El cañón de gas ligero es un aparato para experimentos de física. Es un cañón altamente especializado diseñado para generar velocidades extremadamente altas. Por lo general, se utiliza 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 . Algunas investigaciones básicas sobre materiales se basan en el impacto de proyectiles para crear alta presión; estos sistemas son capaces de forzar al hidrógeno líquido a un estado metálico . [ cita requerida ]
Un rifle de gas ligero funciona según el mismo principio que un rifle de aire comprimido con pistón de resorte . Se utiliza un pistón de gran diámetro para hacer pasar un fluido de trabajo gaseoso a través de un cañón de diámetro más pequeño que contiene el proyectil que se va a acelerar. Esta reducción de diámetro actúa como una palanca, aumentando la velocidad mientras disminuye la presión. En un rifle 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 activa mediante una reacción química (normalmente pólvora ) y el fluido de trabajo es un gas más ligero, como helio o hidrógeno (aunque es mucho más seguro trabajar con helio, el hidrógeno ofrece el mejor rendimiento [como se explica a continuación] y provoca menos erosión del tubo de lanzamiento). Un añadido que un arma de gas ligero añade al arma de aire es un disco de ruptura , que es un disco (normalmente de metal) de un grosor cuidadosamente calibrado diseñado para actuar como una válvula. Cuando la presión aumenta hasta el nivel deseado detrás del disco, este se abre, permitiendo que el gas ligero a alta presión pase al cañón. Esto garantiza que la máxima cantidad de energía esté disponible cuando el proyectil empieza a moverse.
Los cañones de gas ligero se dividen normalmente en categorías de cañones de gas ligero de una sola etapa y de dos etapas. [1]
Un cañón de gas ligero de una sola etapa de este tipo se encuentra en la Universidad Marquette , Milwaukee, Wisconsin . Se ha utilizado para estudiar polímeros y metales en regiones de presión de hasta 20 GPa. El cañón de gas ligero en Marquette fue fabricado por PAI y entregado en 2015. Tiene dos cañones: un cañón liso de 15 pies y dos pulgadas y un cañón ranurado de 13 pies y dos pulgadas. El cañón ranurado permite la carga de presión-corte y las interacciones complejas entre el objetivo y el volador. La presión máxima de trabajo es de 10 000 psi, lo que permite lanzar un proyectil de 200 g hasta 1200 m/s. El tanque del objetivo generalmente está configurado para experimentos de impacto planos e inclinados. Los sistemas de captura suave se utilizan a menudo para recuperar materiales para el análisis posterior al disparo. [2]
Un cañón de gas ligero en particular utilizado por la NASA utiliza un cañón modificado de 40 mm para obtener energía. El cañón utiliza pólvora para impulsar un pistón de plástico (normalmente HDPE ) por el cañón del cañón, que está lleno de gas hidrógeno a alta presión. Al final del cañón del cañón hay una sección cónica que conduce hasta el cañón de 5 mm que dispara el proyectil. En esta sección cónica hay un disco de acero inoxidable, de aproximadamente 2 mm de espesor, con un patrón de "x" marcado en la superficie en el medio. Cuando el hidrógeno desarrolla suficiente presión para reventar la sección marcada 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 tamaños de tubo de lanzamiento que van desde 0,170 pulgadas (4,3 mm) a 1,5 pulgadas (38 mm) en el Centro de Investigación Ames . Las pruebas peligrosas [3] se llevan a cabo en la Instalación de Pruebas White Sands . 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 ellos implica 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 Aérea Arnold es el "sistema de cañón de gas ligero de dos etapas de operación rutinaria más grande en los Estados Unidos". [4] El Range-G utiliza tubos de lanzamiento intercambiables que varían de un diámetro de orificio de 3,3 pulgadas (84 mm) a 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 Aérea Arnold es la medición de la energía cinética liberada tras el impacto de un proyectil.
La velocidad inicial de un arma de aire comprimido , un arma de fuego o un arma de gas ligero está limitada, pero no se limita a, la velocidad del sonido en el fluido de trabajo (el aire, la pólvora en llamas o un gas ligero). Hasta la velocidad del sonido, la termodinámica proporciona un método de cálculo simple 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 a 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 se distribuye según Maxwell-Boltzmann , y la velocidad de una gran fracción de las partículas supera la velocidad del sonido en el gas. Esa fracción del gas puede seguir aplicando presión y, por lo tanto, acelerar el proyectil más allá de la velocidad del sonido en cantidades decrecientes a medida que aumenta la velocidad del proyectil.
La velocidad del sonido en el helio es aproximadamente tres veces mayor que la del aire, y en el hidrógeno, 3,8 veces mayor que la del aire. La velocidad del sonido también aumenta con la temperatura del fluido (pero es independiente de la presión), por lo que el calor formado por la compresión del fluido de trabajo sirve para aumentar la velocidad máxima posible. Las pistolas de aire comprimido con pistón de resorte aumentan la temperatura del aire en la cámara mediante calentamiento adiabático ; esto aumenta la velocidad local del sonido lo suficiente como para superar las pérdidas de eficiencia por fricción y otras y propulsar el proyectil a una velocidad mayor que la del sonido en las condiciones ambientales.
El cañón electrotérmico híbrido de gas ligero funciona según principios similares al cañón de gas ligero estándar, pero añade un arco eléctrico para calentar el gas ligero a una temperatura y presión más altas que el pistón solo. El arco se aplica en la cámara que contiene el gas ligero, lo que aumenta la temperatura y la presión hasta el punto en que el gas rompe el disco de ruptura y enciende el propulsor 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 altas, lo que resulta en más potencia y una velocidad potencial más alta que un cañón de gas ligero estándar. [5] [6]
Cuando el proyectil disparado por un cañón de gas ligero impacta en su objetivo, la presión aplicada depende de la masa del proyectil y del área de superficie, o sección transversal, sobre la que se distribuye la fuerza de impacto. Debido a que los proyectiles lanzados desde el aire experimentan fricción con las moléculas de aire, la resistencia aumenta proporcionalmente al aumento de la superficie del proyectil, lo que da como resultado velocidades más lentas cuanto mayor es la superficie de un proyectil. Como tal, un proyectil denso y estrecho aplicará más presión en general que uno ligero y ancho. Al observar proyectiles de sección transversal constante, los investigadores han comenzado recientemente a variar la densidad de sus proyectiles en función de la 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 una amplia gama de densidades (desde polvo de tungsteno hasta microesferas de vidrio ) aplicados en capas delgadas, los proyectiles cuidadosamente hechos se pueden utilizar en experimentos de presión constante, o incluso en secuencias controladas de compresión-expansión-compresión.