Lanceerinrichting geeft projectielen hypersone snelheid; Elektromagnetisch geschut zonder kruitdamp of mondingsvlam

Zo vaak wordt er melding gemaakt van de mooie spin-off die defensie-onderzoek heeft voor de vooruitgang in de burgermaatschappij dat het wel eens aardig is als ook het omgekeerde zichtbaar wordt. Het onderzoek naar nuttige toepassingen van pulsfysica bracht de onderzoeksorganisatie TNO tot de ontwikkeling van een geavanceerd kanon dat volgens een heel ander principe werkt dan men van kanonnen gewend is. Jules Verne kijkt toe vanuit zijn graf.

Een goed werkend model van het kanon, met een loop van een meter of vier en een schietbuisdiameter van een paar centimeter, bevindt zich achter dubbele deuren in een laboratorium van de Hoofdgroep Defensie Onderzoek van TNO in Delft, resorterend onder het Prins Maurits Laboratorium (PML). Het Laboratorium voor Pulsfysica, is de wat cryptische aanduiding. Een Verboden Plaats ingevolge de Wet Bescherming Staatsgeheimen, zegt het bordje. De redactie van de 'Legerkoerier' mocht er onlangs een kijkje nemen en ook dit dagblad was er deze week welkom. Veel onderzoek aan het nieuwe wapen is overigens helemaal niet gerubriceerd, zegt onderzoeksleider en hoofd PLM-Pulsfysica dr. W. J. Kolkert. In Delft stuit men onverwacht op Nederlands onderzoek dat in samenwerking met de Amerikaanse SDI-organisatie wordt uitgevoerd. Kolkert werkt met zijn team, inmiddels ruim twintig man sterk, aan de ontwikkeling van een lanceerinrichting die projectielen kan verschieten zonder gebruik van kruit te maken. Een railgun. Een elektromagnetische lanceerinrichting. Een electromagnetic projectile accelerator.

Een Lorentz-kanon zou je ook kunnen zeggen, want de kracht die het te verschieten projectiel zijn versnelling geeft is een Lorentzkracht: dat is de kracht die een stroomvoerende geleider in een magnetisch veld ondervindt. Wij HBS-ers berekenden de grootte van die kracht met de simpele formule B. I.l.sin alfa (die we niet makkelijk vergaten) en bepaalden de richting met duim, wijsvinger en middelvinger. Het moeilijkst was te onthouden welke vinger wat voorstelde en of je je linker of je rechterhand moest gebruiken.

De belangstelling voor het gebuik van Lorentzkrachten voor de versnelling van projectielen is niet nieuw. Baanbrekend werk werd gedaan door de Noor K. Birkeland die al in het begin van de eeuw projectielen van 10 kilogram elektromagnetisch versnelde tot 100 meter per seconde. Begin jaren twintig concentreerde het onderzoek zich rond de Fransman A. L. O Fauchon-Villeplee en gedurende de Tweede Wereldoorlog maakte J. Hansler in het Duitse onderzoekscentrum van Penemunde uitgebreid studie van de mogelijkheden en beperkingen van de methode. Vooral de moeilijkheden en beperkingen wist hij tamelijk volledig in kaart te brengen. Het werk viel in 1945 in handen van de Amerikanen, die er halverwege de jaren vijftig een lijvig rapport over publiceerden. Kolkert heeft het oorspronkelijke laboratoriumjournaal van Hansel in zijn bezit.

In de jaren zeventig kwam het werk aan de elektromagnetische versnelling opnieuw in de belangstelling. In Canberra (Australie) onderzocht de hoogleraar R. A. Marshall de mogelijkheden voor toepassing in thermonucleaire fusie. Marshall wist een plastic blokje van 3 gram een snelheid van 6 kilometer per seconde te geven. Hij werkt nu ook in Delft.

Ook Kolkert zelf, als TNO-er betrokken bij defensie-onderzoek, raakte eind jaren zeventig door de literatuur gefascineerd door de mogelijkheden van het elektromagnetisch lanceren. Hij bracht het systeem tijdens een NATO-studiebijeenkomst ter sprake en werd prompt door DARPA, het uitvoerend bureau van het Pentagon voor defensie-onderzoek, uitgenodigd zich in 1981 in de VS in de materie verder te verdiepen. Kolkert kwam samen te werken met onderzoekers van beroemde laboratoria als Los Alamos en Lawrence Livermore en universiteiten als Princeton en Cornell.

Aanvankelijk was het streven vooral nieuwe anti-tankwapens te ontwikkelen. Klassiek kruit kan projectielen van, zeg, een kilo geen hogere snelheid geven dan zo'n 1,5 a 2 kilometer per seconde. De kinetische energie wordt door chemie en fysica beperkt, en kan tekort schieten bij zware bepantsering. Hoge projectielsnelheden zijn natuurlijk ook van belang als men op snel bewegende doelen heeft te schieten: vliegtuigen of aanstormende raketten. Andere toepassingen ziet men in de civiele ruimtevaart.

Na de geruchtmakende Star Wars rede van president Reagan in 1983 kreeg het project (vanaf 1984) een geweldige financiele impuls van het SDI-bureau. Kolkert kreeg de toezegging dat ook Nederlands onderzoek aan electro magnetic launching op ruime financiele steun van het Pentagon zou kunnen rekenen. Het kwam, op Kolkerts initiatief, tot een overeenkomst tussen TNO en het SDI-bureau en in 1987 kon Kolkert zijn eigen laboratorium oprichten: het Laboratorium voor Pulsfysica.

Het EM lanceren kent diverse concepten die belangrijke verschillen vertonen. Het principe van de single pulse rail accelerator, waarop ook de bijgaande plaatjes slaan, laat zich nog het makkelijkst verklaren. Het schetsje heeft de lanceerinrichting als het ware in drie trappen onderverdeeld. De Lorentzkracht wordt opgewekt door de zeer grote elektrische stroom (van enkele mega-amperes) die het voedingsblok, in de vorm van een krachtige, uiterst korte stroompuls, in de spoel ('inductor') op gang brengt. Zo'n sterke elektrische stroom (I) wekt, zoals men dat ook van elektromagneten kent, een krachtig magneetveld op (van enige Tesla's), met een veldrichting zoals door de pijl B wordt aangegeven. Op elk deel van de spoel komt daarmee tegelijk een Lorentzkracht te werken die naar buiten is gericht. Voor het grootste deel van de spoel heeft dat geen andere consequentie dan dat sterke mechanische spanningen optreden. Alleen het losse onderdeel van de spoel, het glijdend segment, (in de figuur als 'armatuur' aangegeven) zal naar buiten worden geblazen. Omdat het daarbij langs een elektrisch geleidende rail beweegt zal het, elektrisch gezien, onderdeel van het circuit blijven en gedurende de volle pulsduur (overigens maar enige milliseconden) de volle Lorentzkracht ondervinden. Theoretisch zou het segment daarbij, zegt Kolkert kalm, uiteindelijk de lichtsnelheid kunnen krijgen. Als een door het armatuur aangedreven projectiel bij het verlaten van de loop een snelheid van meer dan 3 kilometer per seconde heeft bereikt zal al een belangrijk succes zijn geboekt.

Men begrijpt dat aan het elektrisch contact tussen armatuur en rails, gezien de hoge stroomsterkten en bewegingssnelheden, hoge eisen worden gesteld. Een en ander is niettemin op klassieke wijze met 'borstels' uit te voeren en de Delftse railgun, op de foto weergegeven, verschiet ook echt blokjes met een sleepcontact.

Men kan een te verschieten projectiel ook laten voortstuwen door een plasma: een sterk geioniseerde gasmassa die onder invloed van stroom en magnetisme samengebald blijft en evenzeer een Lorentzkracht ondervindt. Zo'n plasma laat zich in de praktijk makkelijk vormen uit koper- of aluminiumfolie dat onder invloed van ohmse opwarming (dus door stroomdoorgang) als het ware explodeert en in damp overgaat. Het is alsof een vonkontlading het projectiel aandrijft.

Veel research wordt gestoken in de ontwikkeling van de energiebron die de formidable puls moet afgeven. De speciale uitvoering van de spoel, samen met een aantal hoogvermogen schakelaars, comprimeert de puls afkomstig van een speciaal voor het EM-lanceren ontworpen combinatie van batterij en condensator tot een puls met de gewenste duur van enige milliseconden. De puls mag niet langer duren dan de tijd die het projectiel nodig heeft voor zijn tocht langs de rails. Aan de basis van de enrgievoorziening zal in de praktijk waarschijnlijk gewoon een gasturbine staan die een generator aandrijft.

Hoe moeten we ons dit nu in het echt voorstellen, heeft de verslaggever gevraagd. Zal er veel lawaai zijn, en ook vuur? Lawaai wel natuurlijk want het projectiel duikt met hypersone snelheid in de atmosfeer. Maar een mondingsvlam zal er nauwelijks zijn als de EM-puls op tijd dooft. Hoogstens ziet men het plasma nog even nagloeien. Het projectiel zelf zal zeker een lichtspoor achterlaten. Tegen 2005 hoopt Kolkert een werkend prototype te zien.foto: Met de railgun van het Laboratorium voor Pulsfysica van TNO werden in augustus 1988 de eerste projectielen verschoten: vijf aluminium blokjes werden tussen rails van drie meter op hypersone snelheid gebracht. De Europese primeur van een repeterende elektromagnetische lancering.