Hispanopedia Wiki
El cañón de gas ligero es un aparato para experimentos de física. Es un cañón altamente especializado diseñado para generar velocidades extremadamente altas. Se suele utilizar para estudiar fenómenos de impacto a alta velocidad ( investigación de hipervelocidad ), como la formación de cráteres de impacto por meteoritos o la erosión de materiales por micrometeoroides .
Operación
Una carabina de gas ligero funciona según el mismo principio que una carabina de aire comprimido con pistón de resorte . Un pistón de gran diámetro impulsa un fluido gaseoso a través de un cañón de menor diámetro que contiene el proyectil que se va a acelerar. Esta reducción de diámetro actúa como una palanca, aumentando la velocidad y disminuyendo la presión. En una carabina de aire comprimido, el pistón grande es accionado por un resorte o aire comprimido, y el fluido de trabajo es aire atmosférico.
En un arma de gas ligero, el pistón se acciona mediante una reacción química (generalmente con pólvora ), y el fluido de trabajo es un gas más ligero, como helio o hidrógeno (aunque el helio es mucho más seguro, el hidrógeno ofrece el mejor rendimiento [como se explica más adelante] y causa menos erosión en el tubo de lanzamiento). Una característica adicional de las armas de gas ligero es el disco de ruptura , un disco (generalmente metálico) de espesor calibrado con precisión, diseñado para funcionar como válvula. Cuando la presión alcanza el nivel deseado detrás del disco, este se rompe, permitiendo que el gas ligero a alta presión pase al cañón. Esto garantiza que se disponga de la máxima energía posible al momento del disparo.
Los cañones de gas ligero se dividen típicamente en categorías de cañones de gas ligero de una etapa y de dos etapas. [ 1 ]
Una de estas armas de gas ligero de una sola etapa se encuentra en la Universidad de Marquette , Milwaukee, WI . Se ha utilizado para estudiar polímeros y metales en regiones de presión de hasta 20 GPa. La arma de gas ligero de Marquette fue fabricada por PAI y entregada en 2015. Tiene dos cañones: uno de ánima lisa de 15 pies y 2 pulgadas y otro de ánima ranurada de 13 pies y 2 pulgadas. El ánima ranurada permite la carga por cizallamiento de presión y las interacciones complejas entre el objetivo y el proyectil. La presión máxima de trabajo es de 10 000 psi, lo que permite lanzar un proyectil de 200 g a una velocidad de hasta 1200 m/s. El tanque objetivo generalmente está configurado para experimentos de impacto plano e inclinado. A menudo se utilizan sistemas de recogida suave para recuperar materiales para el análisis posterior al disparo. [ 2 ]
Un cañón de gas ligero específico utilizado por la NASA emplea un cañón de 40 mm modificado. Este cañón utiliza pólvora para impulsar un pistón de plástico (generalmente HDPE ) a través del cañón, que está lleno de hidrógeno a alta presión. En el extremo del cañón hay una sección cónica que conduce al cañón de 5 mm que dispara el proyectil. En esta sección cónica se encuentra un disco de acero inoxidable de aproximadamente 2 mm de espesor, con un patrón en forma de "x" grabado en su superficie central. Cuando el hidrógeno alcanza la presión suficiente para romper la sección grabada del disco, fluye a través del orificio y acelera el proyectil a una velocidad de 6 km/s (22 000 km/h) en una distancia de aproximadamente un metro.
La NASA también opera cañones de gas ligero con tubos de lanzamiento de tamaños que van desde 0,170 pulgadas (4,3 mm) hasta 1,5 pulgadas (38 mm) en el Centro de Investigación Ames . Las pruebas peligrosas se realizan en las Instalaciones de Pruebas de White Sands . [ 3 ] Estos cañones se han utilizado en apoyo de varias misiones comenzando con los estudios de reentrada del programa Apolo en la década de 1960 y más recientemente para imágenes térmicas de alta velocidad. Se pueden alcanzar velocidades que van desde 1 km/s hasta 8,5 km/s. El más grande de estos incluye un pistón de 6,25 pulgadas (159 mm) de diámetro que pesa más de 46 libras (21 kg) para comprimir el hidrógeno.
El Range-G de la Base de la Fuerza Aérea Arnold es el "sistema de cañón de gas ligero de dos etapas de operación rutinaria más grande de los Estados Unidos". [ 4 ] El Range-G utiliza tubos de lanzamiento intercambiables con diámetros que van desde 3,3 pulgadas (84 mm) hasta 8,0 pulgadas (200 mm) con un pistón de 14,0 pulgadas (360 mm) que pesa hasta 2300 libras (1000 kg) . Las velocidades de los proyectiles pueden alcanzar los 4,5 kilómetros por segundo (16 000 km/h) para la configuración de 8,0 pulgadas (200 mm) y los 7 kilómetros por segundo (25 000 km/h) para la configuración del lanzador de 3,3 pulgadas (84 mm) . [ 4 ] El uso principal de las instalaciones del campo de tiro en la Base de la Fuerza Aérea Arnold es la medición de la energía cinética liberada tras el impacto del proyectil.
Física del diseño
La velocidad inicial de un arma de aire comprimido , de fuego o de gas ligero está limitada, aunque no exclusivamente, por la velocidad del sonido en el fluido de trabajo: aire, pólvora en combustión o un gas ligero. Hasta la velocidad del sonido, la termodinámica proporciona un método de cálculo sencillo y aproximado: el proyectil se acelera por la diferencia de presión entre sus extremos, y dado que dicha onda de presión no puede propagarse más rápido que la velocidad del sonido en el medio, el análisis termodinámico sugiere que la velocidad inicial está limitada por la velocidad del sonido. Sin embargo, más allá de la velocidad del sonido, la teoría cinética de los gases , que determina la velocidad del sonido, proporciona un análisis más detallado en términos de las partículas de gas que componen el fluido de trabajo. La teoría cinética indica que la velocidad de las partículas de gas sigue una distribución de Maxwell-Boltzmann , donde la velocidad de una gran fracción de las partículas supera la velocidad del sonido en el gas. Esta fracción del gas puede seguir ejerciendo presión sobre el proyectil y, por lo tanto, acelerarlo más allá de la velocidad del sonido en cantidades decrecientes a medida que aumenta la velocidad del proyectil.
La velocidad del sonido en helio es aproximadamente tres veces mayor que en el aire, y en hidrógeno 3,8 veces mayor. La velocidad del sonido también aumenta con la temperatura del fluido (pero es independiente de la presión), por lo que el calor generado por la compresión del fluido de trabajo sirve para aumentar la velocidad máxima posible. Las carabinas de aire comprimido con pistón de resorte aumentan la temperatura del aire en la cámara mediante calentamiento adiabático ; esto eleva la velocidad local del sonido lo suficiente como para superar las pérdidas por fricción y otras pérdidas de eficiencia, e impulsar el proyectil a una velocidad superior a la del sonido en condiciones ambientales.
Cañón híbrido electrotérmico de gas ligero
El cañón de gas ligero electrotérmico híbrido funciona con principios similares a los del cañón de gas ligero estándar, pero añade un arco eléctrico para calentar el gas ligero a una temperatura y presión superiores a las que alcanzaría el pistón por sí solo. El arco se aplica en la cámara que contiene el gas ligero, elevando la temperatura y la presión hasta el punto en que el gas rompe el disco de ruptura e inflama el propelente situado detrás del pistón, que está perforado para permitir la ignición. La combinación resultante de calentamiento eléctrico y compresión del pistón proporciona presiones y temperaturas más elevadas, lo que se traduce en mayor potencia y una mayor velocidad potencial que un cañón de gas ligero estándar. [ 5 ]
Perfil de impacto
Cuando el proyectil disparado por un cañón de gas ligero impacta en su objetivo, la presión aplicada depende de la masa del proyectil y de la superficie, o sección transversal, sobre la que se distribuye la fuerza de impacto. Debido a que los proyectiles lanzados por el aire experimentan fricción con las moléculas de aire, la resistencia aumenta proporcionalmente al aumento de la superficie del proyectil, lo que resulta en velocidades más lentas cuanto mayor sea la superficie del proyectil. Por lo tanto, un proyectil denso y estrecho ejercerá más presión en general que uno ligero y ancho. Al estudiar proyectiles de sección transversal constante, los investigadores han comenzado recientemente a variar la densidad de sus proyectiles en función de su longitud. Dado que los proyectiles viajan a una velocidad conocida, los cambios en la densidad en función de la longitud tienen una relación predecible con la presión de impacto aplicada en función del tiempo. Con materiales en un amplio rango de densidades (desde polvo de tungsteno hasta microesferas de vidrio ) aplicados en capas delgadas, se pueden utilizar proyectiles cuidadosamente fabricados en experimentos de presión constante, o incluso en secuencias controladas de compresión-expansión-compresión.
Véase también
- Cañón de gas ligero de combustión : arma de alta velocidad que utiliza gas combustionado como propulsor.
- Acelerador de ariete : arma de alta velocidad que utiliza principios diferentes para lograr velocidades de proyectil similares.
- Tubo de choque : herramienta utilizada para demostrar las propiedades de los gases a muy alta velocidad.
- Cañón espacial : método para lanzar un objeto al espacio exterior mediante un cañón o arma de gran calibre.
- Proyecto de investigación sobre altitudes extremadamente elevadas : proyecto de investigación del gobierno estadounidense.
- Compresor Voitenko : dispositivo impulsado por carga conformada que utiliza gas hidrógeno para acelerar discos delgados hasta aproximadamente 40 km/s.
Referencias
- ↑ Swift, Hallock F. (2005). «Tecnología de cañones de gas ligero: una perspectiva histórica» . En Chhabildas, Lalit C.; Davison, Lee; Horie, Yasuyuki (eds.). Compresión por choque a alta presión de sólidos VIII . Berlín/Heidelberg: Springer-Verlag. pp. 1–35 . doi : 10.1007/3-540-27168-6_1 . ISBN 978-3-540-22866-0. Consultado el 12 de octubre de 2024 .
- ↑ "Marquette Shock Physics" . Eng.mu.edu . Consultado el 12 de octubre de 2024 .
- ↑ "Instalación remota de pruebas de hipervelocidad" . NASA . 31 de julio de 2014. Archivado del original el 30 de julio de 2014.
- 1 2 "Instalación de prueba de hipervelocidad" . Base de la Fuerza Aérea Arnold. 11 de diciembre de 2008. Archivado del original el 18 de marzo de 2013.
- ↑ US 5429030 , Tidman, "Pistola de gas ligero electrotérmica híbrida y método", publicada el 4 de julio de 1995
Enlaces externos
- QuickLaunch, también conocida como TekLaunch, planea comercializar un cañón de hidrógeno de 1 km para lanzar combustible a la órbita terrestre baja.
- Secuenciador de pruebas y controlador de cámara de alta velocidad con reacción en tiempo real a eventos de hipervelocidad y capacidad de predicción de activación.
- Balística
- pistolas espaciales