ปืนรางไฟฟ้า

ปืนรางไฟฟ้า (อังกฤษ: Railgun) หรือ ปืนแม่เหล็กไฟฟ้าแบบรางคู่ขนาน เป็นเครื่องยิงกระสุนพลังแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งมีการทำงานบนพื้นฐานของหลักการที่คล้ายกับมอเตอร์ขั้วเดี่ยว ปืนแม่เหล็กไฟฟ้าแบบรางคู่ขนานประกอบด้วยคู่ของรางขนานเป็นสื่อในการทำงาน, เป็นเครื่องยิงวัตถุ (ในที่นี้เปรียบได้กับตัวอาร์เมเจอร์ในมอเตอร์) ด้วยพลังแม่เหล็กไฟฟ้าโดยประกอบด้วยรางนำไฟฟ้าชนิดเดียวกัน 2 แท่งมาติดตั้งในรูปแบบขนาน และมีวัตถุที่เคลื่อนและถูกเร่งโดยพลังแม่เหล็กไฟฟ้า ที่เกิดจากการปล่อยกระแสไฟฟ้าจากรางด้านหนึ่งผ่านวัตถุไปสู่รางอีกด้านหนึ่ง โดยจะเกิดการเหนี่ยวนำ ทำให้เกิดแรง และวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร่งคงที่ค่าหนึ่ง โดยรางหรืออาร์เมเจอร์นั้นสามารถสร้างในแนววิถึหรือเป็นส่วนแยกทางไฟฟ้า ซึ่งไม่ว่าจะเป็น สารกึ่งโลหะ, พลาสมา หรือของแข็งใด ๆ ก็สามารถสร้างเป็นอาร์เมเจอร์ได้ และเมื่อยิงวัตถุพ้นออกจากรางแล้ว วัตถุจะเคลื่อนที่อย่างอิสระโดยมีความเร็วต้นเท่ากับขณะที่หลุดพ้นออกจากช่วงรางเหนี่ยวนำนั้นเอง

แผนภาพของปืนแม่เหล็กไฟฟ้า

พื้นผิวของเรือรบถูกยิงทดสอบที่ศูนย์การทดสอบในเดือนมกราคม ปี ค.ศ. 2008 พวยไฟที่เกิดขึ้นเบื้องหลังกระสุนเกิดจากเปลวเพลิงและสิ่งที่ไม่ใช่พลาสมา ซึ่งขัดกับความเชื่อแต่เดิมของทฤษฎีที่มี

ตัวอาร์เมเจอร์อาจจะเป็นส่วนหนึ่งของกระสุนปืน

ประวัติ

 

แผนภาพปืนแม่เหล็กไฟฟ้าของเยอรมัน

ในปี ค.ศ. 1918, หลุยส์ ออกแตฟว์ ฟุชง-วีเลฟพลี (Louis Octave Fauchon-Villeplee) นักประดิษฐ์ชาวฝรั่งเศส ได้คิดค้นปืนใหญ่ไฟฟ้าซึ่งเป็นรูปแบบแรกของปืนแม่เหล็กไฟฟ้าขึ้น เขาได้ยื่นจดสิทธิบัตรในสหรัฐอเมริกาเมื่อวันที่ 1 เมษายน ปี ค.ศ. 1919 ซึ่งออกมาในเดือนกรกฎาคม ปี ค.ศ. 1922 เป็นสิทธิบัตรหมายเลข 1,421,435 ในหัวข้อว่า "อุปกรณ์ไฟฟ้าสำหรับการขับเคลื่อนลูกกระสุนปืน" ในอุปกรณ์ของเขามีแถบตัวนำไฟฟ้า (busbars) สองแถบขนานเชื่อมต่อกันด้วยปีกของลูกกระสุนปืน, และอุปกรณ์ทั้งหมดที่ล้อมรอบไปด้วยสนามแม่เหล็ก โดยการผ่านกระแสไฟฟ้าผ่านแถบตัวนำนี้ และตัวลูกกระสุนปืน, แรงเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดขึ้นนั้นจะผลักดันกระสุนให้เคลื่อนที่ออกไป

ในช่วงระหว่างสงครามโลกครั้งที่สองแนวความคิดนี้ก็ได้ถูกรื้อฟื้นขึ้นมาใหม่โดย โยอาคิม เฮนสเลอร์ (Joachim Hänsler) ของสำนักงานกรมสรรพาวุธของเยอรมนี และเขาได้นำเสนอปืนต่อต้านอากาศยานไฟฟ้าขึ้น ช่วงปลายปี ค.ศ. 1944 ทฤษฎีการทำงานมีมากเพียงพอที่จะได้รับการนำออกไปใช้งานเพื่อให้กองบัญชาการต่อสู้อากาศยานแห่งกองทัพอากาศเยอรมัน (Luftwaffe's Flak Command) ในการที่จะออกข้อกำหนดคุณสมบัติจำเพาะ ซึ่งต้องการความเร็วที่ออกจากปากกระบอกปืน 2,000 เมตรต่อวินาที (6,600 ฟุตต่อวินาที) และกระสุนปืนที่มีขนาด 0.5 กิโลกรัม (1.1 ปอนด์) ที่บรรจุวัตถุระเบิดอยู่ภายใน ปืนจะติดตั้งแบตเตอรีหกลูกต่อการยิงสิบสองรอบต่อนาที และมันก็จะถูกติดตั้งได้อย่างพอดิบพอดีเข้ากับปืนต่อสู้อากาศยานแบบ 12.8 ซม. แฟล็ก 40 (12.8 cm FlaK 40) ที่มีใช้อยู่ มันยังไม่เคยถูกสร้างขึ้นเลย รายละเอียดที่ถูกค้นพบหลังจากที่สงครามสงบได้กระตุ้นความสนใจเขาเป็นอย่างมาก และเขาก็ได้ทำการศึกษารายละเอียดเพิ่มเติม ซึ่งได้รายงานในปี ค.ศ. 1947 โดยให้ข้อสรุปว่ามันมีความเป็นไปได้ในทางทฤษฎี แต่ว่าปืนนั้นจำเป็นจะต้องใช้พลังงานที่มาก พอ ๆ กับที่จะใช้กับไฟฟ้าแสงสว่างถึงขนาดประมาณครึ่งหนึ่งของเมืองชิคาโกเลยทีเดียว

ในช่วงปี ค.ศ. 1950 เซอร์มาร์ก โอลิแฟนต์ (Sir Mark Oliphant), นักฟิสิกส์ชาวออสเตรเลียและผู้อำนวยการคนแรกของวิทยาลัยการวิจัยวิทยาศาสตร์กายภาพ ที่มหาวิทยาลัยแห่งชาติออสเตรเลียแห่งใหม่, ได้ริเริ่มการออกแบบและก่อสร้างเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขั้วเหมือน (Homopolar generator) ที่ใหญ่ที่สุดของโลกขึ้น (500 เมกะจูล) เครื่องนี้ได้รับการดำเนินการมาตั้งแต่ปี ค.ศ. 1962 และถูกนำมาใช้ในภายหลังเพื่อใช้เป็นแหล่งพลังงานให้แก่ปืนรางแม่เหล็กไฟฟ้าขนาดใหญ่ (large-scale rail gun) ที่ใช้ในการทดลองทางวิทยาศาสตร์

การออกแบบสร้างปืนแม่เหล็กไฟฟ้าแบบรางคู่ขนาน (Railgun)

ทฤษฎี

ปืนแม่เหล็กไฟฟ้าแบบรางคู่ ประกอบด้วยคู่รางโลหะขนานกัน 2 ราง (เพราะฉะนั้นจึงได้ชื่อว่า ปืนแบบรางคู่ - Railgun) ที่เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟฟ้า เมื่อส่วนที่เป็นกระสุนปืนที่เป็นสื่อตัวนำกระแสไฟฟ้าได้ถูกแทรกตัวลงในระหว่างรางคู่ขนาน (ที่ปลายของรางเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟ) มันจึงได้กลายเป็นวงจรไฟฟ้าอย่างที่เรียกว่า "ครบวงจร" อย่างสมบูรณ์ กระแสอิเล็กตรอนที่ไหลออกจากขั้วลบของแหล่งจ่ายพลังงานไฟฟ้า จะไหลเข้าสู่ตัวรางข้างที่เป็นขั้วลบและผ่านข้ามตัวกระสุนปืนและไหลผ่านออกไปยังตัวรางด้านที่เป็นขั้วบวกกลับไปที่แหล่งจ่ายไฟ

กระแสนี้จะทำให้ปืนแม่เหล็กไฟฟ้าแบบรางคู่ประพฤติตัวเป็นแม่เหล็กไฟฟ้า, สร้างสนามแม่เหล็กภายในวงปิดให้เกิดขึ้นโดยความยาวของรางขึ้นอยู่กับตำแหน่งของอาร์มาเจอร์ โดยที่สอดคล้องกับกฎมือขวา (right-hand rule), สนามแม่เหล็กจะไหลเวียนเป็นวงกลมรอบตัวนำ เนื่องจากกระแสไฟฟ้าจะไหลไปในทิศสวนทางตรงกันข้ามกันไปตามรางในแต่ละข้าง, สนามแม่เหล็กสุทธิระหว่างราง (B) จะถูกกำหนดทิศทางให้อยู่ในทิศที่มาจากแนวขวางของระนาบที่เกิดขึ้นจากแกนกลางของรางและอาร์มาเจอร์ กระแส (I) ในอาร์มาเจอร์นี้จะช่วยสร้างแรงลอเรนซ์ซึ่งจะเร่งกระสุนปืนให้พุ่งออกไปตามรางที่อยู่ห่างจากแหล่งจ่ายไฟ นอกจากนี้ยังมีแรงลอเรนซ์กระทำบนรางและพยายามที่จะผลักดันพวกมันให้แยกออกจากกัน แต่เนื่องจากรางได้ถูกติดตั้งอย่างมั่นคง จึงทำให้พวกมันไม่สามารถเคลื่อนย้ายไปไหนได้

สูตรทางคณิตศาสตร์

ขนาดของเวกเตอร์แรงสามารถกำหนดได้จากรูปแบบของกฎของบีโอต์-ซาวารต์ (Biot–Savart law) และผลของแรงลอเรนซ์ (Lorentz force) มันสามารถแสดงได้ในทางคณิตศาสตร์ในแง่ของค่าความซึมซาบแม่เหล็กในอวกาศ (permeability constant) (${\displaystyle \mu _{0}}$ ), รัศมีของราง (ซึ่งจะถือว่าเป็นวงกลมในภาคตัดขวาง) (${\displaystyle r}$ ), ระยะห่างระหว่างจุดศูนย์กลาง (centrepoints) ของราง (${\displaystyle d}$ ) และกระแส ในหน่วยแอมแปร์ที่ไหลผ่านระบบ (${\displaystyle I}$ ) ดังต่อไปนี้

สามารถแสดงได้จากกฎของบีโอต์-ซาวารต์ ได้ว่าที่ปลายด้านหนึ่งของลวดตัวนำกระแสที่มีความยาวกึ่งอนันต์ (ยาวเกือบไม่มีที่สิ้นสุด) สนามแม่เหล็กที่ระยะทางตั้งฉาก (s) จากปลายสายจะกำหนดได้โดย:

${\displaystyle \mathbf {B} (s)={\frac {\mu _{0}I}{2\pi s}}}$ 

หมายเหตุ นี้คือถ้าลวดวิ่งจากที่ตั้งของอาร์มาเจอร์เช่น จาก x = 0 กลับไปที่ ${\displaystyle x=-\infty }$ 

ดังนั้นถ้าอาร์มาเจอร์เชื่อมต่อปลายของทั้งสองของเส้นลวด มีความยาวกึ่งหนึ่งของความยาวไม่มีที่สิ้นสุดดังกล่าว แยกจากกันโดยระยะทาง ${\displaystyle d}$  สนามแม่เหล็กรวมจากเส้นลวดทั้งสองที่จุดใดก็ตามในอาร์มาเจอร์คือ:

${\displaystyle B(s)={\frac {\mu _{0}I}{2\pi }}\left({\frac {1}{s}}+{\frac {1}{d-s}}\right)}$ 

ดูเพิ่ม

• Coilgun [en]
• Electromagnetic projectile devices (fiction) [en]
• Homopolar generator [en]
• Kinetic energy penetrator [en]
• Light gas gun [en]
• List of caseless firearms [en]
• Mass driver [en]
• Non-rocket spacelaunch [en]
• Project Babylon [en]
• Ram accelerator [en]
• Scram cannon [en]
• Space gun [en]

อ้างอิง

1. http://www.popsci.com/military-aviation-space/article/2008-02/navy-tests-32-megajoule-railgun
2. C. S. Rashleigh and R. A. Marshall, Electromagnetic Acceleration of Macroparticles to High Velocities, J. Appl. Phys. 49(4), April 1978.
3. Fauchon-Villeplee, André Louis Octave (1922). "US Patent 1,421,435 "Electric Apparatus for Propelling Projectiles"".
4. Hogg, Ian V. (1969). The Guns: 1939/45. Macdonald.
5. http://physics.anu.edu.au/fire_in_the_belly/Fire_in_the_Belly03.pdf
6. J. P. Barber, Ph.D Thesis, The Acceleration of Macroparticles and a Hypervelocity Electromagnetic Accelerator, The Australian National University, March 1972.
7. Harris, William. "How Rail Guns Work", 11 October 2005. HowStuffWorks.com. 25 March 2011.