Rail gun

Rail gun

Canon électrique


Test d'un canon électrique de la marine américaine en janvier 2008.

Le canon électrique, connu aussi sous le nom anglais de railgun — ou rail gun — d'où la traduction canon à rails – à ne pas confondre avec la passagère artillerie lourde sur voie ferrée (1914-1918 et 1939-1945) – est une arme à projectile accéléré par une force électromagnétique, semblable à celle qui fait tourner le moteur homopolaire.

Sommaire

Le principe

Le courant I et le champ magnétique B traversant le projectile produisent une force F

Le concept sous-jacent est probablement aussi ancien que la découverte de la force de Laplace (avec une proposition en France dès 1884, puis 1908, et une tentative de développement pendant la Première Guerre mondiale qui fut abandonnée faute de résultat probant. Sa réalisation opérationnelle n'est toujours pas d'actualité. Il n'existe actuellement que des prototypes utilisables en laboratoire.

Le concept est on ne peut plus simple : on établit une différence de potentiel électrique entre deux rails parallèles conducteurs de l'électricité et on insère entre eux un projectile conducteur et pouvant glisser ou rouler dessus, en faisant contact. Dès que le contact a lieu, un courant électrique circule entre les deux rails, un champ magnétique naît et le projectile est accéléré par la force de Laplace (interaction entre le courant qui circule dans le projectile et le champ magnétique créé).

Le canon électrique, à propulsion électromagnétique, ne doit cependant pas être confondu avec une autre forme, le canon magnétique, où le champ magnétique est parallèle à l'axe, et où le projectile, au lieu d'être parcouru par un courant est ferromagnétique.

On peut néanmoins, pour augmenter la force du canon électrique, renforcer le champ magnétique en ajoutant, de part et d'autre du plan formé par les deux rails, des aimants créant un champ magnétique, perpendiculaire à l'axe, et de sens approprié pour s'ajouter au champ engendré par le courant.

Théorie

Les deux rails métalliques parallèles sont connectés à un générateur électrique, formant ainsi un circuit ouvert. Dès qu'un objet conducteur est inséré entre les rails, le circuit est fermé, et un courant le suit, allant du pôle + du générateur, par le rail +, l'objet posé, le rail –, vers le pôle – du générateur.

Ce courant crée dans la boucle ainsi formée un champ magnétique de valeur B, qui s'enroule autour de chaque élément conducteur d'après la loi de Biot et Savart ou le théorème d'Ampère. En supposant la boucle dans un plan horizontal, le champ magnétique créé va donc être vertical dans le plan de la boucle. Il est donc perpendiculaire au courant d'intensité I et exerce donc sur lui, d'après la loi de Laplace une force d'intensité B × I par unité de longueur.

Cette force, agissant sur le projectile, va le propulser le long des rails, et on peut montrer qu'il s'éloigne du générateur, agrandissant ainsi la surface de la boucle. C'est une conséquence de la loi de Lenz, plus générale. La force de Laplace propulse le projectile et exerce aussi de fortes contraintes sur les rails, le générateur et, éventuellement, sur l'aimant.

Comme le champ magnétique B est proportionnel à l'intensité I du courant, la force de Laplace est proportionnelle au carré de l'intensité.

Une intensité d'un million d'ampères pourrait exercer sur le projectile une force inouïe, et il pourrait atteindre de très hautes vitesses. On a réussi à atteindre 20 km/s avec de petits projectiles projetés sur les rails par une explosion.

Technique

Choix des matériaux

Rails et projectile doivent être construits de matériaux résistants et conducteurs. Ils doivent résister à la violence du projectile accéléré, et à la chaleur développée par l'effet Joule du courant très élevé, aux frottements, et aux décharges électriques des contacts mobiles, qui provoquent des dégâts sérieux aux surfaces.

Le canon doit aussi encaisser le recul dû à l'accélération du projectile, comme dans n'importe quelle arme. Le point d'application exact de cette force de recul est encore sujet à controverse. Les traditions de l'artillerie veulent que ce soit sur la culasse de l'arme, c'est-à-dire la partie du circuit qui ferme la boucle en regard du projectile, mais certains s'appuient sur le théorème de Maxwell-Ampère pour affirmer qu'il est réparti tout au long des rails[1]. C'est probablement vrai stricto sensu, mais si l'on néglige les vitesses en jeu par rapport à celle de la lumière, l'approximation des artilleurs reste convenable.

Un problème plus important est que, par unité de longueur, les rails se repoussent de côté exactement comme le projectile est poussé vers l'avant (toujours perpendiculairement). Il leur faut donc résister à cette contrainte sans se tordre, et donc être très solidement fixés sur un bâti indéformable, mais isolant pour éviter l'induction de courants qui représenteraient une perte.

Rendement

L'effet Joule, en chauffant les rails et le projectile consomme une partie de l'énergie, aux dépens du rendement de l'installation. La chaleur développée par cet effet, ainsi que par les frottements du projectile, présente trois inconvénients principaux :

  • la fusion au moins partielle du canon,
  • la sécurité du personnel de tir,
  • la facilité de détection par l'ennemi.

En pratique, dans la plupart des réalisations, les rails s'usent extrêmement rapidement. Les projectiles aussi, mais ils ne servent par principe qu'une seule fois. L'usure des rails limite le temps de vie du canon, et leur échange standard est difficile compte tenu de la solidité nécessaire de leur fixation et de la qualité exigée des contacts avec le générateur[2].

L'emploi de matériaux supraconducteurs est imaginable, mais pour le moment bien peu réaliste (température, résistance mécanique, etc.). D'autre part l'inductance du circuit limite le temps de montée de l'intensité du courant, limitant également le rendement moyen sur le temps total d'accélération.

Un arc électrique peut jaillir entre les rails, faisant ainsi un court-circuit destructeur et annulant l'effet sur le projectile. Certaines versions tentent d'exploiter cet effet d'arc électrique : un plasma est amorcé par une simple feuille de métal conducteur vaporisé par l'effet Joule ; ce plasma pousse alors le véritable projectile, non conducteur, comme les gaz d'un canon ordinaire, mais sans les problèmes liés à l'étanchéité et à la résistance mécanique nécessaires (le confinement étant réalisé par le dispositif électromagnétique).

Le générateur

Le générateur doit être capable de délivrer de très forts courants, contrôlés et durant le temps nécessaire à l'accélération du projectile. Pour mesurer l'efficacité du générateur, il faut essentiellement savoir l'énergie qu'il peut fournir, mesurée en joules. L'énergie maximale utilisée pour un canon électrique a été 10 millions de joules (MJ). Il suffit de savoir, pour avoir une idée rapide des chiffres, qu'un projectile de masse m kg, lancé à une vitesse v km/s possède une énergie cinétique de 0,5 × m × v × v MJ[3]. Les formes usuelles de générateurs utilisés pour les canons électriques sont des générateurs impulsionnels à volant d'inertie, et des capacités.

Utilisation militaire

La filière du canon électrique est explorée car elle permettrait de développer des armes dont les projectiles ne contiennent pas d'explosif, mais ont une très grande vitesse : 3 500 m/s, soit approximativement Mach 10 au niveau de la mer, ou plus. Par comparaison le fusil Famas donne à ses balles une vitesse approximative de 950 m/s. Ceci donnerait aux projectiles une énergie supérieure à celle d'un obus explosif de masse égale, et permettrait donc de transporter plus de munitions, en éliminant le danger du transport d'explosifs dans un char ou une tourelle de navire. Cependant, les problèmes d'usure des rails et des isolants doivent encore être résolus avant que le canon électrique puisse entrer en service opérationnel.

En raison de la grande vitesse initiale des projectiles, les canons électriques sont intéressants dans la lutte contre les missiles très rapides. De plus, une plus grande vitesse donnerait une plus longue portée, moins de flèche à la trajectoire, et moins de sensibilité au vent. Elle court-circuiterait ainsi les limites inhérentes aux armes à feu conventionnelles, qui limitent, en raison des lois de la détente des gaz, les vitesses des projectiles à environ 1,5 km/s et leur portée à environ 80 km[4].

Si l'on arrive à appliquer la technique à des armes automatiques à tir rapide, un canon électrique aurait des avantages en ce qui concerne la vitesse de tir. Les mécanismes d'une arme conventionnelle doivent assurer les manœuvres de culasse, le déchargement et le rechargement de chaque cartouche, tandis qu'un canon électrique, entre les coups, n'a qu'à assurer l'approvisionnement d'un nouveau projectile, et à fournir la puissance nécessaire au rechargement du générateur. Un canon de 10 MJ tirant à 1 coup/s aurait besoin ainsi d'une puissance d'alimentation moyenne de 10 MW, soit la moitié de la puissance électrique totale installée sur le porte-avions nucléaire Charles-de-Gaulle, et surtout, assurer le refroidissement en continu de l'ensemble.

Tests

L'abbaye de Dundrennan domine le champ de tir
  • Probablement, le plus ancien système constamment satisfaisant a été construit par la Defence Research Agency (Agence de recherche de défense) britannique sur le champ de tir de Dundrennan à Kirkcudbright (Écosse). Ce système est opérationnel depuis plus de 10 ans, dans un service d'étude des balistiques interne, intermédiaire, externe et terminale, et a battu plusieurs records de masse et de vitesse.
  • Le Pegasus construit par l'institut franco-allemand de recherches militaire de Saint-Louis (ISL) pouvait tirer en 1998 un projectile d'un kilogramme à la vitesse de 2 600 m/s pour une puissance de 15 GW. En comparaison, le même projectile à poudre ne dépasserait pas 1 800 m/s.
  • Les États-Unis (DARPA) depuis les années 70, dans le cadre de l'« initiative de défense stratégique », la « guerre des étoiles » du président Ronald Reagan, financent des expériences de canon électrique.
  • L'Institut de technologie avancée de l'Université du Texas à Austin a construit des canons électriques capables d'envoyer des obus perforants en tungstène d'une énergie de 9 MJ[5]. Cette énergie est suffisante pour lancer un obus de 2 kg à 3 km/s, et à cette vitesse, une tige de tungstène ou autre métal dense, peut facilement pénétrer dans un char, et peut-être passer à travers.
  • Le Centre de guerre navale de surface des États-Unis à Dahlgren (Virginie) y a testé un prototype de canon électrique, livré par BAe Systems, qui a accéléré un obus de sept livres (3,17 kg) à Mach 7, conçu pour être poussé jusqu'à 32 ou peut-être même 64 MJ.[6][7].
Le principal problème auquel la marine doit faire face dans ses mises au point est l'usure rapide des rails provoquée par l'énorme chaleur du tir. Ce genre d'armes devraient être assez puissantes pour provoquer un peu plus de dommages qu'un missile BGM-109 Tomahawk conventionnel, pour une fraction du coût[8].
  • En février 2008, la marine états-unienne a testé un canon électrique avec complément magnétique : il a tiré un obus à 2 500 m/s avec 10 MJ. On prévoit d'augmenter sa vitesse initiale jusqu'à 8 300 m/s, avec une précision suffisante pour toucher une cible de 5 m à 360 km, avec une cadence de tir de 10 coups/mn. On pense le réaliser vers 2020–2025[9].

Arme imaginaire

Les Railguns sont souvent utilisé en science-fiction ou dans des jeux vidéo pour figurer des fusils de précision très puissants, des systèmes de destruction très puissants, ou des armes tirant à travers les murs (les projectiles étant tellement rapides qu'il traversent le mur sans perdre appréciablement de leur énergie cinétique). La distinction avec les canons magnétiques (« coilguns »), ou rayons de la mort (« rayguns »), y est souvent floue.

Jeux vidéos

Ils ont été rendus célèbres

  • dans la série de jeux vidéo Quake, comme un fusil de précision.
  • Il est plus souvent rendu par une arme plus importante montée sur armure ou combinaison spatiale, comme dans le jeu Warhammer 40,000,
  • Ou dans la serie Metal Gear Solid, en étant le canon principale du Metal Gear REX (MGS1) et comme fusil de précision (MGS4). L'arme de Fortune dans MGS2 semble également être un railgun.
  • Dans FallOut et Stalker, comme une arme tres puissante et tres précise
  • Dans Perfect Dark, un fusil d'origine extraterrestre peut-être utilisé dans un mode appelé Rail-Gun. Il présente des caractéristiques typiques d'un canon électrique de première génération comme on pourrait l'imaginer : trés long canon, cadence lente, perçage de toutes les matières de n'importe quelles épaisseurs et dans un nombre illimité, précision extrême. Comme dans le film L'Effaceur, il est équipé d'une vision pouvant zoomer à travers la matière ce qui facilite comme dans le film son utilisation pour traverser les murs. Il existe aussi dans le jeu un fusil-mitrailleur faisant partie de la même classe d'arme, le Callisto NTG, qui possède un mode perce-blindage.
  • Dans Ogame, comme l'un des systèmes de défense du jeu.

En science-fiction

Dans le film l'Effaceur, avec l'acteur Arnold Schwarzenegger, une arme futuriste qui fait l'objet d'un trafic n'est autre qu'un canon électromagnétique ou électrique.

Dans le film Transformers 2, l'armée américaine se sert d'un canon éléctrique pour détruire un Decepticon, ennemi des Autobots.

Notes et références

  1. Réponse à « Electrodynamic force law controversy » [(en) lire en ligne]
  2. « Le canon électrique de PowerLabs », [(en) lire en ligne]
  3. « Un canon électromagnétique : programme naval innovant » [(en) lire en ligne]
  4. David Adams, « Naval Railguns Are Revolutionary », [(en) lire en ligne]
  5. University of Texas, « EM Systems », [(en) lire en ligne]
  6. Technology Review: « Electromagnetic Railgun Blasts Off » [(en) lire en ligne]
  7. Erik Sofge, Popular Mechanics, « World's Most Powerful Rail Gun Delivered to Navy », [(en) lire en ligne], 14/11/2007
  8. Michael Zitz, Fredericksburg.com, « A missile punch at bullet prices », [(en) lire en ligne], 17/1/2007
  9. Image et commentaires : [(en) Voir en ligne]

Source

  • (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu d’une traduction de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Railgun ».

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes

Théorie
  • Matthew E. Massey, « Railgun Theory », [(en) lire en ligne]
  • howstuffworks.com, « Explications avec animations », [{{en}}} Voir en ligne]
  • iop.org, « Theoretical limits on exit velocity », [(en) lire en ligne]
  • Jengel & Fatro, « Rail Gun Page », [(en) lire en ligne]
Amateurs
  • « Railgun theory, design, construction, and testing », [(en) lire en ligne]
  • Jason Rollette, « Railgun Blog », [(en) lire en ligne]
  • « Miniature Experimental Railgun », [(en) lire en ligne]
  • Tim Ventura, « 90's-era Railgun Designs », [(en) lire en ligne]
  • « American Antigravity's Mass-Driver : Demo + Video », [(en) Voir en ligne]
  • EML Laboratory, « Japanese Experiment+Video », [(en) Voir en ligne]
Universités
  • Institut franco-allemand de recherches de Saint-Louis (ISL), « Lanceurs et impulsions de forte puissance », [lire en ligne]
  • Auburn University, « Rail Gun », [(en) lire en ligne]
Presse et médias
  • Jane's Defence Weekly, « USN sets five-year target to develop electromagnetic gun », [(en) lire en ligne], 20/7/2006
  • Wired News blog article, « US Navy Invents Railgun », [(en) lire en ligne], 18/1/2007
  • Popular Science Article, « Electromagnetic Railgun », [(en) lire en ligne]
  • Fredericksburg.com, « Navy Electromagnetic Launch Facility, Test Shot #1, Video of Navy railgun test firing  », [(en) Voir en ligne], 30/1/2007
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