電熱化学技術
発射体推進剤のプラズマ点火

電熱化学（ETC）技術は、砲身内の 推進剤の膨張の予測可能性と速度を改善することにより、将来の戦車、大砲、近距離兵器システム[1]の砲の精度と砲口エネルギーを向上させる試みである。

電熱化学銃は、プラズマカートリッジを用いて弾薬の推進剤を点火・制御し、電気エネルギーを用いてそのプロセスを始動させます。電熱化学銃は従来の固体推進剤の性能を向上させ、推進剤の膨張に対する温度の影響を低減し、より高度で高密度の推進剤の使用を可能にします。

この技術は1980年代半ばから開発が進められており、1993年には米国陸軍研究所、サンディア国立研究所、およびFMCコーポレーション、ジェネラル・ダイナミクス・ランド・システムズ、オーリン・オードナンス、ソレク原子力研究センターなどの防衛産業請負業者によって積極的に研究されていました。[2]電熱化学砲の推進は、米国陸軍の将来の戦闘システム、そしてドイツや英国 などの他の国の戦闘システムに不可欠な要素になる可能性があります。電熱化学技術は、レールガンやコイルガンなど、すべての電気銃技術を網羅する広範な研究開発プログラムの一部です。

背景

XM360。

装甲と徹甲弾との絶え間ない戦いは、主力戦車設計の継続的な発展をもたらした。アメリカの対戦車兵器の進化は、ソビエト戦車に対抗するための要件にまで遡ることができる。1980年代後半には、将来型ソビエト戦車（FST）の防御レベルは最大厚で均質圧延装甲相当700mmを超える可能性があり、同時代のM829 徹甲フィン安定型投射サボに対して実質的に耐性があると考えられていた。[3] 1980年代、NATOがソ連の装甲技術の進歩に対抗するために利用できる最も直接的な方法は140mm主砲の採用だったが、これにはより大きな砲尾と弾薬を組み込めるように砲塔を再設計する必要があり、何らかの自動装填装置も必要だった。[4] 140mm砲は実質的な暫定的な解決策と考えられていましたが、ソ連崩壊後、砲口エネルギーの増加は重量増加に見合わないと判断されました。そのため、必要な砲口エネルギーを供給できる他のプログラムの研究に資源が費やされました。最も成功した代替技術の一つは、依然として電熱化学点火です。

砲技術の進歩に関する提案のほとんどは、固体燃料を単独の推進システムとして用いるだけでは、もはや必要な砲口エネルギーを供給できないという仮定に基づいています。この要件は、ロシアのT-90主力戦車の登場によって強調されました。ラインメタル社が導入した新型ドイツ120mm L/55砲[5]のような現行砲身の延長は、必要な砲口速度の向上を実現できないため、暫定的な解決策に過ぎないと考えられています。[6] 米国のM829A3のような先進的な運動エネルギー弾薬でさえ、将来の脅威に対する暫定的な解決策に過ぎないと考えられています。[7]その意味で、固体燃料はその有用性の限界に達したと考えられていますが、少なくとも今後10年間[明確化が必要]、より新しい技術が成熟するまでは、主要な推進方法であり続けるでしょう。[8]

ETC技術は中程度のリスクでアップグレードが可能であり、更なる改良がほとんど不要となるレベルまで開発されているため、成熟した技術とみなせる。[要出典] 軽量のアメリカ製120mm砲XM291は、140mm砲の最低砲口エネルギー範囲である17MJの砲口エネルギーに迫った。[9] しかし、XM291の成功はETC技術の成功を意味するものではない。プラズマ点火プロセスなど、推進システムの主要部分はまだ理解されておらず、完全に開発されていないためである。とはいえ、ETC技術は実行可能であり、開発を継続する費用に見合う価値があるという確固たる証拠が存在する。さらに、ETCは既存の砲システムに統合可能である。[10]

動作原理

動作中の電熱化学銃の図。

電熱化学砲はプラズマカートリッジを使用して弾薬の推進剤を点火・制御し、そのプロセスを開始するための触媒として電気エネルギーを使用します。これはもともとアメリカ陸軍のためにジョン・パーメントーラ博士が研究したもので、標準的な固体燃料戦車砲の後継として非常に有力な選択肢に成長しました。研究開始以来、米国はXM291砲プロジェクトに400万ドル、基礎研究に30万ドル、応用研究に60万ドルの資金を提供してきました。[要出典] それ以来、必要なレベルの効率はまだ達成されていませんが、有効であることが証明されています。ETCは従来の固体推進剤の性能を向上させ、推進剤の膨張に対する温度の影響を軽減し、より高度で高密度の推進剤の使用を可能にします。また、点火時に推進剤のガスをよりスムーズに拡散させるため、同じ銃口エネルギーを提供する他の技術と比較して、銃身にかかる圧力も軽減されます。[11] 現在、プラズマ始動には主に2つの方法があります。フラッシュボード大面積エミッター（FLARE）と三重同軸プラズマ点火装置（TCPI）です。

フラッシュボード大面積エミッター

フラッシュボードは、プラズマまたは紫外線を広範囲に照射するために、複数の並列ストリングで構成され、ダイヤモンドのギャップの破壊と蒸発を利用して必要なプラズマを生成します。これらの並列ストリングはチューブ内に設置され、ギャップがチューブの軸に対して方位角になるように配置されています。高圧空気を使用して空気を移動させることで放電します。[12] FLAREイニシエーターは、プラズマの放出、または紫外線熱放射の使用によって推進剤に点火できます。[13] 固体推進剤の吸収長は、プラズマ源からの放射によって点火するのに十分です。ただし、FLAREは最適な設計要件には達していない可能性が高く、技術の進化を確実にするには、FLAREとその動作に関するさらなる理解が絶対に必要です。もしFLAREがXM291銃プロジェクトに、推進剤を点火して17MJの銃口エネルギーを達成するのに十分な放射熱を提供すれば、完全に開発されたFLAREプラズマ点火装置の可能性は想像に難くありません。現在研究されている分野には、プラズマが放射線を通して推進剤にどのような影響を与えるか、機械的エネルギーと熱を直接的に、あるいはガス流を駆動することによってどのように伝達するかなどが含まれます。これらの困難な課題にもかかわらず、FLAREは将来のETCガンへの応用において最も有望な点火装置と考えられています。[14]

トリプル同軸プラズマ点火装置

同軸点火装置は、完全に絶縁された導体で構成され、4枚のアルミ箔で覆われています。これらはすべて、直径約1.6cmの小さな穴が開けられた管でさらに絶縁されています。この管に電流を流し、その電流を蒸気に爆発させ、さらにプラズマに分解するという原理です。その結果、プラズマは絶縁管全体に貫通する複数の穴から放出され、周囲の推進剤に点火します。TCPI点火装置は、弾丸ごとに個別の推進剤ケースに取り付けられます。しかし、TCPIはフィンを損傷する可能性があり、フレア点火装置ほど効率的にエネルギーを供給できないため、もはや推進剤点火方法としては考えられていません。[15]

実現可能性

アメリカ海軍が FMC で ETC CIWS 原理実証デモンストレーターとして開発した 60 mm ETC 砲。

XM291は、実用化された電熱化学砲の現存する最良の例である。これは、デュアルキャリバー方式を採用した、より大口径の140mm砲の代替技術であった。140mm弾を装填できる大きさの砲尾を持ち、120mm砲身と135mmまたは140mm砲身の両方を搭載できる。XM291はまた、既存のM256 L/44主砲よりも大きな砲身と点火室を搭載している。[16] 電熱化学技術の応用により、XM291は低出力の140mm砲に匹敵する砲口エネルギー出力を達成しながら、より大型の140mm砲よりも高い砲口速度を達成している。[17] XM291はETC技術が実現可能であることを意味するものではないが、それが可能であるという例を示している。

ETC は、レールガンやコイルガンに比べて、バッテリーなどの外部ソースからのエネルギー入力がはるかに少ない。テストでは、推進剤によるエネルギー出力が、ETC ガンの外部ソースからのエネルギー入力よりも高いことが示されている。[18] 比較すると、レールガンは現在、エネルギー入力量よりも高い銃口速度を達成できない。50% の効率であっても、運動エネルギー 20 MJ の発射体を発射するレールガンには、レールに 40 MJ のエネルギー入力が必要であり、50% の効率はまだ達成されていない。[19] これを視覚的に表すと、9 MJ のエネルギーでレールガンを発射するには、コンデンサから約 32 MJ 相当のエネルギーが必要になる。現在のエネルギー貯蔵の進歩により、2.5 MJ/dm 3という高いエネルギー密度が可能になり、これは 32 MJ のエネルギーを供給するバッテリーには、1 ショットあたり 12.8 dm 3の体積が必要になることを意味する。これは現代の主力戦車、特に既存のモデルよりも軽量に設計された戦車に使用するには現実的な容量ではありません。[20] プラズマカートリッジを小さな爆発力で点火することで、ETC点火における外部電源の必要性を排除することについての議論さえありました。[21]

さらに、ETC 技術は固体推進薬だけに適用されるのではありません。銃口速度をさらに上げるために、電熱化学点火を液体推進薬で使うことができますが、それにはプラズマ点火のさらなる研究が必要になります。ETC 技術は、射撃中に車両に伝わる反動の量を減らす既存のプロジェクトとも互換性があります。当然のことながら、17 MJ 以上の発射体を発射する砲の反動は、ニュートンの運動の第 3 法則に従って砲口エネルギーの増加に比例して増加し、反動軽減機構の適切な実装は、ETC 駆動の砲を既存の車両設計に搭載するために不可欠です。たとえば、OTO Melaraの新しい軽量 120 mm L/45 砲は、より長い反動機構 (550 mm) とペッパーポット マズルブレーキを使用することで、25 t の反動力を達成しました。[22] 反動の軽減は、サーマル スリーブの質量減衰によっても達成できます。 ETC 技術は既存の銃の設計に適用できるため、将来の銃のアップグレードでは、より大きな砲尾や口径の砲身を組み込むために砲塔を再設計する必要がなくなります。

いくつかの国は既にETC技術が将来的に実現可能であると判断し、自国開発プロジェクトに多額の資金を投入している。これには、米国、ドイツ[23]、英国などが含まれる。米国のXM360は、将来戦闘システム（Future Combat Systems ）搭載型軽戦車に搭載される予定で、 M1エイブラムスの次期砲改修となる可能性もある。XM360はXM291をベースとしており、ETC技術、あるいはその一部が搭載されている可能性があると報じられている。この砲の試験は「精密点火」技術を用いて実施されており、これはETC点火を指している可能性がある。

注記

  1. ^ ノーマン・フリードマン、デイヴィッド・K・ブラウン、エリック・グローブ、スチュアート・スレイド、デイヴィッド・スタイグマン（1993年）。『核時代の海軍：1945年以降の軍艦』海軍研究所出版、163ページ。ISBN 1-55750-613-2。
  2. ^ Taulbee, Steve (1993). ARL Ballistics Research Archived 2024-08-09 at the Wayback Machine , US Army Research Laboratory, p. 5.
  3. ^ ロペレフスキー「ソ連の装甲・対装甲兵器の獲得が米軍マスタープランを形作る」p.69
  4. ^ シェマー、陸軍、国防長官事務所、対装甲兵器をめぐって対立、p.53
  5. ^ 大砲の長さは、砲身の直径と口径の長さを掛け合わせることで求められます。例えば、120mm L/44口径のM256の全長は5.28mですが、120mm L/55口径のM256は6.6mです。
  6. ^ シャロニ『未来の戦闘システム』29ページ
  7. ^ ペンゲリー「戦車主力武装の新時代」p.1522
  8. ^ シャロニ『未来の戦闘システム』30ページ
  9. ^ ダイヤモンド、電気熱化学銃技術研究、p.5
  10. ^ ザウアーワイン、ラインメタルのNPzK
  11. ^ ヒルメス、将来のMBT構想の側面
  12. ^ ダイヤモンド、電気熱化学銃技術研究、pp.11-12
  13. ^ ダイヤモンド、電気熱化学銃技術研究、pp.13-15
  14. ^ FLAREに関する詳細な技術情報については、 P. Diamondを参照してください。
  15. ^ TCPIはP.ダイアモンドの電気熱化学銃技術研究でも取り上げられています。
  16. ^ ペンゲリー「戦車の主力武装の新時代」 1522ページ
  17. ^ シャロニ『未来の戦闘システム』31ページ
  18. ^ ダイヤモンド、電気熱化学銃技術研究、[ページが必要]
  19. ^ ホルスト「対装甲技術の最近の進歩」、6ページ
  20. ^ ザーン「将来の戦闘システム：リスクを最小化しつつ能力を最大化する」p.20
  21. ^ 楊夢「電源不要の電熱化学銃の斬新な概念」p.1
  22. ^ ヒルメス『将来の主力戦車の武装』79ページ
  23. ^ ヒルメス『近代ドイツの戦車開発』20-21頁。

参考文献

  • ダイアモンド、P.（1999年3月）「電気熱式化学銃技術調査（報告書）」MITREコーポレーション. CiteSeerX  10.1.1.834.5851 .
  • ヒルメス、ロルフ（2004 年 12 月）。 「将来の MBT の武装 - いくつかの考慮事項」。軍事技術(2004 年 12 月)。メンヒVerlagsgesellschaft Mbh.
  • ロルフ・ヒルメス（1999年6月30日）。 「将来のMBT構想の諸相」。軍事技術。23 (6)。メンヒVerlagsgesellschaft Mbh.
  • ヒルメス、ロルフ（2001年1月1日）「ドイツ連邦軍の戦車：近代ドイツ戦車開発、1956-2000年」『Armor』（2001年1-2月号）フォート・ノックス：アメリカ陸軍装甲センター。ISSN 0004-2420  。
  • ホルスト、アルバート・W.他 (1997). 「対装甲技術の最近の進歩」.第35回航空宇宙科学会議・展示会. アメリカ航空宇宙学会. doi :10.2514/6.1997-484.
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  • 電磁発射シンポジウム
  • http://www.powerlabs.org/electrothermal.htm
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