Aspecte Privind Utilizarea Electromagnetismului In Dezvoltarea Unor Noi Tipuri de Arme

Diverse

Aspecte Privind Utilizarea Electromagnetismului In Dezvoltarea Unor Noi Tipuri de Arme

Byadmin ianuarie 1, 2024

Lucrare de licență

aspecte privind utilizarea elctromagnetismului in dezvoltarea unor noi tipuri de arme

CUPRINS:

Introducere

CAPITOLUL 1: Conceptul decamp electromagnetic in teoria moderna a electromagnetismului

Introducere in electromagnetism

Marimi ce caracterizeaza campul electromagnetic

Energia electromagnetica

Forte in campul electromagnetic

CAPITOLUL 2: Consideratii privind utilizarea electromagnetismului in sisteme de armament

Armele-trecut, prezent și viitor

Scurt istoric privind EMP

Mecanismele de acționare a bombelor E

Efecte electromagnetice

Categoriile de arme non-nucleare și tehnologiile pentru realizarea lor

Apărarea împotriva bombelor-E

Arme electromagnetice cu proiectile

Arme electromagnetice “COILGUN”

Saturația proiectilului

Aplicatii ale sistemelor de tipul coilgun

Armele electromagnetice de tipul “Railgun”

Proiectarea și realizarea armelor Railgun

Arme electromagnetice vs arme conventionale

Avantajele si dezavantajele noilor arme

CAPITOLUL 3: Studiu si aplicatie practica a unui tun electromagnetic

Destinație

Proiectarea si realizarea aplicatiei practice

Prezentare generală a armei electromagnetice

Etajul invertor

Etajul de încărcare

Etajul Switch

Etajul de măsurare

3.4Modelarea 3D a armei EM GUN

CONCLUZII SI DEZVOLTARI ULTERIOARE

BIBLIOGRAFIE

LISTA DE ABREVIERI

ANEXE

INTRODUCERE

Unul dintre cele mai importante aspecte al vieții cotidiene îl reprezintă evoluția și dezvoltarea a tot ceea ce ne înconjoară. Într-o lume în care schimbarea reflectă singura constantă existențială, putem să ne îndreptăm atenția către cele patru direcții importante de acțiune ale societății cunoașterii: educație, cercetare, dezvoltare și inovare.

Omul a luat cunoștință, din cele mai vechi timpuri, de diferite manifestări ale fenomenelor electrice și magnetice , pe care însă s-a mulțumit multă vreme să le înregistreze disparat și pasiv. Numai o dată cu începutul secolului XIX se poate vorbi de o adevărată abordare științifică a studiului electromagnetismului. Această întârziere față de evoluția altor domenii ale fizicii (mecanică, optică etc.) se datorează în special faptului că fenomenele electrice și magnetice nu sunt direct accesibile simțurilor noastre; omul nu le poate identifica și studia decât indirect, prin intermediul unor efecte secundare, de natură mecanică,termică, chimică etc.

De-a lungul timpului oamenii au încercat și au dezvoltat arme tot mai sofisticate și mai eficiente, evoluția sistemelor de armament realizându-se intens în perioada conflictelor armate, iar o armă nou creată cu performanțe bune a dus la crearea unei arme și mai eficientă.

Un conflict de anvergura Războiului Rece, duce la o adevărată cursă a înarmărilor, și dotare a armatelor cu arme de ultimă generație (în special pentru statele cu economie dezvoltată, al căror capital permite investiții în domeniul militar).

Întrucât praful de pușcă este o descoperire de domeniul trecutului, iar omul nu mai este satisfăcut de rezultatele și perfomanțele armelor care folosesc acest amestec chimic, a făcut ca omul să-și îndrepte centrul de interes spre un domeniu puțin aprofundat și studiat pentru domeniul militar, electromagnetismul, dar care a demonstrat în timp, că dacă se cunoaște modul de aplicabilitate, poate fi utilizat pentru dezvoltarea unor arme mult mai performante.

Deși cercetări și încercări în acest domeniu au fost făcute încă din secolul 19, multe dintre ele au fost abandonate, datorită slabei tehnologii dezvoltate pe atunci. În prezent în domeniul militar este puțin utilizat electromagnetismul, din cauza costurilor ridicate de construcție a armelor.

Lucrarea prezintă modul de proiectare și realizare a unei arme electromagnetice la scară mică, care servește la demonstrarea principiului de funcționare al acestor arme.

Primul capitol reprezintă o scurtă trecere în revistă a ceea ce înseamnă electromagnetismul, legile ce guvernează acest fenomen, forțele care acționează într-un câmp electromagnetic, precum și energia electromagnetică, noțiuni teoretice necesare aprofundării lucrării practice studiate în capitolul trei.

În cel de-al doilea capitol am trecut la studiul amănunțit al armelor electromagnetice declarate ca fiind realizate până în prezent de alte state, inclusiv de NASA, sau aflate în plin proces de cercetare și dezvoltare.

Partea practică a acestei lucrări o reprezintă realizarea unui prototip de armă electromagnetică de dimensiuni reduse, capabilă să arunce un proiectil metalic cu o anumită viteză, rezultată în urma calculelor, pe baza forței electromagnetice produsă de o bobină amplasată pe un capăt al țevii.

Capitolul trei descrie toate etapele necesare proiectării și realizării lucrării practice, precum și calculele matematice necesare determinării caracteristicilor acesteia: – energia electromagnetică, forța și viteza proiectilului, modul de construire-asamblare precum și posibilități de îmbunătățire pentru performanțe mai bune.

Deasemenea lucrarea poate avea și rol educativ, ca suport tehnic pentru studiul electromagnetismului, într-o aplicație practică, cu un rezultat concret.

Consider că acest subiect este de actualitate și important pentru viitorul luptelor armate, și al sistemelor de armament. Având în vedere evoluția rapidă în domeniul tehnologic, consider că această ramură a electromagnetismului va fi intens exploatată, iar viitorul ne rezervă noi tipuri de arme, mult mai performante și, implicit se va schimba și noțiunea de conflict armat.

CAPITOLUL 1

CONCEPTUL DE DE CÂMP ELECTROMAGNETIC ÎN TEORIA MACROSCOPICA A ELECTROMAGNETISMULUI

1.1 Introducere în electromagnetism

Electromagnetismul este acea ramură a fizicii care studiază sarcinile magnetice și electrice, câmpurile create de acestea (electric și magnetic, legile care descriu interacțiunile dintre acestea).

Experiența a arătat că pot exista stări specifice ale corpurilor în care acestea manifestă proprietăți noi, astfel încât caracterizarea lor parametrică (geometrică), mecanică, termică și chimică se dovedește insuficientă. Pentru descrierea cantitativă a acestor proprietăți și deci pentru caracterizarea stărilor ce le corespund – trebuie introduse mărimi electrice și magnetice.

Tot experiența a arătat că, atunci când se găsesc în asemenea stări, între corpuri se exercită de la distanță unele interacțiuni (forțe și cupluri), numite electromagnetice, de o natură diferită de interacțiunile mecanice, care nu apar de obicei decât la contactul direct al corpurilor și reprezintă tocmai suportul fizic ce permite transmiterea interacțiunilor electromagnetice din aproape în aproape în timp și spațiu, la orice distanță. Câmpul electromagnetic este deci purtător de energie și impuls.

Transmiterea indirectă a interacțiunilor electromagnetice se explica atunci în modul următor: corpul aflat în stări electrice și magnetice specific își asociază un câmp electric sau magnetic propriu și acesta va exercita asupra oricărui alt corp aflat într-o stare similară acțiuni ponderomotoare corespunzătoare.

Câmpul electric și câmpul magnetic sunt legate organic, constituind componentele complementare ale câmpului electromagnetic.

În cele ce urmează se expune teoria macroscopică (fenomenologica) a câmpului electromagnetic. Fundamentată prin lucrările lui M.Faraday, J.C. Maxwell și H. Hertz, acesta teorie face abstracție de structura microscopic specifică a sistemelor fizice studiate, considerând corpurile ca fiind medii continue. Ea are un caracter fenomenologic prin faptul că studiază stările specific ale sistemelor fizice și evoluția lor în timp numai din punctual de vedere al fenomenelor ce se produc, acordând acestora rolul decisiv în stabilirea legilor și introducerea principalelor mărimi fizice ale teoriei.

Fenomenele electromagnetice se pot desfășura, în general, în mai multe regimuri. În teoria macroscopică a câmpului electromagnetic se recunosc patru astfel de regimuri.

Regimul static, care se caracterizează prin faptul că mărimile nu variază în timp și nu există fluxuri termodinamice. Este singurul regim al câmpului electromagnetic în care fenomenele electrice și cele magnetice se produc independent și se pot studia separate ( electrostatic și, respectiv magnetostatica).

Regimul staționar, caracterizat prin faptul că mărimile rămân invariabile în timp, dar au loc schimburi și transformări de energie.

Regimul cuasistationar, caracterizat printr-o variație în timp a mărimilor suficient de lentă pentru a putea neglija fenomenul de radiație a undelor electromagnetice.

Regimul nestaționar (variabil, ondulatoriu), ce corespunde cazului cel mai general de variație în timp a mărimilor.

Ca în orice teorie de câmp, și în teoria macroscopică a câmpului electromagnetic este deosebit de importantă problema modului în care se poate face recunoașterea poziției unui punct oarecare din spațiu. Dacă acest punct aparține unui corp, recunoașterea sa este simplă, însă ea nu ar fi posibilă dacă punctul aparține vidului conceput în mod absolut (adică fără nici o urmă de substanță). O consecință de cea mai mare importanță a acestei concepții este faptul că orice curbă sau suprafața în raport cu care se descriu fenomenele trebuie considerate ca fiind alcătuită din puncte ale mediului (corpurilor) și, ca urmare, este antrenată de mediu atunci când acesta se află în mișcare și se poate, eventual, deforma în timp.

1.2 Mărimi ce caracterizează câmpul electromagnetic

Pentru caracterizarea fenomenelor electromagnetice și a stărilor corespunzătoare, teoria macroscopică utilizează șase specii de mărimi primitive, adică șase specii a căror introducere nu este posibilă fără a face apel la experiență – sau la teoria microscopică – și un număr mare de mărimi derivate, care completează și ușurează caracterizarea acestor stări.

Mărimile de stare electrică și magnetică ale corpurilor sunt:

– sarcina electrică q (caracterizează starea de încărcare electrică),

– momentul electric (caracterizează starea de polarizație electrică),

– intensitatea curentului electric de conducție i (caracterizează starea electrocinetică),

– momentul magnetic (caracterizează starea de magnetizație).

Aceleași stări se caracterizează local prim mărimi derivate, dintre care cele mai importante sunt: densitatea de volum a sarcinii v, polarizația electrică , densitatea de curent , magnetizația . Alte mărimi derivate importante sunt: densitatea de suprafață și de linie a sarcinii S și l, sarcina de polarizație qp, densitatea superficială de curent , curentul amperi im, solenația  ș.a.

Mărimile de stare locală ale câmpului electromagnetic sunt:

– intensitatea câmpului electric și inducția electrică , ambele mărimi fiind derivate din vectorul câmp electric în vid și caracterizează local aspectul electric al câmpului electromagnetic (câmpul electric); mărime fizică vectorială ce caracterizează local și instantaneu componenta longitudinală a câmpului electric.

, vectorul de pozitie cartezian

Rezulta pe componente –

Spectrul câmpului E este o familie de curbe orientate, numite linii de câmp, cu proprietatea că în fiecare punct vectorul E este tangent la linia de câmp și orientat în sensul acesteia.

– intensitatea câmpului magnetic și inducția magnetică , ambele mărimi sunt derivate din vectorul inducție magnetică în vid și caracterizează local și instantaneu componenta longitudinală a câmpului electromagnetic (câmpul magnetic).

Rezulta pe componente –

Spectrul câmpului H este o familie de curbe orientate, numite linii de câmp, cu proprietatea că în fiecare punct vectorul H este tangent la linia de câmp îi orientat în sensul acesteia

-inducția magnetică este o mărime fizică vectorială ce caracterizează local și instantaneu componenta transversală a câmpului magnetic.

Rezultă pe componente –

Spectrul câmpului B este o familie de curbe orientate, numite linii de câmp, cu proprietatea că în fiecare punct vectorul B este tangent la linia dtorul câmp electric în vid și caracterizează local aspectul electric al câmpului electromagnetic (câmpul electric); mărime fizică vectorială ce caracterizează local și instantaneu componenta longitudinală a câmpului electric.

, vectorul de pozitie cartezian

Rezulta pe componente –

Spectrul câmpului E este o familie de curbe orientate, numite linii de câmp, cu proprietatea că în fiecare punct vectorul E este tangent la linia de câmp și orientat în sensul acesteia.

– intensitatea câmpului magnetic și inducția magnetică , ambele mărimi sunt derivate din vectorul inducție magnetică în vid și caracterizează local și instantaneu componenta longitudinală a câmpului electromagnetic (câmpul magnetic).

Rezulta pe componente –

Spectrul câmpului H este o familie de curbe orientate, numite linii de câmp, cu proprietatea că în fiecare punct vectorul H este tangent la linia de câmp îi orientat în sensul acesteia

-inducția magnetică este o mărime fizică vectorială ce caracterizează local și instantaneu componenta transversală a câmpului magnetic.

Rezultă pe componente –

Spectrul câmpului B este o familie de curbe orientate, numite linii de câmp, cu proprietatea că în fiecare punct vectorul B este tangent la linia de câmp și orientat în sensul acesteia. În vid vectorii intensitate și inducție sunt coliniari și proporționali, deci cele două spectre se suprapun, existând un singur spectru al câmpului magnetic.

Mărimile derivate mai importante corespunzătoare sunt:

– tensiunea electrică (în lungul unei curbe C) ,

(cu sensul de referință )

– fluxul electric (printr-o suprafață S) ,

(cu sensul de referință )

– tensiunea magnetică (în lungul unei curbe C) ,

(cu sensul de referință )

– fluxul magnetic (printr-o suprafață S) ,

(cu sensul de referință )

1.3 Energia electromagnetică

Energia electromagnetică este acel termen aditiv din expresia cea mai generală a energiei totale a unui sistem fizic, care depinde exclusiv de mărimile de stare specific electrice și magnetice ale sistemului. Această formă de energie este asociată câmpului electromagnetic existent în sistemul fizic considerat și se anulează o dată cu dispariția acestuia.

Ca stare de referință în raport cu care se definește și se calculează energia electromagnetică se alege în general starea caracterizată prin valori nule ale mărimilor de stare locală a câmpului. Pentru a aduce un sistem fizic oarecare din starea de referință într-o stare diferind de aceasta numai prin valorile (acum nenule) ale mărimilor de stare locală a câmpului, din exterior trebuie efectuate anumite acțiuni, al căror echivalent în lucru mecanic constituie prin convenție tocmai energia W a câmpului electromagnetic în starea considerată.

Se consideră un sistem fizic care ocupă domeniul D, mărginit de suprafața închisă , în care se află corpuri și câmp electromagnetic. Partea energiei interne a sistemului care depinde de mărimile de stare electromagnetică se numește energie electromagnetică.

Câmpul electromagnetic se consideră un sistem fizic distinct de corpuri, cu care interacționează. Atunci se poate aplica câmpului electromagnetic relația de bilanț stabilită anterior, care ia formă

unde Wem este energia asociată câmpului electromagnetic, PJ este puterea cedată de câmp corpurilor prin conducție electrică, Pm este puterea mecanică cedată de câmp corpurilor, Ph este puterea suplementară cedată de câmp corpurilor prin alte efecte, iar P este puterea transmisă în exterior prin suprafața .

Admițând conceptele de câmp și de acțiune prin continuitate, toate aceste mărimi pot fi exprimate cu ajutorul unor densități de volum (wem, pJ, pm, ph), respectiv a unui câmp de vectori pe suprafață:

În cazul mediilor imobile și fără histerezis (Pm = Ph = 0) expresiile teoremei energiei electromagnetice și a identității energetice fundamentale se reduc la

Ținând seama de rezultatele precedente, se obține expresia diferențialei energiei electromagnetice sub formă

Notă. Transformarea expresiilor și

Fie diferențiala vectorului în reperul cartezian

Într-un punct fix (în acela în care se consideră elementul de volum dv) ultimii trei termeni sunt nuli și rezultă că și în același mod . Cu observația că simbolul diferențierii se referă la un punct fix în spațiu.

În expresia expresiile de mai sus se identifică diferențialele a două densități de volum, a energiei electrice și a energiei magnetice

Integrând între două stări (1) și (2) ale câmpului se obține

În cazul materialelor fără histerezis, fără polarizație permanentă și fără magnetizație permanentă se poate adopta ca stare de referință pentru energia electromagnetică starea în care mărimile de stare ale câmpului sunt nule. Expresiile densității de volum a energiilor devin

În cazul unui mediu izotrop, aceste mărimi reprezintă aria unui triunghi curbiliniu, cuprins între curba D(E), respectiv B(H), axa ordonatelor și dreapta de nivel D, respectiv B.

Se pot defini și densitățile de volum ale coenergiei

care în cazul mediilor izotrope sunt reprezentate de ariile unor triunghiuri curbilinii închise de curba materialului, axa absciselor și dreapta verticală E = const respectiv H = const (v. fig. 1 a și b).

Cele două densități de volum, a energiei și a coenergiei, satisfac relația evidentă

În cazul particular al mediilor liniare (fără polarizație permanentă și fără magnetizație permanentă) se obține

În cazul mediilor cu histerezis, cu polarizație permanentă sau/și cu magnetizație permanentă starea de referință pentru energie se alege arbitrar, ne mai existând un criteriu natural de alegere, în care câmpul este nul.

Deoarece expresiile densităților de volum ale energiei electromagnetice sunt funcțiuni numai de mărimile de stare ale câmpului, se poate afirma că ele rămân valabile în orice regim (inclusiv în regimuri nestaționare).

1.4 Forțe în câmpul electromagnetic

Forța electromagnetică este cea de-a doua forță ca tărie din categoria forțelor fundamentale. Ea poate fi interpretată ca o combinație a două forțe: forța electrică, ce respectă legea lui Coulomb și forța magnetică ce respectă legea lui Lorentz. Fundamental, atât forțele magnetice cât și cele electrice sunt manifestări ale unei forțe de schimb, în cazul de față un schimb de fotoni. Forța electromagnetică este cea care ține atomii și moleculele împreună. Forțele de atracție și de respingere de natură electrică sunt atât de puternice, încât acțiunile celorlalte trei forțe fundamentale din structurile atomice și moleculare pot fi considerate neglijabile. Forța electromagnetică este forța cu care un câmp magnetic acționează asupra unui conductor străbătut de curent electric.

Se consideră cazul particular al mediilor fără histerezis (Ph = 0), în care corpurile pot efectua mici deplasări sub efectul forțelor electromagnetice. În aceste condiții, teorema energiei electromagnetice și identitatea energetică fundamentală se prezintă sub formă:

din care se deduce relația generală:

CAPITOLUL 2: CONSIDERAȚII PRIVIND UTILIZAREA ELECTROMAGNETISMULUI ÎN SISTEME DE ARMAMENT

2.1 Armele-trecut, prezent și viitor

Conflicte armate și războaie de tot felul au existat mereu de-a lungul istoriei, acestea fiind purtate de către soldați, resursa umană pregătită și antrenată să lupte. Totuși o dată cu trecerea timpului, au evoluat și modul de purtare a războaielor, tipurile de arme utilizate, dar mai ales tehnologia de la baza sistemelor de armament.

În momentul de față, cât și în ceea ce privește viitorul apropiat se poate remarca o tendință tot mai mare de utilizare a tehnologiei pe câmpul de luptă.

Astfel că lupta armată se bazează mai mult pe utilizarea unei tehnologii militare cât mai performante, protejând astfel resursa umană, necesară în utilizarea tehnologiei.

Cele mai recente realizări și proiecte în dezvoltarea de noi tehnologii militare, sunt armele bazate pe utilizarea câmpului electromagnetic pentru lansarea unui proiectil metalic, imprimându-i suficientă energie pentru a distruge o țintă aflată la câțiva kilometri. Aceste arme (tunuri electromagnetice) sunt ca și tunurile convenționale, doar că proiectilul este propulsat de energia electromagnetică dezvoltată de bobine amplasate pe exteriorul țevii, și nu prin forța gazelor rezultate în urma exploziei încărcăturii de azvârlire specifice unui tun convențional.

Alte tipuri de arme sunt armele rezultate ca aplicații ale microundelor. Aceste arme se bazează pe impulsul electromagnetic (EMP). Impulsurile electromagnetice precum și alte tipuri de arme bazate pe EMP distrug aparatele electrice și electronice, și nu clădirile sau oamenii. O caracteristică a acestor arme cu EMP este critică: ele sunt foarte precise și sunt aproape imposibil de detectat precis, iar ținta lor fiind echipamentele electronice, implicit poate distruge elementul vital al forțelor armate, comunicațiile, iar fără comunicații, și fără sistemele electronice cu care este dotat fiecare vehicul de luptă, o armată este ca și anihilată.

2.1.1 Scurt istoric privind EMP

Pe parcursul ultimilor 20 de ani, Don Schellhardt un avocat în Relații Guvernamentale din SUA, având 25 de ani de experiență în avocatură publică, legislație și reglementări în legătură cu energia și mediul, împreună cu numeroase alte autorități încercau să convingă guvernul SUA de necesitatea protejării echipamentelor civile vitale împotriva atacurilor cu impuls electromagnetic (EMP), deoarece scopurile războaielor din zilele noastre este să distrugă uzine importante, și nu oameni. Aceste războaie non-letale sunt mai puțin periculoase pentru instalațiile și echipamentele militare deoarece ele sunt protejate în acest sens, dar niciodată destul.

Lista instalațiilor și echipamentelor electronice civile vitale include: echipamente de comunicare de urgență folosite de departamentele de poliție, departamentele de pompieri, echipamente medicale de urgență, echipamente de radio pentru amatori și computere în general.

Echipamentele puse în pericol cuprind de asemenea și echipamentele electronice necesare pentru menținerea vieții și sănătății și siguranței publicului, de exemplu: generatoare de siguranță (și conexiunile corespunzătoare) în spitale, turnuri de control al traficului aerian, echipamente de control și ghidare a avioanelor, contacte electrice folosite la pornirea mașinilor de poliție și de pompieri, pompe, rețele de forță, centrale energetice, controale de siguranță ale reactoarelor etc.

Undele de energie electromagnetică nu fac rău oamenilor sau altor ființe. Părerea acestor savanți este că majoritatea echipamentelor electronice civile pot fi apărate printr-un simplu înveliș etanș de cupru în jurul său dedesubtul suprafeței respective. Această protecție nu este extrem de costisitoare.

Petiția de reglementare, susținută de către autoritățile EMP, ce doreau o acțiune guvernamentală în vederea apărării echipamentelor electronice civile vitale împotriva efectelor dăunătoare ale EMP, a fost în sfârșit acceptată.

2.1.2 Mecanismele de acționare a bombelor E

Bomba-E (Bomba electromagnetică) sau efectele bombei-E, EMP, poate fi generată în 3 moduri diferite:

Prin explozia unei arme nucleare sau termonucleare (bomba-A sau bomba-H) la mare altitudine, în care caz majoritatea energiei nucleare sau termonucleare se transformă într-o intensă energie electromagnetică care poate cauza daune la scară regională sau chiar națională. Efectele dăunătoare sunt cunoscute ca EMP – impuls electromagnetic și pot fi o consecință a unei explozii nucleare. Pentru a face față unui atac EMP care implică multiple explozii nucleare și/sau cu un atac EMP non-nuclear la rază mică, este prudent ca echipamentele electronice civile vitale să fie protejate împotriva supratensiunilor de până la 100.000 V/m.

Cu ajutorul unei bombe-E, proiectate să „explodeze” într-o rafală electromagnetică non-nucleară, dar totuși imobilizatoare. În acest caz, daunele sunt limitate la o „zonă-țintă” destul de limitată teritorial, cum ar fi un complex de birouri sau un cartier.

Cu ajutorul unui generator EMP aproape de sol, care poate fi fix sau mobil, proiectat să distrugă ține mici dar vitale, cum ar fi un turn de control al traficului aerian sau Bursa de Valori.

2.1.3 Efecte electromagnetice

Temperatura înaltă și radiația energetică produse de exploziile nucleare produ multe materie încărcată electric. Aceste condiții produc de asemenea curenți intenși și câmpuri electromagnetice, numite în general EMP (fig.1), pe zone largi. Acestea pot bloca temporar sau permanent echipamentele electrice și electronice. Gazele ionizate pot de asemenea bloca undele radio scurte și semnalele radio pentru lungi perioade de timp.

Efectele EMP depind de altitudinea exploziei. Rezultatele pot fi semnificative pentru exploziile la nivelul solului său de mică altitudine (sub 4.000 m). Rezultatele pot fi foarte semnificative pentru explozii la mare altitudine (peste 30.000 m), dar nu sunt semnificative pentru altitudini între aceste extreme. Absorbția asimetrică a razelor gamma produse de explozii sunt absorbite în aer și nu pot genera perturbații electromagnetice de rază lungă la altitudini intermediare.

La exploziile de mică altitudine, electronii, fiind mai ușori și mai rapizi decât atomii ionizați, sunt smulși și difuzează din regiunile în care sunt formați. Aceasta creează un câmp electric foarte puternic, care atinge valoarea de vârf timp de 10 nanosecunde. Pământul absoarbe razele gamma emise în jos.

Fig. 1. Impulsul electromagnetic tipic (EMP)

Efectele în acele domenii ale electronicii sunt greu de prezis. Curenții electrici enormi induși sunt generați în fire, antene și obiecte metalice (cum ar fi torpile, schelete de avioane și clădiri). Chip-urile VLSI moderne sunt extrem de sensibile la supratensiuni, și s-ar arde chiar datorită celor mai mici curenți de dispersie. Echipamentele militare sunt în general proiectate ca să reziste la EMP, dar testele sunt greu de executat în mod realist, iar protecția EMP se bazează pe atenția acordată detaliilor. Modificări minore ale designului, proceduri de întreținere, părți care nu se potrivesc perfect, reziduuri, umezeală sau, pur și simplu, murdăria, oricare dintre acestea ar putea opri complet protecția EMP.

2.1.4 Categoriile de arme non-nucleare și tehnologiile pentru realizarea lor

Au fost dezvoltate două tipuri de dispozitive EMP: arma cu microunde de înaltă putere (HPM) și armă pentru bande ultra-largi (UB). HPM folosește explozivi convenționali pentru a induce EMP, UWB folosește un generator de microunde de înaltă putere, de unică folosință. Aceste arme folosesc impulsuri intense de energie RF/MW pentru a distruge sau degrada dispozitivele electronice ale țintei. Ele pot fi utilizate pentru a genera o rază îngustă pe distanță mare până la punctul-țintă. Aceste arme pot fi de asemenea construite ca bombe sau tunuri EMP. Tehnologiile folosite pentru a construi aceste arme includ generatorul prin comprimare a fluxului (FCG), dispozitivul magneto-hidrodinamic (MHD) și dispozitivul de microunde de înaltă putere (HPM).

Generatoare prin comprimare a fluxului (FCG)

Ideea centrală ce a dus la construirea FCG este folosirea unui exploziv rapid pentru comprimarea bruscă a câmpului magnetic, transferându-i astfel o mare parte din energia exploziei. Câmpul magnetic inițial în FCG, înaintea exploziei, este produs de un curent produs de o sursă externă, cum ar fi o baterie de condensatoare de înaltă tensiune (baterie de condensatoare Marx), un FCG mai mic sau un dispozitiv MHD.

Generatoare magneto-hidrodinamic (MHD)

Principiul fundamental pe care se bazează proiectarea dispozitivelor MHD este că un conductor ce se deplasează printr-un câmp magnetic produce un curent electric transversal la direcția câmpului și la direcția de mișcare a conductorului.

Într-un dispozitiv MHD controlat prin explozie sau propulsare, conductorul este plasma explozibilului sau gazului de propulsare ionizat, care se deplasează prin câmpul magnetic. Electrozii care sunt în contact cu jetul de plasmă colectează curent. Dacă explozibilului sau gazului de propulsare i se adaugă aditivi potriviți, care ionizează în timpul arderii, se ajunge la optimizarea proprietăților electrice ale plasmei.

Sursa de microunde de înaltă putere (HPM)

Ideea fundamentală pe care se bazează HPM este aceea a accelerării unei raze de curent electronic de mare intensitate către un anod . O mare parte din electronii vor trece prin anod, formând o zonă de sarcină după anod. Dacă sunt îndeplinite condițiile potrivite, zona de sarcină va oscila la frecvențe de microunde. Dacă zona de sarcină este situată într-o cavitate rezonantă, reglată corespunzător, se pot obține energii electrice ale căror valori de vârf vor fi foarte înalte. Printre avantajele HPM, se numără posibilitatea de utilizare pe orice vreme, costurile mici, posibilitatea de a viza mai multe ținte, faptul că e neletal pentru oameni, imposibilitatea de detectare a atacurilor. Printre dispozitivele HPM se numără: tuburile cu modulație de viteză (clistron), tuburile electronice cu câmp magnetic (magnetron), componente cu interval de descărcare și vircatoare. Vircatorul este cel mai eficient HPM, indiferent dacă este vorba de tipul axial sau transversal.

2.1.5 Apărarea împotriva bombelor-E

Cea mai eficientă apărare împotriva bombelor-E este de a preveni livrarea sau prezența lor. Aceasta nu va fi întotdeauna posibil, și de aceea sistemele care ar putea fi expuse armelor electromagnetice trebuie să fie protejate electromagnetic. Întărirea echipamentelor și sistemelor nou construite vor mări prețul acestora. În ceea ce privește echipamentul vechi, acesta ar putea fi imposibil de întărit și atunci ar fi necesară înlocuirea totală a acestora. Cea mai eficientă metodă este plasarea întregului echipament într-o incintă conducătoare din punct de vedere electric (cușcă Faraday). Totuși, majoritatea acestor echipamente trebuie să comunice și să fie alimentate din afară. Aceste puncte de intrare electrică ar putea însă permite energiei de trecere să intre incintă și să provoace daune. Comunicările și transferurile de date necesare pot avea loc prin fibre optice. Însă, problema alimentării la rețeaua electrică rămâne un risc. Pentru a face față atacurilor, întărirea nu se justifică, ci ar trebui folosite exclusiv tehnici de dispersie a spectrului. Rețelele de comunicare pentru voce, date și servicii trebuie să folosească topologii cu redundanță suficientă și mecanisme protejate, pentru a permite operarea chiar și în cazul când multiple noduri și linii ar fi scoase din funcțiune. Aceasta nu ar permite utilizatorilor de bombe-E să distrugă largi porțiuni, sau chiar a întregii rețele, distrugând una sau mai multe astfel de legături printr-un singur sau mai multe atacuri.

2.2 Arme electromagnetice cu proiectile

Pe lângă tipurile de arme neletale, ce folosesc câmpul electromagnetic, enumerate mai sus, în prezent sunt în stadiul de cercetare și aprofundare, noi sisteme de armament ce utilizează forța electromagnetică pentru propulsarea unui proiectil metalic, această forță imprimând suficientă energie pentru că proiectilul să poată distruge ținta în urma impactului la o viteză mare.

Aceste tipuri de arme, numite și tunuri electromagnetice (electromagnetic gun), sunt de două tipuri, coilgun și railgun, după denumirile în limba engleză.

Armele de tipul coilgun, diferă de un tun convențional din mai multe aspecte.

Țeava nu mai are nevoie de aceeași grosime, întrucât nu mai există presiunea exercitată de forța gazelor rezultate în urma exploziei încărcăturii de azvârlire, și poate avea pereții mult mai subțiri, chiar și dintr-un element nemetalic, pentru a nu ecrana sau atenua câmpul electromagnetic al bobinei.

Pe un capăt al țevii se montează bobina de tip solenoid, responsabilă cu producerea câmpului electromagnetic. Proiectilul utilizat are o formă aerodinamică, pentru a respecta legile balisticii, dar acesta este în totalitate metalic, pentru a reacționa la câmpul electromagnetic.

2.2.1 Arme electromagnetice “COILGUN”

Prin termenul “coilgun” se înțelege un sistem format dintr-o țeavă (de regulă dintr-un material nemagnetic pentru a nu ecrana sau absorbi câmpul electromagnetic) pe care este amplasată la un capăt o bobină tip solenoid, principiul de funcționare, bazându-se pe forța câmpului electromagnetic de foarte scurtă durată, apărut în urma aplicării unui curent la bornele bobinei, de a propulsa proiectilul în sensul liniilor de câmp electromagnetic.

Fig.1 Câmpul electromagnetic al solenoidului Fig.2 Sistemul coilgun

Sistemele coilgun se întalnesc sub două forme de construcție : cu una, sau mai multe bobine amplasate de-a lungul țevii, respectiv sub denumirile de “single-stage” și “multi-stage”.

Fig.3 Single-stage coilgun Fig.4 Multi-stage coilgun

Diferența celor de tipul multi-stage este că fiecare solenoid este trecut în poziția “on-off” într-o secvență de timp foarte precisă, pentru a produce câmpul elctromagnetic exact când proiectilul ajunge în dreptul fiecărui solenoid, rezultând o accelerare rapidă a proiectilului, de-a lungul țevii. Deoarece viteza proiectilului crește progresiv, bobinele se asează la distanțe crescătoare între ele.

Pentru realizarea comutării precise a fiecărui solenoid, este necesar să se cunoască distanța dintre bobine, iar un circuit realizat cu un comparator și un timer produce secvența necesară de comutații.

Dar această soluție este una greoaie, și se aplică mai ușor în cadrul sistemelor coilgun realizate în regim home-made, ca hobby. Pentru un sistem la o scară mai mare, datorită faptului că proiectilul dezvoltă o viteza mare, se folosesc mai multe bariere optice (în infraroșu, sau laser) amplasate înainte de solenoid, care asigură o comutație rapidă, în momentul în care fasciculul optic este întrerupt de proiectil.

Pentru o mai bună eficiență, fiecare solenoid are propria lui sursă de energie (baterie de condensatori) incarcată separat. Fiecare solenoid respectă teoremele aplicate în cadrul unui sistem coilgun single-stage, diferențele fiind, că apare acceași forță electromagnetică de mai multe ori de-a lungul sistemului.

O armă coilgun single-stage este formată din două părți ce interacționează, bobina și proiectilul. Principiul fundamental al armei cu inducție electromagnetică (coilgun) este precum precum fenomenul apărut când o tijă scurtă de oțel sau fier este pusă lângă o bobină (magnet permanent) – tija este atrasă de bobină. Atracția apare deoarece bobina magnetizează proiectilul, creând efectiv doi magneți separați. Proiectilul este magnetizat în același sens ca bobina așa că acel capăt al proiectilului care este îndreptat către bobina “sesizează” un pol opus. Indiferent la care capăt al bobinei este plasat proiectilul, va experimenta o atracție de îndată ce bobina îl va magnetiza mereu în același sens ca propriul ei câmp magnetic. Figura 5 arată o bobină și un proiectil apropiat. Proiectilul este magnetizat în așa fel încât “vede” un pol opus când este îndreptată către bobina.

Fig. 5 Polii magnetici ai bobinei si ai proiectilului magnetizat.

Doi poli opuși se atrag, rezultănd deplasarea proiectilului în sensul liniilor de cămp electromagnetic.

Trebuie menționat faptul că bobina trebuie să realizeze un câmp electromagnetic de foarte scurtă durată, deoarece dacă polul mgnetic N al proiectilului ajunge în dreptul polului N al bobinei, aceștia se vor respinge, rezultând o deplasare inversă a proiectilului, acesta descriind o mișcare de “dute-vino” în interiorul câmpului electromagnetic al bobinei (implicit, blocarea acestuia pe țeavă), atât timp cât bobina este străbătută de curent electric. În urma testelor s-a dovedit ca un câmp electromagnetic de durata 1-10 ms este suficient pentru ca acest fenomen să nu se întâmple, și pentru a imprima suficientă energie proiectilului.

Este aproape imposibil calcularea valorii din forța de atracție aplicând ecuația forței, ar rezulta valori fantastice, ireale. Ar fi necesare prea multe simplificări pentru a obține valori precise. Varianta optimă este integrarea valorii forței obținută din fiecare element component al bobinei (fiecare spiră). Acest lucru necesită niște estimări ale distribuției fluxului care nu sunt posibile folosind analiza matematică, în astfel de situație se utilizează programe cu câmpuri numerice cum ar fi Quickfield sau FEMM (v. fig. 6).

Acestea permit determinarea precisă a distribuției fluxului magnetic și a forțelor dintr-un sistem magnetic static.

Soluția pentru o situație statică ignoră unele componente foarte importante ale electromagneticii, tensiunea și curentul indus. Așa cum proiectilul este accelerat în interiorul bobinei, legătura fluxului crește generând o tensiune indusă în bobina care se opune tensiunii sursei. Acest efect încearcă să reducă curentul bobinei și câmpul magnetic care în schimb induce o tensiune care încearcă să mențină curentul bobinei.

În multe cazuri, soluția magnetostatică nu poate fi un indicator bun al performanțelor dinamice. O excepție este situația în care tensiunea indusă este mică în comparație cu tensiunea de alimentare, cum ar fi proiectilul ce se mișcă încet. În această situație, curentul va fii modificat ușor, însemnând că o serie de simulări magnetostatice pot fi utilizate să furnizeze o estimare a vitezei inițiale.

Există o formulă simplă, care poate descrie aproximativ forța exercitată de solenoid asupra unui proiectil :

unde N este numărul de spire al solenoidului, I este curentul în Amperi și df/dx este rata de schimb a legăturii fluxului în raport cu deplasarea proiectilului pe țeavă. N și I sunt directe dar legătura fluxului este dificil de determinat deoarece depinde de geometria bobinei și materialul din care este fabricat proiectilul. Este important faptul că forța poate crește prin creșterea numărului de înfășurări (spire), creșterea curentului sau schimbarea legăturii fluxului.

Se observă din ecuația forței că legătura fluxului este unul din acei parametri care afectează forța unui proiectil. Legătura fluxului poate fi îmbunătățită prin două metode: folosind un proiectil cu o saturație mai mare a densității fluxului fier-cobalt) sau prin adăugarea unui ecranaj metalic în jurul traiectoriei fluxului în jurul bobinei (practic, bobina este învelită într-o carcasă metalică, fig.6 ).

Fig. 6 Legatura fluxului magnetic

Aplicație realizată în Quickfield

Având o carcasă metalică, câmpul electromagnetic al bobinei este concentrat spre interior, evitând astfel pierderile pe exteriorul bobinei.

Există un inconvenient însă, legătura crescută a fluxului produce o inductanță crescută ce crește constanta timp a circuitului. Remediul pentru acest inconvenient este să se folosească sistemul la o tensiune ridicată cu un rezistor extern pentru a atinge curent de intensitate ridicată.

2.2.2 Saturația proiectilului

Saturația este o stare în care proiectilul a atins o magnetizare maximă. Magnetizarea poate fi cantitatea dipolilor atomic microscopic care sunt aliniați unul cu celălalt. Dacă se aplică un câmp extern, acești dipoli tind să se alinieze singuri cu câmpul rezultat.

Cu cât mai puternic devine câmpul extern, cu atât dipolii devin mai aliniați. Când toți dipolii sunt aliniați, elementul este saturat. Singura întrebare rămâne care este cauza atracției dintre bobină și proiectil. În cele din urmă, forțele sunt supuse mișcării; mișcarea în interiorul bobinei – curentul bobinei și mișcarea orbitală a electronilor în proiectil – dipolii. În cărțile despre electromagnetism, este descrisă forțe dintre două spire purtătoare de curent paralele, ca infinita.

Forța dintre aceste spire va fi de atracție dacă curenții sunt paraleli și de respingere cănd curenții sunt anti-paraleli. Spre exemplu două spire apropiate ca în figura 7 de mai jos.

Fig. 7 Forțele de atracție apărute între două spire străbătute de curent electric

Dacă curenții din spire sunt în aceeași direcție, forța este de atracție. Forța dintre aceste înfășurări depinde de diametrul lor, de curent și de dielectric precum și de mediul în care sunt dispuse. Dacă este crescut curentul în oricare spiră, crește și forța.

În privința sistemului bobină și proiectil, bobina este practic un număr mare de înfășurări ( spire ), fiecare purtând același curent. Proiectilul este compus din mai multe înfășurări mai mici – electronii ce orbitează. În mod normal, într-un material feromagnetic, nemagnetizat, înfășurările de curent sunt organizate în grupuri mici numite domenii. Aceste domenii sunt orientate în direcții aleatorii astfel încât, macroscopic, materialul nu prezintă magnetizare. Figura 8 ilustrează înfășurările aliniate aleator.

Fig. 8

Sistemul bobina-proiectil, bobina nu este străbătută de curent electric, implicit proiectilul nu este magnetizat.

Când un câmp extern este aplicat, înfășurările din aceste domenii experimentează o forță de cuplu care încearcă să le alinieze cu câmpul. Acest lucru înseamnă că domeniile care sunt inițial mai aliniate cu câmpul tind să crească cu scăderea domeniilor mai puțin aliniate – domeniile mai bine aliniate “alterează” înfășurările din domeniile înconjurătoare mai puțin aliniate. Cu cât devine câmpul extern mai puternic, cu atât înfășurările devin mai aliniate.

Fig.9

Sistemul bobina-proiectil, cu proiectil magnetizat, bobina manifestând forța de atracție asupra proiectilului.

Figura 9 demonstrează alinierea înfășurărilor pe măsură ce câmpul începe să le influențeze. Așa cum câmpul bobinei crește, din ce în ce mai multe înfășurări se aliniază până în punctul în care toate înfășurările devin aliniate – materialul este saturat. Conform celor două înfășurări din figurile 8 si 9, înfășurarea din stânga reprezintă bobina și cea din dreapta proiectilul. Saturația proiectilului apare pe măsură ce înfășurarea din dreapta atinge un curent maxim dar forța depinde de curentul din ambele înfășurări. De îndată ce curentul poate fi crescut în înfășurarea din stânga ( bobina ) forța de atracție va crește cu toate că proiectilul este săturat.

Câmpul este mai puternic către centrul bobinei astfel încât polul experimentează o forță de atracție care este mai puternică decât forța de respingere generată de polul opus, rezultând o atracție netă. Menționând mai sus că proiectilul saturat este un dipol, cu toate acestea, de îndată ce câmpul bobinei poate fii întărit prin creșterea curentului, și forța de atracție poate fii mărită. Întărirea câmpului bobinei crește diferența de forță asupra polilor proiectilului și astfel crește și forța efectivă de atracție. Așa cum arată și figura 10, orice dipol care este poziționat într-un unghi al câmpului, va experimenta o forță efectivă; cu cât este mai mare unghiul, cu atât mai puternică va fi forța rezultată.

Fig. 10

Forțele asupra unui dipol poziționat in câmpul electromagnetic al bobinei

Forțele de la poli pot fi exprimate matematic astfel :

unde P este puterea polului. Întrucât proiectilul este compus din doi poli opuși cu intensități ale câmpului diferite, se poate scrie:

Dacă se presupune că cei doi poli sunt de magnitudine egală, se reduce la:

Din această interpretare elementară, se observă natura saturației și se realizează cauza ce stă la baza cauzei forței de atracție, concluzionând că forța armei cu inducție-coilgun poate fi crescută prin utilizarea unui proiectil saturat.

Problema este, cu toate că forța devine proporțională cu câmpul (și de aici curentul) când proiectilul este saturat, energia necesară producerii unui câmp dat crește cu pătratul curentului. Pentru a dubla forța, este necesar furnizarea de patru ori energia câmpului bobinei. Această problemă demonstreaza faptul că vor fi limite în construirea și utilizarea armelor cu inducție cu toate că vor fi doar limite neclare.

2.2.3 Aplicatii ale sistemelor de tipul coilgun

Armele de tipul coilgun au reprezentat mare interes, dar dezavantajul a fost ca nu s-au putut obtine viteze atat de mari precum se sperase. In 1978, Bondaletov din URSS a obtinut o viteza record de 5000m/s utilizand un sistem single-stage si un proiectil de 2 grame, dar sistemele moderne folosesc configuratia muti-stage. Un sistem experimental coilgun multi-stage de marimea unui aruncator de 120 mm realizat de DARPA, cu 45 de bobine de-a lungul tevii dezvolta o eficienta de 22%, si transfera proiectilului o energie cinetica de 1,6 Megajouli. Acest sistem a demonstrat posibilitatea utilizarii in sisteme de armament.

Sistemele coilgun sunt silentioase, lipsind zgomotul exploziei unei incarcaturi si, implicit fumul care sa-i demascheze pozitia.

Un alt sistem coilgun experimental a fost testat pentru a construi un lansator electromagnetic de rachete (Electromagnetic Missile Launcher -EMML) care sa lanseze rachete Tomahawk.

De asemenea un sistem activ de aparare (de tipul E-defense) pentru tancuri, care foloseste un coilgun este in curs de cercetare la HIT (Harbine Institute of Technology) in China.

Sistemele coilgun nu au prezentat interes doar pentru dezvoltarea ca sisteme de armament. In 1992, NASA a publicat un studiu conform caruia, un sistem coilgun la scara mare , cu o masa de 330 de tone, poate lansa anual 4400 proiectile, fiecare cu o masa de 1,5 tone, utilizand o cantitate relativ mica de energie, doar 350 kW. Ulterior a fost propus un coilgun cu o lungime de un kilometru capabil sa lanseze sateliti de mici dimensiuni pe orbita. Cercetari ulterioare la Sandia au inclus un studiu al conceptului “Star Tram” pentru un sistem coilgun extrem de lung, capabil sa lanseze pasageri in spatiu pe orbita, la o acceleratie care sa permita supravietuirea acestora.

2.3Armele electromagnetice de tipul “Railgun”

Railgun este un alt tip de armă electromagnetică cu proiectil, care, spre deosebire de cele de tipul coilgun, consta în două șine conductoare paralele (rails- de aici și denumirea de railgun) conectate la o sursă de curent continuu, proiectilul constând dintr-un dispozitiv metalic (armatura), care culisează de-a lungul și între cele două șine metalice, fiind accelerat de câmpul electromagnetic generat de curentul care trece printr-o șină metalică, traversează proiectilul și se întoarce înapoi prin ce-a de-a doua șină metalică.

Aceste tipuri de arme au existat ca și tehnologie experimentală, dar masa, dimensiunile și costul ridicat al surselor de tensiune necesare, au împiedicat posibilitatea dezvoltării pentru uz militar.

În pofida acestor dezavantaje, sau altfel spus, impedimente de ordin tehnic și tehnologic, eforturi susținute și semnificative în acest domeniu, au dus la realizarea unei tehnologii militare fezabile, exemplul concret fiind un test realizat cu succes de U.S Navy, în 2008. Astfel a fost construită un railgun capabil să accelereze un proiectil cu masa de 3,2 kg la o viteză hipersonică de 2400 m/s, proiect întâlnit sub numele de “ Velocitas Eradico”.Ulterior au mai fost efectuate cu succes teste de acest tip, demonstrând posibilitatea montării unor astfel de sisteme de armament pe mijloace de transport militare, precum crucișătoare, sau pe tancuri, pentru forte terestre.

Armele de tipul railgun necesita un puls de tensiune furnizat de o sursă puternică de curent continuu. Pentru potențialele aplicații militare, armele railgun manifesta interes deosebit, deoarece pot asigura o viteză a proiectilului mult mai mare decât o armă convențională cu încărcătură explozivă de azvârlire.

Creșterea vitezei proiectilului aduce beneficii precum creșterea distanței de azvârlire, în timp ce, vorbind de efectul la țintă, viteză mărită a proiectilului permite folosirea energiei cinetice pentru distrugerea obiectivului, în locul încărcăturii explozive. O aplicație tipic militară pentru railgun presupune o viteză medie între 2000-3500 m/s, și o energie cinetică aproximativă de 5-50 megajouli. Pentru atingerea unor astfel de obiective este necesar ca prin cele două șine metalice să circule un curent de câteva milioane de amperi, în consecință, sursa de alimentare necesară unui railgun trebuie proiectată să debiteze un curent de 5 MA (mega-amperi) pentru o perioadă de câteva milisecunde.

2.3.1 Proiectarea și realizarea armelor Railgun

După cum spune și numele, și după cum a fost menționat mai sus, un railgun consta în două șine metalice paralele – rails, conectate la o sursă de curent continuu. In figura 11 este reprezentat un concept de realizare a unui sistem railgun, pentru montarea pe nave de luptă, conform US Navy.

Fig. 11

Conceptul unui railgun, destinat montării pe nave de luptă (crucișătoare)

Un proiectil (realizat dintr-un material conductor de electricitate) este inserat între cele două șine – la capătul conectat la sursa de tensiune – închide circuitul. Electronii pleacă din borna negativă a sursei de tensiune în șina negativă, trec prin proiectil, și apoi prin șina pozitivă se întorc în sursa (figura 12).

Fig. 12 Schema unui railgun, principiul de functionare

Curentul face railgun-ul să se comporte precum un electromagnet, creând un câmp electromagnetic în interiorul buclei formată de lungimea șinelor în raport cu poziția proiectilului. Conform regulii mâinii drepte, câmpul magnetic circula în jurul fiecărui conductor. În timp ce curentul circulă în direcție opusă de-a lungul fiecărei sine, câmpul magnetic dintre sine (B) este direcționat în unghi drept, în planul format de cele două șine metalice și proiectil (v. fig. 12). Acest câmp magnetic în combinație cu I- curentul ce străbate proiectilul, produce o forță Lorentz, care accelerează proiectilul de-a lungul celor două șine metalice (a se vedea figura 13).

Fig. 13 Forța Lorentz în Railgun

Conform definiției, dacă un curent de 1A străbate o pereche de conductoare paralele infinit de lungi, așezate la o distanță de un metru, atunci magnitudinea forței pentru fiecare metru din aceste conductoare va fi exact 0,2 micro newtoni. În general forța va fi proporțională cu pătratul valorii curentului și invers proporțională cu distanța dintre cele două șine conductoare.

Rezultă că pentru un railgun cu un proiectil de câteva kilograme, și o lungime a șinelor de câțiva metri, va fi necesar un curent foarte mare pentru a reuși accelerarea proiectilului la viteza de ordinul a 1000m/s.

O sursă de curent foarte puternică furnizând un curent de ordinul a un milion de amperi, va crea o forță enorma asupra proiectilului, imprimându-i o viteză de câțiva kilometri pe secundă. Astfel în urma unor teste de laborator s-au atins viteze de 20km/s, utilizându-se proiectile de dimensiuni relativ mici.

Desigur, este posibilă atingerea acestor viteze, dar căldura generată de propulsia proiectilului este suficientă pentru a degrada rapid șinele metalice. Utilizarea în astfel condiții, presupune înlocuirea frecventă a conductoarelor, ori utilizarea unor materiale ultra-rezistente la căldură, dar și suficient de bune conductoare electrice, pentru a produce același efect.

Valoarea vectorului forță poate fi determinată din forma legii lui Biot-Savart și rezultatul forței Lorentz. Poate fi derivată în termeni matematici, de constantă de permeabilitate (), raza șinelor ( se presupune o secțiune circulară) – r, distanța dintre sine (d), și curentul în amperi (I).

Din formula lui Biot-Savart, rezulta câmpul magnetic la o distanță dată (s), perpendiculară pe unul din capetele unui conductor, valabil pentru conductoare de lungime presupusă infinită.

Dacă proiectilul, sau armatura metalică, conectează cele două conductoare separate de o distanță, d, câmpul magnetic total al celor două conductoare în orice punct în care se afla proiectilul, rezulta:

Pentru a obține o expresie aproximativă pentru o valoare medie a câmpului electromagnetic în armatura metalică (proiectil), se presupune că raza r a conductoarelor metalice este mică în comparație cu distanța d, dintre ele, și, presupunând că cele două șine metalice pot fi modelate ca o pereche de conductoare semi-infinite, rezulta forma integrală:

Din legea forței lui Lorentz, forța electromagnetică într-un conductor străbătut de curent electric este dată de IdB , întrucât lățimea proiectilului este d, rezulta:

Formula de mai sus este bazată pe presupunerea că distanta (l), dintre punctul unde forța F este măsurată și începutul șinelor conductoare, este mărita fata de distanta d dintre conductoare cu un factor de multiplicare de 3 (l>3d). Pentru un calcul al forței mult mai exact trebuie luată în considerare geometria șinelor conductoare, precum și geometria proiectilului.

Întrucât nu este ușor să se scrie o expresie a forței electromagnetice pentru railgun, care să fie în același timp și simplă și cât mai exactă, majoritatea analizelor mai simple a railgun-ului folosesc un model de circuit neomogen pentru a descrie relația dintre curent și forța dezvoltată de railgun.

În aceste modele, căderea de tensiune în interiorul railgun este dată de:

Rezistenta și inductanța țevii (ansamblul format din cele două șine metalice) se presupune că având o variație liniara față de poziția proiectilului, rezultând:

, de unde rezultă valoarea tensiunii:

Dacă este menținut un curent constant, atunci există un flux de putere egal cu , care înseamnă că acest tip de armă electromagnetică lucrează corect. În acest model simplu, exact jumătate din acest flux de putere este presupus a fi necesar stabilirii unui câmp magnetic de-a lungul țevii, cealaltă jumătate reprezentând transformarea fluxului de putere în energia cinetică a proiectilului.

Din moment ce puterea poate fi exprimată că produsul dintre forța și viteză, reiese un rezultat standard al forței cu care este propulsat proiectilul railgun-ului:

Această simplă ecuație demonstrează că o accelerație mare va necesita curenți foarte mari. Pentru un sistem railgun ideal, valoarea este de aproximativ 0,6 H/m (microHenry pe metru), dar majoritatea țevilor sistemelor railgun folosesc valori mai mici.

Ignorând frecarea cu aerul, accelerația proiectilului este dată de:

, unde m este masa proiectilului. Viteza de-a lungul țevii este:

, și condițiile tensiunii și curentului de mai sus pot fi aranjate într-o formă apropiată de ecuațiile circuitului, pentru a determina variația în timp a tensiunii și curentului.

Sursa de tensiune trebuie să fie capabilă să livreze un curent mare, controlat o perioadă de timp prestabilită. Cea mai importantă eficacitate a sursei este energia pe care o poate oferi.

Într-un test realizat în Decembrie 2010, s-a obținut cea mai mare energie pentru propulsia unui proiectil cu un railgun, de 33 Megajouli.

Cele mai des întâlnite surse de alimentare în construcția unui railgun, ca și la coilgun, sunt condensatorii de capacitate mare și tensiune de lucru mare (super-capacitors, denumirea cea mai des întâlnită), care sunt încărcați pasiv de alte surse puternice de curent continuu (invertoare de înaltă tensiune, convertoare DC-DC).

Cele două șine metalice trebuie să reziste la forțele enorme de respingere apărute în momentul tragerii, aceste forțe au tendința de a împinge conductoarele către exterior, departe de proiectil. Inductanța și rezistența șinelor conductoare limitează eficienta construirii unei arme de timpul railgun.

În prezent, diferite forme și configurații de tipul railgun sunt construite și testate, cele mai notabile rezultate fiind date de cel realizate de U.S. Navy, Institute for Advanced Technology și compania britanică BAE Systems (fig 14).

Fig. 14 Un sistem railgun realizat de compania britanică BAE Systems

Sinele metalice și proiectilele trebuie să fie construite din materiale solide totodată bune conducătoare de electricitate, sinele trebuind să reziste accelerației violente a proiectilului, și încălzirii excesive datorită curenților mari și a existenței forței de frecare.

Unele experimente eronate au arătat că forța de recul într-un railgun poate fi redirecționata sau eliminată; însă o analiza teoretică și experimentală atentă demonstrează faptul că forța de recul acționează la fel ca la o armă cu încărcătură explozivă pentru propulsia proiectilului.,,, Deasemenea, sinele se resping printr-o forță laterală ( forta de recul) datorită faptului că sunt supuse aceluiași câmp magnetic, ca și proiectilul. Ele trebuie să reziste fără să se îndoaie, și necesită o montare cât mai securizată, pentru a nu apărea alte probleme, de natură tehnică.

Cantități imense de căldură sunt create de energia electrică ce traversează sinele metalice precum și prin frecarea proiectilului pentru a părăsi țeava. Căldura creată de aceasta frecare poate cauza dilatarea termică a șinelor metalice și a proiectilului. Acest lucru provoacă trei probleme principale: topirea echipamentului, scăderea nivelului de siguranță al personalului, precum și riscul detectării de către forțele inamice.

Așa cum s-a menționat mai sus, o tragere cu acest tip de armă necesita materiale extrem de rezistente la căldură, în caz contrar șinele, țeava și toate echipamentele atașate s-ar topi, sau s-ar deteriora iremediabil.

Railgun-urile sunt cercetate ca și arme cu proiectile care nu conțin explozivi sau agenți propulsori, dar care pot asigura viteze extrem de mari: 3500m/s (aproximativ 10 Mach la nivelul mării) sau mai mult ( în comparație cu pușca mitralieră M16, care are o viteză a glonțului de 930 m/s, sau tunul Mark 7, calibru 16”-400mm, care a echipat navele în luptele maritime din al doilea război mondial dezvolta o viteză de 760m/s) care vor face ca energia lor cinetică să fie superioară ca valoare energiei cinetice dezvoltate de armele convenționale. Acest lucru reduce mărimea și greutatea muniției, permițând transportul unei cantități mai mari de muniție, eliminând astfel și pericolele iminente în cazul transporturilor de explozivi și încărcături de azvârlire.

Deasemenea, tragerea proiectilelor cu viteze mari, railgun-urile dezvolta o rază de foc/lovire mai mare, necesita mai puțin timp pentru țintire, iar curba balistica a proiectilului este puțin afectată de vânt, depășind limitele fizice ale armelor de foc convenționale: “limitele expansiunii gazelor nu permit lansarea neasistata a unui proiectil la viteze mai mari de 1,5 km/s și o rază mai mare de 50 de mile (80 km) dintr-un tun convențional”. Intr-o comparatie realizata de US Navy, privind tipurile de proiectile, se observa ca proiectilele lansate de un railgun depasesc cu mult valoare energiei cinetice dezvoltata de rachete cu incarcatura de propulsare + incarcatura exploziva pentru distrugerea tintei (v. fig.14)

Fig. 14 Comparatie intre proiectile cu incarcatura de propulsare si proiectilul unui railgun.

Conform acestei comparatii, se observa ca proiectilul pentru railgun este mult mai usor ca greutate, dar in acelasi timp are o bataie maxima mult mai mare, iar timpul de lovire este foarte mic, tinta fiind distrusa exclusiv prin energie cinetica.

2.4 Arme electromagnetice vs arme de foc conventionale

Întrucât realizarea armelor electromagnetice presupune utilizarea în mare parte a unor sisteme electronice de comandă, control și monitorizare permanentă a întregului proces de funcționare a armei, acest fapt permite adăugarea de diferite funcții și posibilități de utilizare; diferite dispozitive electronice, relativ simple, pot asigura armei caracteristici specifice, care-i măresc gradul de siguranță, sau ușurează interfața arma-utilizator, și permit o manipulare simplă dar eficientă, arma furnizând informații utile utilizatorului, cum ar fi numărul de cartușe rămase, sau posibile erori software, sau defecțiuni ale unor etaje. Un sistem coilgun sau railgun la construit la scara marita, are insa pe partea de comanda si control o retea de calculatoare cu mai multi operatori ce monitorizeaza permanent sistemul in timpul tragerii. Câteva caracteristici importante se găsesc în tabelul urmator:

Tabelul 1- caracteristicile “speciale” ale armelor electromagnetice

Atașarea unui sistem electronic de blocare, permit armei să fie în siguranță, dacă din întâmplare este furată, sau cade pe mâini greșite.

Atașarea unui sistem electronic de detectare a țintei, permite o mai ușoară manevrare și un timp redus de țintire și executare a focului, iar datorită vitezei ridicate a proiectilului, șansele de a rata ținta sunt minime.

Desigur, acesta este un domeniu vast, și având la bază un sistem electronic, permite dezvoltarea multor facilități, precum și transformarea într-un sistem electronic de apărare cu noi tipuri de arme.

CAPITOLUL 3: STUDIU SI APLICATIE PRACTICA A UNUI TUN ELECTROMAGNETIC

În acest ultim capitol al lucrării mi-am propus să vă prezint o lucrare practica realizată în urma fundamentelor teoretice scrise în capitolele anterioare, respectiv am construit un prototip, aș putea spune, la o scară mai mică a unui tun electromagnetic, de tipul coilgun, pe care am denumit-o EM GUN.

Rolul construcției este, nu de a construi o armă propriu-zisă, ci de a pune în practică, respectiv de a demonstra principiul de funcționare al unei arme electromagnetice studiată în capitolul anterior.

Altfel spus, lucrarea practica are un scop educativ, pentru o mai bună înțelegere a posibilității utilizării electromagnetismului în dezvoltarea noilor tipuri de arme.

3.1 Destinație

EM GUN este destinat utilizării ca arma de calibru mare, cu posibilitate de montare pe vehicule de transport mari (nave maritime, tancuri), dar și posibilitatea montării pe sol, în vederea asigurării siguranței unei baze militare. Pentru a-și îndeplini misiunea, EM GUN are nevoie de 2 operatori, dar poate fi modificat pentru operare automatizată, cu sistem automat de detectare a țintei, respectiv de dare a focului, pentru o îmbunătățire a ratei de foc și a eficienței timp de țintire-timp de lovire.

Beneficii:

Număr redus de componente mobile, ceea ce permite utilizarea pe o perioadă de timp îndelungată, altfel spus, un ciclu de viață mai mare;

Lipsa zgomotului în momentul tragerii;

Nu necesită o curățare și întreținere permanenta, după fiecare tragere, devenind astfel o armă ușor de utilizat, și ieftin de întreținut;

3.2 Proiectarea si realizarea aplicatiei practice

În realizarea proiectului am pornit inițial de la o diagramă bloc a armei, ulterior aprofundând și construind separat fiecare bloc reprezentat în diagrama.

Din diagrama bloc se observă cum interacționează fiecare etaj în parte, putând sintetiza o altă diagrama mai simplă a modului de interconectare a etajelor. (fig 1 si 2)

Fig. 1 Diagrama bloc a sistemului coilgun realizat

Fig. 2 Diagrama bloc a circuitului de încărcare

Pentru a-și atinge obiectivul căruia a fost destinat spre construcție, EM GUN trebuie să respecte principiul de funcționare al unei arme de tipul coilgun.

Din diagramele de mai sus se poate trage concluzia că este necesară descărcarea energiei stocată în bateria de condensatori, în solenoid, pentru a produce un câmp electromagnetic puternic și de scurtă durată ( dacă durata este mai mare, atunci proiectilul va fi reținut în câmpul electromagnetic al solenoidului).

Aceasta descărcare se realizează prin etajul switch, care asigura o comutare rapidă, de ordinul milisecundelor.

Figura 3 este o simulare virtuală ce arata curentul de vârf, care circulă prin condensatori și bobină, atunci când este acționat butonul de “fire”. Este ușor de observat că circulă un curent de vârf de 1,275 kA, precum și timpul de descărcare al condensatorilor.

Fig. 3

Graficul curentului

Se poate utiliza și altă metodă de determinare a curentului de vârf, având la baza figura 4.

Figura 4 reprezinta simularea descărcarii energiei stocată în condensatori, în bobina. Cu ajutorul osciloscopului se poate vizualiza curba care reprezintă descărcarea condensatorilor în bobina.

Fig.4 Graficul descărcării in timp a condensatorilor

Aplicând ecuația următoare rezultă valoarea curentului de vârf :

|I|=C|dv/dt|=(0.0156F)[8,5v/0.0001s]=1,275kA valoarea curentului de vârf

Valoarea dv/dt se obține din graficul curentului (v. fig. 3), si este reprezentată de maximul curbei graficului.

Astfel, tiristorul din etajul switch trebuie să reziste unui curent de vârf de 1,275 kA. Tiristorul utilizat funcționează cu un curent maxim de 1,75kA.

Utilizând simulările anterioare se poate determina viteza aproximativă a proiectilului, folosind ecuațiile energiei:

EC=½CV2= ½(0,015F)(400v)2=1,25kJ, energia stocată de condensatori

EL=½ LI2=½ ( 20uH)(1,275kA)2=16,25J energia bobinei solenoid

2EL/Ec=(216,25)/1,25=26%, eficienta bobinei (în transformarea energiei stocată în condensatori în energie cinetică, necesară azvârlirii proiectilului).

KE= ½mv2 =2EL=32,5 J

KE=½(0.012kg)v2=32,5J

V=73,5m/s, viteza teoretică a proiectilului la ieșirea de pe țeavă.

Însă apar multe limitări în construcția unei arme de tipul coilgun: rezistenta firelor de conexiune, a firului de bobinaj, ESR-ul condensatorilor și saturația fluxului magnetic, micșorează foarte mult eficiența întregului sistem. În urma simulărilor circuitului, și a calculelor realizate, am observat că doar 26% din energie este prezentă în bobina acceleratoare; dar, simulările prezentate mai sus, nu iau în considerare mulți dintre factorii care reduc eficienta sistemului, astfel încât este necesar să presupunem că eficiența va fi mult mai mică, aproximativ 2%. Rezultă:

KE= ½mv2= ηEC= η½CV2

KE=½ (0,012kg)v2=(0.02)[ ½ (0,015F)(400v)2]

v=64m/s

Din ecuațiile de mai sus rezulta o viteză a proiectilului, la ieșirea de pe țeavă, de 64m/s, în condițiile în care se pot încărca condensatorii la o tensiune de 400 vdc. Întrucât, în urma testelor efectuate am obținut doar 350v, rezulta:

EC=918J

KE= ½mv2= ηEC= η½CV2

v=55m/s

Astfel, în urma calculelor, simulărilor și testelor efectuate, am observat că prototipul EM GUN poate arunca un proiectil cu greutatea de 12g la o viteză de 55m/s. Am realizat mai multe teste, cu proiectile de diferite dimensiuni și greutăți, rezultând implicit variația valorii vitezei proiectilului, pentru fiecare tip de proiectil. Rezultatele au fost centralizate și introduse într-un tabel, în secțiunea anexe.

3.3 Prezentare generală a armei electromagnetice

Fig.5 Tunul electromagnetic, unitatea de comandă și control + bateria de condensatori

EM GUN este format din mai multe blocuri, a căror interconectare se observă in figurile 6 si 7 :

Fig. 6 Diagrama interconectării blocurilor

Fig. 7 Diagrama interconectării etajelor de tensiune

Blocul de comandă și control

Acest bloc este format din mai multe etaje, fiecare cu un rol bine definit, pentru posibilitatea declanșării loviturii.

Primul etaj reprezintă etajul de alimentare ( PSU-Power Supply Unit), respectiv sursa de tensiune, care furnizează la ieșire o tensiune de 12v/4A. De menționat este faptul că am folosit o sursă de alimentare în comutație ( a se vedea figura 8)

Fig. 8 Schema sursei de alimentare (PSU)

Tensiunea de 12 v este tensiunea principală, din care am derivat alte tensiuni, pentru alte componente ale etajului de comandă și control, prin intermediul unor stabilizatoare de 5v, respectiv de 3,3v.

Tensiunea de 5v se obtine cu un stabilizator KIA 7805 si este necesara alimentarii etajului de masurare.(fig 9)

Fig. 9 Schema stabilizatorului de 5v.

Tensiunea de 3v3 a fost obtinuta cu stabilizatorul smd LD 1117 si este necesara alimentarii etajului switch. (fig. 10)

Fig. 10 Schema stabilizatorului de 3v3

3.3.1 Etajul invertor

Rolul etajului invertor este de a asigura ridicarea tensiunii de 12v la aproximativ 400 v, pentru alimentarea etajului de încărcare, respectiv de a încărca bateria de condensatori la 350v-400v. Schema etajului invertor este reprezentata in figura 11

Fig. 11 Etajul invertor (High-Voltage unit, HV)

Invertorul are la bază un dublu comparator, LM 393 ( datasheet-ul se găsește în secțiunea anexe). Este realizat home-made, pe o placă de cablaj de test , pentru o realizare mai rapidă a PCB-ului (Printed Board Circuit), partea de invertor fiind realizata cu tranzistoare MOSFET, de tipul IRF250.

Transformatorul ridicător de tensiune este realizat pe un miez de ferită recuperat dintr-un transformator de linii dintr-un televizor CRT (Cathode Ray Tube).

3.3.2 Etajul de încărcare

Etajul de încărcare este format din bateria de condensatori, de capacitate totală de 15600 uF, la o tensiune de lucru de 400 v. Acest etaj are rolul de înmagazina energia furnizată de etajul invertor, pentru că mai apoi să fie transmisă mai departe prin etajul switch, în blocul accelerator.

Condensatorii se încarcă la o tensiune de aproximativ 350 v, rezultând o energie stocată de aproximativ 1kJ, energie care este apoi transmisă în bobina acceleratoare. Dezavantajul major este, că sunt pierderi mari în procesul de transformare al energiei electromagnetice în energie cinetică, și deci bobina are o eficiență mică. Dacă nu ar fi pierderi ar rezulta o viteză mult mare, și implicit un efect la țintă mult mai bun.

3.3.3 Etajul Switch

Acesta are același rol precum un comutator, și am folosit pentru acest etaj un tiristor cu parametri mai ridicați, pentru a rezista în tensiune și curent, precum și pentru a asigura o comutație rapidă. Avantajele etajului cu tiristor sunt că asigură o comutație rapidă și permite descărcarea completă a condensatorilor. Etajul se mai poate realiza deasemenea cu tranzistoare MOSFET sau IGBT.

Schema tipică a modului în care a fost conectat tiristorul în realizarea EM GUN este reprezentata in figura 12.

Fig. 12 Etajul switch

În construcția EM Gun am folosit tiristorul KP50A, al cărui datasheet se găsește în secțiunea anexe.

În imaginea următoare este prezentată o metodă simplă de testare a tiristorului, prin aplicarea unei tensiuni de deschidere în pinul GATE(poarta). Dacă tiristorul funcționează corect, atunci voltmetrul indica tensiunea de 11,27v,( vând în vedere consumul becului) iar becul se aprinde. In figura 13 este reprezentata o simulare a acestei testari realizata in programul EWB (Electronic Workbench).

Fig. 13 Circuitul de testare a unui tiristor

3.3.4Etajul de măsurare

Acest etaj are rolul de a măsura tensiunea formată pe etajul de încărcare, și de a afișa valoarea pe un ecran LCD, pentru ca utilizatorul sa cunoasca in permanenta situatia sistemului, daca acesta se incarca sau nu. Funcționează perfect și un voltmetru, dar pentru a fi home-made, am realizat un voltmetru utilizat circuitul integrat ICL7107, și schema tipică de utilizare, recomandată de producător (fig.14).

Fig. 14 Etajul de masurare

Blocul de comandă și control acționează blocul accelerator, format din țeavă cu sistemul de încărcare, pe care este așezată bobina acceleratoare, care produce câmp electromagnetic, imprimând viteza proiectilului (fig.15).

Fig.15 Teava cu bobina acceleratoare

Bobina este realizată cu fir de bobinaj CuEm Ø1,6mm, în trei straturi de 33 spire, fiecare strat este izolat cu bandă izolatoare. Bobina are o inductanță de 20mH, și o rezistență de 0,342Ω, iar lungimea de 50 mm.

Pentru ca sistemul să-și îndeplinească misiunea, aceea de a lovi ținta, sunt necesare anumite tipuri de proiectile, relizate pentru calibrul țevii, având dimensiuni specifice.

Proiectilele au fost fabricate din oțel cu diferite concentrații de carbon, de diferite dimensiuni și gramaje (fig. 15), rezultând astfel viteze diferite pentru fiecare tip de proiectil, și energii cinetice diferite. In testele realizate in timpul construirii EM GUN, am utilizat proiectile de 2g, 5g, 6g, 8g, 10g si proiectile mai grele de 12 g, pentru a vedea efectul la tinta.

Fig.15 Proiectile de diferite dimensiuni și gramaje

Tunul electromagnetic EM GUN, a fost realizat pentru a putea fi utilizat ca sistem static de armament intr-o baza militara, dar se poate adapta pe un mijloc de transport militar cu un generator suficient de puternic sa asigure energia necesara incarcarii armei la nivel maxim.

Aplicația practică realizată demostrează posibilitatea utilizării electromagnetismului in dezvoltarea unor noi tipuri de arme, folosind doar 1kJ energie stocată in bateria de condensatori. Aceeași aplicație realizată la o scară mai mare, folosind energie de câțiva Megajouli, va produce un rezultat mult mai bun in privința vitezei proiectilului și a efectului la tintă.

3.4 Modelarea 3D a armei EM GUN

CONCLUZII ȘI DEZVOLTĂRI ULTERIOARE

Lucrarea abordează o temă de interes pentru domeniul militar în momentul de față, dezvoltarea unor arme cât mai puternice și eficiente, diferite de armele convenționale, un domeniu care poate revoluționa industria sistemelor de armament.

De-a lungul timpului, au fost tot felul de încercări și planuri de construcție a unor arme electromagnetice, inclusiv în timpul celui de-al doilea război mondial, planuri care au fost abandonate datorită costurilor ridicate, și a tehnologiei slab-dezvoltata pe atunci. Succesul americanilor, în testele realizate în 2008-2010, au demonstrat și au transformat o idee ce părea din domeniul SF: arme electromagnetice, propulsia proiectilului prin forța electromagnetică.

Acest pas a fost posibil datorită dezvoltării rapide a tehnologiei, a evoluției puterii de calcul, dezvoltării surselor de energie, combinate cu „concurență” acerbă a dezvoltării unor arme cât mai puternice și mai sofisticate.

Lucrarea construită EM GUN, prezintă modul de proiectare și realizare al unei arme electromagnetice de tipul coilgun și este o lucrare nu foarte complexă, dar care își menține rolul de a demonstra posibilitatea construirii unei arme revoluționare, cu propulsie prin forța câmpului electromagnetic, și nu prin încărcături explozive.

De ce coilgun și nu railgun? Am optat pentru tipul coilgun, întrucât principiul dar și posibilitatea de construcție sunt mai la îndemâna utilizatorului.

În urma unor aprofundări ulterioare, consider că acest proiect poate reprezenta un punct de plecare, o bază de studiu, pentru îmbunătățirea și dezvoltarea unei arme mult mai puternice.

Utilizarea unei surse de tensiune mult mai puternică, a unor acumulatori rezistenți, dar și o capacitate mult mai mare a condensatorilor (dar care în același timp să ocupe un volum mic), oferă posibilitatea dezvoltării respectiv construirii unei arme portabile cu o viteză a proiectilului mult mai mare, rezultând deci, un efect omorâtor.

Utilizarea unui microcontroler, sau a unei plăci de tipul Arduino Uno, prezintă posibilitatea de monitorizare permanentă a tensiunii pe bateria de condensatori, permițând menținerea exactă a valorii acesteia.

De asemenea, montarea unor senzori în infraroșu pe țeavă, oferă microcontrolerului posibilitatea calculării vitezei de ieșire a proiectilului, pe baza distanței exacte cunoscute intre senzori, și timpului măsurat pentru parcurgerea acestei distanțe, viteza ce poate fi afișata ulterior pe un display utilizatorului.

Iată mai jos o variantă de conectare a 2 senzori:

Ieșirile operaționalului se conectează la pinii 2-7 pe placă Arduino Uno, sau la microcontrolerul Atmega 328.

O variantă de conectare a microcontrolerului:

Microcontroler-ul preia semnalele de la ieșirile circuitului de senzori și măsoară timpul în care nivelul de tensiune pe fiecare senzor trece din „HIGH” în „LOW”, și astfel poate calcula viteza.

Din calculele realizate în capitolul faza de proiectare a lucrării, am observat că viteza proiectilului este direct proporțională cu tensiunea formată pe bateria de condensatori, implicit și distanța de lovire, fiind singura variabilă în circuit, întrucât capacitatea este fixă pentru oricare circuit, iar tensiunea se utilizează sub forma „V2”.

În urma acestui fapt, am realizat că, se poate calcula viteza proiectilului în funcție de fiecare prag de tensiune, valori care pot fi corelate într-un tabel (viteza/distanta „x”- tensiunea „y”), introduse apoi în codul sursă al microcontrolerului, și astfel acesta știe că pentru o anumită viteza, sau pentru lovirea la o anumită distanță, va trebui să permită o valoare specifică a tensiunii.

Dacă se folosește o capacitate mare, în funcție de obiectiv, se poate fragmenta această capacitate în mai multe baterii de condensatori, iar printr-o programare mai complexă, MCU va ști că trebuie să permită încărcarea a unul, doua sau trei grupuri de condensatori, pentru a se obține viteza necesară.

Un exemplu al acestei aplicații:

Acest aspect ar fi util, pentru a nu se utiliza sistemul la întreaga capacitate, dacă situația nu impune acest lucru.

De asemenea, în cazul construirii unei sistem de armament la scara reală, după cum am menționat și în capitolul 2, consider că aceasta ar putea fi realizată cu posibilitatea de foc automat.

Atașarea unui sistem automat de detectare a țintei și a unui sistem de măsurare a distanței, permit armei să declanșeze focul în mod automat, iar mai multe astfel de arme ar putea forma un sistem de apărare automatizat, care necesita doar câțiva operatori pentru supraveghere, și pentru verificarea potențialelor erori software.

O altă îmbunătățire, ar fi utilizarea unor proiectile cu carcasa metalică, și în interior o încărcătură explozivă. Efectul asupra obiectivului este mult mai mare, acesta fiind distrus și prin forța exploziei, și nu doar prin energia cinetică a proiectilului.

Prototipul EM GUN, construit la scara reală, prezintă posibilitatea montării pe vehicule blindate (tanc, TAB), sau pe nave maritime. De menționat este că va crește consumul de combustibil, datorită faptului că generatorul va trebui să producă suficientă energie pentru încărcarea armei.

Sunt multe aspecte teoretice posibile, însă trebuie avut în vedere resursele financiare mari necesare construcției unor astfel de arme. Energia necesară trebuie să fie de ordinul MegaJoulilor, pentru a obține o viteză mare cu un proiectil de dimensiuni mari, iar pentru a putea obtine rezultate satisfacatoare trebuie investitii mari.

BIBLIOGRAFIE

H.Gavrila, O. Centea, Teoria moderna a campului electromagnetic si aplicatii, Bucuresti, Editura All,1998, pag.2

Bazele electrotehnicii, Universitatea Politehnica din Bucuresti, Daniel Ioan, 2012

D.Ioan, “Bazele electrotehnicii-Marimile primitive ale electromagnetismului”, Universitatea Politehnica din Bucuresti, 2012.

Teoria campului electromagnetic, curs predat la Facultatea de Electrotehnica, 2001-2002

Schellhardt, Don: An Agenda For Real National Security, PRIORITY ONE, The 21. Century POPULIST, 17. July 2003

National Security Agency (NSA) Specification No.73/2A: Specification for Foil RF Shielded Enclosure, NSA, 15 Nov. 1972

Kopp, Carlo: The Electromagnetic Bomb, Weapon of Electronic Mass Destruction, RAAF Air Power Studies Center, USA, 1996

Multiple stage pulsed induction acceleration, 11 mai 2011

Em Mortar Technology Development for Indirect Fire, 9 mai 2011

Sandia National Laboratories/Lockheed Electromagnetic Missile Launcher, 9mai 2011

IEEE Spectrum, iulie 2007-mai 2011

NASA SP-509, “Electromagnetic Launch of Lunar Material”

Lab Says Electromagnetism Could Launch Satellites

Transformational Technologies to Expedite Space Acces, 9 mai 2011

C. S. Raileigh and R.A. Marshall, Electromagnetic Acceleration of Macroparticles to High Velocities, J. Appl. Phys. 49(4), April 1978.

Brendan Borrell (6 februarie 2008). “Electromagnetic Railgun Blasts Off. Technology Review”

„Naval Rail Guns are Revolutionary”, lieutenant comander David Allan Adams, US Navy

Harris William. “How Rail Guns Work”. 11 octombrie 2005, HowStuffWork.com, 25 martie 2011

„Naval Rail Guns are Revolutionary”, lieutenant comander David Allan Adams, US Navy

Harris William. “How Rail Guns Work”. 11 octombrie 2005, HowStuffWork.com, 25 martie 2011

ELECTROMAGNETIC PULSE AND E-BOMB, Radojka PRASTALO Silvana SUKALO Faculty of Electrical Engineering Banjaluka, Bosnia and Herzegovina

Kopp, Carlo: The Electromagnetic Bomb, Weapon of Electronic Mass Destruction, RAAF Air Power Studies Center, USA