Raidetykki

Raidetykki (engl. railgun) on ase, joka hyödyntää sähköenergialla luotua magneettikenttää tavanomaisten aseiden kemiallisen energian sijaan tuottaakseen ammukselle liike-energiaa.

Toisin kuin tavallisissa kaasun laajentumiseen (yleensä palamiseen) perustuvissa aseissa raidetykeillä pystytään kiihdyttämään ammus moniin kilometreihin sekunnissa, eli tuhansiin kilometreihin tunnissa (1 km/s = 3600 km/h).

Rakenne

Raidetykki perustuu sähkömagneettiseen induktioon; virroitettuun sähköjohtoon, kohdistuu Lorentzin voima, joka on kohtisuora sähkövirran ja magneettikentän suuntaan nähden (katso kuva).

Raidetykki koostuu esimerkiksi kahdesta samansuuntaisesta metalliraiteesta, jotka on yhdistetty päistään tehokkaaseen tasavirtalähteeseen. Kun tällaisten raiteiden väliin asetetaan sähköä johtava ammus, virtapiiri sulkeutuu ja ammus lähtee liikkeelle sähkövirran synnyttämän magneettikentän vaikutuksesta. Magneettikenttä virtaa virtaliitännöistä poispäin pitkin raiteita, jolloin magneettikenttä on suuntautunut pystysuoraan. Raiteisiin kohdistuu myös raiteita toisistaan loitontava sähkömagneettinen voima. Mikäli raiteet on kiinnitetty riittävän tukevasti, ne eivät pääse liikkumaan sivusuunnassa ja voima vaikuttaa raiteiden erkanemisen sijaan ammukseen.

Raidetykillä saavutettu suurin ammuksen nopeus on 20 km/s eli 72 000 km/h, joka on saavutettu pienillä ammuksilla, jotka on ammuttu perinteisellä kemiallisella räjähteellä raidetykin raiteiden väliin ja sisältävät liike-energiaa jo ennen raiteiden väliin asettamista. Mitä kevyempi ammus, sitä vähemmän siihen varastoituu tuhovoimaa eli liike-energiaa. Tällaiset nopeudet ovat siis käytännössä mahdollisia, mutta liike-energia kevyellä ammuksella jää suhteellisen pieneksi.

Haasteet
Raidetykkien suunnittelun ja käytön haasteita ovat:

Tarve hyvin kestäville materiaaleille
Jotta raiteita ei jouduttaisi vaihtamaan tai huoltamaan joka laukauksen jälkeen, niiden materiaalien tulisi olla kestäviä ja hyvin sähköä johtavia. Raiteiden täytyy kestää korkeita lämpötiloja, jotka syntyvät suurista sähkövirroista ja ammuksen ja raiteiden välisestä kitkasta.

Raiteisiin kohdistuvat voimat ovat rekyyli, joka kohdistuu raiteiden suuntaisesti, ja magneettikentän luoma voima, joka työntää raiteita erilleen toisistaan.

Virtalähde
Virtalähteen täytyy pystyä luomaan suuria tasasähkövirtoja (mitä suurempi jännite, sitä suurempi virta ja sitä suurempi voima ammusta liikuttaa). Suurten hetkellisten virtojen saavuttamiseksi on käytetty muun muassa kondensaattoreita, jotka kykenevätkin luovuttamaan nopeasti suuria määriä sähköenergiaa. Kondensaattoreiden lataaminen seuraavaa laukasta varten kestää tyypillisesti jonkin verran pidempään kuin niiden purkaminen laukaisussa kestää. Kondensaattorin latautumisen odottelun sijaa kondensaattoripaketteja voi olla useita - kun yhden paketin latautumista odotetaan, voidaan käyttää muita.

Sähkövirta voi olla niin voimakas, että sähkövirta purkautuu muuallakin kuin ammuksen kautta raiteesta toiseen. Tyypillisesti vuotovirtaa - valokaaria, syntyy ammuksen liikkeen takana ammuksen ja raiteen välillä. Tätä voidaan minimoida eristämällä alue ammuksen puolelta mahdollisimman hyvin.

Ammuksen ja raiteen välistä liitäntää on vaikea tehdä sekä hyvin virtaa johtavaksi, että vähäkitkaiseksi. Koska yhtymäkohtaan jää tästä johtuen väkisinkin heikko liitos, liitoksessa syntyvät valokaaret vahingoittavat raiteita ja ovat pääsyy siihen, miksi useimmat rakennetut raidetykit joudutaan huoltamaan jokaisen laukauksen jälkeen.

Lämpö
Voimakkaasta sähkövirrasta ja ammuksen ja raiteiden välisestä kitkasta syntyvä kuumuus aiheuttaa ongelmia kuten raiteiden sulamista ja taistelussa käytettynä lämpöjäljen helpon havaitsemisen. Toisaalta ammuksen ja raiteiden väliin tarvitaan mahdollisimman suuri kosketuspinta-ala takaamaan riittävän suuren virran, mutta mitä suurempi pinta-ala on, sitä suurempi kitka siitä aiheutuu.

Nykyiset raidetykkien testiversiot tuotavat entistä vähemmän lämpöä, jolloin niistä kehitetään entistä tehokkaampia ja lämpöongelma on uudelleen edessä. 

Lämpöongelmien ratkaisemiseksi on kehitetty suprajohteisia putkesta valmistettuja raiteita, joissa jäähdytysaineena käytettäisiin esimerkiksi sulaa sinkkiä. Sinkin sulamispiste on noin 420 °C, joten teräsputki kestää hyvin tämän jäähdytysaineen. Ongelmana voidaan pitää entistä suurempaa energiankulutusta.

Raidetykit aseina
Raidetykeillä on yleensä tarkoitus ampua räjähteitä sisältämättömiä ammuksia. Ammuksen suuren lähtönopeuden (jopa yli 3,5 km/s, eli 12 600 km/h) antama liike-energia olisi ainakin yhtä suuri ellei suurempi kuin räjähteestä vapautuva energia. Näin voitaisiin kantaa enemmän ammuksia kerrallaan ja välttyä räjähdeammuksien vaaroilta esimerkiksi laivoissa.

Ammuksen suuri nopeus tuottaa myös pidemmän kantaman (kaasun laajentumiseen perustuvissa aseissa maksimilähtönopeus on noin 1,5 km/s, eli 5 400 km/h).
Vertailun vuoksi Suomessakin käytetyn ilmatorjuntatykki ”Sergein” ammuksen lähtönopeus on 970 m/s, eli noin 3 500 km/h .

Teoriassa on myös mahdollista rakentaa sarjatulta ampuva raidetykki. Tässäkin raidetykillä olisi etu tavallisiin aseisiin nähden: voidaan saavuttaa suuri tulinopeus, koska latausmekanismin tarvitsee käsitellä vain ammus, ei räjähdettä tai hylsyä. Uusi ammus voitaisiin ladata suoraan edellisen laukauksen jälkeen. Ongelmia aiheuttaa kuitenkin raidetykin yleiset ongelmat, eli muun muassa raiteiden kova kuluminen ja uuden virtapulssin synnyttäminen mahdollisimman nopeasti.

Testaus

Täysimittaisia prototyyppejä on rakennettu, esimerkiksi DARPAn hyvin onnistunut 90 mm, 9 MJ tykki, joskin kaikki mallit tähän mennessä kärsivät raiteiden vahingoittumisesta ja ne joudutaan huoltamaan jokaisen laukauksen jälkeen. Ehkä onnistuneimman raidetykin rakensi Ison-Britannian Puolustustutkimusjärjestö. Tämä järjestelmä on ollut toiminnassa jo 10 vuotta, ja sillä on hallussaan tiettyjä massa- ja nopeusennätyksiä.

Yhdysvaltain asevoimat rahoittaa raidetykkien tutkimusta. Teksasin Austinin yliopiston Kehittyneen teknologian instituutti on kehittänyt raidetykkejä, joilla ammutaan panssaria läpäiseviä volframiammuksia, joiden kineettinen energia on 9 MJ. Tällä energialla voidaan kiihdyttää 2 kg ammus 3 km/s, eli 10 800 km/h, jolloin volframiammus voi läpäistä panssarivaunun.

Yhdysvaltojen merivoimat testasi lokakuussa 2006 8 MJ raidetykkiä 3,2 kg:n ammuksilla prototyyppinä 64 MJ:n aseelle, jota voitaisiin käyttää sotalaivoissa. Tämä ase tuottaisi enemmän vahinkoa kuin Tomahawk-ohjus, mutta paljon pienemmällä kustannuksella, joskin tarkkuus on eri luokkaa.

Koska raidetykkien lähtönopeudet ovat äärimmäisen suuria, niitä voitaisiin käyttää myös ohjustentorjuntajärjestelmissä.

Lähteet

Aiheesta muualla

Teoriaa
Matthew E. Masseyn raidetykkiteoriaa 
Jengel and Fatro's Rail Gun Page
Yleiskatsaus sähkömagneettisiin aseisiin 
Teoreettiset rajoitukset lähtönopeudelle

Harrastelijasivustoja
PowerLabs Rail Gun research
Raidetykin rakentaminen
Raidetykin teoriaa, suunnittelua, rakentamista, and testausta
Jason Rolletten raidetykkiblogi  
Kokeellinen ”miniraidetykki”
Tim Venturan 90-luvun raidetykkejä
American Antigravityn massalinkodemo + video
+EML Laboratory－ Japanilainen kokeilu＋video

Yliopistot
Auburn University Rail Gun

Raidetykki mediassa
'Star Wars' Weaponry Gets a Trial Run in Dahlgren  AP, 17.1.2007
USN sets five-year target to develop electromagnetic gun Jane's Defence Weekly, 20.7.2006
US Navy Invents Railgun Wired News - blogin artikkeli, 18.1.2007
Electromagnetic Railgun Popular Science - artikkeli
Video of Navy railgun test firing  Fredericksburg.com, 30.1. 2007

Aseet
Seulonnan keskeiset artikkelit