El lanzador de cañón electromagnético de calibre de cañón ( CCEMG ) es un lanzador de cañón de riel de disparo rápido desarrollado por el ejército estadounidense a principios de la década de 1990 para estudiar y probar la viabilidad de las armas electromagnéticas. [1]
El lanzador CCEMG (versión III) era un cañón de riel aumentado en serie capaz de disparar tres salvas de cinco rondas de paquetes de lanzamiento de 185 g a una velocidad de 1.850 m/s con una velocidad de disparo de 5 Hz. Era un lanzador refrigerado por agua-glicol de 2,25 m de largo con un diámetro rectangular de 30 mm y lograba una operación de disparo rápida con la ayuda de un compulsador CCEMG que proporcionaba múltiples pulsos máximos de 835 kA. [1] [2] El lanzador CCEMG tenía una masa total de sólo 273 kg a pesar de su sólida armadura y su composición estructuralmente rígida, que resultó de la incorporación de un mecanismo de precarga direccional, paredes laterales de cerámica y una envoltura compuesta en su diseño. El rendimiento del lanzador CCEMG se basó en el mecanismo de precarga direccional del sistema, llamado "jacks planos", que estaban ubicados entre los rieles principal y de aumento del cañón de riel. Los flatjacks contrarrestaron la carga electromagnética y aplicaron presión a los rieles principales para que las paredes laterales cerámicas (hechas de alúmina AD-96) permanecieran comprimidas durante toda la descarga. Debían estar presurizados a 138 MPa para un disparo con corriente completa y debían soportar un desplazamiento de aproximadamente 1,3 mm. La envoltura compuesta de filamento enrollado, compuesta por un 82 por ciento de fibras de grafito y un 18 por ciento de fibra de vidrio, reaccionó la precarga y proporcionó rigidez al lanzador en la dirección axial. Los rieles estaban hechos de cobre al cromo debido a su resistencia (rendimiento de 310 MPa), conductividad (82 por ciento IACS), costo relativamente bajo y estabilidad dimensional. [1] [3] Los rieles principales se cortaron transversalmente al eje del lanzador hasta el punto medio de la pared de cerámica para lograr una eficiencia de la recámara (energía cinética de la armadura dividida por la energía entregada a la recámara del arma) de 50 por ciento. [1] [4]
Las siguientes tablas muestran los parámetros del iniciador CCEMG:
El lanzador CCEMG se desarrolló a principios de la década de 1990 como parte del programa Cañón Electromagnético de Calibre (CCEMG) para demostrar la viabilidad de un arma electromagnética de disparos múltiples. El programa CCEMG fue patrocinado por el Centro de Ingeniería, Desarrollo e Investigación de Armamento del Ejército de EE. UU. y el Cuerpo de Marines de EE. UU. Como parte del proyecto, se encargó al Centro de Electromecánica de la Universidad de Texas en Austin (UT-CEM) la construcción del lanzador, así como el suministro de energía pulsada y el desarrollo de la armadura, mientras que a Kaman Science Corporation se le encomendó la tarea de desarrollar el Paquete de lanzamiento integrado (ILP) para el cañón de riel. [6] Para diseñar el lanzador CCEMG, se desarrolló un algoritmo de optimización llamado EXCaliber (abreviatura de Electromagnetic eXperimental Caliber) para tener en cuenta los detalles que rodean los requisitos de diseño térmico y estructural de la armadura y el cañón, así como para analizar el impacto de diferentes condiciones ambientales de lanzamiento. del tamaño y la masa de la fuente de alimentación. Las ecuaciones que rigen el diseño de la armadura y el cañón se codificaron en una estructura de programa FORTRAN , y las restricciones de diseño térmico y estructural tanto para la armadura como para el cañón se modelaron de forma interdependiente. EXCaliber se utilizó para calcular la armadura mínima y el bajo del cañón, así como las demandas mínimas de energía de recámara del arma. Con base en estos cálculos, el algoritmo de optimización determinó que la demanda mínima de energía de recámara se produjo a una velocidad de lanzamiento de 1,85 km/s y que la demanda de energía de recámara para diseños de una vuelta (riel simple) aumentó a un ritmo mayor que los de dos o tres vueltas. diseños (aumentados) a medida que aumentaba la velocidad de lanzamiento. Los resultados de EXCaliber también concluyeron que una sección transversal de calibre rectangular proporcionaba una mayor eficiencia de lanzamiento que un diseño de calibre redondo. [7]
Al diseñar el lanzador CCEMG, a UT-CEM y Kaman Science Corporation se les dio un conjunto específico de requisitos que el lanzador debía cumplir. (Vea la tabla de abajo)
Para cumplir con estas especificaciones objetivo, se tomaron varias decisiones de diseño en el CCEMG para optimizar su rendimiento. La armadura CCEMG, que tenía que transportar la corriente de aceleración y distribuir la fuerza de aceleración al subproyectil, fue diseñada para ser descartada después del lanzamiento y hacer contacto con el riel en dos lugares distintos. EXCaliber también calculó que el paquete de lanzamiento tenía una masa total de 180 gramos, que se dividió equitativamente entre la armadura y el subproyectil. Otras opciones de diseño incluyeron la incorporación de paredes laterales de cerámica, precarga interna y rieles de cobre cromado. Para el ILP, Kaman Science Corporation diseñó el paquete de lanzamiento para operar a una velocidad de lanzamiento de 1.850 m/s para cumplir con el requisito de penetración a distancia, lo que resulta en una aceleración axial máxima de 2,06 x 10 6 m/s 2 o 210.000 g. La fuente de alimentación pulsada (PPS) para el lanzador CCEMG estaba compuesta por ocho bancos, cada uno de los cuales tenía nominalmente 200 kJ a un voltaje de carga máximo nominal de 10 kV. [7] Como fuente de alimentación del lanzador CCEMG, el compulsador de núcleo de aire pesaba 2.045 kg y almacenaba 40 MJ a 12.000 rpm. [4] Al concluir el proceso de desarrollo del programa CCEMG, se construyeron dos cañones de riel de un solo disparo (conocidos como lanzadores CCEMG IIA y IIB) y un cañón de riel de fuego rápido refrigerado por agua-glicol (lanzador CCEMG III). La única diferencia enumerada entre los lanzadores IIA y IIB y el lanzador III era que el lanzador III poseía pasajes de refrigerante para enfriar los juegos de rieles entre salvas y una guía de desaceleración requerida para la carga automática . [5]
Las pruebas preliminares del lanzador IIA CCEMG se llevaron a cabo en UT-CEM y en el Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. (ARL) de 1994 a 1995. [1] El objetivo principal de la prueba experimental fue verificar el rendimiento del lanzador de un solo disparo y el ILP para determinar si cumplían con los requisitos del sistema CCEMG. Durante varias fases de prueba se realizaron mejoras y modificaciones al lanzador y al ILP. [6]
El lanzador CCEMG IIA disparó un total de 11 tiros contra UT-CEM. El lanzador estaba propulsado por un compulsador de núcleo de hierro de 1 MJ/pulso, y los disparos se disparaban con un aumento gradual de la energía del sistema. [1] [5] La desviación de la línea central del orificio se midió antes y después de la presurización de los flatjacks antes de las pruebas eléctricas para determinar si los flatjacks tenían un efecto en la rectitud del orificio, lo que indicaba la integridad de las uniones adhesivas entre los rieles y el pared lateral así como la simetría de la precarga estructural. [1] [4] La rectitud del orificio cambió muy poco incluso después del undécimo disparo, desviándose de una línea recta como máximo 0,2 mm, lo que sugiere que se estaba aplicando una cantidad uniforme de tensión axial a la estructura o que las tensiones axiales del flatjack tuvo un efecto mínimo sobre la estructura. El lanzador IIA demostró su mayor rendimiento en el disparo 7, que tenía una corriente máxima de 552 kA. Durante el último disparo, los evaluadores encontraron un defecto de aislamiento dentro del lanzador. Como resultado, se realizaron modificaciones al diseño del aislamiento eléctrico de los lanzadores IIB y III, como el engrosamiento del aislamiento de mica , la adición de una barrera aislante compuesta entre la región del colector flatjack y los rieles de aumento, y la incorporación de una barrera aislante adicional. capa de fibra de vidrio al orificio de la envoltura compuesta. [ 15]
La prueba ARL del lanzador CCEMG IIA se llevó a cabo en las instalaciones EM en Transonic Range en Aberdeen Proving Ground (APG) , MD. El lanzador estaba alimentado por una fuente de alimentación pulsada basada en un condensador de 1,55 MJ compuesta por ocho bancos, cada uno de los cuales podía cargarse a diferentes voltajes iniciales y activarse de forma independiente en el tiempo. [1] [5] A lo largo de las pruebas, la velocidad de salida se midió utilizando varias técnicas, como registrando la tasa de cambio temporal del campo de inducción interno de la armadura. Otros métodos incluyeron el uso de una cámara difusa , rayos X con flash y radar. También se utilizó el radar para evaluar la degradación de la velocidad del subproyectil que se produjo en el rango de vuelo. Se utilizaron quince tarjetas de guiñada que servían como objetivos de cartón para evaluar la aerodinámica de vuelo libre del proyectil lanzado desde el cañón de riel. [6] [8] [9]
El lanzador disparó un total de 39 disparos a APG, donde los disparos del 1 al 9 se centraron en la caracterización de componentes, los disparos del 10 al 16 se centraron en el desarrollo de la armadura, los disparos del 17 al 27 se centraron en la dinámica del lanzamiento, los disparos del 28 al 32 se centraron en capacidades de pseudodisparos múltiples y Los disparos 33 a 39 se centraron en el máximo rendimiento. Los disparos 28 a 32 se realizaron sin mantenimiento del calibre entre los cinco disparos consecutivos para evaluar la eventual operación multidisparo del lanzador CCEMG. [1] Durante los disparos 33 a 39, el lanzador IIA fue sometido a niveles máximos de estrés al aumentar el voltaje de carga inicial del capacitor y la corriente máxima resultante entregada al lanzador. [6] En consecuencia, el disparo 39 demostró el rendimiento más alto con una corriente máxima de 766 kA, así como la corriente de boca más alta con 384 kA. Sin embargo, dado que el lanzador no fue diseñado para soportar este nivel de fuerza en la boca, posteriormente se observaron deformaciones estructurales sustanciales y desgaste de los rieles en la boca. [1] Al concluir la prueba, se determinó que el lanzador IIA quedó inutilizable debido al daño resultante, y el flatjack restante fue presurizado hasta el punto de no determinar su límite superior de diseño. El flatjack alcanzó un techo de presión de 30 ksi sin fallar, pero la presurización se detuvo poco después para evitar daños a los rieles de aumento, que fueron rescatados para su reutilización. Durante el desmontaje del lanzador IIA, se observaron varias grietas en las paredes laterales, probablemente debido a la concentración de tensiones. Sin embargo, las uniones de los rieles y las superficies recubiertas de aluminio de los orificios de los rieles sufrieron muy pocos daños. [ 15]
La prueba de rendimiento del lanzador III CCEMG fue realizada por CEM-UT en 1996. A pesar de ser un sistema multidisparo, el lanzador III sólo se sometió a pruebas de un solo disparo durante esta evaluación con el fin de verificar la precisión de la simulación por computadora, estableciendo la confiabilidad de el sistema de control, y determinar los parámetros necesarios para el sistema de potencia de pulso. Se llevaron a cabo pruebas de disparos múltiples con aumentos incrementales en la energía del sistema en pruebas posteriores. Para esta prueba se realizaron un total de seis disparos individuales, de los cuales el sexto demostró la mayor energía de boca con 279 kJ. Los resultados no mostraron daños en el riel ni en la pared lateral del lanzador, con la excepción de una pequeña erosión del arco causada por el último disparo. [4]
En 1999, investigadores del ARL llevaron a cabo una serie de experimentos en el lanzador CCEMG en la Instalación Experimental Transónica en Aberdeen para investigar los efectos del electromagnetismo en el proceso de descarte del sabot y en el subproyectil durante el lanzamiento. [10] [11]