thumb|240px|Diagrama esquemático de un cañón de riel. thumb|Diagrama mostrando el corte de un cañón de riel alemán.
El cañón de riel (de rail gun en inglés) es un arma eléctrica que por medio de un campo magnético dispara proyectiles metálicos a alta velocidad.
No hay que confundirlo con el cañón Gauss, un arma electromagnética basada en principios totalmente diferentes del cañón de riel.
Descripción general
El funcionamiento del arma se basa en el principio del motor homopolar: un par de conductores paralelos (los rieles) son alimentados por una corriente eléctrica. El proyectil se coloca haciendo contacto con ambos, para cerrar el circuito. La corriente que se produce interactúa con los fuertes campos magnéticos generados por el paso de la electricidad a través de los conductores y esto acelera el proyectil linealmente en la dirección de los rieles.
La idea original de este dispositivo fue la de usarlo para disparar proyectiles a alta velocidad con fines militares. Sin embargo, resulta difícil usarlo como arma debido a la enorme cantidad de energía requerida para funcionar con un mínimo de eficiencia y debido a que el espacio que ocupan las fuentes de alimentación y condensadores que utilizan para generar el campo magnético hace que sea muy difícil de transportar para la infantería. Aun así la Armada de Estados Unidos anunció una prueba realizada el 31 de enero de 2008 con el fin de equipar a sus naves con este tipo de armas.
Historia thumb|Diagramas del cañón de riel alemán.
Durante 1918, el inventor francés Louis Octave Fauchon-Villeplee inventó un cañón eléctrico que tiene un gran parecido con el motor lineal. Presentó una solicitud de patente en Estados Unidos el 1 de abril de 1919, la que le fue concedida en julio de 1922 con el N.º , como un «aparato eléctrico para propulsar proyectiles». En su dispositivo, dos barras conductoras paralelas están conectadas por las aletas del proyectil, y todo el aparato está rodeado por un campo magnético. Al pasar corriente por las barras y el proyectil, se induce una fuerza la cual impulsa el proyectil a lo largo de las barras y hacia el exterior del aparato.
Durante la Segunda Guerra Mundial la idea fue resucitada por Joachim Hänsler de la Oficina de Armamentos alemana, y se propuso un cañón antiaéreo eléctrico. Para fines de 1944 se había trabajado lo suficiente en el campo teórico como para permitir al Comando Antiaéreo de la Luftwaffe emitir una especificación, la cual incluía una velocidad de 2000 m/s y un proyectil conteniendo 0.5 kg de explosivos. Las armas serían montadas en baterías de 6 cañones disparando 12 disparos por minuto y se utilizaría el afuste existente del 12.8 cm FlaK 40. Nunca se construyó. Cuando la documentación fue descubierta después de la guerra despertó mucho interés y se hizo un estudio más detallado, finalizando con un informe de 1947 que concluyó que era teóricamente factible, pero cada cañón necesitaría energía suficiente como para iluminar la mitad de Chicago.
Durante 1950, Sir Mark Oliphant, un físico australiano y primer Director de la Escuela de Investigación de Ingeniería y Ciencias de la Física en la nueva Universidad Nacional de Australia, inició el diseño y construcción del generador homopolar más grande del mundo (500 MJ). Esta máquina fue usada para alimentar un cañón de riel de gran escala que fue usado como instrumento científico.
Teoría y construcción
Un cañón de riel consiste en dos rieles de metal paralelos (de ahí el nombre) conectados a un suministro de corriente eléctrica. Cuando un proyectil conductor es insertado entre los rieles (en el extremo conectado a la fuente de corriente), este completa el circuito. Los electrones fluyen del terminal negativo de la fuente de energía al riel negativo, cruza el proyectil, baja por el riel positivo, y vuelve al suministro de corriente.
Esta corriente transforma al cañón de riel en un electroimán, creando un potente campo magnético alrededor de los rieles hasta la posición del proyectil. El campo magnético circula alrededor de cada conductor según la regla de la mano derecha. Dado que la corriente está en dirección opuesta a lo largo de cada riel, el campo magnético neto entre los rieles (B) es dirigido verticalmente. En combinación con la corriente (I) que cruza el proyectil, esto produce una fuerza de Lorentz, que acelera el proyectil a lo largo de los rieles. Existen también otras fuerzas que empujan el riel en otros sentidos, pero debido a que estos están montados firmemente, no pueden moverse. El proyectil se desliza a lo largo de los rieles, desde el extremo que está conectado al suministro de energía, hacia el otro.
Un enorme suministro de energía eléctrica, del orden de los millones de amperios crearán una tremenda fuerza en el proyectil, acelerándolo a velocidades de varios kilómetros por segundo (km/s). 20 km/s han sido alcanzados con proyectiles pequeños inyectados dentro del cañón de riel. A pesar de que estas velocidades son teóricamente posibles, el calor generado al propulsar los proyectiles es suficiente para erosionar los rieles rápidamente. Debido a esto, sería necesario reemplazar los rieles frecuentemente, o utilizar materiales resistentes al calor que puedan ser conductores para producir el mismo efecto.
Consideraciones en el diseño del cañón de riel
Materiales
Los rieles y los proyectiles deben ser construidos de materiales fuertes y conductores; los rieles deben sobrevivir a la violencia de un proyectil acelerado, y al calor producto de las fricciones y el paso de la corriente eléctrica. La fuerza de retroceso que se ejerce sobre los rieles es igual y opuesta a la fuerza que impulsa el proyectil. La ubicación de la fuerza de retroceso es aún objeto de debate. Las ecuaciones tradicionales predicen que la fuerza de retroceso actúa en la «recámara» del cañón. Otra escuela de pensamiento invoca la Ley de Ampère y afirma que actúa a lo largo de los rieles (que es su eje más fuerte).Reply to electrodynamic force law controversy Los carriles también se repelen entre ellos a través de una fuerza lateral causada por el campo magnético, al igual que el proyectil. Los rieles necesitan sobrevivir a esto sin doblarse, y deben estar montados en forma segura.
Consideraciones de diseño
La fuente de energía debe ser capaz de entregar una corriente muy grande, sostenida y controlada, en un lapso utilizable. La medida más importante de la eficacia de la fuente de energía es la corriente que puede entregar. En febrero de 2008, la mayor energía conocida y utilizada para la propulsión de un proyectil de un cañón de riel fue de treinta y dos millones de julios.Electromagnetic railgun blasts off La fuente de energía más utilizada en cañones de riel son los condensadores y el alternador de pulsos compensado, que son cargados poco a poco de otras fuentes de energía continua o mediante un generador de Van de Graaff.
Los rieles deben soportar enormes fuerzas de repulsión durante el disparo, y estas fuerzas tienden a empujarlos en dirección contraria y lejos del proyectil. Cuando se incrementa la holgura entre el proyectil y los rieles se forman arcos eléctricos, lo que provoca la rápida vaporización y daños en la superficie de los rieles y en los aislantes. Esto limitaba a los primeros investigadores a un único disparo entre reparaciones del cañón de riel.
La inductancia y la resistencia de los rieles y de la fuente de energía limita la eficiencia de un diseño de cañón de riel. Actualmente, diferentes tipos de rieles y configuraciones de cañones están siendo probados, siendo los más notables los de la Armada de Estados Unidos, el Instituto de Tecnología Avanzada y BAE Systems.
Disipación del calor
Enormes cantidades de calor son generadas por la electricidad que fluye a través de los rieles, así como también por la fricción del proyectil al abandonar el dispositivo. El calor creado por la fricción puede ocasionar la dilatación de los rieles y el proyectil, aumentando aún más el calor por fricción. Esto provoca tres problemas principales: la fusión de los equipos, disminución de la seguridad del personal y la detección por las fuerzas enemigas. Como se explica brevemente más arriba, las fuerzas involucradas en el lanzamiento de este tipo de dispositivos requieren un material muy resistente al calor. De lo contrario los rieles, el cañón y todo el equipo conectado se fundirán o se dañarán irreparablemente. En la práctica los rieles son, junto con todos los componentes del cañón de riel, erosionados con cada disparo; y los proyectiles pueden ser objeto de algún grado de ablación también, y esto puede limitar la vida del cañón de riel, en algunos casos severamente.PowerLabs rail gun!
Fórmula matemática
En la física del cañón de riel, la magnitud del vector fuerza puede determinarse por la Ley de Biot-Savart y como resultado de la Fuerza de Lorentz. Puede derivarse matemáticamente en términos de la permeabilidad constante (), el radio del riel (el cual se asume de sección circular) (), la distancia entre los centros de los rieles () y la corriente en ampéres () como sigue:
Se puede demostrar de la ley de Biot-Savart que el campo magnético a una distancia de un cable conductor semi-infinito por el que pasa una corriente está dado por:
Así, en el espacio entre dos cables conductores semi-infinitos separados por una distancia , la magnitud del campo es:
Para obtener el campo magnético promedio en el espacio entre los dos cables, se supone que es pequeña en comparación con y calcular la integral siguiente:
Por la ley de la fuerza de Lorentz, la fuerza magnética sobre un cable conduciendo corriente está dada por , por lo que debido a que el ancho del proyectil conductor es , tenemos que
La fórmula está basada asumiendo que la distancia () entre el punto donde la fuerza () es medida y el comienzo del riel es mayor que la separación de los rieles () por un factor de alrededor de 3 o 4 (). Se asumen otras simplificaciones; para describir las fuerzas en forma más precisa, la geometría de los rieles y del proyectil deben ser consideradas.
Cohetería
Se está estudiando el lanzamiento de cohetes asistidos electrodinámicamente.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) Las aplicaciones espaciales de esta tecnología implica bobinas electromagnéticas especialmente formadas e imanes superconductores.Advanced Magnet Lab, Inc. (2008) «Space and defense» magnetlab.com Se utilizan materiales compuestos para estas aplicaciones.Advanced Magnet Lab, Inc. (2008) «Direct double-helix» magnetlab.com
El cañón de riel como arma thumb|Dibujos de proyectiles para cañón de riel.
Se comenzó a investigar con el cañón de riel disparando proyectiles que no contenían explosivos, pero con velocidades extremadamente altas: 3500 m/s (aproximadamente Mach 10 al nivel del mar) o más (para comparación, el fusil M16 calibre 5.56 mm tiene una velocidad de boca de 930 m/s, y el FN FAL calibre 7.62 mm, 840 m/s), lo cual le da una energía cinética igual o superior a la generada por un proyectil con carga propulsora de mayor masa. Esto permite transportar mayor munición y eliminar el riesgo de acarrear explosivos en un tanque o un buque de guerra. Además, al disparar a mayor velocidad tiene más alcance, con menor caída de la bala y menor desviación por el viento, pasando por alto el costo y las limitaciones físicas de las armas convencionales – «los límites de la expansión de los gases prohíben lanzar un proyectil no asistido a velocidades mayores de 1.5 km/s y alcances superiores a los 80 km en un sistema de arma convencional».