Les lanceurs à rail pour applications de défense

04/10/2018
Publication 3EI 3EI 2018-94
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2018-94:23556
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Les lanceurs à rail pour applications de défense

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Les lanceurs à rail pour applications de défense La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 41 Les lanceurs à rail pour applications de défense DR. PHILIPPE DELMOTE, FRANÇOIS BIETH, DR. MARKUS SCHNEIDER Institut Franco-Allemand de Recherches de Saint-Louis (ISL), France 1. Contexte Les accélérateurs électromagnétiques constituent des systèmes prometteurs pour la défense. Outre la minimisation des risques pyrotechniques via la suppression de la poudre propulsive, ils offrent la possibilité d’atteindre des vitesses de bouche supérieure à 2,5 km/s surclassant totalement les systèmes conventionnels. Ces vitesses de la munition offre des avantages clefs. Tout d’abord, la portée se trouve décuplée et permet des actions offensives tout en restant à distance de sécurité. En permettant des frappes à plusieurs centaines de kilomètres, le canon électrique se place en alternative à une utilisation de missile beaucoup plus couteuse [1]. En tir tendu, l’énergie cinétique accumulée dans le projectile inflige des dégâts significatifs à la cible, même en l’absence de tête militaire explosive. Enfin, associés à une capacité multi-coups haute cadence, les canons électriques permettent d’effectuer des tirs de défense contre des projectiles adverses en vol. Ici, la vitesse très élevée des munitions rend possible des interceptions à plus grande distance, augmentant ainsi la marge de sécurité face à des missiles modernes toujours plus rapides [2]. Vis-à-vis des avantages offerts, et de la nécessaire intégration d’une source d’alimentation spécifique (énergie à délivrer de l’ordre de plusieurs centaines de mégajoules, dans des échelles de temps de quelques millisecondes [3]) les applications navales sont aujourd’hui principalement concernées par la technologie des lanceurs [4]. Bien que le concept du canon électrique remonte aux débuts du siècle dernier [5], son développement a été largement lié aux progrès des technologies de commutations et de stockage d’énergie électrique. Les installations de grande envergure restent rares et en Europe, seul l’Institut franco-allemand de recherche de Saint Louis (ISL) dispose de moyens d’essais significatifs. 2. Armature et sabot Le principe de base d’un lanceur électrique est une application directe de la force de Laplace. Un projectile conducteur (ou plutôt son « armature » propulsive, située derrière la munition proprement dite) vient fermer un circuit électrique formé par deux rails métalliques, eux même reliés à une source d’alimentation de forte puissance. Lors du déclenchement du tir, des commutateurs semi- conducteurs délivrent dans la boucle ainsi formée un courant dont l’amplitude et la durée sont spécifiquement optimisées. Le courant parcourant les différents conducteurs interagit avec le champ magnétique créé, et vient propulser l’armature le long des rails. La maitrise des contacts glissants sous sollicitations extrêmes (vitesse, température, pression, …) est un point critique. Différentes solutions techniques sont investiguées, telles que les brosses conductrices, les armatures de type C-shape ou même des solutions hybrides (Figure 1). Figure 1: armature hybride composée d’un premier étage à brosses cuivre et d’un second étage de type C-shape. La munition est disposée dans un sabot s’ouvrant en sortie de canon. Avant le tir, l’ensemble armature-charge utile est inséré entre les rails à l’aide d’une presse, assurant un contact initial optimal. Au départ du coup, la force de Laplace se substitue à cette précontrainte mécanique en venant plaquer les bras ou les brosses de l’armature contre les Résumé : Les lanceurs à rails, aussi appelés « canons électriques », permettent aujourd’hui d’accélérer des masses significatives à des vitesses supérieures à 2 km/s, surclassant nettement celles offertes par les meilleurs canons conventionnels. Il s’agit ici d’une véritable technologie de rupture, où le tir s’effectue à l’aide de l’énergie électrique et non de la poudre. Le principe sous-jacent est une application directe de la force de Laplace au cas d’un projectile conducteur parcouru par un courant et guidé par deux rails métalliques formant une boucle magnétique. L’utilisation de courants de plusieurs méga-Ampères permet d’atteindre des vitesses de bouche allant jusqu’à Mach 9. Cette gamme de vitesse offre des avantages clefs en termes de portée, d’énergie cinétique à l’impact, et de distance d’interception dans le cadre de systèmes de défense contre les missiles modernes. Abstract: Modern railguns offer the possibility to launch projectiles to speeds higher than 2 km/s clearly outperforming the best conventional guns. This real disruptive technology uses electrical energy and not powder. The underlying principle is a direct application of the Lorentz force. Here, a conducting part of the projectile connects a pair of metallic rails, forming a magnetic loop. The use of current amplitudes of several mega-Amperes allows to reach muzzle speeds up to Mach 9. Such projectile speeds offer key advantages in terms of range, kinetic energy at impact, and distance to interception in the context of modern missile defense systems. Mots clés : Lanceur à rails, canon électrique, puissance impulsionnelle, force de Laplace Les lanceurs à rail pour applications de défense La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 42 rails. La qualité du contact est évaluée expérimentalement en observant les tensions aux bornes des rails et la formation ou non de plasmas parasites [6, 7]. Les données du tir sont souvent synthétisées en un graphique unique vitesse/courant/tension de bouche (Figue 2). Figure 2: Courbes caractéristiques d’un tir (projectile C-shape de calibre 40x40 mm, masse 300 g, vitesse atteinte de 2980 m/s). Les premiers essais sont réalisés à l’aide d’armatures lestées, simulant une charge utile. Ultérieurement, des sabots assurant le guidage et la protection mécanique d’une « munition type » sont testés [8]. 3. Artillerie longue portée La limite d’utilisation des canons d’artillerie conventionnels est aujourd’hui d’une quarantaine de kilomètres. Le lanceur à rails promet d’étendre cette portée au-delà de deux cents kilomètres ; une majeure partie de la trajectoire de vol se déroule à haute altitude afin de ne pas dissiper trop d’énergie cinétique dans les basses couches de l’atmosphère. Figure 3: Lanceur NGL60 – calibre 60 mm x 60 mm lors d’un tir ; en arrière-plan le banc d’énergie 10 MJ de l’ISL. 4. Systèmes de défense à haute cadence de tir Dans le cadre de scénarios « antimissiles », une des solutions classiques consiste à envoyer vers la cible un nuage de projectiles denses. Les systèmes conventionnels de type Phalanx ou Goalkeeper offrent des cadences de tir de l’ordre de 70 Hz avec des vitesses de sortie de bouche de 1100 m/s. L’ISL développe un canon électrique de 3 m, calibre carré 25 mm x 25 mm, offrant une capacité de tir en rafale. En mode mono coup, les performances atteignent 2400 m/s pour un projectile de 96 g [9]. Afin de valider un fonctionnement en salves, quatre pré-accélérateurs peuvent être montés en série en amont du canon principal. Ces derniers sont en fait des lanceurs ayant une très courte distance d’accélération et disposant de leurs alimentations dédiées. Le projet dans lequel s’inscrit ce démonstrateur vise à atteindre une capacité de tir de 5 coups tirés à 50 Hz et à une vitesse de Mach 5. L’accélération électrique permet d’envisager des séquences de tir évoluées. Par exemple, les projectiles peuvent être accélérés à des vitesses de bouche croissantes lors de la salve, afin de se regrouper au niveau de la cible. 5. Perspectives Plusieurs défis technologiques sont à relever, et font déjà l’objet de recherches spécifiques. Le niveau de maturité des lanceurs est maintenant suffisant pour motiver de sérieuses études sur les aspects « sources électriques » (fiabilité, compacité, disponibilité, cadence de tir, …) ainsi que sur les aspects « projectile » (aérodynamique, guidage, sabot, munition, …). Pour autant, les développements sur les lanceurs ne sont pas terminés et des projets originaux, tel que l’usage de générateurs XRAM supraconducteurs pour l’alimentation et l’augmentation du champ magnétique entre les rails, sont soutenus par la DGA. 6. Références [1] S. Hundertmark, D. Lancelle, "A Scenario for a Future European Shipboard Railgun," in IEEE Trans. Plasm. Sci., vol. 43, no. 5, May 2015. [2] J. Gallant, T. Vancaeyzeele, B. Lauwens, B. Wild, F. Alouahabi, M. Schneider, "Design Considerations for an Electromagnetic Railgun Firing Intelligent Bursts to Be Used Against Antiship Missiles," in IEEE Trans. Plasm. Sci., vol. 43, no. 5, pp. 1179-1184, May 2015. [3] O. Liebfried, "Review of Inductive Pulsed Power Generators for Railguns," in IEEE Trans. Plasm. Sci., vol. 45, no. 7, pp. 1108-1114, July 2017. [4] L. J. Petersen, M. Ziv, D. P. Burns, T. Q. Dinh, P. E. Malek, "U.S. Navy efforts towards development of future naval weapons and integration into an all electric warship (AEW)," IMarEST Engine as a Weapon (EAAW) Int. Symp. U.K., London, U.K., Sep. 12-13, 2011. [5] Fauchon-Villeplee, "US patentschrift 1921 Fauchon- Villeplee," Mar. 1 1921. US Patent 1,370,200. [6] S. Hundertmark, G. Vincent, D. Simicic, M. Schneider, "Increasing Launch Efficiency with the PEGASUS Launcher," IEEE Trans. Plasm. Sci., Vol. 45, No. 7, pp. 1607-1613, July 2017. [7] B. Wild, F. Alouahabi, D. Simicic, M. Schneider, R. Hoffman, "A Comparison of C-Shaped and Brush Armature Performance," IEEE Trans. Plasm. Sci., Vol. 45, No. 7, pp. 1227-1233, July 2017. [8] S. Hundertmark, G. Vincent, D. Simicic, "Developing a Launch Package for the PEGASUS Launcher," IEEE Trans. Plasm. Sci., Vol. 45,No. 7, pp. 1234-1238, July 2014 [9] M. Schneider, C. Schuppler, F. Alouahabi, "Single shot performance of RAFIRA," IEEE Trans. Plasm. Sci., Vol. 43, No. 6, pp. 2100-2103, June 2017