پرتاب کننده های الکترومغناطیسی

مقدمه
 

چنانکه می‌دانیم در پرتاب‌کننده‌های متعارف، براثر انفجار باروت و آزاد شدنِ حجم قابل توجهی از گاز ناشی از انفجار، فشار قابل ملاحظه‌ای ایجاد می‌گردد که سیستم‌های مختلفِ پرتاب‌کننده در جهتِ استفاده از این فشار برای پرتابِ پرتابه و احیاناً مسلح کردنِ مجددِ پرتاب‌کننده طراحی شده‌اند. گرچه این سیستمِ انفجاریِ پرتاب، سرعت‌های خروجیِ قابلِ قبولی برای پرتابه حاصل می‌کند اما دارای معایبی نیز می‌باشد که عمدتاً عبارتند از صدا، آتش (یا نور)، و دود ناشی از انفجار باروت که از عواملِ عمده‌ی لودهنده‌ی محلِ شلیک می‌باشند، و نیز خطرات ناشی از انفجار ناخواسته‌ی خرج (یا باروتِ) لازم برای شلیک که باید همواره توسط نفر یا واحدِ شلیک‌کننده حمل شود. ازاین‌رو همواره سعی بر این بوده است که سیستم جایگزینی یافت شود که حتی‌الامکان عاری از معایب سیستم انفجاری بوده و حتی به‌علاوه سرعت‌های بیشتری را برای پرتابه حاصل نماید.
از آنجا که نیروهای الکترومغناطیسی، نیروهای نسبتاً قدرتمند و قابلِ کنترلی می‌باشند عموماً سیستمِ جایگزینِ فوق‌الذکر، در طراحی‌های مختلف جهتِ استفاده از این نیروها برای پیش‌رانشِ پرتابه جستجو شده است. توضیح اینکه براثر حرکت نسبیِ قطب‌های مختلف مغناطیسی و الکتریکی در مجاورتِ یکدیگر، برآنها نیروهایی اِعمال می‌شود که بزرگی و جهت آنها به شدت میادین مغناطیسی و الکتریکی و فاصله‌ی بین قطب‌ها و نیز سرعتِ جابجاییِ آنها نسبت به یکدیگر بستگی دارد. از آنجا که این پارامترها، به‌ویژه سرعتِ جابجایی، با استفاده از فناوری‌های موجود، به‌راحتی قابل کنترل و افزایش است به‌سهولت می‌توان علاوه بر هدایت و جهت‌دهی به نیروهای الکترومغناطیسی، آنها را به‌اندازه‌ی کافی افزایش داد و در سیستم‌های مختلف مهندسی، مثل الکتروموتورها، سولنوئیدها، توربین‌ها، و ...، از آنها استفاده کرد‌. طبیعی است که طراحانِ مختلف، به‌فکرِ استفاده از این نیروی بزرگِ قابل کنترل به‌عنوانِ نیروی پیش‌رانِ پرتابه باشند تا علاوه بر حذف معایبِ فوق‌الذکرِ سیستم انفجاری، احتمالاً سرعت‌های بیشتری برای پرتابه نیز به‌دست آید.
در همین راستا تاکنون عمدتاً دو سیستمٍ پرتابه‌ی الکترومغناطیسی در حد آزمایشی و نیمه‌صنعتی ساخته شده است که عبارتند از کویل‌گان و رِیل‌گان که در مورد آنها به‌اختصار در این‌جا توضیح داده خواهد شد. دراین دو سیستم، به‌طورِ مستقیم (در کویل‌گان) و غیرمستقیم (در رِیل‌گان) از شتاب‌گرفتنِ دوقطبیهای مغناطیسیِ بزرگ (در کویل‌گان) و کوچک (در ریل‌گان) در شیب میدان مغناطیسی یک سیملوله‌ی حاملِ جریان، برای پرتابِ پرتابه استفاده می‌شود. این سیستم‌ها، باتوجه به معایبی از آنها که تاکنون مرتفع نشده است، هنوز به‌طورِ کامل گسترش نیافته و جایگزینِ سیستم‌های مرسوم نشده‌اند هرچند (به‌ویژه سیستمِ کویل‌گان) فافقِ عیوب سیستم‌های انفجاری مرسوم و حتی (به‌ویژه سیستم ریل‌گان) موجدِ سرعت‌های خیلی بیشتر برای پرتابه می‌باشند.

انواع پرتاب‌کننده‌های الکترومغناطیسی و قوانین فیزیکی حاکم بر آنها [1 تا 4]
 

یک اسلحهی انرژی پالسی (Pulsed Energy Weapons) اسلحهای است که از پالسهای الکتریکی برای شلیک پرتابه استفاده میکند یا عملکردش انتقال جریان الکتریکی به هدف است. در این اسلحهها غالباً از خازنهای بزرگ برای ذخیرهی بار الکتریکی که هنگام شلیک آزاد میشود استفاده میگردد. در سیستمهای دوربرد بزرگ گاهی از سیستم‌های Compulsator (یا Compensated pulsed alternator) که با استفاده از نیروی چرخشی، بار را ذخیره می‌کنند استفاده می‌شود.
اسلحههای آزمایشی انرژی پالسی عبارتند از تفنگ رِیلی (Railgun)، تفنگ کویلی (Coilgun)، و لیزرهایی مُعیّن. در اینجا به شرح دو مورد اول میپردازیم.

تفنگ کویلی[5 تا 8]:
 

در یک تفنگ کویلی از یک یا تعداد بیشتری کویل الکترومغناطیسی برای شتاب دادن به پرتابه‌ی مغناطیسی استفاده می‌شود. کویل‌ها در امتداد لوله‌ی تفنگ قرار داده می‌شوند و به‌ترتیب روشن می‌شوند به‌گونه‌ای که از اینکه پرتابه به‌سرعت در امتداد لوله‌ی تفنگ تحت تأثیر نیروهای مغناطیسی شتاب ‌گیرد اطمینان حاصل شود. در واقع تفنگ کویلی، سیملوله‌ای است که به هنگام عبور جریان از آن میدان مغناطیسی‌ای ایجاد می‌کند که پرتابه‌ی فرومغناطیس را به درون خود می‌کشد. جریان عبور داده شده بزرگ و لحظه‌ای است. وقتی پرتابه به نزدیکی مرکز کویل می‌رسد این جریان قطع شده و در کویل بعدی برقرار می‌شود. با تکرار این عمل پرتابه در مراحل متوالی به طور تصاعدی شتاب می‌گیرد. جریان از یک منبع جریان قابل تخلیه شدنِ سریع که نوعاً یک باتری یا یک مجموعه خازن ظرفیت بالای ولتاژ بالا می‌باشد تأمین می‌شود. از یک دیود برای محافظت از خازنهای حساس به جهت‌گیری (مثل الکترولیتیکها) استفاده می‌شود تا در برابر صدمه‌ی ناشی از جهت‌گیری معکوس جریان پس از انجام عمل تخلیه از آنها محافظت شود.
یک مانع اساسی در طراحی تفنگ کویلی تنظیم زمان برقراری جریان در کویلهاست. چند گزینه‌ی اصلی وجود دارد. ساده‌ترین (و احتمالاً کم‌اثرترین) آن گاف جرقه (spark gap) است که هنگامی که ولتاژ به یک حد آستانه‌ی معین برسد انرژی ذخیره شده را در کویل آزاد می‌کند. گزینه‌ی بهتر، استفاده از سویچهای حالت جامد است که شامل IGBTها (که می‌توانند در بین پالس خاموش شوند) و SCRها (که همه‌ی انرژیِ ذخیره شده را قبل از خاموش شدن آزاد می‌کنند) می‌شود. یک سویچ سریع و نامطبوع، استفاده از لامپ فلاش به عنوان سویچ است. با متوالی بستن آن با کویل، می‌تواند بدون سروصدا و تخریب (گرچه فلاشی از نور وجود خواهد داشت) به مقدار زیادی از جریان اجازه‌ی عبور از کویل را بدهد. همانندِ هر لامپِ فلاشی، یونشِ گازِ داخل لامپ تحت تأثیر یک ولتاژ بالا، جریان را برقرار می‌کند، لکن مقدار زیادی از انرژی به‌صورت گرما و نور هدر می‌رود، و چون لامپ نقش یک گاف جرقه را بازی می‌کند هنگامی که ولتاژ دو سر لامپ به اندازه‌ی کافی اُفت کند لامپ، رسانشِ جریان را قطع می‌کند که این امر باعث می‌شود مقداری بار در خازن باقی بماند.
علیرغم تحقیق و توسعه‌های فراوانِ انجام گرفته توسط جامعه‌ی آماتور و حرفه‌ای، هنوز باید بر موانع بزرگی غلبه کرد. از بزرگترین محدودیتهای تفنگ کویلی اولاً سرعتی است که تحت آن پرتابه‌ی فرومغناطیس بوسیله‌ی میدان مغناطیسی کاملاً اشباع می‌شود و ثانیاً سرعتی است که تحت آن اشباع‌شدگیِ مغناطیسی خود را از دست می‌دهد. هنگامی که یک شیئ فرومغناطیس کاملاً اشباع می‌شود میزان نیروی جاذبه‌ی وارد بر آن از افزایش باز می‌ایستد. پارامترهای مشکلی که برای حداکثر بهره‌برداری از کار هر کویل باید در نظر گرفت شامل تنظیم فاصله‌ی بین کویلها و نیز فاصله‌ی زمانی بین شروع جریان‌دهی به هر کویل است که باید برحسب سرعتی که پرتابه در هر مرحله بدست می‌آورد و با در نظر گرفتن سرعت اشباع و از دست دادن اشباع که در بالا گفته شد و میزان اصطکاک و مقاومت هوا محاسبه شود. همچنین وجود مقاومت الکتریکی باعث تلف شدن درصد قابل توجهی از انرژی داده شده به کویل می‌شود. بر این مشکل با استفاده از مواد ابررسانا می‌توان غلبه کرد که البته استفاده از این مواد مشکلاتِ ویژه‌ی خود را به‌همراه دارد.

تفنگ رِیلی [9 تا 15]:
 

یک تفنگ ریلی تفنگی کاملاً الکتریکی است که به پرتابهای رسانا در امتداد یک جفت ریل فلزی شتاب میدهد. در تفنگ ریلی از دو تماس الکتریکی لغزشی یا غلطشی که اجازهی عبور جریان الکتریکی بزرگی از پرتابه را میدهد استفاده میشود. این جریان در تعاملی متقابل با میدان منغناطیسی قویِ ایجاد شده بوسیلهی ریلهای حاملِ جریان، به پرتابه شتاب میدهد. آمریکا تفنگ ریلیای را آزمایش کرده است که به پرتابهای 5ر3 کیلوگرمی سرعتی تا هفت برابر سرعت صوت میدهد.
یک تفنگ رِیلی از دو رِیل فلزی موازیِ متصل به یک منبع تغذیهی الکتریکی تشکیل شده است. هنگامی که یک پرتابهی رسانا به میان دو ریل هدایت میشود مدار بسته میشود. الکترونها با شروع حرکت از پایانهی منفی منبع تغذیه در طول ریل منفی از بین پرتابه در طول ریل مثبت به پایانهی مثبت منبع تغذیه بازمی‌گردند. این جریان باعث میشود که تفنگ ریلی شبیه یک آهنربای الکتریکی میدان مغناطیسی پرقدرتی را در ناحیهی بین ریلها ایجاد کند. میدان مغناطیسی برطبق قانون دست راست، اطراف هر رسانایی در مدار به وجود میآید. چون جهت جریان در دو ریل مخالف یکدیگر است میدان مغناطیسی خالص بین ریلها (B) عمود بر سطح بین ریلهاست. چون جریان عبوری از پرتابه (I) در واقع عمود بر این میدان مغناطیسی است یک نیروی لورنتس بر پرتابه وارد میشود که به آن در امتداد ریلها شتاب میدهد. همین نیرو همچنین بر ریلها به طرف بیرون وارد میشود و سعی در باز کردنِ آنها از یکدیگر میکند، اما چون ریلها بهگونهای پابرجا مستحکم شده‌اند قادر به حرکت نیستند. پرتابه در امتداد ریلها به طرف انتهای مقابل منبع تغذیه میلغزد.
یک منبع تغذیهی بسیار بزرگ که جریانی از مرتبهی میلیون آمپر فراهم میکند باعث اِعمال نیرویی عظیم بر پرتابه میشود که به آن شتابی در حد چند کیلومتر بر ثانیه میدهد. اما از طرفی گرمای ایجاد شدهی ناشی از جریان الکتریکی و پیش‌رانشِ پرتابه کافی است که به سرعت ریلها را فرسوده کند. چنین تفنگ ریلیای نیاز به تعویض مکرر ریلها دارد یا در آن باید از یک مادهی مقاوم در مقابل گرما استفاده شود که به اندازهی کافی رسانا باشد که همان اثر الکترومغناطیسی را ایجاد کند.
با اعمال يك پالس الكتريكي شديد به یک تفنگ ریلی عمل پرتاب پرقدرتي توسط اين وسيله صورت مي‌گيرد. ايده‌ي اين اختراع علاوه بر اثر الکترومغناطیسی فوقالذکر بر اين مبنا استوار است كه دوقطبیهای مغناطیسی ریز محیط به سمت ناحيه‌ي شديد ميدان مغناطيسي‌اي كه بر اثر عبور جريان در حلقه ايجاد مي‌شود كشيده شده و فشار را در اين قسمت افزايش مي‌دهند كه متعاقباً اين فشار افزايش يافته عمل پرتاب يك پرتابه را صورت مي‌دهد. لذا لازم است به نقش فشار هوا در پديده‌ي ديامغناطيسم و نيز در جاذبه يا دافعه‌ي بين سيمهاي حامل جريان اشاره شود.
به طور خلاصه اولاً ميدان مغناطيسي ايجاد شده در بين و اطراف دو سيم حامل جريان موازي يا پادموازي بهگونه‌اي است كه باعث جذب مولكولهاي اكسيژن (كه داراي دوقطبي‌هاي مغناطيسي با قدرتي قابل ملاحظه در مقايسه با ديگر گازها مي‌باشند) به سمت ناحيه‌هاي شديد اين ميدان مي‌شوند و لذا فشار هوا را در آن نواحي بالا برده و باعث جاذبه يا دافعه‌ي سيمها نسبت به يكديگر، يا درواقع هل داده شدن به سمت يكديگر يا به سمت دورشدن از يكديگر مي‌شوند و اين فرايند دقيقاً مشابه حالتي است كه تئوري فوقالذکر رايج الكترومغناطيس براي جاذبه و دافعه‌ي دو جريان موازي يا پادموازي پيشگويي مي‌كند. ثانياً، مي‌دانيم كه اجسام از ميدان‌هاي شديد مغناطيسي رانده مي‌شوند كه درصورتي كه اجسام، خود خاصيت مغناطيسي نداشته باشند كه آنها را به طرف قسمت شديد ميدان مغناطيسي جذب كند اين پديده به صورت دفع اجسام از قطب‌ها يا نواحي شديد ميدان مغناطيسي مشاهده مي‌شود كه به اين پديده ديامغناطيسم گفته مي‌شود. آنچه در رابطه با توجيه اين پديده باید ذکر کرد اين است كه مولكولهاي اكسيژن هواي محيط آزمايش كه داراي دوقطبيهاي مغناطيسي هستند به سمت ناحيه‌ي شديد ميدان مغناطيسي كشيده شده و در آنجا فشار هوا را افزايش مي‌دهند كه اين پديده مشابه با قانون ارشميدس باعث رانش اجسام واقع در اين ناحيه‌ي شديد مغناطيسي مي‌شود. در پدیدهی جاذبه یا دافعه‌ی بین حاملین جریانهای الکتریکی به نظر میرسد نقش این افزایش فشار هوا در جریانهای بسیار بزرگِ مورد استفاده در تفنگ ریلی خیلی بیشتر از علت الکترومغناطیسی مذکور باشد.

پی نوشت ها :
 

[1] Albert F. Reidl III, "Preliminary Investigation of an Electromagnetic Gun", NWL Technical Not No. TN-E-10/72, July 1972, Naval Weapons Laboratory, Dahlgren VA, 22448.
[2] W. L. Gagnon et al, editors, "Compensated Pulsed Alternator", Lawrence Livermore Lab., July 1976.
[3] MIT Francis Bitter Natl. Magnet Lab, "Annual Report July 1977 - June 1978", Cambridge MA, 02139; see also various technical reports.
[4] R. I. Chapman, "Field Compression Accelerators", Proc. Conf. on Megagauss Field Generation by Explosives, Frascati, Italy, Sep 1965 (Euratom).
[5] S. C. Rashleigh and R. A. Marshall, "Electromagnetic Acceleration of Macroparticles and a Hypervelocity Accelerator", dissertation 1972, Dept. Engr. Phys. Australian Natl. Univ., Canberra.
[6] J. D. Lindsay and D. M. Wedon, "Loss Measurements in Superconducting Magnetic Energy Storage Coils", Report LA-6790-MS, Los Alamos Scien. Lab, Los Alomos NM, May 1977.
[7] D. E. Brast and D. R. Sawle, "Feasibility Study for Development of a Hypervelocity Gun", Final Report NASA Contract NAS 8-11204, May 1965.
[8] Dr. Chul Park, NASA-AMES research Center, Moffett Field, CA, 94035; personal communication.
[9] http://www.technologyreview.com/Infotech/20164/?nlid=857
[10] http://www.powerlabs.org/railgun.htm
[11] Uranga et al. (2005) "Rocket Performance Analysis Using Electrodynamic Launch Assist" Proceedings of the 43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit (10-13 January 2005: Reno, Nevada)
[12] http://magnetlab.com/space
[13] http://magnetlab.com/technology/direct-double-helix/
[14] http://edusworld.org/ew/ficheros/2004/railguns.pdf
[15] http://www.iat.utexas.edu/emsys.html