios, fabricada por China North Industries Group Corp. [ 21 ] Proyectan una distribución de 5000 unidades por año en los EE. UU., [ 22 ] [ 23 ] y el fabricante también ha revelado planes para suministrar a la policía y al ejército chinos unidades para "control de disturbios no letal". [ 24 ]

Se puede obtener una eficiencia y energía mucho mayores con diseños más costosos y sofisticados. En 1978, Bondaletov en la URSS logró una aceleración récord con una sola etapa al enviar un anillo de 2 gramos a 5000  m/s en 1  cm de longitud, [ 25 ] pero los diseños modernos más eficientes tienden a involucrar muchas etapas. [ 26 ] Se estima que se requerirá una eficiencia superior al 90% para sistemas superconductores mucho más grandes para lanzamientos espaciales. [ 15 ] Un diseño experimental de mortero de bobina de DARPA de 45 etapas y 2,1  m de longitud tiene una eficiencia del 22%, con 1,6 megajulios de energía cinética entregados a un proyectil. [ 27 ]

Un concepto de cañón de bobina de gran tamaño, un lanzador electromagnético coaxial que dispara proyectiles a órbita.

Aunque se enfrentan al desafío de la competitividad frente a las armas convencionales (y a veces a las alternativas de cañones de riel ), se están investigando los cañones de bobina para armamento. [ 27 ]

El programa de mortero electromagnético de DARPA es un ejemplo, si se logran superar desafíos prácticos como un peso suficientemente bajo. El cañón de bobina sería relativamente silencioso, sin humo que delate su posición, aunque un proyectil supersónico aún generaría un estampido sónico . La aceleración suave y ajustable del proyectil a lo largo del cañón permitiría una mayor velocidad, con un aumento previsto del alcance del 30 % para un mortero electromagnético de 120 mm en comparación con la versión convencional de longitud similar. Al no requerir cargas propulsoras separadas, los investigadores prevén que la cadencia de fuego se duplique aproximadamente. [ 27 ] [ 28 ]

En 2006, se estaba construyendo un prototipo de 120 mm para su evaluación, aunque los Laboratorios Nacionales Sandia estimaron entonces un plazo de despliegue de entre 5 y 10 años o más . [ 27 ] [ 28 ] En 2011, se propuso el desarrollo de un mortero de bobina de 81 mm para operar con una versión híbrida-eléctrica del futuro Vehículo Táctico Ligero Conjunto . [ 29 ] [ 30 ]

Se planean catapultas electromagnéticas para aeronaves , incluso a bordo de los futuros portaaviones estadounidenses de la clase Gerald R. Ford . Se ha probado una versión experimental de cañón de bobina de inducción de un lanzador de misiles electromagnético (EMML) para el lanzamiento de misiles Tomahawk . [ 31 ] En HIT , China, se está desarrollando un sistema de defensa activa para tanques basado en un cañón de bobina. [ 32 ]

Se ha percibido que el potencial de los cañones de bobina se extiende más allá de las aplicaciones militares.

Pocas entidades podrían superar los desafíos y la correspondiente inversión de capital para financiar cañones de bobina gigantes con masa y velocidad de proyectil en la escala de gigajulios de energía cinética (en contraposición a megajulios o menos). Se han propuesto tales sistemas como lanzadores terrestres o lunares:

  • Una ambiciosa propuesta de base lunar considerada en un estudio de la NASA de 1975 habría implicado un cañón de bobina de 4000 toneladas que enviaría 10 millones de toneladas de material lunar durante varios años a L5 para apoyar la colonización espacial masiva utilizando una gran planta de energía de 9900 toneladas). [ 33 ]
  • Un estudio de la NASA de 1992 calculó que un cañón de extinción lunar de 330 toneladas (cañón de bobina superconductora) podría lanzar 4400 proyectiles anualmente, cada uno de 1,5 toneladas y en su mayoría carga útil de oxígeno líquido , utilizando una cantidad de energía relativamente pequeña, 350 kW en promedio. [ 34 ]
  • Tras un estudio del Centro Ames de la NASA sobre los requisitos aerotérmicos para escudos térmicos en lanzamientos terrestres, los Laboratorios Nacionales Sandia investigaron lanzadores electromagnéticos para naves espaciales y otras aplicaciones de EML utilizando cañones de riel y cañones de bobina. En 1990 se propuso un cañón de bobina de un kilómetro de longitud para el lanzamiento de pequeños satélites. [ 35 ] [ 36 ]
  • Investigaciones posteriores en Sandia incluyeron una propuesta de 2005 del concepto StarTram para un cañón de bobina extremadamente largo, una versión concebida para lanzar pasajeros a la órbita con una aceleración que permitiera sobrevivir. [ 37 ]

Véase también

Referencias

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  • Prototipo de cañón de bobina. CG42 - Cañón de bobina totalmente automático