Diseños de cañones de riel para rifles de mano y naves espaciales

1. Los cañones de riel pueden disparar cualquier cosa conductora. La energía de un proyectil es mv^2. El tungsteno es pesado, por lo que la masa aumenta. Eso es bueno si desea maximizar la energía cinética porque está disparando a algo a cientos de millas de distancia en la atmósfera. Las armas de mano no son tan precisas a menos que construyas una guía de superfrancotirador por computadora (que me gusta para una batalla espacial). Un proyectil no arrojará energía a la fricción en el espacio. Sus proyectiles pueden ser menos masivos y aun así producirán un gran impacto debido a la gran velocidad. Puedes hacerlos de fibra de carbono. Tus marines espaciales (que tienen que cargarlos) te lo agradecerán.

2. Los cañones de riel reales ablacionan sus rieles a lo grande. Los rieles deben prepararse antes de disparar. También puedes hacer los rieles de fibra de carbono y los marines espaciales los lijan entre disparos, o tener un limpiador de orificios en un palo que empujan dentro y fuera de la boca para limpiarlo.

Alternativamente, podría hacer que cada cañón de riel entregue un disparo. Los marines espaciales llevan muchos barriles. Cada uno se extrae y se adjunta para un solo uso, luego se desecha.

3. Un cañón de riel desechable de un solo uso ofrece la posibilidad de un condensador de un solo uso para cada cañón. Se descargaría con un solo disparo y luego se descartaría.

4. Una alternativa liviana a los rieles de metal o fibra de carbono podrían ser los rieles de plasma. Mi esquema para esto: http://www.halfbakery.com/idea/Plasma_20Rail_20Railgun#1186761424 Los rieles están hechos de un alambre delgado. Una carga los convierte en plasma y luego el plasma transportará la carga. Necesita nuevos cables con cada disparo. Puede desenrollarlos de un carrete en la pistola.

5. Raíles más largos (barril más largo) = más aceleración. Corriente más alta = más aceleración. Tendrá problemas con el calentamiento óhmico en su proyectil y rieles. Podría hacer sus superconductores de proyectiles y rieles para una solución parcial a esto. Otro esquema: http://www.halfbakery.com/idea/Superconducting_20railgun_20projectile#1137552946

Ah, los días felices de 2006...

Hay varias respuestas a preguntas sobre cañones de riel/cañones helicoidales aquí mismo en el intercambio de pila de construcción mundial:

¿Hay alguna ventaja en un cañón de riel/cañón de bobina que tenga varios cañones?

¿Qué es más viable que las armas de infantería futuristas, los cañones de riel/bobina o los rifles láser?

Viabilidad del sistema de cañón de bobina para el transporte interplanetario subluminar

¿Cuáles son las ventajas de un cañón de bobina frente a un cañón de riel?

También puedo indicarle el siempre útil sitio de Atomic Rockets , donde puede encontrar las ecuaciones necesarias para responder exactamente a sus preguntas.

La respuesta más corta es que deberá definir con bastante cuidado qué es lo que quiere hacer. Un arma de infantería utilizada como un "rifle de batalla" de largo alcance (semiautomático, calibre relativamente grande [7 mm+]) tendrá requisitos diferentes a algo parecido a un rifle de asalto militar actual (fuego selectivo, proyectiles de calibre 6 mm). Un rifle antimaterial capaz de dañar edificios o vehículos será una bestia muy diferente.

Luego, los requisitos impulsarán su sistema de energía y luego puede ver cosas como el rechazo de calor, el acoplamiento de energía (un conector perdido realmente arruinará el día de cualquier gruñido ...) y así sucesivamente. Los Coilguns también son armas electromagnéticas, y puedes comparar las eficiencias entre los dos tipos de armas:

Mire los cohetes atómicos y vea lo que sucede cuando intenta disparar un proyectil del tamaño de una moneda de diez centavos a 100G desde un barril de 100 km de largo...

Aquí hay un método rápido para estimar qué tipo de rendimiento puede obtener de una pistola de bobina. Algunas personas aquí podrían encontrarlo interesante.

Primero, decida la eficiencia de su pistola de bobina. Los Coilguns son motores eléctricos lineales sin escobillas, y los motores eléctricos sin escobillas han demostrado eficiencias del 90% al 95%. Los motores eléctricos superconductores pueden tener eficiencias del 98% al 99%. Denota esto como un decimal y llámalo e; es decir, e = 0,9 a e = 0,95.

A continuación, decida la longitud y el radio de su proyectil. Decide de qué está hecho tu proyectil y encuentra su masa

masa = densidad * longitud * radio2 * &pi (y recuerda usar unidades consistentes).

Encuentre también el área de la sección transversal del proyectil

área = radio2 * π

Decide qué tan rápido quieres que vaya tu proyectil y encuentra su energía cinética final

energía cinética = 0,5 * masa * velocidad2 (nuevamente recuerde usar unidades consistentes).

Dada la eficiencia de su cañón de bobina, puede averiguar cuánto se calienta su proyectil. Puede calcular que la mitad de la energía desperdiciada va al proyectil y, por lo tanto, su proyectil obtendrá una energía térmica de

energía térmica = 0,5 * (1/e - 1) * (energía cinética)

Busque el calor específico del material del que está hecho su proyectil, comúnmente llamado C. Entonces su proyectil alcanza una temperatura de

temperatura del proyectil = (energía térmica) / (C * masa) (nuevamente, asegúrese de que sus unidades sean consistentes).

Si está utilizando un cañón de bobina síncrono con un imán permanente en el proyectil, esta temperatura debe ser menor que el punto de Curie o el proyectil se volverá no magnético. Si su proyectil de cañón de bobina está hecho de superconductores y está utilizando la repulsión del efecto Meissner, esta temperatura deberá ser menor que la temperatura crítica del superconductor o su superconductor dejará de ser superconductor. Si está utilizando un cañón de bobina asíncrono que usa fuerzas inductivas en bucles conductores, esta temperatura deberá ser menor que la temperatura de fusión de su proyectil. Si la temperatura es demasiado alta, deberá usar un material que pueda manejar temperaturas más altas, hacer que el cañón de bobina sea más eficiente o aceptar una velocidad más baja para el proyectil.

Decide el campo magnético máximo que tu pistola de bobinas puede manejar. Si está utilizando un cañón de bobina síncrono con imanes permanentes (probablemente en el proyectil, con las bobinas de campo a lo largo del cañón), está limitado por un campo de saturación de alrededor de 0,2 a 2 tesla más allá del cual su eficiencia cae rápidamente. Si está utilizando superconductores, su campo está limitado por el campo crítico del superconductor. Para los superconductores de tipo BCS convencionales, esto lo limita a campos de varias decenas de tesla o menos, para los superconductores de alta Tc, puede llegar a 100 a 200 tesla. Si se usa un cañón de bobina asíncrono que usa inducción para lanzar proyectiles normalmente conductores, no existe un límite superior físico obvio para la intensidad del campo magnético, aunque las intensidades de campo altas requerirán refuerzos masivos para evitar que el cañón explote.

Ahora suponga que el cañón está lleno de campo y que el proyectil barre el campo fuera del cañón, convirtiendo la energía del campo en energía cinética (no es así como funcionan las pistolas de bobina, pero proporciona el límite superior físico basado en la conservación de la energía) . La densidad de energía es de unos 400 kJ/m3/T2 multiplicado por el cuadrado de la intensidad del campo magnético (398.098 J/m3/T2 con seis cifras significativas). Llame a este valor K

K = 400 kJ/m3/T2

Ahora sabe el volumen necesario en el cañón en función de la cantidad de energía que el proyectil termina con

volumen = energía cinética / (K * (campo magnético)2)

Como conoce el área de la sección transversal del proyectil y, por lo tanto, del cañón, sabe cuánto tiempo debe ser el cañón.

longitud = volumen / área

Si el cañón es inaceptablemente largo, deberá descubrir cómo obtener un campo más fuerte en el cañón, acortar el proyectil (si hace los cálculos, puede ver que la longitud del cañón será un múltiplo de la longitud del proyectil para un campo, material, eficiencia y velocidad final determinados) o hacerlo con una velocidad menor del proyectil.

Como ejemplo, supongamos que tenemos un cañón de bobina síncrono, y que el cañón de bobina puede generar campos de 1 tesla (un buen número que no saturará el ferromagnético). Nuestro supuesto ferroimán probablemente sea principalmente hierro, con unos 8000 kg/m3. Para alcanzar los 100 km/s, necesitarás 40 TJ por metro cúbico de proyectil. Dado que esto es 100 millones de veces la densidad de energía del campo, necesitará que el proyectil haga un barrido de 100 millones de veces su volumen para acelerar hasta la velocidad deseada. Esto significa que necesita una pista de aceleración 100 millones de veces la longitud de su proyectil. Si el proyectil es del tamaño de una moneda de diez centavos, con 1 mm de espesor, necesitará una pista de 100 km de largo. Si el 2,5 % de la energía entra en el proyectil en forma de calor como resultado de las ineficiencias, se obtienen 100 GJ de calor por metro cúbico de proyectil, o 12 MJ/kg. Esto es tres veces la energía específica liberada al detonar explosivos de alta potencia, por lo que puede esperar que su proyectil explote como una bomba dentro del cañón de su escopeta. En consecuencia, este parece ser un diseño impracticable.

Para mí, como un nerd de las armas, la mejor idea sería usar tantos análogos de armas de fuego como sea posible.

La pregunta más difícil de responder en mi perspectiva sería cómo impulsar tal arma. Sin entrar demasiado en los detalles físicos, los cañones de riel probablemente tendrían cargadores desmontables que contienen tanto el proyectil como una batería desechable barata. Estos cargadores estarían diseñados para que la batería use lo último de su energía cuando se dispare el último tiro, y luego el cargador se cambiaría como en un rifle moderno. Su sugerencia de ajuste de potencia podría implementarse a través de revistas de diferentes voltajes.

Para las balas, diría que el plomo o el acero serían suficientes. Contra objetivos no blindados, en realidad desea un proyectil más suave para que se deforme más y descargue más energía en el objetivo. Las balas de acero serían una mejor opción contra objetivos blindados por la razón opuesta.