Un cañón de bobina es un tipo de controlador de masa que consta de 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 armas de bobina, las bobinas y el cañón del arma están dispuestos en un eje común. Una pistola 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 que se acelera se encuentra a lo largo del eje central de las bobinas. Las bobinas se encienden y 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 es perpendicular al eje central del bucle actual 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 zueco , pero los cañones de bobina no necesariamente requieren contactos deslizantes. [2] Si bien algunos conceptos simples de armas 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.
Las pistolas de bobina también son distintas de las pistolas Gauss , aunque muchas obras de ciencia ficción las han confundido erróneamente. 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 ferromagnetos que utilizan una configuración similar a la cuna de Newton para impartir aceleración. [3]
El arma electromagnética más antigua 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 su desarrollo supuestamente comenzó ya en 1845. Según sus relatos, Birkeland aceleró 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 una pistola de bobina estacionaria diseñada para usarse de manera similar a una ametralladora . Estaba propulsado 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]
Hay dos tipos o configuraciones principales de pistola de bobina: de una sola etapa y de múltiples etapas. Un cañón de bobina de una sola etapa utiliza una bobina electromagnética para impulsar un proyectil. Un cañón de bobina multietapa utiliza varias bobinas electromagnéticas en sucesión para aumentar progresivamente la velocidad del proyectil.
Para 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 tiene la forma del solenoide utilizado en un relé electromecánico, es decir, una bobina portadora de corriente que atraerá un objeto ferromagnético a través de su centro. Una gran corriente pasa a través de la bobina de alambre y se forma un fuerte campo magnético que empuja el proyectil hacia el centro de la bobina. Cuando el proyectil se acerca a este punto, se debe apagar el electroimán para evitar que el proyectil quede detenido 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 pistolas de bobina, el "cañón" de la pistola se compone de 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, generalmente una batería , o condensadores (uno por electroimán), diseñados 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 debidos a la polaridad inversa del voltaje después de apagar la bobina.
Muchos aficionados utilizan diseños rudimentarios de bajo costo para experimentar con pistolas de bobina, por ejemplo, usando condensadores de flash de una cámara desechable , o un condensador de un televisor de tubo de rayos catódicos estándar como fuente de energía, y una bobina de baja inductancia para impulsar el proyectil hacia adelante. [9] [10]
Algunos diseños cuentan con proyectiles no ferromagnéticos, de materiales como aluminio o cobre , actuando la armadura del proyectil como un electroimán con corriente interna inducida por pulsos de las bobinas de aceleración. [11] [12] Se podría crear un cañón de bobina superconductor llamado cañón de extinción apagando sucesivamente una línea de bobinas superconductoras coaxiales adyacentes que forman un cañón de pistola, generando una onda de gradiente de campo magnético que viaja a cualquier velocidad deseada. Se podría fabricar una bobina superconductora móvil para montar esta ola 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 impulsoras. [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 del cambio de energía 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 debido al contacto físico a hipervelocidad y la erosión. Al arrastrar el proyectil hacia el centro de las bobinas o levitarlo a medida que se acelera, no se produce fricción física con las paredes del orificio. Si el orificio es de vacío total (como un tubo con una ventana de plasma ), no hay fricción alguna, lo que ayuda a prolongar el período de reutilización. [14] [15]
Un obstáculo principal en el diseño del cañón de bobina es cambiar la potencia a través de las bobinas. Hay varias soluciones comunes: la más simple (y probablemente menos efectiva) es la vía de chispa , 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). [dieciséis]
Un método rápido y sucio para cambiar, especialmente para aquellos que usan una cámara con flash para los componentes principales, es usar el tubo del flash como interruptor. Al cablearlo en serie con la bobina, puede permitir que una gran cantidad de corriente pase a la bobina de manera silenciosa y no destructiva (suponiendo que la energía en el capacitor se mantenga por debajo de los límites operativos seguros del tubo). Como cualquier tubo de flash, la ionización del gas en el 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 explosor, el tubo dejará de conducir una vez que el voltaje a través de él caiga lo suficiente, dejando algo de carga en el capacitor.
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, dando 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 cambia correctamente, las pérdidas resistivas no se ven afectadas en gran medida y, por lo tanto, estas pérdidas resistivas se vuelven mucho más pequeñas en términos porcentuales.
Idealmente, el 100% del flujo magnético generado por la bobina se entregaría al proyectil y actuaría sobre él; en 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 almacenada en este campo no desaparece simplemente del circuito magnético una vez que el condensador 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 ("sonido"), lo que puede dañar seriamente los condensadores polarizados, como los condensadores electrolíticos .
La carga inversa se puede evitar mediante un diodo conectado en paralelo inverso a través de los terminales del condensador; como resultado, la corriente continúa 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 costoso de alta potencia 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, reduciendo así significativamente los tiempos de carga. Sin embargo, la practicidad de esta solución está limitada por la alta corriente de recarga resultante a través de la resistencia en serie equivalente (ESR) de los capacitores; el ESR disipará parte de la corriente de recarga, generando calor dentro de los condensadores y potencialmente acortando su vida útil.
Para reducir el tamaño, el peso, los requisitos de durabilidad y, lo más importante, el costo de los componentes, el circuito magnético debe optimizarse para entregar más energía al proyectil para una entrada de energía determinada. Esto se ha solucionado hasta cierto punto mediante el uso de hierro trasero 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, según los materiales utilizados; Los diseños de aficionados pueden utilizar, por ejemplo, materiales que van desde acero magnético (más eficaz, menor desgana) hasta cintas de vídeo (poca mejora en la desgana). Además, las piezas adicionales de material magnético en el circuito magnético pueden potencialmente exacerbar la posibilidad de saturación de flujo y otras pérdidas magnéticas.
Otra limitación importante del cañón de bobina es la aparición 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) depende linealmente de I, B. depende linealmente de H y la fuerza depende linealmente del producto BI. Esta relación continúa hasta que se satura el núcleo; una vez que esto suceda, 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 a la aceleración de un proyectil determinado con una sola etapa con una eficiencia aceptable.
Además de la saturación, la dependencia B(H) contiene a menudo 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 B abruptos; 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 helicoidales como lanzadores de hipervelocidad ha utilizado sistemas "con núcleo de aire" para sortear 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 "vueltas en cortocircuito", entonces se producirán corrientes inducidas como consecuencia de la variación temporal de la corriente en la bobina (o bobinas) del lanzador estático.
En principio también se pueden construir pistolas de bobinas en las que las bobinas móviles se alimenten con corriente a través de contactos deslizantes. Sin embargo, la construcción práctica de tales disposiciones requiere la provisión de contactos deslizantes fiables de alta velocidad. Aunque alimentar corriente a una armadura de bobina de múltiples vueltas podría 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 introducen el inconveniente de que se pueden necesitar corrientes mucho más altas que en un sistema con "núcleo de hierro". Sin embargo, en última instancia, sujeto a la provisión de fuentes de alimentación con la clasificación 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 helicoidal de una sola etapa se puede obtener mediante la ecuación [17]
siendo m la masa del proyectil, definida como kg
siendo V el volumen del proyectil, definido como m 3
siendo μ 0 la permeabilidad al vacío , definida en unidades SI como 4π × 10 −7 V · s /( A · m )
siendo χm 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 CRC Handbook of Chemistry and Physics, así como en el artículo de Wikipedia sobre susceptibilidad magnética .
siendo n el número de vueltas de la bobina por unidad de longitud de la bobina, que se puede encontrar dividiendo el total de vueltas de la bobina por la longitud total de la bobina en metros.
y siendo I 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 no lineales más precisas. [17] Los problemas con esta fórmula son que supone que el proyectil se encuentra completamente dentro de un campo magnético uniforme, que la corriente se extingue instantáneamente una vez que el proyectil alcanza el centro de la bobina (eliminando la posibilidad de que la bobina retroceda), que todos la energía potencial se transfiere a energía cinética (mientras que la mayoría se transformaría en fuerzas de fricción) y que los cables de la bobina son infinitamente delgados y no se apilan unos sobre otros, lo que aumenta acumulativamente la velocidad de salida esperada. [17]
Los aficionados fabrican pequeñas pistolas de bobina de forma recreativa, generalmente con una energía de proyectil de varios julios a decenas de julios (esta última comparable a una pistola de aire comprimido típica y un orden de magnitud menor que un arma de fuego), con una eficiencia que oscila entre menos del uno por ciento y varios por ciento. [18]
En 2018, Arcflash Labs, una empresa con sede en Los Ángeles , puso a la venta al público en general la primera pistola de bobina, la EMG-01A . Disparó balas de acero de 6 gramos a 45 m/s con una energía de salida 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 una velocidad de 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 el CS/LW21 , también conocido como "E-Shotgun", una pistola de bobina compacta 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 "control de disturbios no letales". [24]
Se puede obtener una eficiencia y energía mucho mayores con diseños de mayor coste y sofisticación. 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 más del 90% de eficiencia para sistemas superconductores mucho más grandes para lanzamientos espaciales. [15] Un diseño experimental de mortero de cañón helicoidal DARPA de 45 etapas y 2,1 m de largo tiene una eficiencia del 22%, con 1,6 megajulios KE administrados por ronda. [27]
Aunque enfrentan el desafío de la competitividad frente a las armas convencionales (y a veces a las alternativas de los cañones de riel ), se están investigando las armas de bobina como armamento. [27]
El programa de mortero electromagnético DARPA es un ejemplo, si se pueden lograr desafíos prácticos como un peso suficientemente bajo. El cañón de bobina sería relativamente silencioso y no habría humo que revelara su posición, aunque un proyectil supersónico aún crearía un estallido sónico . La aceleración suave y ajustable del proyectil a lo largo de la longitud del cañón permitiría una mayor velocidad, con un aumento de alcance previsto del 30% para un mortero EM de 120 mm con respecto a la versión convencional de longitud similar. Sin cargas propulsoras separadas para cargar, los investigadores prevén que la velocidad de disparo aproximadamente se duplicará. [27] [28]
En 2006, se estaba construyendo un prototipo de 120 mm para su evaluación, aunque los Laboratorios Nacionales Sandia estimaron que el tiempo de implementación sería de 5 a 10 años o más . [27] [28] En 2011, se propuso el desarrollo de un mortero con cañón helicoidal de 81 mm para operar con una versión híbrida-eléctrica del futuro vehículo táctico ligero conjunto . [29] [30]
Están previstas catapultas de aviones electromagnéticas , incluso a bordo de 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 en China se está desarrollando un sistema de defensa activa para tanques basado en cañones de bobina. [32]
Se ha percibido que el potencial del Coilgun se extiende más allá de las aplicaciones militares.
Pocas entidades podrían superar los desafíos y la correspondiente inversión de capital para financiar gigantescos cañones helicoidales con masa y velocidad de proyectiles en la escala de gigajulios de energía cinética (a diferencia de megajulios o menos). Se han propuesto como lanzadores terrestres o lunares:
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