مدفع ملف

المدفع الملفي هو نوع من أنواع محركات الدفع الكتلي، ويتكون من ملف واحد أو أكثر تُستخدم كمغناطيسات كهربائية في تكوين محرك خطي لتسريع مقذوف مغناطيسي حديدي أو موصل إلى سرعة عالية. ^{[ 1 ]} في معظم تكوينات المدفع الملفي، تُرتّب الملفات وسبطانة المدفع على محور مشترك. المدفع الملفي ليس بندقية لأن سبطانته ملساء (غير محلزنة ).

تتكون البنادق الملفية عمومًا من ملف واحد أو أكثر مرتبة على طول ماسورة، بحيث يقع مسار المقذوف المتسارع على طول المحور المركزي للملفات. يتم تشغيل وإيقاف الملفات بتسلسل زمني دقيق، مما يؤدي إلى تسارع المقذوف بسرعة على طول الماسورة بفعل القوى المغناطيسية.

تختلف المدافع الملفية عن المدافع الكهرومغناطيسية ، إذ يكون اتجاه التسارع في المدفع الكهرومغناطيسي عموديًا على المحور المركزي لحلقة التيار المتكونة من القضبان الموصلة. إضافةً إلى ذلك، تتطلب المدافع الكهرومغناطيسية عادةً استخدام موصلات انزلاقية لتمرير تيار عالٍ عبر المقذوف أو الغلاف ، بينما لا تتطلب المدافع الملفية بالضرورة موصلات انزلاقية. ^{[ 2 ]} في حين أن بعض التصاميم البسيطة للمدافع الملفية قد تستخدم مقذوفات مغناطيسية حديدية أو حتى مقذوفات مغناطيسية دائمة، فإن معظم التصاميم المصممة للسرعات العالية تتضمن في الواقع ملفًا مقترنًا كجزء من المقذوف.

تختلف البنادق الملفية عن بنادق جاوس ، على الرغم من أن العديد من أعمال الخيال العلمي قد خلطت بينهما خطأً. تستخدم البنادق الملفية التسارع الكهرومغناطيسي، بينما تسبق بنادق جاوس فكرة البنادق الملفية، وتتكون بدلاً من ذلك من مواد مغناطيسية حديدية تستخدم تكوينًا مشابهًا لمهد نيوتن لإحداث التسارع. ^{[ 3 ]}

كان أقدم سلاح كهرومغناطيسي هو سلاح الملف اللولبي، الذي اخترعه العالم النرويجي كريستيان بيركلاند في جامعة كريستيانيا (أوسلو حاليًا). حصل الاختراع على براءة اختراع رسمية عام 1904، على الرغم من أن تطويره بدأ، بحسب التقارير، في وقت مبكر من عام 1845. ووفقًا لرواياته، تمكن بيركلاند من تسريع قذيفة وزنها 500 غرام إلى حوالي 50 مترًا في الثانية (160 قدمًا/ثانية) . ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]} 

في عام 1933، طوّر المخترع التكساسي فيرجيل ريغسبي مدفعًا ثابتًا يعمل بملف لولبي، مصممًا للاستخدام على غرار الرشاش . وكان يُشغّل بمحرك كهربائي ومولد كبيرين. ^{[ 7 ]} وقد نُشرت نتائجه في العديد من المطبوعات العلمية المعاصرة، لكنه لم يثر اهتمام أي من القوات المسلحة. ^{[ 8 ]}

يوجد نوعان رئيسيان من مدافع الملفات: أحادي المرحلة ومتعدد المراحل. يستخدم مدفع الملفات أحادي المرحلة ملفًا كهرومغناطيسيًا واحدًا لدفع المقذوف. أما مدفع الملفات متعدد المراحل فيستخدم عدة ملفات كهرومغناطيسية متتالية لزيادة سرعة المقذوف تدريجيًا.

المقذوفات المغناطيسية الحديدية

بالنسبة للمقذوفات المغناطيسية الحديدية، يمكن تشكيل مدفع ملفي أحادي المرحلة باستخدام ملف سلكي ومغناطيس كهربائي ، مع وضع مقذوف مغناطيسي حديدي عند أحد طرفيه. يُصنع هذا النوع من المدافع الملفية على غرار الملف اللولبي المستخدم في المرحل الكهروميكانيكي، أي ملف يحمل تيارًا كهربائيًا يجذب جسمًا مغناطيسيًا حديديًا عبر مركزه. يمر تيار كهربائي كبير نبضيًا عبر الملف السلكي، مما يُنشئ مجالًا مغناطيسيًا قويًا يجذب المقذوف إلى مركز الملف. عندما يقترب المقذوف من هذه النقطة، يجب إيقاف تشغيل المغناطيس الكهربائي لمنع المقذوف من التوقف عند مركزه.

في التصميم متعدد المراحل، تُستخدم مغانط كهربائية إضافية لتكرار هذه العملية، مما يؤدي إلى تسريع المقذوف تدريجيًا. في تصميمات مدافع الملفات الشائعة، يتكون "ماسورة" المدفع من مسار يتحرك عليه المقذوف، مع وجود المحرك داخل الملفات المغناطيسية المحيطة بالمسار. يتم تزويد المغانط الكهربائية بالطاقة من نوع من أجهزة تخزين الطاقة سريعة التفريغ، عادةً ما تكون بطارية أو مكثفات (مكثف واحد لكل مغانط كهربائية)، مصممة لتفريغ الطاقة بسرعة. يُستخدم صمام ثنائي لحماية المكونات الحساسة للقطبية (مثل أشباه الموصلات أو المكثفات الإلكتروليتية) من التلف الناتج عن عكس قطبية الجهد بعد إيقاف تشغيل الملف.

يستخدم العديد من الهواة تصاميم بدائية منخفضة التكلفة لتجربة مدافع الملفات، على سبيل المثال باستخدام مكثفات فلاش الكاميرات التي تستخدم لمرة واحدة ، أو مكثف من تلفزيون أنبوب أشعة الكاثود القياسي كمصدر للطاقة، وملف حث منخفض لدفع المقذوف إلى الأمام. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

التبديل

تُعدّ عملية تحويل الطاقة عبر الملفات إحدى العقبات الرئيسية في تصميم مدافع الملفات. توجد عدة حلول شائعة، أبسطها (وربما أقلها فعالية) هو فجوة الشرارة ، التي تُطلق الطاقة المخزنة عبر الملف عندما يصل الجهد إلى عتبة معينة. ويُعدّ استخدام مفاتيح الحالة الصلبة خيارًا أفضل؛ وتشمل هذه المفاتيح ترانزستورات IGBT أو MOSFETs (التي يمكن إيقاف تشغيلها أثناء النبضة) ومقومات SCR (التي تُطلق كل الطاقة المخزنة قبل إيقاف التشغيل). ^{[ 16 ]}

إحدى الطرق السريعة والبسيطة للتبديل، خاصةً لمن يستخدمون كاميرا فلاش كمكونات رئيسية، هي استخدام أنبوب الفلاش نفسه كمفتاح. بتوصيله على التوالي مع الملف، يمكنه السماح بمرور تيار كبير إلى الملف بهدوء ودون إتلاف (بافتراض أن الطاقة في المكثف تبقى دون حدود التشغيل الآمنة للأنبوب). وكما هو الحال مع أي أنبوب فلاش، فإن تأيين الغاز داخل الأنبوب بجهد عالٍ يُشغّله. مع ذلك، سيتبدد جزء كبير من الطاقة على شكل حرارة وضوء، ولأن الأنبوب عبارة عن فجوة شرارة، سيتوقف عن التوصيل بمجرد انخفاض الجهد عليه بشكل كافٍ، تاركًا بعض الشحنة على المكثف.

استخدمت معظم الجهود المبذولة لتطوير المدافع الملفية كقاذفات فائقة السرعة أنظمة "ذات قلب هوائي" للتغلب على القيود المرتبطة بالمقذوفات المغناطيسية الحديدية. في هذه الأنظمة، يتم تسريع المقذوف بواسطة ملف متحرك. إذا تم تكوين الملف المتحرك على شكل لفة واحدة أو أكثر "مختصرة"، فستنتج تيارات مستحثة نتيجة لتغير التيار مع الزمن في ملف (أو ملفات) القاذفة الثابتة.

من حيث المبدأ، يمكن أيضًا تصميم مدافع الملفات بحيث تُغذى الملفات المتحركة بالتيار عبر نقاط تلامس منزلقة. مع ذلك، يتطلب التصميم العملي لهذه الترتيبات توفير نقاط تلامس منزلقة عالية السرعة وموثوقة. على الرغم من أن تغذية ملف متعدد اللفات بالتيار قد لا تتطلب تيارات كبيرة كتلك المطلوبة في مدفع السكك الحديدية ، إلا أن الاستغناء عن نقاط التلامس المنزلقة عالية السرعة يُعد ميزة واضحة لمدفع الملفات الحثي مقارنةً بمدفع السكك الحديدية .

تُضيف الأنظمة ذات القلب الهوائي عيبًا يتمثل في الحاجة إلى تيارات أعلى بكثير مقارنةً بالأنظمة ذات القلب الحديدي. مع ذلك، وبشرط توفير مصادر طاقة مناسبة، يمكن للأنظمة ذات القلب الهوائي العمل بقوة مجال مغناطيسي أكبر بكثير من الأنظمة ذات القلب الحديدي، مما يُتيح في نهاية المطاف إمكانية تحقيق تسارعات وقوى أعلى بكثير.

يمكن الحصول على نتيجة تقريبية لسرعة خروج المقذوف الذي تم تسريعه بواسطة مدفع ملف لولبي أحادي المرحلة من خلال المعادلة ^{[ 17 ].}

${\displaystyle v_{exit}={\sqrt {{\frac {2}{m}}{V\mu _{0}\chi _{m}n^{2}I^{2}}}}}$

m هي كتلة المقذوف، ومعرفتها بالكيلوغرام.

V هو حجم المقذوف، ويُعرَّف بأنه m ³

μ ₀ هي نفاذية الفراغ ، ومعرفتها بوحدات النظام الدولي للوحدات على أنها 4π × 10 ⁻⁷ فولت · ثانية / ( أمبير · متر )

يمثل χm قابلية التمغنط للمقذوف، وهو ثابت تناسب عديم الأبعاد يشير إلى درجة تمغنط المادة استجابةً للمجالات المغناطيسية المطبقة . غالبًا ما يتطلب الأمر تحديد هذه القيمة تجريبيًا، ويمكن الاطلاع على جداول تتضمن قيم قابلية التمغنط لبعض المواد في دليل CRC للكيمياء والفيزياء _، بالإضافة إلى مقالة قابلية التمغنط على ويكيبيديا.

n هو عدد لفات الملف لكل وحدة طول من الملف، ويُعرف على أنه m ⁻¹

و I هو التيار المار عبر الملف، والذي يُعرَّف بأنه A.

على الرغم من أن هذا التقريب مفيد لتحديد الحد الأعلى للسرعة في نظام المدفع الكهرومغناطيسي بسرعة، إلا أن هناك معادلات تفاضلية من الدرجة الثانية غير خطية وأكثر دقة. ^{[ 17 ]} تكمن مشاكل هذه الصيغة في أنها تفترض أن المقذوف يقع بالكامل داخل مجال مغناطيسي منتظم، وأن التيار ينقطع فور وصول المقذوف إلى مركز الملف (مما يلغي إمكانية ارتداد الملف)، وأن جميع طاقة الوضع تتحول إلى طاقة حركية (بينما يذهب معظمها إلى قوى الاحتكاك)، وأن أسلاك الملف رقيقة للغاية ولا تتراص فوق بعضها البعض، وكل ذلك يزيد بشكل تراكمي من سرعة الخروج المتوقعة. ^{[ 17 ]}

يصنع الهواة بنادق الملفات الصغيرة لأغراض ترفيهية، وعادةً ما تصل طاقة المقذوف فيها إلى عدة جول إلى عشرات الجول (وهذه الأخيرة تُقارن ببندقية هوائية نموذجية ، وهي أقل بعشر مرات من طاقة السلاح الناري)، بينما تتراوح كفاءتها من أقل من واحد بالمائة إلى عدة بالمائة. ^{[ 18 ]}

في عام 2018، طرحت شركة Arcflash Labs، ومقرها لوس أنجلوس، أول بندقية تعمل بالكويل للبيع للجمهور، وهي EMG-01A . كانت هذه البندقية تطلق رصاصات فولاذية وزنها 6 غرامات بسرعة 45  مترًا في الثانية، بطاقة فوهة تبلغ حوالي 5 جول. ^{[ 19 ]} وفي عام 2021، طورت الشركة نموذجًا أكبر، وهو بندقية GR-1 Gauss، التي كانت تطلق رصاصات فولاذية وزنها 30 غرامًا بسرعة تصل إلى 75  مترًا في الثانية، بطاقة فوهة تبلغ حوالي 85 جول، ^{[ 20 ]} وهي طاقة مماثلة لبندقية الهواء المضغوط PCP .

في عام 2022، بدأ نادي نورثشور الرياضي، وهو نادٍ أمريكي للرماية في ليك فورست، إلينوي، بتوزيع بندقية CS/LW21 ، المعروفة أيضًا باسم "البندقية الإلكترونية"، وهي بندقية صغيرة الحجم تعمل بمخزن ذخيرة بقوة 15 جول، من إنتاج شركة مجموعة صناعات شمال الصين . ^{[ 21 ]} ويتوقع النادي أن يصل التوزيع إلى 5000 وحدة سنويًا في الولايات المتحدة، ^{[ 22 ] [ 23 ]} كما كشفت الشركة المصنعة عن خطط لتزويد الشرطة والجيش الصينيين بوحدات منها لأغراض "السيطرة على الشغب غير المميتة". ^{[ 24 ]}

يمكن تحقيق كفاءة وطاقة أعلى بكثير بتصاميم أكثر تكلفة وتعقيدًا. ففي عام 1978، حقق بونداليتوف في الاتحاد السوفيتي تسارعًا قياسيًا بمرحلة واحدة، حيث أرسل حلقة وزنها 2 غرام إلى سرعة 5000 متر/ثانية في مسافة  1 سم، ^{[ 25 ]} إلا أن التصاميم الحديثة الأكثر كفاءة تميل إلى استخدام مراحل متعددة. ^{[ 26 ]} وتشير التقديرات إلى أن كفاءة تزيد عن 90% ستكون مطلوبة لأنظمة فائقة التوصيل أكبر بكثير لإطلاق المركبات الفضائية. ^{[ 15 ]} أما تصميم مدفع هاون تجريبي من داربا ، يتكون من 45 مرحلة وطوله 2.1 متر ، فتبلغ كفاءته 22%، حيث تصل طاقته الحركية إلى 1.6 ميغا جول . ^{[ 27 ]}  

على الرغم من أنها تواجه تحدي المنافسة مع الأسلحة التقليدية (وأحيانًا بدائلها من مدافع السكك الحديدية )، إلا أن مدافع الملفات تخضع للبحث والتطوير لاستخدامها في صناعة الأسلحة. ^{[ 27 ]}

يُعدّ برنامج داربا للقذيفة الكهرومغناطيسية مثالًا على ذلك، شريطة التغلب على التحديات العملية، مثل الوزن المنخفض بما يكفي. ستكون القذيفة صامتة نسبيًا، ولن يُصدر دخانًا يكشف موقعها، مع العلم أن القذيفة الأسرع من الصوت ستُحدث دويًا صوتيًا . سيسمح التسارع السلس والقابل للتعديل للقذيفة على طول الماسورة بزيادة السرعة، مع زيادة متوقعة في المدى بنسبة 30% لقذيفة كهرومغناطيسية عيار 120 ملم مقارنةً بالنسخة التقليدية ذات الطول المماثل. وبدون الحاجة إلى شحنات دافعة منفصلة، ​​يتوقع الباحثون أن يتضاعف معدل إطلاق النار تقريبًا. ^{[ 27 ] [ 28 ]}

في عام 2006، كان يجري بناء نموذج أولي عيار 120 ملم لتقييمه، إلا أن مختبرات سانديا الوطنية قدّرت حينها مدة نشره بما يتراوح بين 5 و10 سنوات أو أكثر . ^{[ 27 ] [ 28 ]} وفي عام 2011، اقتُرح تطوير مدفع هاون ملفوف عيار 81 ملم ليعمل مع نسخة هجينة كهربائية من المركبة التكتيكية الخفيفة المشتركة المستقبلية . ^{[ 29 ] [ 30 ]}

من المخطط استخدام المنجنيقات الكهرومغناطيسية للطائرات ، بما في ذلك على متن حاملات الطائرات الأمريكية المستقبلية من فئة جيرالد آر. فورد . وقد تم اختبار نسخة تجريبية من قاذفة الصواريخ الكهرومغناطيسية (EMML) تعمل بمدفع ملفي حثي لإطلاق صواريخ توماهوك . ^{[ 31 ]} ويجري تطوير نظام دفاع نشط للدبابات يعتمد على المدفع الملفي في معهد هيت للتكنولوجيا في الصين. ^{[ 32 ]}

يُنظر إلى إمكانات مدفع الملف اللولبي على أنها تتجاوز التطبيقات العسكرية.

قلة من الجهات قادرة على التغلب على التحديات وما يترتب عليها من استثمارات رأسمالية لتمويل مدافع الملفات العملاقة ذات كتلة وسرعة قذائف تصل إلى مستوى الجيجا جول من الطاقة الحركية (مقارنةً بالميجا جول أو أقل). وقد تم اقتراح استخدام هذه المدافع كقاذفات أرضية أو قمرية.

• كان من بين المقترحات الطموحة لقاعدة قمرية، والتي تم النظر فيها في دراسة أجرتها وكالة ناسا عام 1975 ، استخدام مدفع كهرومغناطيسي يزن 4000 طن لإرسال 10 ملايين طن من المواد القمرية على مدى عدة سنوات إلى نقطة لاغرانج L5 لدعم استعمار فضائي واسع النطاق باستخدام محطة طاقة ضخمة تزن 9900 طن). ^{[ 33 ]}
• أظهرت دراسة أجرتها وكالة ناسا عام 1992 أن مدفع إخماد قمري يزن 330 طنًا (مدفع ملف فائق التوصيل) يمكنه إطلاق 4400 قذيفة سنويًا، كل منها يزن 1.5 طن وحمولة معظمها من الأكسجين السائل ، باستخدام كمية صغيرة نسبيًا من الطاقة، بمتوسط ​​350 كيلوواط . ^{[ 34 ]}
• بعد دراسة أجرتها وكالة ناسا في مركز أميس للأبحاث حول المتطلبات الحرارية الهوائية للدروع الحرارية المستخدمة في الإطلاق من سطح الأرض، بحثت مختبرات سانديا الوطنية في قاذفات كهرومغناطيسية للمركبات الفضائية، كما بحثت في تطبيقات أخرى لهذه القاذفات باستخدام كلٍ من المدافع الكهرومغناطيسية والمدافع الملفية. وفي عام 1990، اقتُرح استخدام مدفع ملفي بطول كيلومتر واحد لإطلاق الأقمار الصناعية الصغيرة. ^{[ 35 ] [ 36 ]}
• وشملت التحقيقات اللاحقة في سانديا اقتراحًا في عام 2005 لمفهوم ستارترام لمدفع ملف لولبي طويل للغاية، وقد تم تصميم إحدى النسخ لإطلاق الركاب إلى المدار بتسارع يمكن تحمله. ^{[ 37 ]}

• مسدس كهرومغناطيسي
• الدفع الكهرومغناطيسي
• كارل فريدريش جاوس
• مدفع كهرومغناطيسي حلزوني
• مسدس يعمل بالغاز الخفيف
• محرك الكتلة
• إدوين فيتش نورثروب
• مدفع بلازما
• مدفع كهرومغناطيسي
• مسرع رام
• الملف اللولبي
• محرك خطي أنبوبي

• نموذج أولي لمسدس ملف لولبي. CG42 - مسدس ملف لولبي أوتوماتيكي بالكامل