El cañón del cañón de riel consta de dos rieles guía paralelos de aproximadamente 6 metros de largo, y los rieles guía están conectados por un rotor liso. La electricidad fluye desde una vía, a través del rotor y de regreso a la otra vía. Este bucle genera un campo magnético que empuja el rotor, que luego impulsa el proyectil delante del rotor fuera de órbita.
Los cañones navales ordinarios tienen un alcance de sólo 20 kilómetros y poca precisión. Aunque los misiles de crucero tienen un alcance efectivo de más de 300 kilómetros, son caros y un barco sólo puede transportar hasta 70 de ellos. Debido a que no se puede cargar ni descargar en el mar, debe regresar al puerto al reponerse. Los cañones de riel tienen muchas ventajas, como largo alcance, bajo costo, transporte conveniente e instalaciones de apoyo completas, y el Departamento de Defensa de EE. UU. tiene grandes esperanzas en ellos. El ejército estadounidense incluso considera el cañón de riel como una solución tecnológica candidata para el arma principal de combate de los vehículos de combate del ejército después de 2020.
Sin embargo, la investigación técnica sobre el lanzamiento electromagnético puede continuar durante más de 20 años, porque ningún buque de guerra puede generar y almacenar la energía eléctrica necesaria para el lanzamiento. En el pasado, el 90% de la energía de los destructores se utilizaba para alimentar el sistema de propulsión. Además, los desafíos incluyen: tecnología de control de alta precisión para garantizar un impacto preciso en el objetivo y la capacidad del proyectil de artillería para soportar una enorme aceleración. Debido a la distancia al objetivo de más de 300 kilómetros, esta arma no puede apuntar como un cañón normal y requiere corrección neumática. Mientras el proyectil está en el aire, su dirección debe corregirse mediante instrucciones del satélite. Al mismo tiempo, la aceleración del proyectil de artillería cuando salga de la cabina alcanzará 45.000 veces la aceleración de la gravedad de la Tierra. El equipo electrónico que lleva el proyectil de artillería debe soportar esta aceleración. Además, es difícil hacer que el rotor se mueva a alta velocidad dentro del cañón.
Actualmente, la Marina estadounidense está trabajando con el Ministerio de Defensa británico para desarrollar este cañón de riel. Planean convertir el destructor en una ametralladora ultralarga que pueda disparar 12 rondas de estos baratos proyectiles de artillería por minuto. En 2003, una fábrica en Kirkcudbright, Inglaterra, produjo una muestra de este cañón de riel a escala 1:8, y en el experimento disparó un proyectil que voló de manera estable a 6 veces la velocidad del sonido. Sin embargo, los cañones de riel estadounidenses no se entregarán hasta 2015 como muy pronto, según el capitán Roger McGinnis del Comando de Sistemas Marítimos Navales de EE. UU.
Después de años de arduo trabajo, la ciencia y la tecnología utilizadas por los cañones de riel han logrado grandes avances y pueden usarse para aplicaciones militares, sentando una base sólida para la investigación de sistemas de combate con cañones de riel.
En primer lugar, el Departamento de Defensa de Estados Unidos decidió estudiar el barco con sistema de energía integrado DDG-1000, lo que abrió la puerta a la investigación de una nueva generación de sistemas de armas de energía, incluidos cañones de riel. Porque la potencia requerida por un cañón de riel depende de la velocidad a la que se dispara el proyectil. La potencia eléctrica nominal del barco con sistema de energía integrado es de 80 MW, que es potencia suficiente para sostener un cañón de riel de 15 a 30 MW disparando proyectiles a una velocidad de 6 a 12 disparos por minuto. Al mismo tiempo, los cañones de riel no requieren explosivos de alta energía como la pólvora, lo que mejora la seguridad del barco y reduce los costos de apoyo logístico. En segundo lugar, el desarrollo de la tecnología de guía de precisión ha promovido el desarrollo de cañones ferroviarios. El ejército estadounidense está aplicando cada vez más tecnologías de sistemas de guía, navegación y control, lo que brinda oportunidades para el desarrollo de proyectiles más pequeños, más letales y más baratos. Esta tendencia sólo ha sido impulsada por el desarrollo de balas de cañón de riel de alta velocidad y bajo costo. El tercero es la extensión de la vida útil del cañón. El Instituto de Tecnología Avanzada de la Universidad de Texas ha logrado enormes avances en la tecnología de vida útil de los cañones para el Ejército de los EE. UU. La superficie de contacto armadura-carril está sujeta a dos fenómenos de desgaste que limitan la vida útil del cañón: ranurado y traslación. En la actualidad, los técnicos estadounidenses comprenden plenamente las causas físicas del deslizamiento a alta velocidad y han encontrado materiales para solucionar este problema. En la boca, cuando la armadura cambia de contacto de metal a metal a contacto de arco, el plasma correspondiente destruye la pista. Actualmente, la Escuela Secundaria de Tecnología de la Universidad de Texas ha demostrado un enfoque exitoso para el problema de la traducción.
En 2001 y 2011, el Instituto de Investigación de Alta Tecnología Naval de EE. UU. obtuvo los principales parámetros de rendimiento del nuevo sistema de cañón de riel electromagnético a través de actividades de modelado e investigación de parámetros: el cañón de riel se puede instalar en barcos de superficie y pesa tanto como El avanzado sistema de artillería de 155 mm puede utilizar una energía cinética inicial de 63 megajulios y una velocidad inicial de 2.500 metros por segundo (Mach 7,5).
El proyectil de alta velocidad solo tarda 6 minutos en alcanzar un objetivo a 200 millas náuticas de distancia y puede alcanzar el objetivo con energía cinética a una velocidad de Mach 5. También se estimaron la energía cinética inicial y la velocidad requerida para que la red de formación de pulsos (PFN) genere el proyectil.
Con la profundización de la investigación DDG-1000 iniciada por la Armada de los EE. UU., la Armada de los EE. UU. planeó instalar armas electromagnéticas en esta plataforma y adjudicó un contrato al Departamento de Sistemas de Armas de BAE Systems en 2003 por un período de 6 Años de investigación para integrar cañones de riel en nuevos destructores. Después de la investigación, BAE Systems cree que el sistema de energía integrado DDG-1000 con una potencia de 81 MW puede proporcionar energía suficiente para dos cañones de riel. Cuando el barco navega a una velocidad de 10 a 18 nudos, el cañón de riel puede disparar de 10 a 12 disparos por minuto. El peso y el tamaño del cañón de riel son adecuados para su instalación en barcos de superficie. El principal problema de ingeniería al que se enfrenta actualmente el esfuerzo de síntesis es simplemente gestionar la energía térmica generada por el cañón de riel.
Un hito importante en la historia de la investigación de los cañones de riel es que la Marina de los EE. UU. completó con éxito una prueba de demostración de cómo un cañón electromagnético de 90 mm puede lanzar municiones hipersónicas al mar en el condado de Kirkbury, Escocia, en abril de 2003. La prueba fue realizada conjuntamente por el Comando de Sistemas Marítimos Navales de los EE. UU. y la fábrica de armas electromagnéticas de la compañía británica **. El sistema utilizado en la prueba es un prototipo, de 1/8 del tamaño de un futuro prototipo, pero el proyectil disparado tiene una velocidad de salida de más de 2500 m/s (la velocidad específica aún es confidencial). Muchos altos funcionarios de la Marina de los EE. UU., incluido el comandante de la flota de la Marina de los EE. UU., almirante Robert Knight y el director de la Oficina de Investigación Naval, el contralmirante Jay Cohen, participaron en esta prometedora prueba de verificación de tecnología. Esta prueba es un paso clave en la revolución de la potencia de fuego de la Armada y en el cambio del papel de una nueva generación de cañones navales y combatientes de superficie de la Armada.
El Comando de Sistemas Marítimos Navales de EE. UU. presentó los resultados de las pruebas en Coolchaberry al Grupo de Estudio de Tecnología de Armas Electromagnéticas del Comité Asesor de Investigación Marítima Naval de EE. UU. El grupo emitió un informe de evaluación en febrero de 2004. El informe identifica el cañón de riel como un arma potencialmente transformadora y recomienda que la Armada inicie un programa de investigación de reducción de riesgos para garantizar que el arma sea adecuada para futuros programas de destructores. El equipo también cree que el arma electromagnética es un revolucionario sistema de combate con armas electromagnéticas que puede atacar objetivos a 200 millas náuticas de distancia. También tiene las ventajas de aumentar las reservas de municiones, mejorar el desarrollo y reducir los costos y los requisitos de apoyo logístico. Abandonar esta investigación sería un gran error.
En junio 65438+octubre 65438+junio de 2007, la Oficina de Investigación Naval (ONR) de EE. UU. celebró una ceremonia de entrega de un nuevo dispositivo electromagnético en la División Dahlgren del Centro de Guerra Naval de Superficie en Virginia. En lugar de cortar la cinta con tijeras, la Marina de los EE. UU. rompió las convenciones y utilizó un arma electromagnética experimental de 90 mm para disparar un proyectil de alta velocidad a través de la cinta. La energía cinética inicial de este proyectil en la boca alcanza los 7,4 MJ y la velocidad de salida alcanza los 2146 m/s. Pero lo más significativo es que la entrega de este nuevo arma electromagnética confirma una vez más la confianza de la Armada de los Estados Unidos en los cañones de riel de alta energía. La Marina de los EE. UU. utilizará este cañón de riel como un programa de arma modificado para lanzar proyectiles de alta velocidad para atacar con precisión objetivos de largo alcance, cambiando así las operaciones de ataque marítimo de la Marina de los EE. UU.
La entrega del dispositivo de prueba de lanzamiento de la División Dahlgren es sólo el comienzo. La Marina de los Estados Unidos pretende desarrollar un sistema táctico que pueda disparar continuamente municiones de precisión desde buques de guerra a más de 300 millas náuticas de la costa. Esta munición, aunque contiene poco o ningún material altamente explosivo, puede destruir objetivos mediante el impacto de proyectiles a alta velocidad. Los cañones de riel superan las limitaciones de la artillería convencional, como el corto alcance, el corto tiempo de vuelo y la letalidad limitada. Dado que los proyectiles de artillería electromagnéticos no contienen materiales explosivos, no es necesario producir, transportar, manipular ni almacenar explosivos. Además, el alcance ultralargo, el tiempo de vuelo extremadamente corto y la alta letalidad mejoran en gran medida el poder ofensivo de la Marina de los EE. UU. en futuras operaciones de largo alcance. Al utilizar corrientes extremadamente altas para crear poderosas fuerzas electromagnéticas, los futuros cañones de riel de la Marina de los EE. UU. podrían disparar proyectiles a velocidades superiores a Mach 7. El proyectil primero ingresa rápidamente al espacio atmosférico exterior y vuela sin resistencia, luego vuelve a ingresar a la atmósfera y alcanza el objetivo a una velocidad de Mach 5 o superior.
La Oficina de Investigación Naval de EE. UU. se esfuerza por llevar la investigación de cañones de riel a la etapa militar y planea equipar a las tropas en 2020-25.
En agosto de 2005, la Marina de los EE. UU. lanzó un proyecto llamado "Prototipo naval innovador", con la esperanza de que al invertir en este proyecto de transición, se pudieran obtener tecnologías relativamente maduras en los próximos 4 a 4 años. Investigación y desarrollo de cañones de riel en 8 años. El proyecto del "prototipo naval innovador" es mucho más "extraño" que las armas y equipos tradicionales y tiene un mayor grado de riesgo.
También se desvía fundamentalmente de los requisitos y conceptos operativos establecidos. Por lo tanto, esta investigación no habría sido posible sin la aprobación de los altos mandos de la Marina de los EE. UU.
La Armada de Estados Unidos planea invertir 270 millones de dólares en el proyecto "Innovative Naval Prototype" para resolver principalmente cuatro problemas técnicos de lanzadores, proyectiles, redes de formación de pulsos y síntesis de barcos. Los principales esfuerzos de investigación de la Oficina de Investigación Naval durante la primera fase del programa se centraron en el lanzador y el proyectil. El objetivo de la investigación está en la tecnología avanzada de lanzadores sellados, así como en el tamaño y peso adecuados del sistema de cañón de riel electromagnético para que pueda integrarse en el barco y resistir el enorme pulso electromagnético generado cuando se lanza. La segunda fase de la investigación consiste en integrar el lanzador y el proyectil en un sistema completo. En la primera fase, la Armada trabajará en un cañón que pueda dispararse varias veces. Este cañón mantiene la repulsión orbital. La Marina de los EE. UU. también abordará cuestiones de gestión de la energía térmica aumentando la energía cinética inicial de la boca del cañón de los actuales 8 MJ a 32 MJ y, finalmente, a 64 MJ. En términos de proyectiles, la Marina de los EE. UU. necesita estudiar cómo mejorar la capacidad de supervivencia del lanzamiento de los cañones de riel (porque los proyectiles pueden experimentar 45.000 g de aceleración de la gravedad y encontrar posibles efectos de interferencia electromagnética) y resolver problemas como el vuelo guiado de alta velocidad y los mecanismos de letalidad. . Otros proyectos de investigación importantes incluyen la geometría del cañón, los materiales avanzados (incluidos los materiales sintéticos), la tecnología de sellado y la tecnología de fabricación.
El lanzador electromagnético de la División Dahlgren del Centro de Guerra Naval de Estados Unidos es un dispositivo técnico clave que respalda el proyecto "Prototipo naval innovador". El dispositivo incorpora un condensador de 100 MJ (investigado por General Atomics) y un cañón de 90 mm reacondicionado en el "Green Farm Electron Gun Development Device" desarrollado por Maxwell Technologies de 1986 a 1999 bajo las órdenes de la Agencia de Reducción de Amenazas de Defensa de Estados Unidos. El transmisor electromagnético fue probado y puesto en funcionamiento de prueba en junio de 2006 y oficialmente entró en funcionamiento en junio de 2007.
En apoyo del programa de Prototipo Naval Innovador, la División Dahlgren del Centro de Guerra Naval de Superficie aumentará la energía almacenada y mejorará el lanzador y el área terminal para ensamblar un misil para finales del año fiscal 2008. Un cañón de riel con una energía cinética inicial de 32 MJ. La división de Sistemas de Armas de BAE Systems ha diseñado y renovado un lanzador experimental de 32 MJ bajo un contrato de 5,4 millones de dólares. Se espera que el lanzador sea instalado y puesto en servicio en la División Dahlgren del Centro de Guerra Naval de Estados Unidos a finales de junio de 2007. Según BAE Systems, el cañón de este lanzador experimental fijo está sellado con placas de acero laminado para estudiar la vida útil del cañón. Las actividades de investigación cuentan con el apoyo de un comité compuesto por representantes de los laboratorios, la industria y el mundo académico del gobierno de EE. UU.
La Oficina de Investigación Naval de Estados Unidos planea probar el cañón de riel de 32 MJ a finales del tercer trimestre del año fiscal 2008. Si los resultados de la investigación pasan la evaluación, la investigación pasará a la segunda fase en agosto de 2009, y se planea demostrar el estado de sellado de 100 barriles lanzadores de 32 MJ y barriles avanzados de 32 MJ para finales del año fiscal 2010.
Después de evaluar los estudios de diseño teórico realizados por BAE Systems, General Forces y Grumman Corporation de Northrop Corp. de junio de 2006 a marzo de 2006, la Oficina de Investigación Naval de BAE Systems y General Atomics fue seleccionada para realizar un Desarrollo técnico de 30 meses y estudio de diseño preliminar del cañón de riel de 32 julios en junio de 2006 en preparación para el despliegue real del sistema táctico de energía cinética de 64 MJ. BAE Systems se ha adjudicado un contrato de 9,3 millones de dólares para la tecnología de prototipo de cañón y el diseño preliminar del cañón de riel. General Atomics recibió un contrato de 9,6 millones de dólares para desarrollar la tecnología necesaria para los lanzadores de cañones de riel en cooperación con Boeing, L-3 Communications, Spartan Composites y Jackson Engineering. Además, Boeing y Draper estudian conjuntamente la teoría de los proyectiles y los paquetes de lanzamiento integrados, incluida la dinámica del barril de los paquetes de lanzamiento integrados, las propiedades termodinámicas de los proyectiles voladores y del aire, la letalidad y la capacidad de supervivencia del lanzamiento, la orientación, la navegación y el control.
En cuanto al trabajo de investigación avanzada de la fuerza del pulso, el ejército estadounidense es responsable de ello y planea demostrarlo en el año fiscal 2008. Otros esfuerzos de investigación incluyen condensadores de alta densidad de energía y gestión de energía térmica para múltiples eventos de lanzamiento.
Si el proyecto Innovative Navy Prototype pasa la evaluación en 2009, la Fase 1 se completará en 2011 y la Fase 2 continuará hasta el año fiscal 2015.
Si todo el trabajo de investigación transcurre sin problemas, el Comando Naval de Sistemas Marítimos podrá llevar a cabo el desarrollo a gran escala del cañón de riel en el año fiscal 2015. El sistema táctico del cañón de riel 64 MJ se demostrará en el mar en el año fiscal 2016 y podrá equiparse en 2020-26.
El 28 de febrero de 2012, oficiales militares estadounidenses anunciaron que los ingenieros de la Marina de los EE. UU. probaron con éxito el primer prototipo de cañón de riel fabricado por una empresa industrial militar en el Centro de Guerra Terrestre en Dahlgren, Virginia, promoviendo el desarrollo de esta nueva arma de ultra largo alcance. Según información publicada por la Armada, la velocidad de salida del proyectil de artillería puede alcanzar entre 7.000 y 8.000 metros por segundo y puede alcanzar objetivos a una distancia de entre 90 y 180 kilómetros.
Roger Ellis, director de proyecto del arma electromagnética, dijo que el objetivo principal de esta prueba era evaluar la vida útil del cañón y la estructura general del prototipo de arma. Dijo que esto acercaría a la Armada un paso más hacia futuros sistemas de armas tácticas. Si se desarrolla con éxito, el arma electromagnética mejorará en gran medida las capacidades multimisión de la marina. Su velocidad de salida y alcance superan con creces los de la artillería naval ordinaria, lo que significa que la marina puede implementar apoyo de fuego preciso de largo alcance para operaciones militares terrestres, interceptar misiles de crucero o misiles balísticos enemigos entrantes y atacar barcos enemigos.
El "prototipo" del cañón de riel de 32 MJ, fabricado en Estados Unidos por la empresa británica BAE Ordnance Development, ha sido probado seis veces en una semana, dando inicio a un proceso de evaluación de dos meses. En el proceso, la Armada evaluará un prototipo del cañón de riel construido por BAE Systems y otro prototipo construido por General Atomics. Se espera que el prototipo del cañón de General Atomics esté terminado en abril.