Un cañón de bobina es un tipo de controlador de masa que consiste en 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 del arma están dispuestos sobre un eje común. Un cañón de bobina no es un rifle ya que el cañón es de ánima lisa (no estriado ).
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 se encuentra a lo largo del eje central de las bobinas. Las bobinas se encienden y se apagan en una secuencia sincronizada con precisión, lo que hace que el proyectil se acelere rápidamente a lo largo del cañón mediante fuerzas magnéticas.
Los cañones de bobina se diferencian de los cañones de riel , ya que la dirección de aceleración en un cañón de riel está en ángulo recto con el eje central del bucle de corriente formado por los rieles conductores. Además, los cañones de riel generalmente requieren el uso de contactos deslizantes para pasar una gran corriente a través del proyectil o sabot , pero 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 en realidad incorporan una bobina acoplada como parte del proyectil.
Los cañones de bobina también son distintos de los cañones de Gauss , aunque muchas obras de ciencia ficción han confundido erróneamente a ambos. Un cañón de bobina utiliza aceleración electromagnética, mientras que los cañones de Gauss son anteriores a la idea de los cañones de bobina y, en cambio, consisten en ferroimanes que utilizan una configuración similar a la cuna de Newton para impartir aceleración. [3]
El cañón electromagnético más antiguo fue el cañón de bobina, el primero de los cuales fue inventado por el científico noruego Kristian Birkeland en la Universidad de Kristiania (hoy Oslo). El invento fue patentado oficialmente en 1904, aunque se dice que su desarrollo comenzó en 1845. Según sus relatos, Birkeland aceleraba un proyectil de 500 gramos a aproximadamente 50 metros por segundo (160 pies/s). [4] [5] [6]
En 1933, el inventor texano Virgil Rigsby desarrolló un cañón de bobina estacionario que fue diseñado para usarse de manera similar a una ametralladora . Estaba accionado por un gran motor eléctrico y un generador. [7] Apareció en muchas publicaciones científicas contemporáneas, pero nunca despertó el interés de ninguna fuerza armada. [8]
Existen dos tipos o configuraciones principales de cañones de bobina: de una sola etapa y de varias etapas. Un cañón de bobina de una sola etapa utiliza una bobina electromagnética para propulsar un proyectil. Un cañón de bobina de varias etapas utiliza varias bobinas electromagnéticas en sucesión para aumentar progresivamente la velocidad del proyectil.
En el caso de los proyectiles ferromagnéticos, un cañón de bobina de una sola etapa puede estar formado por una bobina de alambre, un electroimán , con un proyectil ferromagnético colocado en uno de sus extremos. Este tipo de cañón de bobina está formado como el solenoide utilizado en un relé electromecánico, es decir, una bobina que transporta corriente y que arrastrará un objeto ferromagnético a través de su centro. Se aplica una gran corriente a través de la bobina de alambre y se forma un fuerte campo magnético que atrae el proyectil hacia el centro de la bobina. Cuando el proyectil se acerca a este punto, el electroimán debe apagarse para evitar que el proyectil quede atrapado en el centro del electroimán.
En un diseño de varias etapas, se utilizan más electroimanes para repetir este proceso, acelerando progresivamente el proyectil. En los diseños comunes de cañones de bobina, el "cañón" del cañón está formado por una pista sobre la que se desplaza el proyectil, con el conductor en las bobinas magnéticas alrededor de la pista. La energía se suministra al electroimán desde algún tipo de dispositivo de almacenamiento de descarga rápida, normalmente una batería o condensadores (uno por electroimán), diseñado para una descarga rápida de energía. 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, utilizando condensadores de flash de una cámara desechable o un condensador de un tubo de rayos catódicos de televisión estándar como fuente de energía y una bobina de baja inductancia para impulsar el proyectil hacia adelante. [9] [10]
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] Se podría crear un cañón de bobina superconductora llamado cañón de extinción apagando sucesivamente una línea de bobinas superconductoras coaxiales adyacentes formando un cañón de cañón, generando una onda de gradiente de campo magnético que viaja a cualquier velocidad deseada. Se podría hacer que una bobina superconductora viajera cabalgue esta onda como una tabla de surf . El dispositivo sería un controlador 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, un beneficio notable de algunos diseños de cañones de bobina sobre los cañones de riel más simples es evitar un límite de velocidad intrínseco por contacto físico de hipervelocidad y erosión. Al tener el proyectil atraído hacia o levitando dentro del centro de las bobinas a medida que 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 en absoluto, lo que ayuda a prolongar el período de reutilización. [14] [15]
Uno de los principales obstáculos en el diseño de cañones de bobina es la conmutación de la energía a través de las bobinas. Existen varias soluciones comunes: la más simple (y probablemente la menos efectiva) es el chispazo , 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 de pulso) y SCR (que liberan toda la energía almacenada antes de apagarse). [16]
Un método rápido y sencillo para realizar la conmutación, especialmente para quienes utilizan una cámara con flash como componente principal, es utilizar el propio tubo de flash como interruptor. Al conectarlo en serie con la bobina, puede permitir que pase una gran cantidad de corriente a la bobina de forma silenciosa y no destructiva (suponiendo que la energía del condensador se mantenga por debajo de los límites de funcionamiento seguros del tubo). Como cualquier tubo de flash, la ionización del gas del tubo con un alto voltaje lo activa. Sin embargo, una gran cantidad de energía se disipará en forma de calor y luz y, debido a que el tubo es un descargador de chispas, dejará de conducir una vez que el voltaje a través de él caiga lo suficiente, lo que dejará algo de carga restante en el condensador.
La resistencia eléctrica de las bobinas y la resistencia en 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 da como resultado una eficiencia excepcionalmente baja. Sin embargo, a medida que aumentan las velocidades, la potencia mecánica crece proporcionalmente al cuadrado de la velocidad, pero, si se conmuta correctamente, las pérdidas resistivas no se ven afectadas en gran medida y, por lo tanto, estas pérdidas resistivas se vuelven mucho menores en términos porcentuales.
Lo ideal sería que el 100% del flujo magnético generado por la bobina se entregara y actuara sobre el proyectil; en la 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 desacoplado genera un campo magnético que almacena energía en el aire circundante. La energía que se almacena en este campo no desaparece simplemente del circuito magnético una vez que el capacitor termina de descargarse, sino que regresa al circuito eléctrico del cañón de bobina. Debido a que el circuito eléctrico del cañón de bobina es inherentemente análogo a un oscilador LC, la energía no utilizada regresa en la dirección inversa ('resonancia'), lo que puede dañar gravemente los capacitores polarizados, como los capacitores electrolíticos .
La carga inversa se puede evitar con un diodo conectado en paralelo inverso a través de los terminales del capacitor; como resultado, 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 simple y utilizada con frecuencia, requiere un diodo adicional de alta potencia y costoso y una bobina bien diseñada con suficiente masa térmica y capacidad de disipación de calor para evitar fallas en los componentes.
Algunos diseños intentan recuperar la energía almacenada en el campo magnético mediante el uso de un par de diodos. Estos diodos, en lugar de verse obligados a disipar la energía restante, recargan los condensadores con la polaridad adecuada para el siguiente ciclo de descarga. Esto también evitará la necesidad de recargar completamente los condensadores, lo que reducirá significativamente los tiempos de carga. Sin embargo, la viabilidad de esta solución está limitada por la alta corriente de recarga resultante a través de la resistencia en serie equivalente (ESR) de los condensadores; la ESR disipará parte de la corriente de recarga, generando calor dentro de los condensadores y acortando potencialmente su vida útil.
Para reducir el tamaño del componente, el peso, los requisitos de durabilidad y, lo más importante, el costo, el circuito magnético debe optimizarse para entregar más energía al proyectil para una entrada de energía dada. Esto se ha abordado en cierta medida mediante el uso de hierro posterior y hierro final, que son piezas de material magnético que encierran la bobina y crean caminos de menor reluctancia para mejorar la cantidad de flujo magnético acoplado al proyectil. Los resultados pueden variar ampliamente, dependiendo de los materiales utilizados; los diseños de aficionados pueden utilizar, por ejemplo, materiales que van desde acero magnético (más efectivo, menor reluctancia) hasta cinta de video (poca mejora en la reluctancia). Además, las piezas adicionales de material magnético en el circuito magnético pueden potencialmente exacerbar la posibilidad de saturación del flujo y otras pérdidas magnéticas.
Otra limitación importante del cañón de bobina es la ocurrencia de saturación magnética en el proyectil ferromagnético. Cuando el flujo 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) es linealmente dependiente de I, B es linealmente dependiente de H y la fuerza es linealmente dependiente del producto BI. Esta relación continúa hasta que el núcleo está saturado; una vez que esto sucede, B solo aumentará 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 I 2 , aumentar la corriente más allá de este punto eventualmente disminuye la eficiencia aunque puede aumentar la fuerza. Esto pone un límite absoluto en cuánto se puede acelerar un proyectil dado con una sola etapa a una eficiencia aceptable.
Aparte de la saturación, la dependencia B(H) a menudo contiene un bucle de histéresis y el tiempo de reacción del material del proyectil puede ser significativo. La histéresis significa que el proyectil se magnetiza permanentemente y se perderá algo de energía como campo magnético permanente del proyectil. El tiempo de reacción del proyectil, por otro lado, hace que el proyectil sea reacio a responder a cambios abruptos de B; el flujo no aumentará tan rápido como se desea mientras se aplica corriente y se producirá una cola 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.
La mayor parte del trabajo para desarrollar cañones de bobina como lanzadores de hipervelocidad ha utilizado sistemas "con núcleo de aire" para superar 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, también se pueden construir cañones de bobina en los que las bobinas móviles se alimentan con corriente a través de contactos deslizantes. Sin embargo, la construcción práctica de tales disposiciones requiere la provisión de contactos deslizantes de alta velocidad confiables. Aunque la alimentación de corriente a una armadura de bobina de múltiples vueltas puede no requerir corrientes tan grandes como las requeridas en un cañón de riel , la eliminación de la necesidad de contactos deslizantes de alta velocidad es una ventaja potencial obvia del cañón de bobina de inducción en relación con el cañón de riel .
Los sistemas con núcleo de aire también presentan la desventaja de que pueden ser necesarias corrientes mucho más altas que en un sistema con "núcleo de hierro". Sin embargo, en última instancia, siempre que se proporcionen fuentes de alimentación con la potencia adecuada, los sistemas con núcleo de aire pueden funcionar con intensidades de campo magnético mucho mayores que los sistemas con "núcleo de hierro", por lo que, en última instancia, deberían ser posibles aceleraciones y fuerzas mucho mayores.
Un resultado aproximado para la velocidad de salida de un proyectil acelerado por un cañón de bobina de una sola etapa se puede obtener mediante la ecuación [17].
m es la masa del proyectil, definida como kg
V es el volumen del proyectil, definido como m3
μ 0 es la permeabilidad al vacío , definida en unidades SI como 4π × 10 −7 V · s /( A · m )
χ m es la susceptibilidad magnética del proyectil, una constante de proporcionalidad adimensional que indica el grado de magnetización de un material en respuesta a los campos magnéticos aplicados . Esto a menudo debe determinarse experimentalmente, y se pueden encontrar tablas que contienen valores de susceptibilidad para ciertos materiales en el Manual de química y física del CRC, así como en el artículo de Wikipedia sobre susceptibilidad magnética .
n es el número de vueltas de la bobina por unidad de longitud de la bobina, que se puede encontrar dividiendo las vueltas totales de la bobina por la longitud total de la bobina en metros.
y siendo yo la corriente que pasa por la bobina en amperios .
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 asume que el proyectil se encuentra completamente dentro de un campo magnético uniforme, que la corriente se extingue instantáneamente una vez que el proyectil llega al centro de la bobina (eliminando la posibilidad de que la bobina se succione hacia atrás), que toda la energía potencial se transfiere a energía cinética (mientras que la mayoría se convertiría en fuerzas de fricción) y que los cables de la bobina son infinitamente delgados y no se apilan uno sobre otro, lo que aumenta acumulativamente la velocidad de salida esperada. [17]
Los aficionados fabrican pequeños cañones de bobina con fines recreativos, normalmente con una energía de proyectil de varios julios a decenas de julios (esta última comparable a una pistola de aire típica y un orden de magnitud menor que un arma de fuego) mientras que la eficiencia varía entre menos del uno por ciento a varios por ciento. [18]
En 2018, una empresa con sede en Los Ángeles, Arcflash Labs, puso a la venta al público en general el primer cañón de bobina, el EMG-01A . Disparaba balas de acero de 6 gramos a 45 m/s con una energía de boca de aproximadamente 5 julios. [19] En 2021, desarrollaron un modelo más grande, el rifle GR-1 Gauss que disparaba balas de acero de 30 gramos a hasta 75 m/s con una energía de boca 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 "E-Shotgun", una escopeta compacta de bobina alimentada por cargador de 15 julios, fabricada por China North Industries Group Corp. [ 21] Proyectan que la distribución alcance las 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 el "control de disturbios no letales". [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 mayor del 90% para sistemas superconductores mucho más grandes para lanzamiento espacial. [15] Un diseño experimental de mortero de cañón de bobina de DARPA de 45 etapas y 2,1 m de largo tiene una eficiencia del 22%, con 1,6 megajulios de energía cinética entregados a una bala. [27]
Aunque enfrentan el desafío de la competitividad frente a los cañones convencionales (y a veces frente a las alternativas de cañones de riel ), los cañones de bobina se están investigando para su uso como armamento. [27]
El programa de mortero electromagnético de la DARPA es un ejemplo, si se pueden lograr desafíos prácticos como un peso lo suficientemente bajo. El cañón de bobina sería relativamente silencioso y no habría humo que delatara su posición, aunque un proyectil supersónico igualmente crearía un estampido sónico . La aceleración suave y ajustable del proyectil a lo largo de la longitud del cañón permitiría una mayor velocidad, con un aumento previsto del alcance del 30% para un mortero EM de 120 mm en comparación con la versión convencional de longitud similar. Sin cargas propulsoras separadas para cargar, los investigadores prevén que la velocidad de disparo se duplicará aproximadamente. [27] [28]
En 2006, se estaba construyendo un prototipo de 120 mm para su evaluación, aunque Sandia National Laboratories estimó que el tiempo de implementación sería de entre 5 y 10 años . [27] [28] En 2011, se propuso el desarrollo de un mortero de cañón de bobina de 81 mm para operar con una versión híbrida-eléctrica del futuro Joint Light Tactical Vehicle . [29] [30]
Se planea el uso de 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 Electromagnéticos (EMML) para lanzar 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 considerado que el potencial del cañón de bobina se extiende más allá de las aplicaciones militares.
Pocas entidades podrían superar los desafíos y la inversión de capital correspondiente para financiar cañones de bobina gigantescos con una masa de proyectil y una velocidad en la escala de gigajulios de energía cinética (en lugar de megajulios o menos). Se han propuesto como lanzadores terrestres o lunares:
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