Technologia elektrotermiczno-chemiczna
elektrotermiczno-chemiczna ( ETC ) jest próbą zwiększenia celności i energii wylotowej przyszłych dział pancernych , artyleryjskich i systemów uzbrojenia bliskiego zasięgu poprzez poprawę przewidywalności i tempa ekspansji paliwa w lufie.
Pistolet elektrotermiczno-chemiczny wykorzystuje nabój plazmowy do zapalenia i kontrolowania paliwa w amunicji, wykorzystując energię elektryczną do uruchomienia procesu. ETC zwiększa wydajność konwencjonalnych paliw stałych, zmniejsza wpływ temperatury na ekspansję paliwa i umożliwia stosowanie bardziej zaawansowanych paliw o większej gęstości.
Technologia jest rozwijana od połowy lat 80. XX wieku 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 . Niewykluczone, że napęd elektrotermiczno-chemiczny armaty stanie się integralną częścią przyszłego systemu walki armii USA i innych krajów, takich jak Niemcy czy Wielka Brytania . Technologia elektrotermiczno-chemiczna jest częścią szerokiego programu badawczo-rozwojowego, który obejmuje wszystkie technologie broni elektrycznej, takie jak działa szynowe i pistolety cewkowe .
Tło
Ciągła walka między pancerzem a pociskiem przeciwpancernym doprowadziła do ciągłego rozwoju konstrukcji głównego czołgu bojowego. Ewolucję amerykańskiej broni przeciwpancernej można prześledzić wstecz do wymagań dotyczących walki z sowieckimi czołgami. Pod koniec lat 80. sądzono, że poziom ochrony przyszłego radzieckiego czołgu (FST) może przekraczać 700 mm równoważnika walcowanego jednorodnego pancerza przy jego maksymalnej grubości, który był skutecznie odporny na współczesny sabot odrzucający przeciwpancerny M829 stabilizowany płetwą . W latach 80. najszybszą dostępną dla NATO metodą przeciwdziałania sowieckiemu postępowi w technologii opancerzenia było przyjęcie głównego działa kal. 140 mm, ale wymagało to przeprojektowania wieży, która mogła zawierać większy zamek i amunicję, a także wymagało pewnego rodzaju automatycznej ładowarka. Chociaż armata kal. 140 mm była uważana za prawdziwe rozwiązanie tymczasowe, po upadku Związku Radzieckiego zdecydowano, że wzrost energii wylotowej, jaki zapewnia, nie jest wart wzrostu masy. W związku z tym wydano środki 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 broni opiera się na założeniu, że paliwo stałe jako samodzielny system napędowy nie jest już w stanie zapewnić wymaganej energii wylotowej. Wymóg ten został podkreślony przez pojawienie się rosyjskiego czołgu podstawowego T-90 . Wydłużenie obecnych luf dział, takich jak nowa niemiecka 120 mm L/55, wprowadzona przez Rheinmetall, jest uważane za rozwiązanie tymczasowe, ponieważ nie zapewnia wymaganego zwiększenia prędkości wylotowej. Nawet zaawansowana amunicja wykorzystująca energię kinetyczną, taka jak amerykańska M829A3 , jest uważana za jedynie tymczasowe rozwiązanie przeciwko przyszłym zagrożeniom. W tym zakresie uważa się, że paliwo stałe osiągnęło koniec swojej przydatności, chociaż pozostanie główną metodą napędu przez co najmniej następną dekadę [wymagane wyjaśnienie ] , dopóki nie dojrzeją nowsze technologie. Aby poprawić możliwości broni na paliwo stałe, produkcja elektrotermiczno-chemicznego działa może rozpocząć się już w 2016 roku. [ wymaga aktualizacji ]
Technologia ETC oferuje aktualizację o średnim ryzyku i jest rozwijana do tego stopnia, że dalsze ulepszenia są tak niewielkie, że można ją uznać za dojrzałą. [ potrzebne źródło ] Lekki amerykański XM291 kal. 120 mm był bliski osiągnięcia energii wylotowej 17 MJ, co jest najniższym widmem energii wylotowej dla działa kal. 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 pieniędzy na dalszy rozwój. Ponadto można go zintegrować z obecnymi systemami pistoletów.
Zasada działania
Pistolet elektrotermiczno-chemiczny wykorzystuje nabój plazmowy do zapalenia i kontrolowania paliwa w amunicji, wykorzystując energię elektryczną jako katalizator do rozpoczęcia procesu. Pierwotnie opracowany przez dr Jona Parmentolę dla armii amerykańskiej, stał się bardzo prawdopodobnym następcą standardowego działa czołgowego na paliwo stałe. Od początku badań Stany Zjednoczone sfinansowały projekt armaty XM291 kwotą 4 000 000 USD, badania podstawowe 300 000 USD, a badania stosowane 600 000 USD. [ potrzebne źródło ] Od tego czasu udowodniono, że działa, chociaż wydajność do wymaganego poziomu nie została jeszcze osiągnięta. ETC zwiększa wydajność konwencjonalnych paliw stałych, zmniejsza wpływ temperatury na ekspansję paliwa i pozwala na stosowanie bardziej zaawansowanych paliw 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 znacznie płynniej rozprowadzać gaz pędny podczas zapłonu. Obecnie istnieją dwie główne metody inicjacji plazmy: emiter błyskowy o dużej powierzchni (FLARE) i potrójny współosiowy zapłonnik plazmy (TCPI).
Emiter wielkopowierzchniowy Flashboard
Flashboardy biegną w kilku równoległych ciągach, aby zapewnić duży obszar plazmy lub promieniowania ultrafioletowego i wykorzystują rozpad i odparowanie szczelin diamentów do wytworzenia wymaganej plazmy. Te równoległe struny są zamontowane w rurach i zorientowane tak, aby ich szczeliny były azymutalne do osi rury. Rozładowuje się za pomocą powietrza pod wysokim ciśnieniem, aby usunąć powietrze z drogi. Inicjatory FLARE mogą zapalać propelenty poprzez uwolnienie plazmy, a nawet poprzez zastosowanie ultrafioletowego promieniowania cieplnego. Długość absorpcji stałego paliwa napędowego jest wystarczająca do zapalenia 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 pistoletu XM291 ciepło promieniowania wystarczające do zapalenia paliwa w celu osiągnięcia energii wylotowej 17 MJ, można było sobie tylko wyobrazić możliwości z w pełni rozwiniętym zapalnikiem plazmowym FLARE. Obecne obszary badań obejmują wpływ plazmy na propelent poprzez promieniowanie, bezpośrednie dostarczanie energii mechanicznej i ciepła oraz napędzanie przepływu gazu. Pomimo tych zniechęcających zadań FLARE był postrzegany jako najbardziej prawdopodobny zapalnik do przyszłego zastosowania w pistoletach ETC.
Potrójny współosiowy zapalnik plazmowy
Współosiowy zapalnik składa się z całkowicie izolowanego przewodu, pokrytego czterema paskami folii aluminiowej. Wszystko to jest dodatkowo izolowane w rurce o średnicy około 1,6 cm, która jest perforowana małymi otworami. Chodzi o to, aby użyć przepływu elektrycznego przez przewodnik, a następnie eksplodować przepływ 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 indywidualnych łuskach na paliwo dla każdej rundy amunicji. Jednak TCPI nie jest już uważane za realną metodę zapłonu paliwa napędowego, ponieważ może uszkodzić żebra i nie dostarcza energii tak skutecznie, jak zapalnik FLARE.
Wykonalność
XM291 jest najlepszym istniejącym przykładem działającego pistoletu elektrotermiczno-chemicznego. Była to technologia alternatywna dla działa kal. 140 mm cięższego kalibru, wykorzystująca podejście dwukalibrowe. Wykorzystuje zamek, który jest wystarczająco duży, aby pomieścić amunicję 140 mm i być montowany zarówno z lufą 120 mm, jak i lufą 135 mm lub 140 mm. XM291 ma również większą lufę działa i większą komorę zapłonu niż istniejące działo główne M256 L/44. Dzięki zastosowaniu technologii elektrotermiczno-chemicznej XM291 był w stanie osiągnąć moc wyjściową energii wylotowej porównywalną z działem 140 mm niskiego poziomu, jednocześnie osiągając prędkość wylotową większą niż w przypadku większego działa 140 mm. Chociaż XM291 nie oznacza, że technologia ETC jest opłacalna, stanowi przykład, że jest to możliwe.
ETC jest również z definicji bardziej opłacalną opcją niż inne alternatywy. ETC wymaga znacznie mniej energii ze źródeł zewnętrznych, takich jak bateria, niż działko kolejowe lub działo cewkowe . Testy wykazały, że energia wytwarzana przez paliwo jest wyższa niż energia dostarczana ze źródeł zewnętrznych w działach ETC. Dla porównania, działo kolejowe obecnie nie może osiągnąć prędkości wylotowej większej niż ilość energii wejściowej. Nawet przy sprawności 50% działo szynowe wystrzeliwujące pocisk o energii kinetycznej 20 MJ wymagałoby doprowadzenia energii do szyn rzędu 40 MJ, a sprawność 50% nie została jeszcze osiągnięta. Aby spojrzeć na to z perspektywy, działo szynowe wystrzeliwane z energią 9 MJ wymagałoby około 32 MJ energii z kondensatorów. Obecne postępy w magazynowaniu energii pozwalają na uzyskanie gęstości energii sięgającej 2,5 MJ/dm³, co oznacza, że bateria dostarczająca 32 MJ energii wymagałaby objętości 12,8 dm³ na strzał; nie jest to realna objętość do użytku w nowoczesnym czołgu podstawowym, zwłaszcza takim, który ma być lżejszy niż istniejące modele. Odbyła się nawet dyskusja na temat wyeliminowania konieczności stosowania zewnętrznego źródła elektrycznego w zapłonie ETC poprzez zainicjowanie kasety plazmowej za pomocą niewielkiej siły wybuchowej.
Co więcej, technologia ETC ma zastosowanie nie tylko do paliw stałych. Aby jeszcze bardziej zwiększyć prędkość wylotową, 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. Co zrozumiałe, odrzut działa strzelającego pociskiem o energii 17 MJ lub większej będzie wzrastał bezpośrednio wraz ze wzrostem energii wylotowej zgodnie z trzecią zasadą dynamiki Newtona, a pomyślne wdrożenie mechanizmów redukcji odrzutu będzie miało kluczowe znaczenie dla zainstalowania działa zasilanego ETC w istniejący projekt pojazdu. Na przykład nowe, OTO Melara 120 mm L/45 osiągnęło siłę odrzutu 25 ton dzięki zastosowaniu dłuższego mechanizmu odrzutu (550 mm) i hamulca wylotowego typu pieprzniczka. Redukcję odrzutu można również osiągnąć poprzez tłumienie masowe rękawa termicznego. Możliwość zastosowania technologii ETC w istniejących konstrukcjach dział oznacza, że w przypadku przyszłych ulepszeń dział nie ma już potrzeby przeprojektowywania wieży w celu uwzględnienia lufy większego kalibru lub zamka.
Kilka krajów już stwierdziło, że technologia ETC jest opłacalna w przyszłości i sfinansowało znaczne projekty lokalne. 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 kolejnym ulepszeniem działa M1 Abrams , jest podobno oparty na XM291 i może zawierać technologię ETC lub części technologii ETC. Testy tego pistoletu przeprowadzono z wykorzystaniem technologii „precyzyjnego zapłonu”, co może odnosić się do zapłonu ETC.
Notatki
Bibliografia
- Diament, P. (marzec 1999). Badanie technologii elektrotermicznego pistoletu chemicznego (raport). Firma MITER. CiteSeerX 10.1.1.834.5851 .
- Hilmes, Rolf (grudzień 2004). „Uzbrojenie przyszłych czołgów podstawowych - kilka uwag” . Technologia wojskowa . Moench Verlagsgesellschaft Mbh (12/2004).
- Hilmes, Rolf (30 czerwca 1999). „Aspekty przyszłej koncepcji MBT”. Technologia wojskowa . Moench Verlagsgesellschaft Mbh. 23 (6).
- Hilmes, Rolf (1 stycznia 2001). „Czołgi bojowe dla Bundeswehry: rozwój nowoczesnych niemieckich czołgów, 1956-2000”. Zbroja . Fort Knox: US Army Armor Center (styczeń – luty 2001). ISSN 0004-2420 .
- Horst, Albert W.; i in. (1997). „Najnowsze postępy w technologii przeciwpancernej”. 35. spotkanie i wystawa nauk o lotnictwie . Amerykański Instytut Aeronautyki i Astronautyki. doi : 10.2514/6.1997-484 .
- Kruse, Józef; i in. (kwiecień 1999). „Badania nad przyszłymi niemieckimi systemami dział czołgowych kal. 140 mm - konwencjonalne i ETC -” (PDF) . 34. Sympozjum i wystawa dotycząca broni i amunicji . Rheinmetall – przez The Armor Site.
- Ogorkiewicz, Ryszard M. (grudzień 1990). „Przyszłe działa czołgowe, część I: działa na paliwo stałe i płynne”. Międzynarodowy Przegląd Obrony . Janes (12/1990).
- Pengelley, Rupert (listopad 1989). „Nowa era w głównym uzbrojeniu czołgów: mnożą się opcje” . Międzynarodowy Przegląd Obrony . Janasa (11/1989).
- Ropelewski, Robert R. (luty 1989). „Radzieckie zdobycze w zakresie pancerza / kształtu przeciwpancernego planu generalnego armii amerykańskiej” . Międzynarodowy Dziennik Sił Zbrojnych . Armia USA.
- Schemmer, Benjamin F. (maj 1989). „Armia, biuro SecDef w Kłótnie o przeciwpancerny” . Międzynarodowy Dziennik Sił Zbrojnych . Armia USA.
- Sharoni, Asher H.; Lawrence D. Bacon (1 września 1997). „System walki przyszłości (FCS): przegląd ewolucji technologii i ocena wykonalności” (PDF) . Zbroja . Fort Knox: Centrum Armii Armii Stanów Zjednoczonych. ISSN 0004-2420 . [ stały martwy link ]
- Sauerwein, Brigitte (luty 1990). „NPzK firmy Rheinmetall: konwencjonalna technologia przeciwdziałania przyszłym czołgom podstawowym” . Międzynarodowy Przegląd Obrony . Janes (2/1990).
-
Yangmeng, Tian; i in. „Nowa koncepcja elektrotermicznego pistoletu chemicznego bez zasilania”.
{{ cite journal }}: Cite journal wymaga|journal=( pomoc ) - Zahn, Brian R. (maj 2000). Przyszły system walki: minimalizowanie ryzyka przy maksymalizacji zdolności . Centrum Informacji Technicznej Obrony (raport).