Gần đây, chương trình "Khoảng cách không quân sự" của CCTV đã lần đầu tiên tiết lộ địa điểm thử nghiệm phóng súng điện từ của Trung Quốc. Nguyên lý hoạt động của súng điện từ không có tia lửa nhìn thấy được và không có tiếng gầm là gì? Ưu điểm của nó so với súng pháo thuốc súng là gì?
Súng điện từ bắt đầu thu hút sự chú ý của mọi người trong loạt phim "Transformers". Những cuộc đối đầu liên tục giữa nhiều loại vũ khí và robot của quân đội Hoa Kỳ trong phim vô cùng thú vị đối với người hâm mộ quân đội, và cảnh một khẩu súng hải quân bí ẩn bắn trúng một robot từ khoảng cách rất xa đã đưa bộ phim lên đến cao trào. Trong phim, vũ khí này được gọi là súng điện từ.
▲Năm 2008, Hoa Kỳ đã thử nghiệm thành công pháo điện từ (Nguồn ảnh/Visual China)
Gần đây, chương trình "Khoảng cách không quân sự" của CCTV đã lần đầu tiên tiết lộ địa điểm thử nghiệm phóng súng điện từ của Trung Quốc. Trong đoạn phim, không những không có tiếng lửa hay tiếng gầm trong suốt quá trình phóng mà ngay cả loại đạn được sử dụng cũng là loại đạn mới, không cần thuốc súng và có thể dùng để chữa cháy rừng và chữa cháy. Súng điện từ có kiểu dáng "độc đáo" như vậy là loại súng gì?
▲Địa điểm thử nghiệm phóng súng điện từ của Trung Quốc được tiết lộ trong chương trình "Khoảng cách không quân sự" (Nguồn ảnh: Ảnh chụp màn hình CCTV)
"Nhanh hơn", "Chính xác hơn" và "Tàn bạo hơn"
Trước khi tìm hiểu về sức mạnh của súng điện từ, trước tiên chúng ta cần làm rõ một câu hỏi: Súng điện từ là gì?
Mọi học sinh đã học vật lý trung học phổ thông đều phải nhớ rằng dòng điện có thể tạo ra từ trường và từ trường sẽ có tác động mạnh đến dòng điện. Đây chính xác là nguyên lý hoạt động của súng điện từ: lực từ do cuộn dây được cấp điện tạo ra được sử dụng để phóng các viên đạn kim loại, do đó cung cấp động năng cần thiết để các viên đạn bắn trúng mục tiêu. Theo góc độ phân loại, súng điện từ chính thống hiện nay có thể được chia thành ba loại, cụ thể là súng cuộn, súng ray và súng điện nhiệt. Trong số đó, súng điện từ là loại súng điện từ phổ biến nhất.
▲Sơ đồ nguyên lý của súng điện từ dạng thanh ray (Nguồn: bisbos)
Nhìn chung, một khẩu súng điện từ bao gồm ba phần: nguồn điện cung cấp năng lượng, một cặp đường ray thẳng dài song song và một vỏ đạn di chuyển. Khi hai thanh ray được kết nối với nguồn điện, một dòng điện mạnh sẽ bắt đầu từ cực dương, chạy qua vỏ và sau đó chảy ngược qua cực âm. Trong quá trình này, dòng điện chạy qua đường ray sẽ tạo ra một từ trường mạnh giữa hai mặt phẳng dẫn hướng, từ đó tạo ra lực tác dụng lên vật ném, cụ thể là lực Lorentz. Thông qua sự điều khiển chính xác của máy tính, các quả đạn sẽ được đẩy ra với tốc độ rất cao dưới mức gia tốc.
Không giống như pháo thuốc súng, điều kiện tiên quyết đối với pháo điện từ là đầu đạn phải được kết nối với đường ray điện để tạo thành mạch điện, đòi hỏi bản thân các vỏ đạn phải là vật dẫn điện. Do đó, vỏ đạn được sử dụng trong súng điện từ ray phần lớn được làm bằng hợp kim vonfram-nhôm bên trong và vật liệu không nổ làm vỏ ngoài.
Nếu mục đích của súng điện từ không phải là những quả đạn có thể "nổ" thì sức mạnh của nó là gì? Lấy ví dụ về pháo điện từ ban đầu được lên kế hoạch trang bị trên tàu khu trục hạm lớp Zumwalt của Hoa Kỳ, mỗi quả đạn của nó nặng khoảng 9 kg, tốc độ bay ban đầu có thể đạt tới gấp 6 lần tốc độ âm thanh, gần 2.000 mét mỗi giây và có thể bắn 12 viên mỗi phút.
▲Súng điện từ do Hoa Kỳ phát triển (Nguồn ảnh/Visual China)
Ở nước ta, các nhà khoa học trước đây đã thành công trong thử nghiệm bắn liên tục với tốc độ đầu nòng 2.500 mét/giây. Bạn nên biết rằng vận tốc ban đầu của một quả đạn pháo thông thường thường chỉ là 800~1000 mét/giây, khi tốc độ của quả đạn pháo tăng lên rất nhiều thì tỷ lệ trúng đích cũng sẽ được cải thiện đáng kể. Ngoài việc "nhanh hơn" và "chính xác hơn", súng điện từ còn "mạnh hơn" - nó có động năng ban đầu ở đầu nòng súng ít nhất là 30 triệu joule. Ngay cả khi nòng súng được nạp một miếng sắt đơn giản thay vì một vỏ thuốc súng, với sự hỗ trợ của vệ tinh cảm biến từ xa và máy tính tốc độ cao, nó có thể dễ dàng xuyên thủng những bức tường bê tông dày cách xa hàng chục mét chỉ trong vài giây.
Súng điện từ không thể thay thế pháo binh truyền thống
Vào thế kỷ 19, nhà khoa học Faraday đã tình cờ phát hiện ra lực Lorentz. Lấy cảm hứng từ khám phá này, một số người đã phát minh ra máy phát điện, trong khi một số người khác, như Charles Wheatstone, lại nảy ra một ý tưởng táo bạo: Liệu nguyên lý này có thể được sử dụng để chế tạo vũ khí không?
Năm 1845, Wheatstone đã đưa "ý tưởng" của mình vào thực tế, chế tạo động cơ DC từ trở và ném thành công một thanh kim loại đi xa gần 20 mét. Tuy nhiên, thành công của ông không gây được tiếng vang cho đến năm 1901, khi Birkeland, một giáo sư vật lý tại Đại học Oslo ở Na Uy, chính thức đề xuất khái niệm "phóng điện từ" và được cấp bằng sáng chế cho "pháo điện".
▲Sơ đồ khái niệm về súng cuộn được xuất bản trên tạp chí vào thế kỷ trước (Nguồn: Hacked Gadgets)
Đến đầu những năm 1970, Úc đã cố gắng tăng dần vận tốc ban đầu của một khối nhựa nặng 3 gam lên 6.000 mét/giây... Sau quá trình nghiên cứu liên tục, vào những năm 1980, các nhà khoa học Mỹ cuối cùng đã thành công trong việc tăng tốc một quả đạn pháo nặng 300 gam lên gần 4.000 mét/giây trong phòng thí nghiệm.
Nhiều người tin rằng súng điện từ, nghe giống như một thứ gì đó trong cốt truyện khoa học viễn tưởng, chỉ mới xuất hiện trong phòng thí nghiệm trong những năm gần đây. Tuy nhiên, trên thực tế, điều thực sự đã xuất hiện trong Thế chiến II, từ rất lâu trước khi con người bước vào thế kỷ 21: vào cuối Thế chiến II, quân đội Đức tuyệt vọng đã cố gắng sử dụng vũ khí mới để cứu vãn thất bại. Năm 1944, Tiến sĩ Jasim Hansler và Thanh tra trưởng Bunzel của Đức đã thử nghiệm súng cuộn cỡ nòng 10mm, nhưng cuộc thử nghiệm không thành công. Năm sau, trợ lý của Hansler là O. Muk đã đề xuất khái niệm "súng điện nhiệt" dựa trên công trình của ông. Cùng năm đó, Hansler đã thử nghiệm thành công một khẩu súng điện từ có đường kính 20 mm và chiều dài 2 mét trong đường hầm đường sắt và cuối cùng đã tăng tốc một xi lanh nhôm nặng 10 gam lên 1080 mét/giây; Sau khi nối hai đường ray theo chuỗi, tốc độ của cột nhôm đạt 1210 mét/giây.
▲Nguyên lý phóng quỹ đạo
"Từ những năm 1990, các nước trên thế giới đã bắt đầu chú ý đến súng điện từ. Nguyên nhân chính là do sự phát triển của pháo binh truyền thống đã đạt đến giới hạn vật lý, hiệu quả chi phí của không gian cải tiến không cao, vì vậy mọi người đã bắt đầu chuyển sự chú ý sang súng điện từ", chuyên gia quân sự Kui Zhou cho biết.
Thì ra pháo binh truyền thống đòi hỏi năng lượng thuốc súng cao hơn để tăng tầm bắn, nhưng trong quá trình bắn đạn pháo, nhiệt độ sinh ra có thể lên tới hàng nghìn độ C và có thể hình dung được tác động ăn mòn nòng pháo. Ngoài ra, quy trình sản xuất và chi phí cũng không ấn tượng. Do đó, việc phát triển pháo động năng mới đương nhiên trở thành lựa chọn cho các quốc gia hy vọng vượt qua được tình trạng trì trệ của pháo binh hiện đại.
Súng điện từ của Trung Quốc đạt được khả năng "vượt qua khúc cua"
Ngày nay, công nghệ phóng điện từ đã trở thành lĩnh vực nghiên cứu và phát triển quan trọng ở nhiều quốc gia trên thế giới. Các quốc gia trên thế giới, bao gồm Trung Quốc, Hoa Kỳ, Anh và Úc, đang nỗ lực làm chủ công nghệ súng điện từ. Theo báo cáo, vào năm 2014, Hải quân Hoa Kỳ tuyên bố kế hoạch thử nghiệm pháo điện từ trên hải quân của họ có thể đạt được tốc độ đạn pháo hạng nhẹ nhanh gấp 7 lần tốc độ âm thanh. Là một ngôi sao đang lên, đất nước tôi cũng đã đạt được thành tựu “vượt qua khúc cua” trong lĩnh vực súng điện từ trong những năm gần đây, ứng dụng vào nhiều lĩnh vực như chữa cháy rừng.
Tuy nhiên, điều đáng chú ý là mặc dù công nghệ phóng điện từ rất mạnh về mặt lý thuyết, nhưng nó cũng gặp phải nhiều khó khăn. Vấn đề lớn nhất là lưu trữ năng lượng - làm sao có thể cung cấp hàng trăm megajoule điện ngay lập tức? Về mặt lý thuyết, để đạt được vận tốc ban đầu cao, người ta phải tăng đường đi điện từ hoặc sử dụng dòng điện lớn để tăng lực điện từ. Tuy nhiên, cả hai phương pháp này đều có những khó khăn lớn khi áp dụng thực tế. Thứ hai, một dòng điện lớn sẽ chạy qua vỏ đạn trong quá trình bắn. Khi con người theo đuổi tốc độ và sức mạnh tấn công cao hơn, làm sao vật liệu vỏ có thể phá vỡ giới hạn của chính nó? Ngoài ra, làm thế nào để giải quyết vấn đề tản nhiệt do nguồn điện lớn gây ra và làm thế nào để nâng cấp thiết bị làm mát và thiết kế mạch?
Có thể nói, trong quá trình đưa súng điện từ gần hơn với thực tế, vẫn còn rất nhiều thách thức mà các nhà khoa học cần giải quyết.
(Tài liệu tham khảo: Mạng lưới quân sự Trung Quốc, Khoảng cách số không quân sự)
Viết bởi phóng viên Wang Xueying, Biên tập viên ảnh và văn bản Chen Yongjie
Biên tập viên phương tiện truyền thông mới/Lv Bingxin
Nguồn hình ảnh/Visual China (trừ những hình có chữ ký)
Sản xuất bởi: Science Central Kitchen
Sản xuất bởi: Tin tức Khoa học và Công nghệ Bắc Kinh | Khách hàng Science Plus
Chào mừng bạn chia sẻ với vòng tròn bạn bè của bạn
Nghiêm cấm sao chép khi chưa được phép
