La recherche et les développements
Les premiers prototypes était des canons magnétiques (Lien vers rubrique Physique).
L'invention des contacts glissants pour diminuer l'effet Joule
La source d'énergie
Pour que le canon électrique fonctionne, il lui faut une source d'énergie impulsionnelle.
Les premiers canons électriques avaient comme source électrique impulsionnelle des condensateurs. Mais ceux-ci ont le gros défaut de se décharger très vite. Quand on se met à les charger, il faut être sûr de tirer immédiatement après le chargement, sinon l'énergie est perdue.
Les ingénieurs ont donc décidé d'utiliser des bobines supraconductrices.
Comme on peut le voir sur le diagramme de Ragone, les bobines supra sont capables de stocker beaucoup d'énergie pendant une longue période.
Il a été calculé qu'une bobine supra peut conserver toute son énergie pendant 140 ans, à condition de rester à la température requise.
Déchargement des bobines supraconductrices
Les ingénieurs rencontrent un problème : il est impossible de décharger une bobine supra partiellement.En effet quand l'énergie se met à circuler, la température passe de 4k à environ 300k et la bobine perd toutes ses capacités supraconductrices. On dit alors qu'il se passe une transition de phase.
Transition de phase: la résistance passe de R=0 à R=+∞
Réduction de l’encombrement
Les ingénieurs ont ensuite cherché à résoudre le problème de la place très importante qu'occupent les cryostats, car il en fallait un par bobine, à cause du transfert d'énergie.
Le problème a été résolu par les ingénieurs français. Désormais ils sont les seuls à pouvoir fabriquer des bobines en forme de galettes et non de solénoïdes. Ceci réduit considérablement la place occupée par les bobines et permet de placer plusieurs bobines dans un même cryostat.
Tous ces développements permettent au canon électrique de tirer quand on le veut, à l'aide des bobines supraconductrices qui ne se déchargent pas complètement (la décharge séquentielle).
Les interrupteurs
Un nouvel obstacle est l'interrupteur qui doit être rapide afin de palier la self du circuit.
Les interrupteurs doivent êtres capables de faire passer 100 000 A (Ampère) en une milliseconde (ordre de grandeur). En comparaison, un interrupteur domestique pour de l’éclairage laisse passer environ 10A.
La vitesse de coupure est le Di/Dt (variation du courant Di en fonction du temps Dt).
Cela implique l'utilisation de semi-conducteurs (transistors)
Comment fonctionne un semi-conducteur ?
La vitesse de coupure Di/Dt va être fonction des électrons qui passent à travers. Pour cela il faut booster l'électron c'est-à-dire accélérer les électrons mais avec l'inconvénient de l'augmentation de l’échauffement.
Au début, les semi-conducteurs était en silicium mais ils ne pouvaient faire passer des électrons jusqu'à 110°C.
Ensuite, les ingénieurs ont créé des semi-conducteurs avec du carbure de silicium capable de monter a 400°C.
Désormais, il y a des recherches sur les semi-conducteurs à base de diamant qui pourraient monter jusqu'à 800°C.
Réglage de la puissance
Le canon développe une force qui est F=B.I.L
Pour faire varier F (la force) il suffit de faire varier I.
I étant l'intensité du courant, il faut utiliser un convertisseur qui va faire battre un interrupteur à une certaine vitesse afin d'obtenir l'intensité voulue.
Évolution de la structure
Le canon électrique au cours de son développement a changé de forme à plusieurs reprises.
Les rails :
Au début, le canon était composé de deux rails parallèles.
Pour résoudre un des problèmes majeurs qui est l'effet Joule, les ingénieurs on décidé de diviser les rails en segments les uns à la suite des autres (voir animation).
La différence avec les deux rails simples est qu'il fallait envoyer tout le courant (1 million d’Ampère) a un seul endroit du rail. L’avantage des segments est qu'ils permettent de distribuer l’énergie sur l'ensemble de la longueur du canon ce qui évite l'effet Joule.
Les ingénieurs ont segmenté dans l’espace les rails. L'utilité de cette manœuvre permet une économie des balais du contact glissant.
La dernière innovation a été de mettre les rails segmentés dans l'espace en quinconce, comme le montre l'animation. Cela permet au projectile de prendre de la vitesse beaucoup plus rapidement.
Augmentation du champ magnétique
Dans le canon électrique F=B.I.L où B (le champ magnétique) est fonction de I (intensité).
Pour augmenter F, les ingénieurs ont ajouté un bobinage supplémentaire afin d’amplifier le champ magnétique B et donc la force F.
Cela crée un champ magnétique parallèle.