Tecnologia eletrotérmica-química

eletrotérmica-química (ETC) é uma tentativa de aumentar a precisão e a energia da boca do futuro tanque, artilharia e canhões de sistemas de armas de proximidade, melhorando a previsibilidade e taxa de expansão de propelentes dentro do barril.

Uma arma eletrotérmica-química usa um cartucho de plasma para inflamar e controlar o propulsor da munição, usando energia elétrica para acionar o processo. O ETC aumenta o desempenho dos propelentes sólidos convencionais, reduz o efeito da temperatura na expansão do propelente e permite o uso de propelentes mais avançados e de maior densidade.

A tecnologia está em desenvolvimento desde meados da década de 1980 e atualmente está sendo pesquisada ativamente nos Estados Unidos pelo Laboratório de Pesquisa do Exército, Sandia National Laboratories e empreiteiros da indústria de defesa, incluindo FMC Corporation, General Dynamics Land Systems, Olin Ordnance e Centro de Pesquisa Nuclear Soreq. É possível que a propulsão eletrotérmica-química de armas seja parte integrante do futuro sistema de combate do Exército dos EUA e de outros países, como Alemanha e Reino Unido. A tecnologia eletrotérmica-química faz parte de um amplo programa de pesquisa e desenvolvimento que abrange toda a tecnologia de pistolas elétricas, como railguns e coil guns.

Fundo

O XM360.

A batalha constante entre blindagem e munição perfurante levou ao desenvolvimento contínuo do projeto do tanque de batalha principal. A evolução das armas antitanque americanas remonta aos requisitos para combater os tanques soviéticos. No final da década de 1980, pensava-se que o nível de proteção do Futuro Tanque Soviético (FST) poderia exceder 700 mm de equivalência de blindagem homogênea laminada em sua espessura máxima, o que era efetivamente imune contra o sabot de descarte estabilizado de blindagem contemporânea M829. Na década de 1980, o método mais imediato disponível para a OTAN para combater os avanços soviéticos na tecnologia de blindagem era a adoção de um canhão principal de 140 mm, mas isso exigia uma torre redesenhada que pudesse incorporar a culatra e a munição maiores, e também exigia algum tipo de sistema automático carregador. Embora o canhão de 140 mm fosse considerado uma solução provisória real, foi decidido após a queda da União Soviética que o aumento na energia do cano fornecido não valia o aumento de peso. Os recursos foram, portanto, gastos na pesquisa de outros programas que pudessem fornecer a energia necessária para o focinho. Uma das tecnologias alternativas de maior sucesso continua sendo a ignição eletrotérmica-química.

A maioria dos avanços propostos na tecnologia de canhões é baseada na suposição de que o propelente sólido como um sistema de propulsão autônomo não é mais capaz de fornecer a energia de cano necessária. Este requisito foi enfatizado pelo aparecimento do tanque de batalha principal russo T-90. O alongamento dos tubos de canhão atuais, como o novo alemão 120 mm L/55, que foi introduzido pela Rheinmetall, é considerado apenas uma solução provisória, pois não oferece o aumento necessário na velocidade inicial. Mesmo a munição avançada de energia cinética, como a dos Estados Unidos' O M829A3 é considerado apenas uma solução provisória contra ameaças futuras. Nessa medida, considera-se que o propulsor sólido atingiu o fim de sua utilidade, embora continue sendo o principal método de propulsão pelo menos na próxima década, até que novas tecnologias amadureçam. Para melhorar as capacidades de uma arma de propelente sólido, a arma eletrotérmica-química pode entrar em produção já em 2016.

A tecnologia ETC oferece uma atualização de risco médio e é desenvolvida a tal ponto que as melhorias posteriores são tão pequenas que podem ser consideradas maduras. O leve americano 120 mm XM291 chegou perto de atingir 17 MJ de energia de cano, que é o espectro de energia de cano inferior para um canhão de 140 mm. No entanto, o sucesso do XM291 não implica o sucesso da tecnologia ETC, pois existem partes essenciais do sistema de propulsão que ainda não são compreendidas ou totalmente desenvolvidas, como o processo de ignição por plasma. No entanto, existem evidências substanciais de que a tecnologia ETC é viável e vale o dinheiro para continuar o desenvolvimento. Além disso, pode ser integrado aos sistemas de armas atuais.

Princípio operacional

Um diagrama de uma arma eletrotermal-química.

Uma arma eletrotérmica-química usa um cartucho de plasma para inflamar e controlar o propulsor da munição, usando energia elétrica como catalisador para iniciar o processo. Originalmente pesquisado pelo Dr. Jon Parmentola para o Exército dos EUA, tornou-se um sucessor muito plausível de um canhão de tanque de propelente sólido padrão. Desde o início da pesquisa, os Estados Unidos financiaram o projeto do canhão XM291 com US$ 4.000.000, a pesquisa básica com US$ 300.000 e a pesquisa aplicada com US$ 600.000. Desde então, provou-se que funciona, embora a eficiência necessária ainda não tenha sido alcançada. O ETC aumenta o desempenho dos propelentes sólidos convencionais, reduz o efeito da temperatura na expansão do propelente e permite o uso de propelentes mais avançados e de maior densidade. Ele também reduzirá a pressão colocada no cano em comparação com tecnologias alternativas que oferecem a mesma energia do focinho, pois ajuda a espalhar o gás do propulsor com muito mais suavidade durante a ignição. Atualmente, existem dois métodos principais de iniciação de plasma: o emissor de grande área flashboard (FLARE) e o ignitor de plasma coaxial triplo (TCPI).

Emissor de área grande do Flashboard

Os flashboards funcionam em várias sequências paralelas para fornecer uma grande área de plasma ou radiação ultravioleta e usam a quebra e vaporização de lacunas de diamantes para produzir o plasma necessário. Essas cordas paralelas são montadas em tubos e orientadas para ter suas lacunas azimutais em relação ao eixo do tubo. Ele descarrega usando ar de alta pressão para mover o ar para fora do caminho. Os iniciadores FLARE podem inflamar propelentes através da liberação de plasma, ou mesmo através do uso de radiação de calor ultravioleta. O comprimento de absorção de um propelente sólido é suficiente para ser inflamado pela radiação de uma fonte de plasma. No entanto, o FLARE provavelmente não atingiu os requisitos de projeto ideais e uma compreensão mais aprofundada do FLARE e de como ele funciona é completamente necessária para garantir a evolução da tecnologia. Se o FLARE fornecesse ao projeto do canhão XM291 o calor radiativo suficiente para inflamar o propelente para atingir uma energia inicial de 17 MJ, só poderíamos imaginar as possibilidades com um ignitor de plasma FLARE totalmente desenvolvido. As áreas de estudo atuais incluem como o plasma afetará o propulsor através da radiação, a liberação de energia mecânica e calor diretamente e direcionando o fluxo de gás. Apesar dessas tarefas assustadoras, o FLARE foi visto como o ignitor mais plausível para aplicações futuras em armas ETC.

Ignidor de plasma coaxial triplo

Um ignitor coaxial consiste em um condutor totalmente isolado, coberto por quatro tiras de folha de alumínio. Tudo isso é ainda isolado em um tubo de cerca de 1,6 cm de diâmetro perfurado com pequenos orifícios. A ideia é usar um fluxo elétrico através do condutor e, em seguida, explodir o fluxo em vapor e depois quebrá-lo em plasma. Consequentemente, o plasma escapa pelas perfurações constantes ao longo do tubo isolante e inicia o propelente circundante. Um ignitor TCPI é instalado em caixas de propelentes individuais para cada cartucho de munição. No entanto, o TCPI não é mais considerado um método viável de ignição por propelente porque pode danificar as aletas e não fornecer energia de forma tão eficiente quanto um ignitor FLARE.

Viabilidade

A arma ETC de 60 mm desenvolvida pela Marinha dos EUA na FMC como uma prova CIWS ETC de demonstrador de princípio.

O XM291 é o melhor exemplo existente de uma pistola eletrotérmica-química funcional. Era uma tecnologia alternativa ao canhão de calibre 140 mm mais pesado usando a abordagem de calibre duplo. Ele usa uma culatra grande o suficiente para aceitar munição de 140 mm e ser montada com um cano de 120 mm e um cano de 135 mm ou 140 mm. O XM291 também monta um tubo de canhão maior e uma câmara de ignição maior do que o canhão principal M256 L/44 existente. Por meio da aplicação da tecnologia eletrotérmica-química, o XM291 foi capaz de atingir saídas de energia de cano que equivalem a um canhão de 140 mm de baixo nível, ao mesmo tempo em que alcança velocidades de cano maiores do que as do canhão de 140 mm maior. Embora o XM291 não signifique que a tecnologia ETC seja viável, ele oferece um exemplo de que é possível.

A ETC também é uma opção mais viável do que outras alternativas por definição. O ETC requer muito menos entrada de energia de fontes externas, como uma bateria, do que um railgun ou um coilgun. Testes mostraram que a energia produzida pelo propulsor é maior do que a entrada de energia de fontes externas nas armas ETC. Em comparação, um railgun atualmente não pode atingir uma velocidade inicial maior do que a quantidade de entrada de energia. Mesmo com 50% de eficiência, um canhão ferroviário lançando um projétil com uma energia cinética de 20 MJ exigiria uma entrada de energia nos trilhos de 40 MJ, e 50% de eficiência ainda não foi alcançado. Para colocar isso em perspectiva, um canhão ferroviário lançado a 9 MJ de energia precisaria de aproximadamente 32 MJ de energia de capacitores. Os avanços atuais no armazenamento de energia permitem densidades de energia de até 2,5 MJ/dm³, o que significa que uma bateria fornecendo 32 MJ de energia exigiria um volume de 12,8 dm³ por disparo; este não é um volume viável para uso em um tanque de batalha principal moderno, especialmente um projetado para ser mais leve que os modelos existentes. Houve até discussões sobre a eliminação da necessidade de uma fonte elétrica externa na ignição ETC iniciando o cartucho de plasma por meio de uma pequena força explosiva.

Além disso, a tecnologia ETC não é aplicável apenas a propelentes sólidos. Para aumentar ainda mais a velocidade inicial, a ignição eletrotérmica-química pode funcionar com propelentes líquidos, embora isso exija mais pesquisas sobre a ignição de plasma. A tecnologia ETC também é compatível com projetos existentes para reduzir a quantidade de recuo entregue ao veículo durante o disparo. Compreensivelmente, o recuo de uma arma disparando um projétil a 17 MJ ou mais aumentará diretamente com o aumento da energia do cano de acordo com a terceira lei do movimento de Newton e a implementação bem-sucedida de mecanismos de redução de recuo será vital para a instalação de um Pistola acionada por ETC em um projeto de veículo existente. Por exemplo, o novo canhão leve de 120 mm L/45 da OTO Melara alcançou uma força de recuo de 25 t usando um mecanismo de recuo mais longo (550 mm) e um freio de boca tipo pepperpot. A redução no recuo também pode ser obtida por meio da atenuação de massa da luva térmica. A capacidade da tecnologia ETC de ser aplicada a projetos de armas existentes significa que, para futuras atualizações de armas, não há mais a necessidade de redesenhar a torre para incluir uma culatra maior ou cano de arma de calibre.

Vários países já determinaram que a tecnologia ETC é viável para o futuro e financiaram consideravelmente projetos indígenas. Estes incluem os Estados Unidos, Alemanha e Reino Unido, entre outros. Estados Unidos' XM360, que foi planejado para equipar o tanque leve Future Combat Systems Mounted Combat System e pode ser o M1 Abrams'. próximo upgrade de arma, é supostamente baseado no XM291 e pode incluir a tecnologia ETC ou partes da tecnologia ETC. Testes desta arma foram realizados usando "ignição de precisão" tecnologia, que pode se referir à ignição ETC.