Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA & Štefánikova hvězdárna v Praze Číslo 10 (vyšlo 7. března), ročník 6 (2008) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

10/2008

Kolejnicové elektromagnetické dělo (KEMD)

Jiří Hofman

Na konci ledna letošního roku Námořnictvo Spojených států amerických slavnostně předvedlo svou verzi kolejnicového elektromagnetického děla (KEMD, anglicky railgun, někdy také jen „kolejnicový urychlovač“). Při demonstraci, které se zúčastnili i pozvaní hosté, vystřelili náboj o hmotnosti přes 3,2 kg rychlostí 2 520 m/s, což znamená, že poprvé v historii byla takovýmto způsobem náboji předána energie více než 10 MJ. Zhruba takovou kinetickou energii má například elektrická lokomotiva jedoucí rychlostí 60 km/h.

Co je to elektromagnetické dělo?

O střelných zbraních, které by náboj urychlovaly elektromagnetickou silou namísto tlakovými účinky výbuchů konvenčních trhavin, armády světa snily už před sto lety. Průkopníkem byl na počátku dvacátého století Kristian Birkeland. Své dělo demonstroval před norskou vládou. Ačkoli střela zasáhla terč, jeden z velkých elektromagnetů vybuchl, což znamenalo i konec přílivu peněz do vývoje.

Birkeland předváděl tak zvané Gaussovo dělo (anglicky coilgun), ve kterém je urychlována střela z magnetického materiálu skrze elektromagnetické cívky. Náboj lze ale také urychlovat pomocí Lorentzovy sílyLorentzova síla – síla, kterou působí magnetické pole na pohybující se nabité částice s nábojem Q. Je úměrná rychlosti částice v a indukci magnetického pole B. Směr má kolmý na rychlost částice i na aplikované magnetické pole. Matematicky je Lorentzova síla dána vektorovým součinem F = Q v×B., kterou vyvolává procházející elektrický proud přiváděný k náboji pomocí kolejnic.

Cívka Birkelandova děla. Zdroj: Lifeboat Foundation, 2006.

Historie kolejnicového elektromagnetického děla

Už v první polovině 19. století jistý pan Benningfield prohlašoval, že jeho nové elektrické dělo SIVA bude revoluční. Zajímavé je, že to bylo dlouho před tím, než James Clerk Maxwell přišel roku 1861 se svými rovnicemi pro elektromagnetické pole, které doplňovala i Lorentzova rovniceLorentzova rovnice – pohybová rovnice popisující pohyb nabité částice s nábojem Q a průvodičem r v elektrickém poli E a magnetickém poli B: md²r/dt² = QE  +  Q v×B. popisující pohyb nabitých částic. Jak zařízení mělo fungovat není příliš jisté, každopádně úspěch nemělo.

První vážné pokusy s dělem KEMDKEMD – kolejnicové elektromagnetické dělo. provedl až za první světové války (1917) Francouz Fauchon-Villepleé. Postavil jeho první funkční model. Jak už to tak bývá, další podstatné kroky na poli výzkumu se uskutečnily až za další světové války. V roce 1943 Otto Muck navrhl postavit KEMD, které by vystřelilo dvanáct 200kg nábojů za minutu do velkých vzdáleností. Potřeboval by na to 100MW elektrárnu. Německo už ale vyvíjelo rakety, a tak se projekt neuskutečnil. O rok později Joachim Hänsler navrhl čtyřcentimetrové protiletecké dělo KEMD, které zaujalo Luftwaffe. Válka už ale byla prohraná, a tak se nasazení dělo nedočkalo. Po válce jej zkoumali Spojenci, které ale odradily nevýhody tohoto systému.

Výzkumy kolejnicových urychlovačů zase usnuly a zásadnější pokusy s touto technologií se prováděly až v sedmdesátých letech v Austrálii, kde k dělu KEMDKEMD – kolejnicové elektromagnetické dělo. připojili homopolární generátorHPG – homopolární generátor neboli Faradayův disk. Zpravidla jde o vodivý setrvačník rotující v poli permanentního magnetu, mezi okrajem a středem setrvačníku se generuje napětí. Existují ale i jiné konfigurace, ve kterých může rotovat magnet.. Obrovský generátor dokázal pro výstřel vydat až 0,5 GJ energie a dokázal na pěti metrech kolejnic urychlit 3g střelu na rychlost 6 km/s. Postupně se výsledky zlepšovaly, takže Australané mohli vystřelovat až několikakilogramové náboje. Samotný proud mezi kolejnicemi protékal za střelou plazmatemPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází alespoň malé množství elektricky nabitých částic, které jsou v celém objemu elektricky neutrální a jsou schopny reagovat na elektrická a magnetická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektrického obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. elektrického oblouku. Bohužel se začaly projevovat závažné nedostatky technologie. Nejmenším problémem bylo, že plazma velmi rychle opotřebovávalo kolejnice. Horší to bylo s velkými ohmickými ztrátami v obvodu a zbývající energií magnetického pole, která zůstávala v hlavni po výstřelu. Rozdělení urychlovače do několika stupňů by pomohlo, ale zároveň by výrazně zkomplikovalo návrh celého zařízení.

Další impulz do vývoje přinesl americký projekt hvězdných válek v osmdesátých letech, a to hned na dvou frontách. Hledaly se jednak způsoby, jak co nejlevněji dopravovat náklady na oběžnou dráhu. Protože přetížení bývá při výstřelu příliš velké a navíc je problém se zaparkováním nákladu na oběžné dráze, nápad se neujal. Druhou výzvou bylo vytvoření zbraně, která by dokázala udělit projektilu dostatečnou rychlost na to, aby mohl zasáhnout letící raketu. Od tohoto se upustilo, protože raketová technika byla už dostatečně spolehlivá. Významným důvodem pro výzkum elektromagnetických děl byla i obava, že Sovětský svaz je v jejich výzkumu o značný kus napřed.

V devadesátých letech výzkum pokračoval. Jako zdroje energie se začaly používat kompulzátoryKompulzátor – kompenzovaný pulzní alternátor, typ zdroje elektrické energie. Uskladněná kinetická energie v rotujícím disku je z něj uvolňována ve formě energie elektrické. Kompenzací se myslí to, že zařízení má co nejmenší indukčnost, aby mohlo dodávat energii v co nejsilnějších a zároveň nejkratších pulzech. Používá se jako zdroj energie pro kolejnicová elektromagnetická děla., vylepšily se kolejnice jak po materiálové stránce, tak po stránce jejich uspořádání a začaly se používat složitější vícestupňové systémy, případně i hybridní, kdy byl náboj do urychlovače vstřelen jiným způsobem. Dnešní návrhy slibují urychlovat desetikilogramové střely až na rychlost 10 km/s s účinností 90 %. Od takových reálně pracujících urychlovačů nás ale dělí ještě řada pokusů a jistě i nezdarů. Nicméně již teď děláme jeden krok za druhým.

Základní princip kolejnicového elektromagnetického děla. Červeně je označen tekoucí proud I,
modře magnetické pole B a zeleně působící síla F.

Úspěšný test 10 MJ děla

Americké námořnictvo 31. ledna 2008 úspěšně předvedlo výstřel z laboratorního urychlovače. Podle tiskové zprávy vystřelený, přes 3,2 kg hmotný náboj opustil hlaveň rychlostí 2 520 m/s, tj. MachMach – jednotka rychlosti letu, udává kolikrát je rychlost tělesa vyšší než rychlost zvuku. Pojmenována byla na počest rakouského fyzika Ernesta Macha (1838-1916), který v 19. století studoval dynamiku plynů.  7,4. Uvolněná energie se rovnala 10,64 MJ. Zařízení dodala do vývojového centra amerického námořnictva v Dahlgrenu ve Virginii firma BAE Systems již v listopadu loňského roku a podle jejího vyjádření má být schopné střílet náboje s energií 32 MJ. To je polovina toho, co mají dokázat děla umístěná na nových lodích plánované třídy DDG 100 okolo roku 2018. Aby děla mohla vystřelit šestkrát za minutu, budou potřebovat stálý příkon 16 MW, což odpovídá téměř čtvrtině výkonu elektrických generátorů na lodi. Střely doletí až 400 km daleko s velmi dobrou přesností, protože převážnou část letu stráví v horních vrstvách atmosféry. Dopadnou rychlostí MachMach – jednotka rychlosti letu, udává kolikrát je rychlost tělesa vyšší než rychlost zvuku. Pojmenována byla na počest rakouského fyzika Ernesta Macha (1838-1916), který v 19. století studoval dynamiku plynů.  5 a budou mít přitom energii jako elektrická lokomotiva jedoucí rychlostí 100 km/h. To bude samo stačit na proražení prakticky jakéhokoli pancíře a rozsáhlé poškození věcí pod ním, bez potřeby výbušnin. To je obrovskou výhodou děla KEMDKEMD – kolejnicové elektromagnetické dělo., protože střely budou velmi levné a zároveň bezpečné při přepravě.

Dělo KEMD s energií až 32 MJ od BAE Systems. Dole jsou zobrazeny dvě vize
jejich konečné realizace. Zdroj: časopis Popular Mechanics, 2007.

Políčko filmu rychloběžné kamery při demonstraci 10,64MJ děla KEMD.
Zdroj: Americké námořnictvo, 2008.

Detailnější popis prototypu není dostupný. Dá se ale předpokládat, že náboj je urychlován plazmatemPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází alespoň malé množství elektricky nabitých částic, které jsou v celém objemu elektricky neutrální a jsou schopny reagovat na elektrická a magnetická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektrického obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách., kterým protéká proud. Lorentzova sílaLorentzova síla – síla, kterou působí magnetické pole na pohybující se nabité částice s nábojem Q. Je úměrná rychlosti částice v a indukci magnetického pole B. Směr má kolmý na rychlost částice i na aplikované magnetické pole. Matematicky je Lorentzova síla dána vektorovým součinem F = Q v×B. ho v silném magnetickém poli urychluje směrem k ústí hlavně, přičemž před sebou žene samotný náboj. Urychlovače pracující na podobném principu se zkoumaly i na katedře fyziky FEL ČVUT v osmdesátých letech.

Klip týdne: Kolejnicové elektromagnetické dělo

Kolejnicové elektromagnetické dělo. Americké námořnictvo vyvíjí nový druh zbraně, tzv. kolejnicové elektromagnetické dělo. Náboj je v něm urychlován pomocí Lorentzovy síly působící na vodič v silném magnetickém poli a může získat rychlost mnoha km/s. První video z 2. října 2006 (dlouhé 5:33 minut) ukazuje přípravu pokusu, samotný výstřel z asi 9MJ děla a jeho následky. Druhé, čtrnáctisekundové video z 31. ledna 2008 je připraveno z oficiálních záznamů při demonstraci výstřelu 10,64MJ děla. Střela opouští hlaveň rychlostí 2 520 m/s. Velký ohnivý oblak je plazma. Podle údajů výrobce by toto dělo mělo umožňovat předat náboji energii až 32 MJ. (ffvp6f/mp3, 13 MB) (wmv, 300 kB)

Odkazy

Fórum – diskuze k tomuto bulletinu