Technologia elektrotermiczno-chemiczna - Electrothermal-chemical technology

Technologia elektrotermiczno-chemiczna ( ETC ) to próba zwiększenia celności i energii wylotowej przyszłych dział czołgów , artylerii i broni bliskiego zasięgu poprzez poprawę przewidywalności i tempa ekspansji paliwa w lufie.

Pistolet elektrotermiczno-chemiczny wykorzystuje nabój plazmowy do zapalania i kontrolowania gazu pędnego amunicji, wykorzystując energię elektryczną do wyzwalania procesu. ETC zwiększa wydajność konwencjonalnych paliw pędnych w stanie stałym, zmniejsza wpływ temperatury na rozprężanie się paliwa i pozwala na stosowanie bardziej zaawansowanych paliw pędnych o większej gęstości.

Technologia jest rozwijana od połowy lat osiemdziesiątych i obecnie jest aktywnie badana w Stanach Zjednoczonych przez Army Research Laboratory , Sandia National Laboratories i wykonawców przemysłu obronnego, w tym FMC Corporation , General Dynamics Land Systems , Olin Ordnance i Soreq. Centrum Badań Jądrowych . Możliwe, że napęd dział elektrotermiczno-chemicznych będzie integralną częścią przyszłego systemu walki armii amerykańskiej i innych krajów, takich jak Niemcy i Wielka Brytania . Technologia elektrotermiczno-chemiczna jest częścią szerokiego programu badawczo-rozwojowego, który obejmuje wszystkie technologie broni elektrycznej, takie jak karabiny kolejowe i cewki .

tło

XM360.

Ciągła walka między pancerzem a pociskami przeciwpancernymi doprowadziła do ciągłego rozwoju projektu głównego czołgu bojowego. Ewolucję amerykańskiej broni przeciwpancernej można przypisać wymaganiom stawianym radzieckim czołgom. Pod koniec lat osiemdziesiątych XX wieku sądzono, że poziom ochrony przyszłego radzieckiego czołgu (FST) może przekroczyć 700 mm równoważnika walcowanego jednorodnego pancerza przy jego maksymalnej grubości, który był skutecznie odporny na współczesne stabilizowane statycznie płetwy przeciwpancerne M829 odrzucające sabot . W latach osiemdziesiątych najbardziej bezpośrednią metodą, jaką NATO dysponowało, aby przeciwdziałać postępowi radzieckiej technologii opancerzenia, było przyjęcie głównej armaty kal. 140 mm, ale wymagało to przeprojektowania wieży, która mogłaby zawierać większy zamek i amunicję, a także wymagało pewnego rodzaju automatycznego ładowarka. Chociaż działo 140 mm było uważane za prawdziwe rozwiązanie tymczasowe, po upadku Związku Radzieckiego zdecydowano, że zwiększenie energii wylotowej, które zapewniało, nie było warte zwiększenia masy. Dlatego środki zostały wydane na badania nad innymi programami, które mogłyby zapewnić potrzebną energię wylotową. Jedną z najbardziej udanych technologii alternatywnych pozostaje zapłon elektrotermiczno-chemiczny.

Większość proponowanych postępów w technologii armat opiera się na założeniu, że paliwo stałe jako samodzielny układ napędowy nie jest już w stanie dostarczyć wymaganej energii wylotowej. Wymóg ten został podkreślony przez pojawienie się rosyjskiego czołgu podstawowego T-90 . Nawet wydłużenie obecnych tub armat, takich jak nowy niemiecki 120 mm L / 55, który został wprowadzony przez Rheinmetall, jest uważane tylko za rozwiązanie przejściowe, ponieważ nie zapewnia wymaganego wzrostu prędkości wylotowej. Nawet zaawansowana amunicja wykorzystująca energię kinetyczną, taka jak amerykańska M829A3, jest uważana tylko za tymczasowe rozwiązanie dla przyszłych zagrożeń. W tym zakresie uważa się, że paliwo stałe osiągnęło koniec swojej użyteczności, chociaż pozostanie główną metodą napędu przez co najmniej następną dekadę, aż do dojrzewania nowszych technologii. Aby ulepszyć możliwości broni na paliwo stałe, broń elektrotermiczno-chemiczna może rozpocząć produkcję już w 2016 roku.

Technologia ETC oferuje modernizację o średnim ryzyku i jest rozwijana do tego stopnia, że ​​dalsze ulepszenia są tak niewielkie, że można je uznać za dojrzałe. Lekki amerykański czołg XM291 kal. 120 mm był bliski osiągnięcia 17 MJ energii wylotowej, co stanowi najniższe spektrum energii wylotowej dla działa 140 mm. Jednak sukces XM291 nie oznacza sukcesu technologii ETC, ponieważ istnieją kluczowe elementy układu napędowego, które nie zostały jeszcze poznane lub w pełni opracowane, takie jak proces zapłonu plazmy. Niemniej jednak istnieją istotne dowody na to, że technologia ETC jest opłacalna i warta swojej ceny, aby kontynuować rozwój. Ponadto można go zintegrować z obecnymi systemami pistoletów.

Jak to działa

Schemat działającego pistoletu elektrotermiczno-chemicznego.

Pistolet elektrotermiczno-chemiczny wykorzystuje nabój plazmowy do zapalania i kontrolowania gazu pędnego amunicji, wykorzystując energię elektryczną jako katalizator do rozpoczęcia procesu. Pierwotnie badany przez dr Jona Parmentola dla armii amerykańskiej, stał się bardzo prawdopodobnym następcą standardowego działa czołgowego na paliwo stałe. Od początku badań Stany Zjednoczone sfinansowały projekt broni XM291 kwotą 4 000 000 USD, badania podstawowe - 300 000 USD, a badania stosowane - 600 000 USD. Od tego czasu udowodniono, że działa, chociaż wydajność do wymaganego poziomu nie została jeszcze osiągnięta. ETC zwiększa wydajność konwencjonalnych paliw pędnych w stanie stałym, zmniejsza wpływ temperatury na rozprężanie się paliwa i pozwala na stosowanie bardziej zaawansowanych paliw pędnych o większej gęstości. Zmniejszy również ciśnienie wywierane na lufę w porównaniu z alternatywnymi technologiami, które oferują taką samą energię wylotową, biorąc pod uwagę fakt, że pomaga to znacznie płynniej rozprowadzać gaz pędny podczas zapłonu. Obecnie istnieją dwie główne metody inicjacji plazmy: emiter wielkopowierzchniowy (FLARE) i potrójny współosiowy zapalnik plazmy (TCPI).

Emiter o dużej powierzchni Flashboard

Tablice błyskowe działają w kilku równoległych ciągach, aby zapewnić duży obszar promieniowania plazmy lub ultrafioletu i wykorzystują rozkład i odparowanie szczelin diamentów do wytworzenia wymaganej plazmy. Te równoległe struny są zamontowane w rurach i zorientowane tak, aby ich szczeliny były azymutalne względem osi rury. Wyładowuje się, używając powietrza pod wysokim ciśnieniem, aby usunąć powietrze z drogi. Inicjatory FLARE mogą zapalać propelenty poprzez uwalnianie plazmy, a nawet przez użycie ultrafioletowego promieniowania cieplnego. Długość absorpcji paliwa stałego jest wystarczająca do zapłonu przez promieniowanie ze źródła plazmy. Jednak FLARE najprawdopodobniej nie osiągnął optymalnych wymagań projektowych, a dalsze zrozumienie FLARE i sposobu jego działania jest całkowicie konieczne, aby zapewnić ewolucję technologii. Gdyby FLARE dostarczył projektowi działa XM291 wystarczające ciepło promieniowania, aby zapalić paliwo i osiągnąć energię wylotową 17 MJ, można by sobie tylko wyobrazić możliwości w pełni rozwiniętego zapalnika plazmy FLARE. Aktualne obszary badań obejmują wpływ plazmy na propelent poprzez promieniowanie, dostarczanie energii mechanicznej i ciepła bezpośrednio oraz poprzez napędzanie przepływu gazu. Pomimo tych zniechęcających zadań FLARE był postrzegany jako najbardziej prawdopodobny zapalnik do przyszłych zastosowań w pistoletach ETC.

Potrójny współosiowy zapalnik plazmy

Zapalnik koncentryczny składa się z całkowicie izolowanego przewodnika, pokrytego czterema paskami folii aluminiowej. Wszystko to jest dodatkowo izolowane w rurze o średnicy około 1,6 cm z perforacją małymi otworami. Chodzi o to, aby użyć przepływu elektrycznego przez przewodnik, a następnie eksplodować strumień w parę, a następnie rozbić go na plazmę. W konsekwencji plazma ucieka przez ciągłe perforacje w rurze izolacyjnej i inicjuje otaczający ją propelent. Zapalnik TCPI jest montowany w oddzielnych pojemnikach na paliwo dla każdej amunicji. Jednak TCPI nie jest już uważane za realną metodę zapłonu paliwa, ponieważ może uszkodzić płetwy i nie dostarcza energii tak wydajnie jak zapalnik FLARE.

Wykonalność

Armata ETC kal. 60 mm opracowana przez marynarkę wojenną USA w FMC jako demonstrator zasady działania ETC CIWS.

XM291 jest najlepszym istniejącym przykładem działającego pistoletu elektrotermiczno-chemicznego. Była to technologia alternatywna dla cięższego działa kal. 140 mm, wykorzystująca podejście dwukaliberowe. Wykorzystuje zamek, który jest wystarczająco duży, aby pomieścić amunicję 140 mm i może być montowany zarówno z lufą 120 mm, jak i lufą 135 mm lub 140 mm. XM291 ma również większą rurę armaty i większą komorę zapłonową niż dotychczasowe działo główne M256 L / 44. Dzięki zastosowaniu technologii elektrotermiczno-chemicznej XM291 był w stanie uzyskać energię wylotową, która jest porównywalna z działem niskiego poziomu 140 mm, jednocześnie osiągając prędkości wylotowe większe niż w przypadku większego działa 140 mm. Chociaż XM291 nie oznacza, że ​​technologia ETC jest opłacalna, daje przykład, że jest to możliwe.

ETC jest również z definicji bardziej realną opcją niż inne alternatywy. ETC wymaga znacznie mniej energii wejściowej ze źródeł zewnętrznych, takich jak bateria, niż działo szynowe lub coilgun . Testy wykazały, że energia wytwarzana przez paliwo jest wyższa niż energia pobierana ze źródeł zewnętrznych w działach ETC. Dla porównania, Railgun obecnie nie może osiągnąć większej prędkości wylotowej niż ilość energii wejściowej. Nawet przy sprawności 50% działo szynowe wystrzeliwujące pocisk o energii kinetycznej 20 MJ wymagałoby wkładu energii w szyny 40 MJ, a sprawność 50% nie została jeszcze osiągnięta. Aby spojrzeć na to z perspektywy, działo szynowe wystrzelone z energią 9 MJ potrzebowałoby około 32 MJ energii z kondensatorów. Obecne postępy w magazynowaniu energii pozwalają na uzyskanie gęstości energii do 2,5 MJ / dm³, co oznacza, że ​​bateria dostarczająca 32 MJ energii wymagałaby objętości 12,8 dm³ na strzał; nie jest to odpowiednia pojemność do wykorzystania w nowoczesnym czołgu podstawowym, zwłaszcza takim, który ma być lżejszy niż istniejące modele. Dyskutowano nawet o wyeliminowaniu konieczności stosowania zewnętrznego źródła elektrycznego w zapłonie ETC poprzez zainicjowanie wkładu plazmowego za pomocą niewielkiej siły wybuchowej.

Ponadto technologia ETC ma zastosowanie nie tylko do paliw stałych. Aby zwiększyć prędkość wylotową, nawet dalszy zapłon elektrotermiczno-chemiczny może działać z ciekłymi propelentami, chociaż wymagałoby to dalszych badań nad zapłonem plazmy. Technologia ETC jest również kompatybilna z istniejącymi projektami, aby zmniejszyć ilość odrzutu dostarczanego do pojazdu podczas strzelania. Zrozumiałe jest, że odrzut działa wystrzeliwującego pocisk z prędkością 17 MJ lub wyższą wzrośnie bezpośrednio wraz ze wzrostem energii wylotowej zgodnie z trzecią zasadą ruchu Newtona, a pomyślne wdrożenie mechanizmów redukcji odrzutu będzie miało zasadnicze znaczenie dla instalacji broni napędzanej ETC w istniejący projekt pojazdu. Na przykład nowe, lekkie działo 120 mm L / 45 firmy OTO Melara osiągnęło siłę odrzutu 25 ton dzięki zastosowaniu dłuższego mechanizmu odrzutu (550 mm) i pieprzowego hamulca wylotowego. Zmniejszenie odrzutu można również osiągnąć poprzez tłumienie masy rękawa termicznego. Możliwość zastosowania technologii ETC w istniejących konstrukcjach działa oznacza, że ​​w przypadku przyszłych ulepszeń działa nie ma już konieczności przeprojektowywania wieży, aby zawierała większą lufę zamka lub kalibru.

Kilka krajów już stwierdziło, że technologia ETC jest opłacalna na przyszłość i w znacznym stopniu sfinansowało lokalne projekty. Należą do nich między innymi Stany Zjednoczone, Niemcy i Wielka Brytania. Amerykański XM360, który miał być wyposażeniem czołgu lekkiego Future Combat Systems Mounted Combat System i może być następną modernizacją działa M1 Abrams , jest podobno oparty na XM291 i może zawierać technologię ETC lub fragmenty technologii ETC. Testy tego pistoletu zostały przeprowadzone z wykorzystaniem technologii „zapłonu precyzyjnego”, co może odnosić się do zapłonu ETC.

Uwagi

Bibliografia

Linki zewnętrzne

• Sympozjum o uruchomieniu elektromagnetycznym
• http://www.powerlabs.org/electrothermal.htm