Cañón de riel

Diagrama esquemático de un arma de rieles

Diagrama mostrando el corte de un cañón de riel alemán

El arma de riel, cañón de riel o railgun (de rail gun en inglés) es un arma eléctrica que por medio de un campo magnético dispara proyectiles metálicos a alta velocidad.

No hay que confundirlo con el Cañón Gauss, un arma electromagnética basada en principios totalmente diferentes del railgun.

Descripción general

El funcionamiento del arma se basa en el principio del motor homopolar: un par de conductores paralelos (los rieles) son alimentados por una corriente eléctrica. El proyectil se coloca haciendo contacto con ambos, para cerrar el circuito. La corriente que se produce interactua con los fuertes campos magnéticos generados por el paso de la electricidad a través de los conductores y esto acelera el proyectil linealmente en la dirección de los rieles.

La idea original de este dispositivo fue la de usarlo para disparar proyectiles a alta velocidad con fines militares. Sin embargo resulta difícil usarlo como arma debido a la enorme cantidad de energía requerida para funcionar con un mínimo de eficiencia y debido a que el espacio que ocupan las fuentes de alimentación y condensadores que utilizan para generar el campo magnético hace que sea muy difícil de transportar para la infantería. Aún así la Armada de Estados Unidos anunció una prueba realizada el 31 de enero de 2008 con el fin de equipar a sus naves con este tipo de armas.​

Historia

Diagramas del arma de riel alemana

Durante 1918, el inventor francés Louis Octave Fauchon-Villeplee inventó un cañón eléctrico que tiene un gran parecido con el motor lineal. Presentó una solicitud de patente en Estados Unidos el 1 de abril de 1919, la que le fue concedida en julio de 1922 con el Nº 1.421.435, como un "Aparato Eléctrico para Propulsar Proyectiles".​ En su dispositivo, dos barras conductoras paralelas están conectadas por las aletas del proyectil, y todo el aparato está rodeado por un campo magnético. Al pasar corriente por las barras y el proyectil, se induce una fuerza la cual impulsa el proyectil a lo largo de las barras y hacia el exterior del aparato.​

Durante la Segunda Guerra Mundial la idea fue resucitada por Joachim Hänsler de la Oficina de Armamentos alemana, y se propuso un cañón antiaéreo eléctrico. Para fines de 1944 se había trabajado lo suficiente en el campo teórico como para permitir al Comando Antiaéreo de la Luftwaffe emitir una especificación, la cual incluía una velocidad de 2.000 m/s y un proyectil conteniendo 0,5 kg de explosivos. Las armas serían montadas en baterías de 6 cañones disparando 12 disparos por minuto y se utilizaría el montaje existente del 12,8 cm FlaK 40. Nunca se construyó. Cuando la documentación fue descubierta después de la guerra despertó mucho interés y se hizo un estudio más detallado, finalizando con un informe de 1947 que concluyó que era teóricamente factible, pero cada cañón necesitaría energía suficiente como para iluminar la mitad de Chicago.​

Durante 1950, Sir Mark Oliphant, un físico australiano y primer Director de la Escuela de Investigación de Ingeniería y Ciencias de la Física en la nueva Universidad Nacional de Australia, inició el diseño y construcción del generador homopolar mas grande del mundo (500 MJ). Esta máquina fue usada para alimentar un cañón de riel de gran escala que fue usado como instrumento científico.

Teoría y construcción

Archivo:Electric gun.jpg

Cañón eléctrico en Modern Mechanics, junio de 1932

Un cañón de rail consiste en dos rieles de metal paralelos (de ahí el nombre) conectados a un suministro de corriente eléctrica. Cuando un proyectil conductor es insertado entre los rieles (en el extremo conectado a la fuente de corriente), éste completa el circuito. Los electrones fluyen del terminal negativo de la fuente de energía al riel negativo, cruza el proyectil, baja por el riel positivo, y vuelve al suministro de corriente.

Esta corriente transforma al cañón de riel en un electroimán, creando un potente campomagnético alrededor de los rieles hasta la posición del proyectil. El campo magnético circula alrededor de cada conductor según la regla de la mano derecha. Dado que la corriente está en dirección opuesta a lo largo de cada riel, el campo magnético neto entre los rielest (B) es dirigido verticalmente. En combinación con la corriente (I) que cruza el proyectil, esto produce una fuerza de Lorentz, que acelera el proyectil a lo largo de los rieles. Existen también otras fuerzas que empujan el riel en otros sentidos, pero debido a que éstos están montados firmemente, no pueden moverse. El proyectil se desliza a lo largo de los rieles, desde el extremo que está conectado al suministro de energía, hacia el otro.

Un enorme suministro de energía eléctrica, del orden de los millones de amperes crearán una tremenda fuerza en el proyectil, acelerándolo a velocidades de varios kilómetros por segundo (km/s). 20 km/s han sido alcanzados con proyectiles pequeños inyectados dentro del cañón de riel. A pesar que estas velocidades son teóricamente posibles, el calor generado al propulsar los proyectiles es suficiente para erosionar los rieles rapidamente. Debido a esto, sería necesario reemplazar los rieles frecuentemente, o utilizar materiales resistentes al calor que puedan ser conductores para producir el mismo efecto.

Consideraciones en el diseño del cañón de riel

Materiales

Los rieles y los proyectiles deben ser construido de materiales fuertes y conductores; los rieles deben sobrevivir a la violencia de un proyectil acelerado, y al calor producto de las fricciones y el paso de la corriente eléctrica. La fuerza de retroceso que se ejerce sobre los rieles es igual y opuesta a la fuerza que impulsa el proyectil. La ubicación de la fuerza de retroceso es aún objeto de debate. Las ecuaciones tradicionales predicen que la fuerza de retroceso actúa en la "recámara" del cañón. Otra escuela de pensamiento invoca la Ley de Ampère y afirma que actúa a lo largo de los rieles (que es su eje más fuerte).​ Los carriles también se repelen entre ellos a través de una fuerza lateral causada por el campo magnético, al igual que el proyectil. Los rieles necesitan sobrevivir a esto sin doblarse, y deben estar montados en forma segura.

Consideraciones de diseño

La fuente de energía debe ser capaz de entregar una corriente muy grande, sostenida y controlada, por un lapso de tiempo utilizable. La medida más importante de la eficacia de la fuente de energía es la corriente que puede entregar. En febrero de 2008, la mayor energía conocida y utilizada para la propulsión de un proyectil de un cañón de riel fue de 32 millones de julios.​ La fuente de energía más utilizada en cañones de riel son los condensadores y el alternador de pulsos compensado, que son cargados poco a poco de otras fuentes de energía continua o mediante un generador de Van de Graaff.^{[cita requerida]}

Los rieles deben soportar enormes fuerzas de repulsión durante el disparo, y estas fuerzas tienden a empujarlos en dirección contraria y lejos del proyectil. Cuando se incrementa la holgura entre el proyectil y los rieles se forman arcos eléctricos, lo que provoca la rápida vaporización y daños en la superficide de los rieles y en los aislantes. Esto limitaba a los primeros investigadores a un único disparo entre reparaciones del cañón de riel.

La inductancia y la resistencia de los rieles y de la fuente de energía limita la eficiencia de un diseño de cañón de riel. Actualmente, diferentes tipos de rieles y configuraciones de cañones están siendo probados, siendo los más notables los de la Armada de Estados Unidos, el Instituto de Tecnología Avanzada y BAE Systems.

Disipación del calor

Enormes cantidades de calor son generadas por la electricidad que fluye a través de los rieles, así como también por la fricción del proyectil al abandonar el dispositivo. El calor creado por la fricción puede ocasionar la dilatación de los rieles y el proyectil, aumentando aún más el calor por fricción. Esto provoca tres problemas principales: la fusión de los equipos, disminución de la seguridad del personal y la detección por las fuerzas enemigas. Como se explica brevemente más arriba, las fuerzas involucradas en el lanzamiento de este tipo de dispositivos requieren un material muy resistente al calor. De lo contrario los rieles, el cañón y todo el equipo conectado se fundirán o se dañarán irreparablemente. En la práctica los rieles son, junto con todos los componentes del cañón de riel, erosionados con cada disparo; y los proyectiles pueden ser objeto de algún grado de ablación también, y esto puede limitar la vida del cañón de riel, en algunos casos severamente.​

Fórmula matematica

En la física del cañón de riel, la magnitud del vector fuerza puede determinarse por la Ley de Biot-Savart y como resultado de la Fuerza de Lorentz. Puede derivarse matematicamente en términos de la permeabilidad constante ($\mu _{0}$), el radio del riel (el cual se asume de sección circular) ($r$), la distancia entre los centros de los rieles ($d$) y la corriente en ampéres ($I$) como sigue:

Se puede demostrar de la ley de Biot-Savart que el campo magnético a una distancia $s$ de un cable conductor semi-infinito por el que pasa una corriente está dado por:

$\mathbf {B} (s)={\frac {\mu _{0}I}{4\pi s}}{\hat {\phi }}$

Así, en el espacio entre dos cables conductores semi-infinitos separados por una distancia $d$, la magnitud del campo es:

$B(s)={\frac {\mu _{0}I}{4\pi }}\left({\frac {1}{s}}+{\frac {1}{d-s}}\right)$

Para obtener el campo magnético promedio en el espacio entre los dos cables, se supone que $r$ es pequeña en comparación con $d$ y calcular la integral siguiente:

$B_{\text{avg}}={\frac {1}{d}}\int _{r}^{d-r}B(s){\text{d}}s={\frac {\mu _{0}I}{4\pi d}}\int _{r}^{d-r}\left({\frac {1}{s}}+{\frac {1}{d-s}}\right){\text{d}}s={\frac {\mu _{0}I}{2\pi d}}\ln {\frac {d-r}{r}}$

Por la ley de la fuerza de Lorentz, la fuerza magnética sobre un cable conduciendo corriente está dada por $IdB$, por lo que debido a que el ancho del proyectil conductor es $d$, tenemos que

$F=IdB_{\text{avg}}={\frac {\mu _{0}I^{2}}{2\pi }}\ln {\frac {d-r}{r}}$

La fórmula esta basada asumiendo que la distancia ($l$) entre el punto donde la fuerza ($F$) es medida y el comienzo del riel es mayor que la separación de los rieles ($d$) por un factor de alrededor de 3 o 4 ($l>3d$). Se asumen otras simplificaciones; para describir las fuerzas en forma más precisa, la geometría de los rieles y del proyectil deben ser consideradas.

Cohetería

Se está estudiando el lanzamiento de cohetes asistidos electrodinámicamente.​ Las aplicaciones espaciales de esta tecnología implica bobinas electromagnéticas especialmente formadas e imanes superconductores.​ Se utilizan materiales compuestos para estas aplicaciones.​

El cañón de riel como arma

Dibujos de un proyectil de cañón eléctrico

Se comenzó a investigar con el cañón de riel disparando proyectiles que no contenían explosivos, pero con velocidades extremadamente altas: 3.500 m/s (aproximadamente Mach 10 al nivel del mar) o más (para comparación, el fusil M16 calibre 5,56x45mm tiene una velocidad en boca de 930 m/s, y el FN FAL calibre 7,62x51mm, 840 m/s), lo cual le da una energía cinética igual o superior a la generada por un proyectil con explosivo de mayor masa. Esto permite trasnportar mayor munición y eliminar el riesgo de acarrear explosivos en un tanque o un buque de guerra. Además, al disparar a mayor velocidad tiene más alcance, con menor caida de la bala y menor desviación por el viento, pasando por alto el coste y las limitaciones físicas de las armas convencionales – "los límites de la expansión de los gases prohíben lanzar un proyectil no asistido a velocidades mayores de 1,5 km/s y alcances superiores a los 80 km en un sistema de arma convencional."​

Si fuera posible construir un arma automática de tiro rápido con esta tecnología, el cañón de riel tendría otras ventajas agregadas a la velocidad de tiro. El mecanismo de disparo de un arma de fuego convencional debe mover y acomodar el proyectil y la carga propulsora, mientras que en un cañón de riel sólo es necesario mover el proyectil. Además, el cañón de riel no necesita extraer una vaina servida de la recámara, por lo que puede colocarse una munición fresca inmediatamente después de hacer el disparo.

Pruebas

Prueba de disparo con un arma de riel en el Centro Naval de Guerra de Superficie (Surface Warfare Center) en enero de 2008. Se disparó un proyectil de 3,2 kg a 2.520 m/s, generando 10,64 megajoules.

Se han construido y disparado modelos a escala real, incluyendo un cañón de 90 mm y 9 megajulios de energía cinética con gran éxito, desarrollado por el DARPA de Estados Unidos. Aún deben resolverse problemas de desgaste del riel y del aislante antes que el cañón de riel comience a reemplazar la artillería convencional. Probablemente el más antiguo sistema consistente y exitoso fue construido por la Defence Research Agency del Reino Unido en el Dundrennan Range en Kirkcudbright, Escocia. Este sistema ha estado funcionando durante más de 10 años y como campo de pruebas de balística intermedia, externa y terminal, estableciendo varias marcas de masa y velocidad.

El VTI de Yugoslavia (VTI, Instituto de Tecnología Militar) desarrolló, en un proyecto llamado EDO-0, un cañón de riel de 7 kJ de energía cinética, en 1985. El proyecto EDO-1, sucesor del anterior, se creó en 1987, usando proyectiles con una masa de 0,7 g alcanzando velocidades de 3.000 m/s, y con una masa de 1,1 g alcanzaba velocidades de 2.400 m/s. Usaba un "cañón" de 70 cm. De acuerdo con los que trabajaron en él, con otras modificaciones fue capaz de alcanzar una velocidad de 4.500 m/s. El objetivo era alcanzar una velocidad de 7.000 m/s. Al día de hoy, es considerado un secreto militar.

Las Fuerzas Armadas de Estados Unidos están financiando los experimentos con los cañones de riel. En el Instituo de Tecnología Avanzada de la Universidad de Texas en Austin, se desarrolló un cañón de riel militar con capacidad de enviar un proyectil anti-blindaje de tungsteno con una energía cinética de nueve megajoules.​ 9 MJ es suficiente energía para enviar un proyectil de 2 kg a 3 km/s; a esa velocidad un dardo de tungsteno u otro material denso puede penetrar facilmente un tanque, e incluso atravesarlo de lado a lado.

El Centro Naval de Guerra de Superficie (Surface Warfare Center), División Dahlgren, de Estados Unidos, a mostrado un cañón de riel de 8 MJ disparando proyectiles de 3,2 kg en octubre de 2006, como prototipo de un arma de 64 MJ que será emplazada a bordo de los buques de guerra de la Marina. El principal problema de la Marina al implementar un cañón de riel, es el desgaste del arma, debido al inmenso calor generado en el disparo. Se espera que estas armas sean lo suficientemente potentes como para hacer un daño algo mayor al producido por un misil BGM-109 Tomahawk a una fracción de su costo.​ Desde entonces, BAE Systems ha enviado un prototipo de 32 MJ a la Marina.​

Debido a alta velocidad inicial que se puede alcanzar con un cañón de riel, hay interés en usarlos contra misiles de alta velocidad.^{[cita requerida]}

El 31 de enero de 2008 la US Navy probó un cañón de riel que disparó un proyectil con una energía de 10,64 MJ con una velocidad inicial de 2.520 m/s.​ Se espera que alcance mas de 5,8 km/s de velocidad inicial, con una precisión suficiente para alcanzar un blanco de 5 metros a mas de 200 millas náuticas (463 km), con una velocidad de disparo de 10 tiros por minuto. Se espera que esté listo entre el año 2020 y el año 2025.[1]

Véase también

• Campo magnético

Enlaces externos

Teoria

• Railgun Theory by Matthew E. Massey
• howstuffworks.com - explanation with animations
• iop.org - Theoretical limits on exit velocity
• Jengel and Fatro's Rail Gun Page

Amateur

• PowerLabs Rail Gun research
• Railgun theory, design, construction, and testing
• Railgun Blog by Jason Rollette
• Miniature Experimental Railgun
• Tim Ventura's 90's-era Railgun Designs
• American Antigravity's Mass-Driver Demo + Video
• +EML Laboratory－ Japanese Experiment＋Video

Universidades

• The University of Texas at Austin Rail Gun
• Auburn University Rail Gun

Militares

• Electromagnetic Railgun: An Innovative Naval Program

Prensa

• What next? The Electromagnetic Gun? But perhaps we have had our last world war, Popular Science Monthly, February 1919, p18-19, Scanned by Google Books: http://books.google.com/books?id=7igDAAAAMBAJ&pg=PA18
• USN sets five-year target to develop electromagnetic gun Jane's Defence Weekly, 20 July 2006
• US Navy Invents Railgun Wired News blog article, Thurs January 18 2007
• Electromagnetic Railgun Popular Science Article
• Video of Navy railgun test firing, Navy Electromagnetic Launch Facility, Test Shot #1, 2 October 2006. Source: Fredericksburg.com, accessed 30 January 2007
• World’s Most Powerful Rail Gun Delivered to Navy, 14 November 2007

Otros

• powerlabs.org
• railgun.org