مقدمه
 

چنانکه مي‌دانيم در پرتاب‌کننده‌هاي متعارف، براثر انفجار باروت و آزاد شدنِ حجم قابل توجهي از گاز ناشي از انفجار، فشار قابل ملاحظه‌اي ايجاد مي‌گردد که سيستم‌هاي مختلفِ پرتاب‌کننده در جهتِ استفاده از اين فشار براي پرتابِ پرتابه و احياناً مسلح کردنِ مجددِ پرتاب‌کننده طراحي شده‌اند. گرچه اين سيستمِ انفجاريِ پرتاب، سرعت‌هاي خروجيِ قابلِ قبولي براي پرتابه حاصل مي‌کند اما داراي معايبي نيز مي‌باشد که عمدتاً عبارتند از صدا، آتش (يا نور)، و دود ناشي از انفجار باروت که از عواملِ عمده‌ي لودهنده‌ي محلِ شليک مي‌باشند، و نيز خطرات ناشي از انفجار ناخواسته‌ي خرج (يا باروتِ) لازم براي شليک که بايد همواره توسط نفر يا واحدِ شليک‌کننده حمل شود. ازاين‌رو همواره سعي بر اين بوده است که سيستم جايگزيني يافت شود که حتي‌الامکان عاري از معايب سيستم انفجاري بوده و حتي به‌علاوه سرعت‌هاي بيشتري را براي پرتابه حاصل نمايد.
از آنجا که نيروهاي الکترومغناطيسي، نيروهاي نسبتاً قدرتمند و قابلِ کنترلي مي‌باشند عموماً سيستمِ جايگزينِ فوق‌الذکر، در طراحي‌هاي مختلف جهتِ استفاده از اين نيروها براي پيش‌رانشِ پرتابه جستجو شده است. توضيح اينکه براثر حرکت نسبيِ قطب‌هاي مختلف مغناطيسي و الکتريکي در مجاورتِ يکديگر، برآنها نيروهايي اِعمال مي‌شود که بزرگي و جهت آنها به شدت ميادين مغناطيسي و الکتريکي و فاصله‌ي بين قطب‌ها و نيز سرعتِ جابجاييِ آنها نسبت به يکديگر بستگي دارد. از آنجا که اين پارامترها، به‌ويژه سرعتِ جابجايي، با استفاده از فناوري‌هاي موجود، به‌راحتي قابل کنترل و افزايش است به‌سهولت مي‌توان علاوه بر هدايت و جهت‌دهي به نيروهاي الکترومغناطيسي، آنها را به‌اندازه‌ي کافي افزايش داد و در سيستم‌هاي مختلف مهندسي، مثل الکتروموتورها، سولنوئيدها، توربين‌ها، و ...، از آنها استفاده کرد‌. طبيعي است که طراحانِ مختلف، به‌فکرِ استفاده از اين نيروي بزرگِ قابل کنترل به‌عنوانِ نيروي پيش‌رانِ پرتابه باشند تا علاوه بر حذف معايبِ فوق‌الذکرِ سيستم انفجاري، احتمالاً سرعت‌هاي بيشتري براي پرتابه نيز به‌دست آيد.
در همين راستا تاکنون عمدتاً دو سيستمٍ پرتابه‌ي الکترومغناطيسي در حد آزمايشي و نيمه‌صنعتي ساخته شده است که عبارتند از کويل‌گان و رِيل‌گان که در مورد آنها به‌اختصار در اين‌جا توضيح داده خواهد شد. دراين دو سيستم، به‌طورِ مستقيم (در کويل‌گان) و غيرمستقيم (در رِيل‌گان) از شتاب‌گرفتنِ دوقطبيهاي مغناطيسيِ بزرگ (در کويل‌گان) و کوچک (در ريل‌گان) در شيب ميدان مغناطيسي يک سيملوله‌ي حاملِ جريان، براي پرتابِ پرتابه استفاده مي‌شود. اين سيستم‌ها، باتوجه به معايبي از آنها که تاکنون مرتفع نشده است، هنوز به‌طورِ کامل گسترش نيافته و جايگزينِ سيستم‌هاي مرسوم نشده‌اند هرچند (به‌ويژه سيستمِ کويل‌گان) فافقِ عيوب سيستم‌هاي انفجاري مرسوم و حتي (به‌ويژه سيستم ريل‌گان) موجدِ سرعت‌هاي خيلي بيشتر براي پرتابه مي‌باشند.

انواع پرتاب‌کننده‌هاي الکترومغناطيسي و قوانين فيزيکي حاکم بر آنها [1 تا 4]
 

يک اسلحهي انرژي پالسي (Pulsed Energy Weapons) اسلحهاي است که از پالسهاي الکتريکي براي شليک پرتابه استفاده ميکند يا عملکردش انتقال جريان الکتريکي به هدف است. در اين اسلحهها غالباً از خازنهاي بزرگ براي ذخيرهي بار الکتريکي که هنگام شليک آزاد ميشود استفاده ميگردد. در سيستمهاي دوربرد بزرگ گاهي از سيستم‌هاي Compulsator (يا Compensated pulsed alternator) که با استفاده از نيروي چرخشي، بار را ذخيره مي‌کنند استفاده مي‌شود.
اسلحههاي آزمايشي انرژي پالسي عبارتند از تفنگ رِيلي (Railgun)، تفنگ کويلي (Coilgun)، و ليزرهايي مُعيّن. در اينجا به شرح دو مورد اول ميپردازيم.

تفنگ کويلي[5 تا 8]:
 

در يک تفنگ کويلي از يک يا تعداد بيشتري کويل الکترومغناطيسي براي شتاب دادن به پرتابه‌ي مغناطيسي استفاده مي‌شود. کويل‌ها در امتداد لوله‌ي تفنگ قرار داده مي‌شوند و به‌ترتيب روشن مي‌شوند به‌گونه‌اي که از اينکه پرتابه به‌سرعت در امتداد لوله‌ي تفنگ تحت تأثير نيروهاي مغناطيسي شتاب ‌گيرد اطمينان حاصل شود. در واقع تفنگ کويلي، سيملوله‌اي است که به هنگام عبور جريان از آن ميدان مغناطيسي‌اي ايجاد مي‌کند که پرتابه‌ي فرومغناطيس را به درون خود مي‌کشد. جريان عبور داده شده بزرگ و لحظه‌اي است. وقتي پرتابه به نزديکي مرکز کويل مي‌رسد اين جريان قطع شده و در کويل بعدي برقرار مي‌شود. با تکرار اين عمل پرتابه در مراحل متوالي به طور تصاعدي شتاب مي‌گيرد. جريان از يک منبع جريان قابل تخليه شدنِ سريع که نوعاً يک باتري يا يک مجموعه خازن ظرفيت بالاي ولتاژ بالا مي‌باشد تأمين مي‌شود. از يک ديود براي محافظت از خازنهاي حساس به جهت‌گيري (مثل الکتروليتيکها) استفاده مي‌شود تا در برابر صدمه‌ي ناشي از جهت‌گيري معکوس جريان پس از انجام عمل تخليه از آنها محافظت شود.
يک مانع اساسي در طراحي تفنگ کويلي تنظيم زمان برقراري جريان در کويلهاست. چند گزينه‌ي اصلي وجود دارد. ساده‌ترين (و احتمالاً کم‌اثرترين) آن گاف جرقه (spark gap) است که هنگامي که ولتاژ به يک حد آستانه‌ي معين برسد انرژي ذخيره شده را در کويل آزاد مي‌کند. گزينه‌ي بهتر، استفاده از سويچهاي حالت جامد است که شامل IGBTها (که مي‌توانند در بين پالس خاموش شوند) و SCRها (که همه‌ي انرژيِ ذخيره شده را قبل از خاموش شدن آزاد مي‌کنند) مي‌شود. يک سويچ سريع و نامطبوع، استفاده از لامپ فلاش به عنوان سويچ است. با متوالي بستن آن با کويل، مي‌تواند بدون سروصدا و تخريب (گرچه فلاشي از نور وجود خواهد داشت) به مقدار زيادي از جريان اجازه‌ي عبور از کويل را بدهد. همانندِ هر لامپِ فلاشي، يونشِ گازِ داخل لامپ تحت تأثير يک ولتاژ بالا، جريان را برقرار مي‌کند، لکن مقدار زيادي از انرژي به‌صورت گرما و نور هدر مي‌رود، و چون لامپ نقش يک گاف جرقه را بازي مي‌کند هنگامي که ولتاژ دو سر لامپ به اندازه‌ي کافي اُفت کند لامپ، رسانشِ جريان را قطع مي‌کند که اين امر باعث مي‌شود مقداري بار در خازن باقي بماند.
عليرغم تحقيق و توسعه‌هاي فراوانِ انجام گرفته توسط جامعه‌ي آماتور و حرفه‌اي، هنوز بايد بر موانع بزرگي غلبه کرد. از بزرگترين محدوديتهاي تفنگ کويلي اولاً سرعتي است که تحت آن پرتابه‌ي فرومغناطيس بوسيله‌ي ميدان مغناطيسي کاملاً اشباع مي‌شود و ثانياً سرعتي است که تحت آن اشباع‌شدگيِ مغناطيسي خود را از دست مي‌دهد. هنگامي که يک شيئ فرومغناطيس کاملاً اشباع مي‌شود ميزان نيروي جاذبه‌ي وارد بر آن از افزايش باز مي‌ايستد. پارامترهاي مشکلي که براي حداکثر بهره‌برداري از کار هر کويل بايد در نظر گرفت شامل تنظيم فاصله‌ي بين کويلها و نيز فاصله‌ي زماني بين شروع جريان‌دهي به هر کويل است که بايد برحسب سرعتي که پرتابه در هر مرحله بدست مي‌آورد و با در نظر گرفتن سرعت اشباع و از دست دادن اشباع که در بالا گفته شد و ميزان اصطکاک و مقاومت هوا محاسبه شود. همچنين وجود مقاومت الکتريکي باعث تلف شدن درصد قابل توجهي از انرژي داده شده به کويل مي‌شود. بر اين مشکل با استفاده از مواد ابررسانا مي‌توان غلبه کرد که البته استفاده از اين مواد مشکلاتِ ويژه‌ي خود را به‌همراه دارد.

تفنگ رِيلي [9 تا 15]:
 

يک تفنگ ريلي تفنگي کاملاً الکتريکي است که به پرتابهاي رسانا در امتداد يک جفت ريل فلزي شتاب ميدهد. در تفنگ ريلي از دو تماس الکتريکي لغزشي يا غلطشي که اجازهي عبور جريان الکتريکي بزرگي از پرتابه را ميدهد استفاده ميشود. اين جريان در تعاملي متقابل با ميدان منغناطيسي قويِ ايجاد شده بوسيلهي ريلهاي حاملِ جريان، به پرتابه شتاب ميدهد. آمريکا تفنگ ريلياي را آزمايش کرده است که به پرتابهاي 5ر3 کيلوگرمي سرعتي تا هفت برابر سرعت صوت ميدهد.
يک تفنگ رِيلي از دو رِيل فلزي موازيِ متصل به يک منبع تغذيهي الکتريکي تشکيل شده است. هنگامي که يک پرتابهي رسانا به ميان دو ريل هدايت ميشود مدار بسته ميشود. الکترونها با شروع حرکت از پايانهي منفي منبع تغذيه در طول ريل منفي از بين پرتابه در طول ريل مثبت به پايانهي مثبت منبع تغذيه بازمي‌گردند. اين جريان باعث ميشود که تفنگ ريلي شبيه يک آهنرباي الکتريکي ميدان مغناطيسي پرقدرتي را در ناحيهي بين ريلها ايجاد کند. ميدان مغناطيسي برطبق قانون دست راست، اطراف هر رسانايي در مدار به وجود ميآيد. چون جهت جريان در دو ريل مخالف يکديگر است ميدان مغناطيسي خالص بين ريلها (B) عمود بر سطح بين ريلهاست. چون جريان عبوري از پرتابه (I) در واقع عمود بر اين ميدان مغناطيسي است يک نيروي لورنتس بر پرتابه وارد ميشود که به آن در امتداد ريلها شتاب ميدهد. همين نيرو همچنين بر ريلها به طرف بيرون وارد ميشود و سعي در باز کردنِ آنها از يکديگر ميکند، اما چون ريلها بهگونهاي پابرجا مستحکم شده‌اند قادر به حرکت نيستند. پرتابه در امتداد ريلها به طرف انتهاي مقابل منبع تغذيه ميلغزد.
يک منبع تغذيهي بسيار بزرگ که جرياني از مرتبهي ميليون آمپر فراهم ميکند باعث اِعمال نيرويي عظيم بر پرتابه ميشود که به آن شتابي در حد چند کيلومتر بر ثانيه ميدهد. اما از طرفي گرماي ايجاد شدهي ناشي از جريان الکتريکي و پيش‌رانشِ پرتابه کافي است که به سرعت ريلها را فرسوده کند. چنين تفنگ ريلياي نياز به تعويض مکرر ريلها دارد يا در آن بايد از يک مادهي مقاوم در مقابل گرما استفاده شود که به اندازهي کافي رسانا باشد که همان اثر الکترومغناطيسي را ايجاد کند.
با اعمال يك پالس الكتريكي شديد به يک تفنگ ريلي عمل پرتاب پرقدرتي توسط اين وسيله صورت مي‌گيرد. ايده‌ي اين اختراع علاوه بر اثر الکترومغناطيسي فوقالذکر بر اين مبنا استوار است كه دوقطبيهاي مغناطيسي ريز محيط به سمت ناحيه‌ي شديد ميدان مغناطيسي‌اي كه بر اثر عبور جريان در حلقه ايجاد مي‌شود كشيده شده و فشار را در اين قسمت افزايش مي‌دهند كه متعاقباً اين فشار افزايش يافته عمل پرتاب يك پرتابه را صورت مي‌دهد. لذا لازم است به نقش فشار هوا در پديده‌ي ديامغناطيسم و نيز در جاذبه يا دافعه‌ي بين سيمهاي حامل جريان اشاره شود.
به طور خلاصه اولاً ميدان مغناطيسي ايجاد شده در بين و اطراف دو سيم حامل جريان موازي يا پادموازي بهگونه‌اي است كه باعث جذب مولكولهاي اكسيژن (كه داراي دوقطبي‌هاي مغناطيسي با قدرتي قابل ملاحظه در مقايسه با ديگر گازها مي‌باشند) به سمت ناحيه‌هاي شديد اين ميدان مي‌شوند و لذا فشار هوا را در آن نواحي بالا برده و باعث جاذبه يا دافعه‌ي سيمها نسبت به يكديگر، يا درواقع هل داده شدن به سمت يكديگر يا به سمت دورشدن از يكديگر مي‌شوند و اين فرايند دقيقاً مشابه حالتي است كه تئوري فوقالذکر رايج الكترومغناطيس براي جاذبه و دافعه‌ي دو جريان موازي يا پادموازي پيشگويي مي‌كند. ثانياً، مي‌دانيم كه اجسام از ميدان‌هاي شديد مغناطيسي رانده مي‌شوند كه درصورتي كه اجسام، خود خاصيت مغناطيسي نداشته باشند كه آنها را به طرف قسمت شديد ميدان مغناطيسي جذب كند اين پديده به صورت دفع اجسام از قطب‌ها يا نواحي شديد ميدان مغناطيسي مشاهده مي‌شود كه به اين پديده ديامغناطيسم گفته مي‌شود. آنچه در رابطه با توجيه اين پديده بايد ذکر کرد اين است كه مولكولهاي اكسيژن هواي محيط آزمايش كه داراي دوقطبيهاي مغناطيسي هستند به سمت ناحيه‌ي شديد ميدان مغناطيسي كشيده شده و در آنجا فشار هوا را افزايش مي‌دهند كه اين پديده مشابه با قانون ارشميدس باعث رانش اجسام واقع در اين ناحيه‌ي شديد مغناطيسي مي‌شود. در پديدهي جاذبه يا دافعه‌ي بين حاملين جريانهاي الکتريکي به نظر ميرسد نقش اين افزايش فشار هوا در جريانهاي بسيار بزرگِ مورد استفاده در تفنگ ريلي خيلي بيشتر از علت الکترومغناطيسي مذکور باشد.

پي نوشت ها :
 

[1] Albert F. Reidl III, "Preliminary Investigation of an Electromagnetic Gun", NWL Technical Not No. TN-E-10/72, July 1972, Naval Weapons Laboratory, Dahlgren VA, 22448.
[2] W. L. Gagnon et al, editors, "Compensated Pulsed Alternator", Lawrence Livermore Lab., July 1976.
[3] MIT Francis Bitter Natl. Magnet Lab, "Annual Report July 1977 - June 1978", Cambridge MA, 02139; see also various technical reports.
[4] R. I. Chapman, "Field Compression Accelerators", Proc. Conf. on Megagauss Field Generation by Explosives, Frascati, Italy, Sep 1965 (Euratom).
[5] S. C. Rashleigh and R. A. Marshall, "Electromagnetic Acceleration of Macroparticles and a Hypervelocity Accelerator", dissertation 1972, Dept. Engr. Phys. Australian Natl. Univ., Canberra.
[6] J. D. Lindsay and D. M. Wedon, "Loss Measurements in Superconducting Magnetic Energy Storage Coils", Report LA-6790-MS, Los Alamos Scien. Lab, Los Alomos NM, May 1977.
[7] D. E. Brast and D. R. Sawle, "Feasibility Study for Development of a Hypervelocity Gun", Final Report NASA Contract NAS 8-11204, May 1965.
[8] Dr. Chul Park, NASA-AMES research Center, Moffett Field, CA, 94035; personal communication.
[9] http://www.technologyreview.com/Infotech/20164/?nlid=857
[10] http://www.powerlabs.org/railgun.htm
[11] 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)
[12] http://magnetlab.com/space
[13] http://magnetlab.com/technology/direct-double-helix/
[14] http://edusworld.org/ew/ficheros/2004/railguns.pdf
[15] http://www.iat.utexas.edu/emsys.html