[FONT="]طراحی و ساخت تفنگ ریلی[SUP](1)[/SUP][/FONT]
[FONT="]موضوع فنآوري پرتاب الكترومغناطيسي[SUP](2)[/SUP] به طور جدی از سال 1980 در نشستهای دو سالانه دانشمندان و مهندسین در کشور ایالات متحده آمریکا مورد بررسی قرار گرفته است[1]. توجه اوليه در اين جلسات به پرتاب الكتريكي و سپس رسيدن به سرعتهاي بالا در پرتاب بوده است. در پرتاب توسط پيشرانهاي شيميايي معمولي، سرعت پرتابه تقریبا به سرعت صوت محدود مي‌‌گردد در حالي كه پرتاب كننده‌‌هاي الكتروترمال شيميايي سرعتهاي [/FONT]km/sec[FONT="] 2.3 تا [/FONT]km/sec[FONT="] 2.5 را به نمايش ميگذارند و براساس برخی مقالات دانشمندان در پرتابههای[/FONT][SUP][FONT="](3)[/FONT][/SUP][FONT="] با وزن کمتر به سرعت [/FONT]km/sec[FONT="]7 دست يافته‌‌اند. اين سرعت فوق ا لعاده زياد پرتابه موجب كاهش زمان پرواز و در حقيقت زودتر رسيدن به هدف و به دليل انرژي جنبشي زياد، موجب فعل و انفعال و تخريب شديدتر هدف خواهد گرديد. [/FONT][FONT="][/FONT] [FONT="]در این مقاله ضمن بیان تاریخچه به بررسی مبانی فیزیکی حاکم بر تفنگهای ریلی خواهيم پرداخت و جزئیات طراحی و ساخت یک نمونه آزمایشگاهی با انرژی 16000 ژول را تشریح خواهیم نمود[/FONT][FONT="][2][/FONT][FONT="].[/FONT] [FONT="] [/FONT]
[FONT="]کلید واژه: [/FONT] Railgun - Lorenz forces - Electrical impulse - Armature - Magnetic field - Pulse shaping - Capacitor bank - Projectile injection [FONT="] [/FONT]
[FONT="]مقدمه [/FONT] [FONT="]تحقيقات در زمينه فنآوري پرتاب الكتريكي به شكل طرحهايي در دهة 1970 ميلادي در کشور آمريكا آغاز گرديـد. هدف از اين برنامه ارزيـابي عملي بودن فنآوري پرتاب الكتريـكي براي حوزه وسيعي از كاربردها، شامل نقل و انتقالات هوا-فضا، انرژي و طيف گستردهاي از كاربردهاي نظامي بوده است[3]. [/FONT]file:///C:/DOCUME%7E1/ali/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image003.gif[FONT="]تحقيقات در خصوص تفنگ[/FONT][FONT="][/FONT][FONT="]هاي الكتريكي در آلمان از سال1980 آغاز گرديد و در سال 1996 پرتابي با مشخصات انرژي منبع [/FONT]MJ[FONT="] 30 ، وزن پرتابه [/FONT]kg[FONT="] 1.9 ، كاليبر پرتابه [/FONT]mm[FONT="] 105 ، سرعت هنگام خروج [/FONT]m/sec[FONT="] 2400 و راندمان سيستم 18.1% گزارش شد [4]. در اين كشور تفنگهاي الكتريكي كاليبر [/FONT]mm[FONT="] 20 ، [/FONT]mm[FONT="] 45 ، [/FONT]mm[FONT="] 105 و [/FONT]mm[FONT="]120 ساخته شده است. در كشور روسيه براي اولين بار در دهة 1960 ميلادي اِي. ام. استولوف[SUP](4)[/SUP] مطالعه بر روي شتابدهي اجسام جامد در تفنگهاي ريلي را آغاز نمود و به پرتابي با مشخصات وزن پرتابه 2 گرم و سرعت هنگام خروج [/FONT]km/sec[FONT="] 6 دست يافت. در آن هنگام بزرگترين مشكل جهت دستيابي به سرعتهاي بالاتر فرسايش ريل[SUP](5)[/SUP] بود [5]. نیروی دریایی ایالات متحده در سال 2008 میلادی به منظور استفاده در نبرد سطحی یک تفنک الکتریکی را تست نمود. وزن پرتابه 3.2کیلوگرم بود که به سرعت 2400متر بر ثانیه دست یافت. عکس شلیک در شکل 1 مشاهده میشود[/FONT]][FONT="]6[/FONT][[FONT="].[/FONT][FONT="][/FONT] [FONT="] [/FONT] [FONT="]1[/FONT]- Railgun [FONT="]3[/FONT]- Projectile [FONT="]2[/FONT]- Electromagnetic Launch Technology [FONT="]-4[/FONT] A. M. Stolov [FONT="]-5[/FONT] Erosion of the launcher chnnel materials [FONT="]یک بخش بسیار مهم تفنگ ریلی منبع تغذیه پالسی آن میباشد. منابع تغذية پالسي در گسترة وسيعي از كاربردهاي عمومي از قبيل شتابدهي ذرات، دستگاههاي مبتني بر فيوژن[SUP](1)[/SUP]، شكل‌‌دهي و جوشكاري فلزات، راه‌‌اندازي ليزرها، دستگاههاي مايكروويو، لامپ‌‌هاي دوربين عكاسي، سالم سازي غذاها و طيف گستردهاي از كاربردهاي نظامي از قبيل تفنگهاي الكترومغناطيسي[/FONT](EMG)[FONT="]، تفنگهاي الكتروترمال[/FONT](ETG)[FONT="]، تفنگهاي الكتروترمال- شيميايي[/FONT](ETCG)[FONT="] و تفنگهاي كويلي[/FONT](CG)[FONT="] مورد استفاده قرار مي‌‌گيرند.[/FONT][FONT="][/FONT] [FONT="]اين منابع داراي انواع مختلف از جمله منبع تغذيه پالسي خازني، منبع تغذيه پالسي سلفي (معمولي- ابررسانا)، آلترناتور پالسي (مولد پالسي جبران شده-آلترناتورديسكي)، مولد هموپولار و مولد فلوي مغناطيسي مي‌‌باشند. در اين ميان منبع تغذية پالسي خازني به دليل در دسترس بودن قطعات مورد نياز، قيمت مناسب، سهولت ساخت و چگاليهاي حجمي و وزنيِ انرژيِ مناسب، بيشتر مورد توجه هستند. منابع تغذيه پالسي خازني نيز باتوجه به شبكه شكل دهنده پالس داراي انواع مختلف از جمله نوع [/FONT]A[FONT="]، [/FONT]B[FONT="]،[/FONT]C [FONT="]،[/FONT]D [FONT="]،[/FONT]E [FONT="]،[/FONT]F [FONT="] و نوع تخليه زمانبندي شده هستند. از آنجا كه ريل و پرتابه در تفنگهاي الكتريكي در واقع بار منبع تغذيه پالسي محسوب مي‌‌شوند ساختار و رفتار آنها مي‌‌بايست مورد بررسي قرار گيرد. يكي از مشكلات عمده، فرسايش ريل در اثر عبور پرتابه با وجود جريانهاي پالسي چند مگاآمپري است.[/FONT] file:///C:/DOCUME%7E1/ali/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image005.gif[FONT="]در آزمايشگا‌‌ههاي پيشرفتة تفنگهـاي ريلي الكتريـكي، شكل پا لس تقريباً ايده‌‌آلي مـورد استفاده قرار مي‌‌گيرد كه زمان صعود سريعي دارد اما اين زمان نبايد خيلي كوچك باشد زيرا جرك[SUP](2)[/SUP] ( نرخ تغييرشتاب يا [/FONT]file:///C:/DOCUME%7E1/ali/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image007.gif[FONT="][/FONT][FONT="] ) بايد محدود شود. از طرفي هنگام خروج پرتابه از لوله تفنگ جريان مي‌‌بايست به سرعت كاهش يابد تا از تخليه الكتريكي پس از خروج پرتابه كه ممكن است موجب تخريب ريل تفنگ گردد پرهيز شود. [/FONT] [FONT="]براي ساخت منابع تغذيه پالسي خازني به قطعاتي از قبيل خازن، خودالقا، كليد (نيمه‌‌هادي و غير آن)، كابلهاي ارتباطي و گذرگاهها، تجهيزات ايمني از قبيل فيوز و مسيرهاي تخليه اضطراري بار، باطري و چرخ طيار نياز است.[/FONT] [FONT="]از طرفي بررسي عملكرد اين قطعات به دليل بالا بودن مقادير ولتاژ (تقريباً [/FONT]kV[FONT="]10 ) و جريان (تقريباً [/FONT]MA[FONT="]3 ) و خصوصاً پالسي بودن شكل موج نياز به دقت نظر بيشتري دارد.[/FONT]
[FONT="]1- مبانی تئوری[/FONT] [FONT="] [/FONT][FONT="]چنان که در شکل 2 مشاهده میشود جریان الکتریکی از ریل سمت چپ وارد شده و از ریل سمت راست خارج میشود. بر اساس قانون دست راست فلیمینگ جهت میدان مغناطیسی در ریل سمت چپ در جهت عقربههای ساعت و در ریل سمت چپ در جهت عکس عقربههای ساعت خواهد بود. [/FONT][FONT="]براساس قانون دست چپ، اگر سه انگشت ميانی، اشاره و شست را عمود بر هم نگاه داريم، طوری كه انگشت اشاره در جهت ميدان مغناطیسی، انگشت ميانی در جهت قراردادی جريان در رسانا باشد، انگشت شست، جهت حركت رسانا را نشان میدهد[/FONT][FONT="].[/FONT] [FONT="]1[/FONT]- Fusion [FONT="]-2[/FONT] Jerk [FONT="]در شکل 2 جهت میدان مغناطیسی به سمت پایین میباشد و نیروی وارد بر پرتابه به سمت جلو است. نیروی وارد بر پرتابه با توجه به قانون بیو-ساوار[SUP](1)[/SUP] و قانون نیروی لورنتز[SUP](2)[/SUP] قابل محاسبه است. اگر طول ریل را از یک طرف نامحدود فرض کنیم میدان مغناطیسی اطراف یک ریل از رابطه 1 به دست میآید:[/FONT] file:///C:/DOCUME%7E1/ali/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image009.gif[FONT="][/FONT] [FONT="](1)[/FONT] [FONT="]در این فرمول [/FONT]file:///C:/DOCUME%7E1/ali/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image011.gif[FONT="]ضریب گذردهی مغناطیسی خلاء ، [/FONT]I[FONT="] جریان ریل، [/FONT]file:///C:/DOCUME%7E1/ali/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image013.gif[FONT="] فلوی مغناطیسی[/FONT][FONT="] و [/FONT]s[FONT="] فاصله از ریل میباشد. بنابراین در فضای بین دو ریل موازی نیمهنامحدود با فاصله [/FONT]d[FONT="] از یکدیگر دامنه میدان از رابطه 2 به دست میآید:[/FONT] file:///C:/DOCUME%7E1/ali/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image015.gif[FONT="][/FONT] [FONT="](2)[/FONT] [FONT="]برای محاسبه دامنه متوسط میدان مغناطیسی بین دو ریل با فرض کوچک بودن [/FONT]r[FONT="] یا شعاع ریل(با فرض سطح مقطع دایرهای) در مقابل [/FONT]d[FONT="] یا فاصله دو ریل انتگرال زیر را محاسبه میکنیم:[/FONT] file:///C:/DOCUME%7E1/ali/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image017.gif[FONT="][/FONT] [FONT="](3)[/FONT] [FONT="] [/FONT] [FONT="]بر اساس قانون نيروي لورنتز مقدار نیروی وارد بر یک ریل از طرف ریل دیگر از رابطه 4 به دست میآید.[/FONT] file:///C:/DOCUME%7E1/ali/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image019.gif[FONT="][/FONT] [FONT="](4)[/FONT] [FONT="]بنابراین داریم:[/FONT] file:///C:/DOCUME%7E1/ali/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image021.gif[FONT="][/FONT] [FONT="](5)[/FONT] [FONT="]فرمول 5 با این فرض نوشته شده که فاصله نقطه اندازهگیری نیرو از ابتدای ریل[/FONT](ℓ)[FONT="] 3 یا 4 برابر فاصله بین دو ریل[/FONT](d)[FONT="] است. از آنجا که ریلها ثابت هستند نیروی وارد شده به پرتابه موجب حرکت و شتاب گرفتن آن خواهد شد. نیروی وارد بر پرتابه یا گلوله از رابطه 6 به دست میآید. در این رابطه [/FONT]L[FONT="] طول ریل و [/FONT]r[FONT="] شعاع ریل با فرض سطح مقطع دایره میباشد.[/FONT] file:///C:/DOCUME%7E1/ali/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image023.gif[FONT="][/FONT] [FONT="](6)[/FONT] [FONT="]براي محاسبه شتاب ميتوان از فرمول 7 استفاده نمود. در اين فرمول [/FONT]M[FONT="] وزن گلوله است.[/FONT] file:///C:/DOCUME%7E1/ali/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image025.gif[FONT="][/FONT] [FONT="](7)[/FONT] [FONT="]نهایتا باید توجه داشت که فرمولهای بالا تقریبی میباشند و روابط دقیقتر با توجه به ابعاد واقعی ریل و پرتابه قابل محاسبه است. هرچقدر فاصله دو ریل کمتر باشد میدان مغناطیسی بین آنها بیشتر خواهد بود و راندمان تفنگ افزایش مییابد. از طرفی کم بودن فاصله ریلها موجب تخلیه الکتریکی بین آنها میشود. بنابراین این فاصله دو برابر فاصله مورد نیاز برای تخلیه الکتریکی با توجه به ولتاژ اعمالی به ریلها انتخاب میگردد. [/FONT] [FONT="]با توجه به فرمول شتاب هرچقدر جریان الکتریکی بیشتر باشد شتاب نیز بیشتر خواهد بود. برای ایجاد جریان زیاد با توجه به امپدانس ریل و پرتابه به ولتاژ 4 تا 10 کیلوولت نیاز داریم. هرچقدر انرژی منبع تغذیه بیشتر باشد ولتاژ بیشتری در طراحی در نظر میگیریم. در این مقاله مقدار جریان پالسی را 100کیلوآمپر در نظر میگیریم. در برخی تحقیقات نظامی کوچک این جریان 300کیلوآمپر و در تفنگهای بزرگ این جریان 5مگاآمپر میباشد. جریان کم موجب کاهش شدید شتاب میشود و جریان خیلی زیاد موجب جوش خوردن پرتابه به ریل و فرسایش شدید ریل میشود.[/FONT]
[FONT="]2- برخی از موانع و مشکلات ساخت[/FONT] [FONT="]برای ساخت شتابدهندههای ریلی مشکلاتی وجود داشته که برخی از آنها در 40 سال گذشته حل شده است. در حال حاضر مهمترین مسئله افزایش راندمان میباشد.[/FONT] [FONT="]1[/FONT]-
Biot–Savart law [FONT="]2[/FONT]-
Lorentz force [FONT="]فرسایش ریل[SUP](1)[/SUP] [/FONT] file:///C:/DOCUME%7E1/ali/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image027.gif[FONT="]درحال حاضر بزرگترین موضوع از نظر ساخت تفنگهای ریلی فرسایش ریلها میباشد[/FONT]][FONT="]7[/FONT][[FONT="]. جریان بسیار زیاد هنگام عبور از سطح مقطع کم پرتابه موجب ایجاد قوس الکتریگی میگردد. مقاومت الکتریکی بین پرتابه و ریل موجب میگردد حرارت سطحی با شدت و سرعت افزایش یابد. در نتیجه دمای این فلزات به نقطه تبخیر خود نزدیک شده و دچار فرسایش شدید میشوند. خوشبختانه با مطالعاتی که دانشمندان در این زمینه انجام دادهاند به روشهایی برای غلبه بر این مشکل دست یافتهاند. استفاده از آرماتورهای پلاسما(مطابق شکل 3)، ساخت پرتابه با آلیاژهای ویژه، استفاده از روکشهای مخصوص روی پرتابه و کاهش دامنه پالس جریان برخی از این روشها میباشد.[/FONT] [FONT="]طول عمر خازنهای منبع تغذیه[/FONT] [FONT="]با توجه به مقدار انرژی زیاد مورد نیاز در منابع تغذیه پالسی تفنگهای ریلی تنها میتوان از خازن نوع الکترولیت یا شیمیایی به دلیل ظرفیت زیاد استفاده نمود. نمونهای از بانک خازنی در شکل 4 مشاهده میگردد. [/FONT][FONT="]البته هر خازن الکترولیتی قابل استفاده نبوده و حتما باید خازن الکترولیت مخصوص که دارای مقاومت سری[/FONT](ESR)[FONT="] خیلی کوچک باشد استفاده شود. در غیر اینصورت هنگام تخلیه، خازن به شدت داغ شده و از بین میرود.[/FONT] [FONT="]در خازنهای مخصوص پالسی نیز باید دو نکته به دقت توجه شود. داخل این خازنها به ازای برخی مقادیر جریان تخلیه تنشهای مکانیکی رخ میدهد که موجب آسیب دیدن آنها میشود. نکته بعدی این است که در فرایند شلیک و تخلیه خازن امکان معکوس شدن ولتاژ وجود دارد که بشدت برای خازن خطرناک است[/FONT]][FONT="]5[/FONT][[FONT="].[/FONT]
[FONT="]3- منبع تغذیه و شکلدهی پالس[/FONT] [FONT="]برای ساخت منبع تغذیه پیشنهاد میگردد از 32 خازن گرید [/FONT]
Cornell-Dubilier[FONT="] مخصوص اینورتر با ظرفیت 6300میکروفاراد و ولتاژ کار 400ولت استفاده شود. البته این خازنها ولتاژ ضربهای تا 450ولت را تحمل میکنند. [/FONT] [FONT="]1[/FONT]- Rail erosion [FONT="]دمای عملکرد آنها نیز از منفی 40 درجه سانتیگراد تا مثبت 95 میباشد. این خازنها با آخرین فنآوری ساخت خازنهای الکترولیت ساخته شدهاند و هریک 640 ژول انرژی را ذخیره میکنند. قطر این خازنها 3 اینچ، طول آنها 5.63 اینچ و وزن آنها 900گرم است. در بانک خازنی 8 عدد از این خازنها با هم سری شده و ولتاژ کار آنها به 3200ولت و ولتاژ پیک به 3600ولت میرسد. سپس 4 دسته از این مجموعه با هم موازی میشوند و ظرفیت کل خازنها به 3088میکروفاراد میرسد. انرژی کل مجموعه با توجه به فرمول 7 به 16000ژول و انرژی پیک 20کیلوژول خواهد بود. [/FONT] file:///C:/DOCUME%7E1/ali/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image029.gif [FONT="](8)[/FONT] [FONT="]مقدار انرژی ذخیره شده به ازای ولتاژ شارژ در نمودار شکل 5 نشان داده شده است.[/FONT] file:///C:/DOCUME%7E1/ali/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image031.gif[FONT="]يك نكته كاربردی اين است كه با هريك از خازنها باید یک مقاومت 50کیلواهم 10 وات موازی نمود. این مقاومت دو وظیفه بر عهده دارد. وظیفه اول آن ایجاد تعادل و یکسان سازی ولتاژ هنگام شارژ در خازنهایی است که با هم به صورت سری قرار گرفتهاند. وظیفه دوم آن تخلیه کامل خازنها پس از اتمام کار است. هنگام شارژ یک مقاومت 900اهم با آنها به صورت سری قرار میگیرد و وظیفه آن محدود کردن جریان شارژ است. برای تخلیه سریعتر خازنها از یک مقاومت 6250اهم استفاده میشود. مقاومت داخلی سری[/FONT](ESR)[FONT="] خازنها کلا 14.7 میلیاهم و مقدار اندوکتانس(القاکنایی) داخلی[/FONT](ESL)[FONT="] آنها در کل 1 میکروهانری است.[/FONT] [FONT="]با یک محاسبه ساده میتوان نشان داد اگر جریان پالسی شلیک را 100کیلوآمپر در نظر بگیریم و عرض پالس 56میکروثانیه باشد، فرکانس معادل[/FONT](1/2PW)[FONT="] 9کیلوهرتز خواهد بود. میدانیم به دلیل اثر پوستی[SUP](1)[/SUP] در جریان متناوب الکترونها ترجیح میدهند از پوسته بیرونی سیم حرکت کنند تا از مغز سیم و با فرمول کاربردی 9 میتوان عمق پوستی را محاسبه نمود.[/FONT] file:///C:/DOCUME%7E1/ali/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image033.gif [FONT="](9)[/FONT] [FONT="]دراین رابطه [/FONT]file:///C:/DOCUME%7E1/ali/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image035.gif[FONT="] عمق پوستی بر حسب متر، [/FONT]file:///C:/DOCUME%7E1/ali/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image037.gif[FONT="] ضریب گذردهی مغناطیسی ماده، [/FONT]file:///C:/DOCUME%7E1/ali/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image039.gif[FONT="]مقاومت ویژه جسم و [/FONT]f[FONT="] فرکانس کار بر حسب هرتز میباشد. مقاومت ویژه فلز مس 16.8نانواهم-متر میباشد. بنابراین عمق پوستی به طریق زیر محاسبه میگردد:[/FONT] file:///C:/DOCUME%7E1/ali/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image041.gif [FONT="]در محاسبه اخیر با عنایت به غیر مغناطیسی بودن فلز مس ضریب گذردهی مغناطیسی نسبی[/FONT])file:///C:/DOCUME%7E1/ali/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image037.gif ([FONT="] آن 1 در نظر گرفته شده است. بنابراین ضخامت تسمه مسی مناسب برای اتصال خازنها به یکدیگر باید حدود 1.4 میلیمتر باشد. نزدیکترین تسمه استاندارد به مقدار مذکور 1.6 میلیمتر باشد.[/FONT] 1- Skin effect file:///C:/DOCUME%7E1/ali/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image044.gif[FONT="]با افزودن سلف به مدار عرض پالس افزایش مییابد (شکل 6). [/FONT]
[FONT="]این کار موجب میگردد مدت عبور پرتابه از ریل کاهش پیداکند. از طرفی آن بخش از دمای ایجاد شده به سبب مقاومت الکتریکی کاهش مییابد. اما به دلیل کاهش جریان شتاب پرتاب کاهش مییابد.[/FONT][FONT="][/FONT] [FONT="]4- طراحی ریلها، دیواره نگهدارنده ریل[SUP](1)[/SUP] و آرماتور[SUP](2)[/SUP][/FONT] file:///C:/DOCUME%7E1/ali/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image046.gif
[FONT="]ریلها شامل دو پلیت به طول 33.5 سانتیمتر و ضخامت 6میلیمتر و عرض 3سانتیمتر از جنس مس بدون اکسیژن انتخاب شدند. فلز تانتالیوم[SUP](3)[/SUP] نیز مناسب میباشد که البته گرانتر است. [/FONT][FONT="]جنس دیواره نگهدارنده پلیتهای مسی از ماده کامپوزیت [/FONT][FONT="]فایبرگلاس [/FONT][FONT="]به شماره [/FONT]G-9[SUP]
[FONT="](4)[/FONT][/SUP]
[FONT="] میباشد. انتخاب این ماده به دلیل تحمل تنش استثنایی[/FONT](68KSI)[FONT="] و البته عایق بودن آن میباشد. دو ورقه جداکننده[SUP](5)[/SUP] از جنس تفلون[SUP](6)[/SUP] نیز مطابق شکل 7 استفاده شده است. این ماده باید به صورت دیوارهای دو پلیت مسی را در فاصله 6میلیمتر(ضخامت گلوله یا مرمی) در طول 33.5سانتیمتر از یکدیگر نگهدارد. انتخاب جنس تفلون به دلیل مقاومت حرارتی زیاد[SUP](7)[/SUP] و بینظیر آن بین همه پلیمرها[SUP](8)[/SUP] و همچنین ضریب اصطحکاک بسیار کوچک[SUP](9)[/SUP] میباشد.[/FONT] [FONT="]حداکثر نیروی تنشی بین ریلها از رابطه 8 قابل محاسبه است.[/FONT][FONT="][/FONT] file:///C:/DOCUME%7E1/ali/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image048.gif [FONT="](8)[/FONT] [FONT="]اگر نصف ضخامت ریل(3میلیمتر) را به عنوان شعاع در نظر بگیریم و حداکثر جریان ریلها را 100کیلوآمپر فرض کنیم، نیروی پسران 23کیلونیوتن به دست میآید:[/FONT] file:///C:/DOCUME%7E1/ali/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image050.gif [FONT="]به دلیل ایجاد این نیروی قوی، از 16 پیچ و مهره و واشر فولادی مطابق شکل 7 جهت بستن مجموعه تفنگ استفاده میشود. [/FONT][FONT="][/FONT] file:///C:/DOCUME%7E1/ali/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image052.giffile:///C:/DOCUME%7E1/ali/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image054.gif
[FONT="][/FONT] [FONT="]1[/FONT]- Rail enclosure [FONT="]2[/FONT]- Armature [FONT="]3[/FONT]- Tantalum [FONT="]4[/FONT]- Garolite/Melanite impregnated inter woven fibreglass [FONT="]5[/FONT]- Spacer [FONT="]6[/FONT]- Teflon [FONT="]7[/FONT]- High thermal resistance [FONT="]8[/FONT]- Polymer [FONT="]9[/FONT]- Low coefficient of friction file:///C:/DOCUME%7E1/ali/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image056.gif[FONT="]گلوله بهتر است از آلیاژ آلومینیوم به شماره [/FONT]Al1100[FONT="] انتخاب شود زیرا نقطه ذوب آلومینیوم(660درجه سانتیگراد) کمتر از مس(1080درجه سانتیگراد) بوده و این موجب میگردد فرسایش ریل کاهش یابد. نقطه ذوب آلیاژ مذکور 646درجه سانتیگراد است. ابعاد گلوله [/FONT]
[FONT="]25[/FONT][FONT="]x[/FONT][FONT="]25[/FONT][FONT="]x[/FONT][FONT="]6میلیمتر انتخاب میشود.[/FONT][FONT="] انتخاب طول گلوله بر بازده شتاب آن تآثیر گذار است.[/FONT]
[FONT="]5- تزریق گلوله به ریل[/FONT] file:///C:/DOCUME%7E1/ali/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image058.gif[FONT="]اگر انرژی کامل شلیک به یک گلوله ساکن در ریل اعمال شود، ریل و هرآنچه در بین آن است به دلیل حرارت فوقالعاده زیاد ایجاد شده به سبب جریان 100هزار آمپری در مقاومت اهمی ریل، بلافاصله ذوب میشوند. برای اجتناب از ایجاد جوش نقطهای در ریل لازم است که گلوله قبل از اعمال شتاب الکترومغناطیسی با یک سرعت اولیه در حال حرکت باشد. بسیاری از محققان به دلیل عدم توجه به این نکته در ساخت تفنگ الکترومغناطیسی موفق نبودهاند.[/FONT] file:///C:/DOCUME%7E1/ali/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image060.gif[FONT="]برای ایجاد سرعت اولیه در گلوله پیشنهاد میگردد از یک سیستم تزریق بادی[SUP](1)[/SUP] با عملکرد مشابه تفنگ بادی مطابق شکل 10 استفاده گردد.[/FONT] file:///C:/DOCUME%7E1/ali/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image062.gif[FONT="]لوله این تفنگ بادی به طول 30 سانتیمتر و مشابه دیواره ریل که قبلا توضیح داده شد، از جنس تفلون پلیکربنات میباشد. در شکل 11 بخش شتاب بادی و شتاب الکترومغناطیسی یکپارچه نشان داده شده است. در شکل 12 تفنگ کامل بدون منبع تغذیه نشان داده شده است. در قسمت بادی یک شیر الکتریکی نیم اینچ جریان گاز را کنترل نموده و به عنوان ماشه شلیک تفنگ عمل میکند. این سیستم برای فشار [/FONT]PSI[FONT="]500 یا 35 اتمسفر طراحی میشود که مطابق شکل 13 برای شلیک گلوله آلومینیومی 6 گرمی و رساندن آن به سرعت 150 متر بر ثانیه(540 کیلومتر بر ساعت) کافیست. البته هرچقدر سرعت اولیه گلوله بیشتر باشد بهتر است. زیرا مدت حضور آن در ریل کاهش یافته و فرسایس ریل و اصطحکاک نیز کاهش مییابد. پیشنهاد میشود در طراحی تفنگهای ریلی در آینده تزریق گلوله با سرعت مافوق صوت(330 متر بر ثانیه) انجام شود. جنس گاز مورد استفاده بهتر است از نیتروژن باشد.[/FONT] [FONT="]1[/FONT]- Pneumatic injector file:///C:/DOCUME%7E1/ali/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image064.gif[FONT="] این انتخاب موجب میگردد از اکسید شدن ریل جلوگیری شود و از طرفی به دلیل وزن مولکولی نیتروژن که 30 درصد از هوا کمتر است سرعت گلوله بیشتر میشود.[/FONT]
[FONT="]6- شارژر[/FONT] file:///C:/DOCUME%7E1/ali/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image066.gif[FONT="]چنان که گفته شد هر خازن با یک مقاومت 50 کیلواهم 10 وات سری شده است که وظیفه آن ایجاد تعادل در ولتاژهای خازنهای سری میباشد. اما وقتی خازنها شارژ شدند این مقاومتها به طور پیوسته 130 وات توان تلف میکنند. [/FONT] [FONT="]بنابراین شارژر باید برای توان 150 وات و ولتاژ 3500 ولت طراحی شود. برای این منظور معمولا برای افزایش ولتاژ برق شهر(220 ولت) بخشی به کمک ترانسفورماتور و بخشی دیگر توسط چند برابر کنندههای ولتاژ دیود- خازنی استفاده میشود.[/FONT] file:///C:/DOCUME%7E1/ali/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image068.gif[FONT="]در شکل 13 مدار الکتریکی تفنگ به کمک نرمافزار [/FONT]PSpice 9.0[FONT="] رسم شده است. عمل کلیدزنی[SUP](1)[/SUP] که هنگام ورود گلوله به ریل اتفاق میافتد با یک کلید که فرض نمودیم بدون اتلاف است مدل شده است. اندوكتانس ریلها 1 میکروهانری فرض شده است. [/FONT]
[FONT="]7- منبع تغذیه [/FONT] file:///C:/DOCUME%7E1/ali/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image071.gif[FONT="]چنان که در شکل 16 دیده میشود، اگر از مدارهای شکل دهنده پالس[SUP](2)[/SUP] استفاده نشود، شکل موج جریان ریل نمایی خواهد بود. نتیجه این کار کاهش بازده تفنگ است. در تفنگهای ریلی پیشرفته[/FONT]][FONT="]8[/FONT][[FONT="] با روشهای مختلف شکل موج جریان را پالسی میکنند. در شکل 17 شکل موج جریان یک تفنگ ریلی عظیم نیروی دریایی آمریکا که در شکل 1 شلیک آن را نیز مشاهده نمودهاید، آورد شده است[/FONT]][FONT="]9[/FONT][[FONT="].[/FONT] [FONT="]1[/FONT]- Projectile switching [FONT="]2[/FONT]- Pulse Forming Network [FONT="] [/FONT]
[FONT="]نتیجه گیری [/FONT] [FONT="]تفنگ ریلی درحال حاضر نسبت به سایر شتابدهندهها از نظر سرعت گلوله هنگام خروج از لوله بینظیر میباشد. از این نظر رکورددار سرعت آزمایشگاه تحقیقات ملی ساندیا[SUP](1)[/SUP] میباشد که سرعت یک گلوله 1 گرمی به ابعاد 6 میلیمتر را به مقدار خارقالعاده 16000 متر بر ثانیه رسانده است. در زمینه گلولههای سنگین آزمایشگاه ماکسول[SUP](2)[/SUP] توسط یک تفنگ با انرژی 32 میلیون ژول یک گلوله 1.6 کیلوگرمی را به سرعت 3300 متر بر ثانیه(یعنی 9 مگاژول انرژی جنبشی) رسانده است. انجام این کار توسط پیشرانهای شیمیایی یا مکانیکی غیر ممکن است. دلیل انجام تحقیقات گسترده در زمینه تفنگهای ریلی علاوه بر امور دفاعی، بکارگیری جهت پرتاب ماهوارههای کوچک به فضا و قرار دادن آنها در مدارهای اطراف کره زمین میباشد. مهمترین عواملی که در طراحی و ساخت تفنگهای ریلی باید مد نظر باشد کاهش فرسایش ریل بر اثر شلیک، افزایش بازده و کاهش هزینههای نگهداری است.[/FONT] [FONT="] [/FONT]
[FONT="]مراجع:[/FONT] [1] IEEE, 2008: 2008 14th symposium on electromagnetic launch technology. Electromagnetic Launch Technology, IEEE, Ed., IEEE, Victoria, British Columbia, Canada, Proceedings of a meeting held 10-13 June 2008. [2]
http://www.powerlabs.org/ [3] Harry D. Fair, “ Electromagnetic launch: a review of the U.S. national program, “ IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 33, No.1 , January 1997, pp. 11-16. [4] Th.H.G.G. Weise, “ Electrothermal gun research in europe summary of major activities and results obtained from german and franco-german R&D programmes, “ IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 33, No.1, January 1997, pp. 21-25. [5] Gennady A. Shvetsov, “ Overview of some recent EML efforts within russia, “ IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 33, No.1, January 1997, pp. 26-30. [6] Technology Review:,
Electromagnetic Railgun Blasts Off, February 6, 2008, by Brendan Borrell [7] R.A. Meger, K. Cooper, H. Jones, J. Neri, S. Qadri, I.L. Singer,J. Sprague, and K.J. Wahl, “Analysis of Rail Surfaces from a Multishot Railgun,” IEEE Trans. on Magnetics 41(1), pp. 211-213(2005) [8] Prof. John Mankowski, Prof. Michael Giesselmann, Prof. Stephen Bayne, Prof. Jahan Rasty, A Multi-Stage Distributed Energy Plasma Arc Railgun, Texas Tech University, December, 2010 [9] Test and Evaluation of Electromagnetic Railguns, NDIA Gun & Missile Systems April 23-26, 2007, Office of Naval Research. [FONT="] [/FONT] [FONT="] [/FONT] [FONT="] [/FONT] [FONT="] [/FONT] [FONT="] [/FONT] [FONT="] [/FONT] [FONT="] [/FONT] [FONT="] [/FONT] [FONT="]1[/FONT]- Sandia National Research Laboratories [FONT="]2[/FONT]- Maxwell Laboratories
