Railgun: il cannone elettromagnetico dalla fantascienza alla

Scheda referenza
Monza, 10 ottobre 2008
Railgun: il cannone elettromagnetico dalla fantascienza alla realtà!
Cos’è e come funziona il cannone elettromagnetico
Il cannone elettromagnetico (railgun, in inglese) è un metodo di lancio che
sfrutta il principio fisico dell’induzione elettromagnetica, lo stesso che
permette la rotazione dei motori elettrici. E’ una tecnologia studiata già dai
primi anni del 1900 che inizia ora ad avere alcune applicazioni reali e
fattibili.
Il principio è semplice: un corpo conduttore percorso da corrente elettrica,
immerso in un campo magnetico, è soggetto ad una forza perpendicolare al
campo magnetico ed alla corrente da cui è percorso.
Il cannone elettromagnetico in una visionaria
rappresentazione degli anni ’30 del secolo scorso.
Il cannone elettromagnetico, semplificando, è composto da una sorgente di energia elettrica collegata
all’estremità di due guide parallele realizzate con materiale conduttore. Quando un “proiettile”
anch’esso di materiale conduttore viene inserito tra le guide, come nelle figure, il circuito è completo: la
corrente elettrica fluisce dalla sorgente alla prima guida, quindi attraversa il “proiettile” e torna alla
Il cannone
elettromagnetico:
circuito di base,
effetto del campo
magnetico, come
agisce la forza di
Lorentz.
sorgente attraverso la seconda guida. La corrente che circola in senso opposto nelle guide provoca un
campo magnetico rislultante (B), tra le guide, che si sviluppa in senso verticale; questo interagisce con la
corrente (I) che attraversa il proiettile causando una forza (“forza di Lorentz”) che agisce sul proiettile
facendolo scorrere lungo le guide.
Se la sorgente è in grado di fornire una grande corrente, il proiettile può essere espulso dalle guide anche
con velocità elevatissime, in teoria fino a più di 20 km/s, equivalenti a Mach 60(*). Per raggiungere tali
velocità, occorre una sorgente in grado di fornire per qualche frazione di secondo una corrente di diversi
milioni di Ampere.
Il principio fisico alla base del cannone elettromagnetico è noto dalla metà del 1800, il circuito elettrico
da realizzare è relativemente semplice… perchè non è stato fatto prima?
I problemi sono stati, in effetti, di difficile soluzione. Alcuni qui di seguito:
- la forza che per lo stesso principio fisico si sviluppa anche sulle guide, tende a deformarle. Le
guide sono lunghe 5-10 metri e quindi subiscono una sollecitazione enorme.
(*): La velocità di un corpo in fluido si può misurare in multipli della velocità del suono in quel fluido (Mach 1). Nell’aria Mach 1 è di
circa 0,34km/s. Si definisce regime ipersonico una velocità > Mach 5.
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Monza, 10 ottobre 2008
la dissipazione Joule e gli attriti causati dal moto del proiettile lungo le guide causano il
raggiungimento di temperature elevatissime (fino a 10.000°C).
il generatore impulsivo deve essere in grado di erogare correnti elevatissime in tempi brevissimi,
senza distruggersi per le sollecitazioni elettriche e meccaniche, nonchè termiche.
A partire dagli ultimi decenni del secolo scorso gli studi sul cannone elettromagnetico si sono
intensificati, grazie agli sviluppi tecnologici che hanno permesso di realizzare prototipi via via più
performanti e interessanti: nel 2008 la marina statunitense ha fatto dei lanci con proiettili in tungsteno di
circa 2 kg sparati alla velocità di 3 km/s (Mach 9); bisogna sottolineare che con i cannoni “normali” la
velocità limite teorica, ormai raggiunta da tempo, è di circa 1,2 km/s (Mach 3).
Fondamentalmente i problemi che impedivano la realizzazione di cannoni elettromagnetici efficaci sono
stati superati
- grazie alla migliore tecnologia dei materiali, che permette di ottenere materiali via via sempre
più robusti e resistenti al calore, con bassissima resistenza elettrica
grazie a sistemi di generazione in grado di fornire correnti elevatissime.
Applicazioni
Il cannone elettromagnetico, sviluppato per
fini militari, sarà in effetti interessante
anche per applicazioni diverse, per esempio
dove sono richieste elevate accelerazioni di
grosse masse (ad esempio aerei che partono
da portaerei), lancio di missili in orbita,
movimentazione di satelliti in assenza di
atmosfera (dove non è possibile utilizzare
carburanti chimici).
Prova di lancio con prototipo di cannone elettromagnetico. Si noti lo
sviluppo del calore per effetto Joule e per attrito.
Il contributo di ICAR
Ci sono solo due sistemi per produrre correnti impulsive di valori così elevati: i cosiddetti
“compulsators” ovvero alternatori speciali in grado di emettere impulsi di corrente, oppure robuste
batterie di condensatori speciali ad alta capacità e con elevata velocità di scarica.
ICAR ha sviluppato condensatori speciali in grado di immagazzinare un’energia
elevatissima e fornirla in un tempo brevissimo (vedasi la referenza sull’impianto
del Nuclear Ignition Facility). Grazie alla tecnologia ICAR, le prestazioni ottenute
in questa particolare applicazione hanno fatto sì che Science Applications
International Corporation (SAIC) di San Diego – California, una delle realtà di
ricerca applicata che ha dato maggiore impulso al cannone elettromagnetico,
affidasse ad ICAR la fornitura dei condensatori utilizzati per lo studio di uno dei
prototipi finali.
Tra il 2005 ed il 2006 ICAR ha fornito a SAIC più di 300 condensatori speciali.
Questi condensatori hanno una tensione nominale di 16kV e possono
immagazzinare un’energia di 100kJ ciascuno, fornendo una corrente impulsiva di
300kA in 160µs. Sono stati progettati per fornire più di 2000 impulsi, resistendo
ad accelerazioni di 20 g.
Il condensatore per SAIC.
L’esperienza acquisita nella realizzazione di questi condensatori speciali è stata
travasata nella tecnologia 3Ut, i condensatori di rifasamento più innovativi.
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