Comment Fonctionnent Les Pistolets Ferroviaires

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Les pistolets à rails laissent dans la poussière les armes à base de poudre à canon (l'une d'entre elles peut toucher une cible à 250 milles en six minutes). Alors pourquoi les militaires ne les utilisent-ils pas? Découvrez comment les pistolets de chemin de fer peuvent être utilisés et découvrez les limites de cette technologie.

La poudre à canon est depuis longtemps le propulseur de choix pour lancer un projectile à partir d'une arme. Mais la fine poudre grise présente trois limitations majeures:

  • La poudre à canon doit être transportée avec le projectile, ce qui alourdit le tour.
  • Les munitions à base de poudre noire sont volatiles et donc difficiles à manipuler et à transporter.
  • La vitesse initiale des projectiles propulsés par la poudre à canon est généralement limitée à environ 1 219 mètres (4 000 pieds) par seconde.

Est-il possible de surmonter ces défis? Une solution est le pistolet électromagnétique sur rail, ou pistolet sur rail. Utilisant un champ magnétique alimenté par l'électricité, un canon à rail peut accélérer un projectile jusqu'à 16 000 mètres (52 493 pieds) par seconde. Et tandis que les canons de la Marine actuels ont une portée maximale de 12 milles, les pistolets ferroviaires peuvent atteindre une cible à 250 milles en six minutes.

Dans cet article, nous discuterons du fonctionnement des pistolets ferroviaires, de leur utilisation et des limites de cette technologie.

Merci

Merci à Sam Barros de PowerLabs pour son aide pour cet article. Sam, étudiant en génie mécanique à la Michigan Technological University, a conçu et construit ses propres pistolets de chemin de fer, pistolets à bobines et de nombreux autres dispositifs.

Notions de base sur les armes à feu

Comment fonctionnent les pistolets ferroviaires: fonctionnent

Un pistolet à rail est essentiellement un grand circuit électrique composé de trois parties: une source d’alimentation, une paire de rails parallèles et une armature mobile. Regardons chacune de ces parties plus en détail.

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L'alimentation est simplement une source de courant électrique. Généralement, le courant utilisé dans les canons de chemin de fer de calibre moyen à grand est de l'ordre de millions d'ampères.

Les rails sont des longueurs de métal conducteur, tel que le cuivre. Ils peuvent varier de 4 à 30 pieds (9 mètres) de long.

L'armature comble le fossé entre les rails. Ce peut être une pièce solide en métal conducteur ou un conducteur sabot - un porteur qui abrite une fléchette ou un autre projectile. Certains pistolets de chemin de fer utilisent un plasma armature. Dans cette configuration, une mince feuille de métal est placée à l’arrière d’un projectile non conducteur. Lorsque le courant passe à travers cette feuille, il se vaporise et devient un plasma, qui transporte le courant.

Voici comment les morceaux fonctionnent ensemble:

Un courant électrique circule depuis la borne positive de l'alimentation, le long du rail positif, à travers l'induit, puis le rail négatif jusqu'à l'alimentation.

Le courant circulant dans un fil crée un champ magnétique autour de celui-ci - une région dans laquelle une force magnétique est ressentie. Cette force a à la fois une magnitude et une direction. Dans un canon à rail, les deux rails agissent comme des fils, un champ magnétique circulant autour de chaque rail. Les lignes de force du champ magnétique s'étendent autour du rail positif dans le sens antihoraire et autour du rail négatif dans le sens horaire. Le champ magnétique net entre les rails est dirigé verticalement.

Comme un fil chargé dans un champ électrique, le projectile subit une force connue sous le nom de Force de Lorentz (d'après le physicien néerlandais Hendrik A. Lorentz). La force de Lorentz est dirigée perpendiculairement au champ magnétique et à la direction du courant traversant l'induit. Vous pouvez voir comment cela fonctionne dans le diagramme ci-dessous.

Comment fonctionnent les pistolets ferroviaires: pistolets

Notez que la force de Lorentz est parallèle aux rails et s’éloigne de l’alimentation. L’ampleur de la force est déterminée par l’équation F = (i) (L) (B), où F est la force nette, je est le courant, L est la longueur des rails et B est le champ magnétique. La force peut être augmentée en augmentant la longueur des rails ou la quantité de courant.

Étant donné que les longs rails posent des problèmes de conception, la plupart des canons utilisent de forts courants - de l’ordre du million d’ampères - pour générer une force considérable. Le projectile, sous l’influence de la force de Lorentz, s’accélère jusqu’au bout des rails opposé à l’alimentation électrique et sort par une ouverture. Le circuit est cassé, ce qui termine le flux de courant.

Usurping Power

Les canons à rails nécessitent des courants énormes pour tirer des projectiles à une vitesse de 5 Mach ou plus. Cela pose des problèmes pour un cuirassé traditionnel car le système de propulsion du navire ne peut pas être détourné. Dans le cuirassé de nouvelle génération de la Marine, le DD (X) 100% électrique produisant ce type de courant sera possible. Pour lancer un projectile d'artillerie ferroviaire, l'énergie serait détournée du moteur du navire vers la tourelle. L'arme serait tirée, jusqu'à six coups par minute, aussi longtemps que nécessaire. Ensuite, le courant serait transféré vers le moteur.

Problèmes avec les pistolets ferroviaires

En théorie, les pistolets de chemin de fer sont la solution idéale pour la puissance de feu à courte et longue portée. En réalité, ils posent plusieurs problèmes graves:

  • Source de courant: La génération de la puissance nécessaire à l’accélération des projectiles de pistolet est un véritable défi. Les condensateurs doivent stocker la charge électrique jusqu'à ce qu'un courant suffisamment important puisse être accumulé. Bien que les condensateurs puissent être petits pour certaines applications, les condensateurs utilisés dans les pistolets de chemin de fer mesurent plusieurs mètres cubes.
  • Chauffage résistif: Lorsqu'un courant électrique traverse un conducteur, il rencontre une résistance dans le matériau conducteur - dans ce cas, les rails. Le courant excite les molécules du rail, les faisant chauffer. Dans les pistolets de chemin de fer, cet effet produit une chaleur intense.
  • Fusion: La vitesse élevée de l'induit et la chaleur causée par le chauffage résistif endommagent la surface des rails.
  • Répulsion: Le courant dans chaque rail d'un pistolet sur rail va dans des directions opposées. Cela crée une force de répulsion, proportionnelle au courant, qui tente de séparer les rails. Étant donné que les courants dans un canon à rails sont si importants, la répulsion entre les deux rails est importante. L’usure des pistolets à rails est un problème grave. Beaucoup se cassent après quelques utilisations, et parfois ils ne peuvent être utilisés qu'une seule fois.

Rail Guns versus Coil Guns

Un pistolet à bobine (ou pistolet Gauss) est un lanceur électromagnétique qui offre quelques avantages par rapport aux pistolets à rail. Le "canon" d'un canon à bobine est une série de bobines de cuivre. Ces bobines sont alimentées de manière séquentielle, créant un champ magnétique mobile à l'intérieur du baril. Ce champ magnétique attire un projectile ferromagnétique dans le canon. Comme le projectile d'un fusil à pompe flotte dans le canon et ne touche jamais les bobines, il est moins sujet à l'usure et ces armes sont complètement silencieuses. Il a été démontré que les pistolets à serpentins atteignent les vitesses supersoniques, mais ils ne sont ni aussi efficaces ni aussi efficaces que les pistolets à rail.

Applications de pistolet ferroviaire

La conception artistique d’un porte-avions de la marine américaine équipée d’un canon.

La conception d'un porte-avions de la marine américaine par un artiste équipé d'un rail gun.

Les canons ferroviaires présentent un intérêt particulier pour l’armée, en tant que solution de rechange aux grandes pièces d’artillerie actuelles. Les munitions pour armes à feu ferroviaires, sous la forme de petits missiles de tungstène, seraient relativement légères, faciles à transporter et à manipuler. Et, en raison de leur grande vitesse, les missiles d’armes à rail seraient moins sensibles aux impacts de balles et au transfert du vent que les obus d’artillerie actuels. La correction de cap serait importante, mais tous les missiles tirés d’artillerie par rails seraient guidés par satellite.

Il serait plus difficile de concevoir des armes à feu pour petits bras, principalement à cause du recul. Le recul, l'action en retour d'une arme à feu lors du déchargement, est déterminée par l'élan du projectile qui s'échappe. En multipliant la masse d'un projectile par sa vitesse, on obtient son élan, ce qui serait considérable pour les projectiles de pistolet à grande vitesse. Un pistolet à rail portable qui tire de très petites balles peut être la solution. Une petite balle limiterait le recul tout en conservant une énergie cinétique suffisante pour causer des dommages importants.

Les pistolets ferroviaires ont également été proposés en tant que composants importants de l'Initiative de défense stratégique, connue sous le nom de Star Wars. Star Wars est un programme gouvernemental américain chargé de la recherche et du développement d’un système spatial destiné à protéger la nation des attaques de missiles balistiques stratégiques. Les pistolets ferroviaires pourraient tirer des projectiles pour intercepter les missiles entrants. Certains scientifiques soutiennent que les pistolets ferroviaires pourraient également protéger la Terre des astéroïdes voyous en lançant des projectiles à grande vitesse depuis l'orbite. Lors de l’impact, les projectiles détruiraient l’astéroïde arrivant ou changeraient de trajectoire.

Les pistolets ferroviaires ont également d’intéressantes applications non militaires. D'une part, ils pourraient potentiellement lancer des satellites ou des navettes spatiales dans la haute atmosphère, où des fusées auxiliaires seraient lancées. Sur des corps sans atmosphère, comme la Lune, les pistolets ferroviaires pourraient envoyer des projectiles dans l'espace sans propulseur chimique, ce qui nécessite de l'air. une fonction.

Comment fonctionnent les pistolets ferroviaires: comment

Concept d'artiste consistant à intercepter et à détruire des véhicules de rentrée dotés de l'arme nucléaire au moyen d'une carabine de chemin de fer basée dans l'espace.

Les pistolets ferroviaires pourraient également être utilisés pour initier des réactions de fusion. La fusion se produit lorsque deux petits noyaux atomiques se combinent pour former un noyau plus grand, un processus qui libère de grandes quantités d'énergie. Les noyaux atomiques doivent voyager à des vitesses énormes pour que cela se produise. Sur la Terre, certains scientifiques proposent d’utiliser des pistolets à rail pour se tirer dessus des boulettes de matériau fusible. L’impact des pastilles à grande vitesse créerait d’immenses températures et pressions, permettant ainsi la fusion.

Beaucoup de ces applications restent dans le domaine de la théorie, de l'expérimentation et du développement. Les canons de chemin de fer actuels ne génèrent pas suffisamment d'énergie pour permettre la fusion nucléaire, par exemple. Et ce sera probablement en 2015 avant qu'un cuirassé entièrement électrique utilise un pistolet ferroviaire pour lancer des projectiles sur un ennemi.

Pourtant, la technologie est prometteuse. En 2003, le ministère britannique de la Défense a organisé un essai à l'échelle huitième d'un canon à rail électromagnétique atteignant une vitesse initiale de Mach 6, soit environ 2 040 mètres par seconde.

Avec des succès continus comme ceux-là, le pistolet pourrait devenir un jour l'arme de choix sur le champ de bataille et le propulseur de choix sur la rampe de lancement.

Pour de plus amples informations sur les pistolets de chemin de fer et des sujets connexes, consultez les liens à la page suivante.

La science dans la fiction

Si les armes à feu semblent terriblement familières, c'est parce que des armes basées sur des principes similaires ont été mises en évidence dans la culture populaire. Dans Robert Heinlein, La Lune est une maîtresse sévère, des colons lunaires, dans une lutte pour l'indépendance, utilisez un lanceur électromagnétique pour tirer des conteneurs en fer remplis de roches sur Terre. Dans le film "Eraser", Arnold Schwarzenegger est interprété comme un agent de la protection des témoins qui est tombé sur un complot gouvernemental secret visant à vendre des armes à feu à des terroristes. Et dans «Battlestar Galactica», le navire de guerre de l’époque des musées est armé de canons de chemin de fer qui utilisent à la fois des technologies électromagnétiques et conventionnelles.

Ces armes fantaisistes ont également trouvé leur place dans les jeux vidéo. Les pistolets ferroviaires figurent dans "Quake", "Metal Gear Solid" et "Red Faction".


Supplément Vidéo: RATP et SNCF: les agents de sûreté autorisés à patrouiller en civil et armés.




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