Elektrodynamiczne przyspieszanie obiektów

Transkrypt

1 XX Międzynarodowa Konferencja Naukowo Techniczna UZBROJENIE 2015 Elektrodynamiczne przyspieszanie obiektów Andrzej Horodeński Cezary Pochrybniak Adam Sitnik Jachranka,

2 Dlaczego elektrodynamiczne? większa szybkość (obecnie Mach 7 9) i energia pocisku większy zasięg brak konieczności stosowania materiałów wybuchowych niższy koszt

3 Metody przyspieszania elektrodynamicznego 1. Przyspieszanie magnetycznooporowe (szynowe), w którym obiekt przyspieszany jest włączony bezpośrednio w obwód rozładowczy railgun 2. przyspieszanie indukcyjne: a. ferromagnetyk miękki reluctance coil gun b. przewodnik prądu inductance coil gun

4 Railgun Metalowy pocisk jest przyspieszany siłą Lorentza prądu w obwodzie oraz generowanego przez ten prąd pole magnetyczne. Zalety: ideowa prostota konstrukcji możność nadania pociskowi dużej prędkości (7-9 Mach) Wady: szybka erozja toru akceleracyjnego wskutek wypalania się kontaktu elektrycznego

5 Railgun c.d. Firmy General Atomics i BAE Systems przygotowują się do wprowadzenia dział typu railgun do eksploatacji na niszczycielach US Navy już w 2016 roku. Jednocześnie są prowadzone prace nad mniejszym zestawem przystosowanym do pojazdów naziemnych.

6 Reluctance gun Pole magnetyczne wytworzone przez cewkę ustawia domeny magnetyczne w pocisku wykonanym ferromagnetyka miękkiego ustawionego przed cewką, dzięki czemu jest on wciągany do wnętrza cewki. Przyciąganie trwa aż do osiągnięcia położenia centralnego, potem kierunek działania siły zmienia zwrot i pocisk zaczyna być hamowany. Prąd powinien więc w tym momencie zaniknąć. Wada: rozwiązanie stosowalne tylko do urządzeń o małej skali

7 Inductance coil gun W układzie sprzężonym cewka-pocisk pole magnetyczne cewki generuje cyrkulacyjny prąd wirowy, który oddziałując ze składową radialną pola magnetycznego nadaje ruch postępowy pociskowi wykonanemu z dobrego przewodnika prądu. Odpowiednia geometria cewki pozwala też wprawić pocisk w ruch obrotowy (*). W wyniku sprzężenia pola magnetycznego z prądem wirowym na pocisk działa siła Lorentza: F = J x H której składowe spełniają różne role: F z = H r * J φ - przyspieszanie F r = H z * J φ - zgniatanie F φ = H r * J z - nadawanie momentu obrotowego. (*) Informacja własna Prace nad działami tego typu są prowadzone w poważnych jednostkach badawczych USA (m.in. Sandia National Laboratories, Institute for Advanced Technologies, Defense Advanced Research Projects Agency oraz kilka prywatnych korporacji przemysłowych) co najmniej od lat 90. XX w. Prace nad działami tego typu są prowadzone również m.in. w Chinach i Korei Płd.

8 Coil gun vs. railgun Railgun: rura akceleracyjna szybko eroduje, trzeba ją często wymieniać strzał jest bardzo głośny, działo jest z daleka widoczne konstrukcja jest względnie prosta Inductance coil gun: strzał nie generuje plazmy na wylocie lufy i jest względnie cichy pocisk nie potrzebuje armatury nośnej tor akceleracyjny nie podlega erozji

9 1993 velocity ok m/s 3000 m/s capacity 180 μf 250 μf

10 1999

11

12 Przyspieszanie indukcyjne - dwie klasy rozwiązań Cewki osobne Każda kolejna cewka jest zasilana w momencie, gdy pocisk osiąga pozycję właściwą do akceleracji. Sygnały inicjujące start kolejnych sekcji baterii kondensatorów są wysyłane z czujników aktualnego położenia pocisku. Wędrująca fala Cewki są gęsto upakowane, ich pola magnetyczne nakładają się na siebie. Kolejne sekcje zasilające są inicjowane zgodnie z narzuconą sekwencją czasową tak, by czoło fali przyspieszającej przesuwało się wraz z pociskiem. Sekwencja jest obliczana na podstawie symulacji numerycznej. Three Gorges University, Chiny Sandia Labs, USA

13 Tor akceleracyjny Solenoid: Cewka warstwowa: - prostsze wykonanie - trudniejsze wykonanie - łatwość modelowania - niższa indukcyjność, większy prąd kształtu i indukcyjności wg Sandia Labs: przewód: plecionka (litz) wysokiej jakości. rura akceleracyjna - fiberglass ɸ wewn = 51 mm, # = 1,5 mm, pocisk: walec ɸ zewn = 47,2 mm z nałożonymi teflonowymi pierścieniami prowadzącymi ɸ zewn = 46,7 mm cewki muszą być mocowane niezależnie od rury akceleracyjnej, żeby nie wpływały na jej odkształcanie.

14 Przyspieszanie indukcyjne problemy techniczne Włożona w strzał energia ma 6 kanałów ujścia: 1. nadawanie pociskowi prędkości, 2. nadawanie pociskowi momentu obrotowego, 3. zgniatanie pocisku wskutek oddziaływania składowej osiowej pola z prądem indukowanym w pocisku, 4. rozrywanie cewki indukcyjnej wskutek oddziaływania pola magnetycznego cewki z jej prądem własnym, 5. grzanie omowe, 6. stratność układu zasilającego. Konstrukcja i technologia muszą zapewnić optymalizację 1-2 oraz minimalizację 3-6. Główne problemy do rozwiązania Konstrukcja toru akceleracyjnego: optymalna dla akceleracji konfiguracja cewki, wytrzymałość cewki na bardzo silny udar prądowy, optymalizacja sekwencji czasowej. Optymalizacja konstrukcji i cech balistycznych pocisku

15 Pocisk z poosiowym kanałem przelotowym Cienka, przypowierzchniowa warstwa prądowa pozwala zastosować pocisk z kanałem przelotowym wydrążonym na całej długości. Główne zalety: zmniejszenie masy pocisku nie wpłynie na odbiór energii, powodując zwiększenie jego szybkości nadawanie prędkości w kanale akceleracyjnym efektywniejsze z uwagi na znacznie zmniejszony opór powietrza, prąd wirowy wzbudza się zarówno w zewnętrznej jak i w wewnętrznej powierzchni mniejsze straty na grzanie omowe, stabilizacja orientacji pocisku w locie: moment obrotowy i/lub wewnętrzne lotki. (prawdopodobnie) poprawie ulegną własności aerodynamiczne pocisku, Pocisk, zwłaszcza do wyrzutni elektromagnetycznej Zgłoszenie patentowe nr. z dnia. Zgłaszający: DACPOL Sp. z o.o.

16 pusta cewka Wstępne pomiary strzał Parametry baterii zasilającej: L B = 1,5 μh R B = 40 mω Parametry cewki: indukcyjność cewki: L c = 5,4 μh, L r = 3,7 μh, L s = 1,7 μh współczynnik sprzężenia cewki: k = 0,56, dla całego obwodu k obw = 0,50 oporność wniesiona do obwodu głównego podczas strzału: 40 mω. Rozkład oporności (odbiorników energii) w obwodzie głównym: kondensator - 40 mω (pobór 50% energii) cewka (ruch i oporność własna) 33 mω (41%) grzanie omowe pocisku - 4 mω (5%) ruch pocisku - 3 mω (3,8%) wideo

17 Dziękuję za uwagę! Q & A