Karakteristike trzanja elektromagnetskog topa Текст научной статьи по специальности «Физика»

STRUČN I ČLANCI

KARAKTERISTIKE TRZANJA ELEKTROMAGNETSKOG TOPA

Ristić B. Zoran,

Ilić S. Slobodan, Kari V. Aleksandar, Vojna Akademija - Katedra vojnih mašinskih sistema, Beograd

UDC: 623.421:621.318.3

Sažetak:

U radu je razmatrano trzanje elektromagnetskog šinskog topa i upo-ređeno sa trzanjem konvencionalnog topa sa barutnim punjenjem. Zaklju-čuje se da je kod elektromagnetskog topa trzanje manje nego kod topa sa barutnim punjenjem. Takođe, pokazano je da pri istim uslovima lansiranja upotreba gasne kočnice topa sa barutnim punjenjem može izmeniti karak-teristike trzanja i više ih približiti ponašanju elektromagnetskog topa.

Ključne reči: elektromagnetski top, trzanje, top sa barutnim punjenjem, gasna kočnica.

Uvod

Interesovanje za elektromagnetsko ubrzavanje i lansiranje projekti-I a postoji preko 80 godina. Prvi rezultat praktične vrednosti obja-vljen je 1970. godine na Nacionalnom univerzitetu Australije. Iz realizova-nog prototipa elektromagnetskog topa telo mase 3 g ispaljeno je brzinom 5900 m/s. Posle 1980. godine firma Westinghouse realizuje elektromagnetski lanser kojim je projektil mase 317 g lansiran brzinom 4200 m/s. Ovaj eksperiment ima veću značajnu praktičnu vrednost, jer masa lansi-ranog projektila može da se uporedi sa masom potkalibarnog projektila klasičnog topa sa barutnim punjenjem kalibra 35 mm.

Na programima primene električne energije u elektromagnetskim lanserima koji mogu da realizuju hiperbrzine i hiperenergije lansiranja radi se i u drugim zemljama: Velikoj Britaniji, Nemačkoj, Izraelu, Kanadi, SAD i dr. U poslednjih 10 do 15 godina savremena istraživanja usmerena su na usavršavanje dva moguća rešenja: elektromagnetske topove sa cevnim lanserom i elektromagnetske topove sa šinskim lanserom.

dr>

[email protected]

Ristić, Z. i dr., Karakteristike trzanja elektromagnetskog topa, str. 15-25

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4 / 09

Slika 1 - Šinski elektromagnetski top

U ovom radu razmatraju se samo jednostavni šinski elektromagnetski topovi čija je principijelna šema prikazana na slici 1. Oni imaju dve pa-ralelne međusobno izolovane provodničke šine koje se protežu čitavom dužinom lansera. Projektil se ubrzava Lorencovom silom FL koja se razvi-ja iz međusobnog uticaja magnetnog polja formiranog oko šina (zbog strujnog toka kroz jednu i drugu šinu) i struje koja prolazi kroz armaturu.

U šinskom lanseru veličina ove sile definisana je relacijom (1):

Fl

LI2 2

(1)

gde su:

..TT

L,—-------induktivnost po jedinici dužine šine čije su karakteristične vrednosti

m

0. 35 -¥ 0,55 џИ / m ,

1, A - jačina struje.

Lorencova sila FL nije konstantna duž šinske strukture i pojava „skin" efekta mora se uzeti u obzir. Ako se pretpostavi da je jačina struje konstantna, ubrzanje projektila mase mp je:

a

P

LI2

2mp

(2)

Brzina projektila duž elektromagnetskog akceleratora je tada:

V

p

LI2 ----1

2mp

(3)

gde je t - vreme kretanja projektila.

Princip funkcionisanja elektromagnetskog šinskog topa je jednosta-van [1], ali je u praksi potrebna jednosmerna struja velike jačine (veće od

4 MA), zbog čega je nužan snažan električni izvor. Tako, na primer, da bi se projektilu mase 1 kg saopštila kinetička energija od 4,5 MJ, koja je neophodna za dobijanje brzine od 3000 m/s (kao što je slučaj sa ispalji-vanjem strelastog potkalibarnog projektila 90 mm iz klasičnog topa) potrebna je snaga od 2 GW. To je izuzetno velika snaga za realizaciju bor-benog sredstva podobnog za operativnu upotrebu.

Problemi su još izraženiji ako se želi realizacija elektromagnetskog šin-skog topa koji bi po performansama odgovarao tenkovskom klasičnom topu 125 mm čija je masa projektila 8 kg, brzina 2500 m/s, a dužina cevi 6,25 m. Pod uslovom da je ubrzanje konstantno, a vreme ubrzavanja projektila u cevi

5 jus potrebna sila za ubrzanje je 4 MN. Konverzija mehaničke energije u elek-tričnu vrši se pomoću unipolarnih generatora, tj. mašina jednosmerne struje malog napona. Ovi generatori akumuliraju energiju dobijenu od termičkog mo-tora, a kada se priključe proizvode kratke impulse velikog intenziteta koji su neophodni za funkcionisanje elektromagnetskog šinskog akceleratora.

Strujni tok može se obezbediti iz pogodnog pulsirajućeg energetskog sistema i na drugi način (na primer, grupa kondenzatora, akumulatorski redno povezan induktor i sl.). Karakteristika gradijenta induktivnosti je obič-no L = const, a jačina struje I je vremenski promenljiva veličina, zavisno od karakteristika energetskog sistema koji se koristi. Pošto je strujni tok u ši-nama u stalnoj interakciji sa magnetnim poljem, razvija se znatna reaktivna (odbojna) sila koju mora da izdrži konstrukcija elektromagnetskog lansera.

Za funkciju elektromagnetskog šinskog topa, pored obezbeđenja vr-lo jakih izvora električne snage, bitno je da se, zbog smanjenja velike erozije šina, što više skrati vreme dejstva „plazme" na šine. Erozija šina je veliki problem šinskih topova, od čijeg uspešnog rešenja zavisi da li će se dobiti borbeni sistem prihvatljivog veka trajanja. Treba ukazati i na teš-koće u vezi sa rešenjem komutatora unipolarnog generatora, pa se čine napori da se unipolarni generator zameni monofaznim alternatorom.

Nezavisno od toga kakav će se uređaj ili sistem koristiti za pretvara-nje mehaničke energije u električnu, elektromagnetski šinski topovi imaju značajne prednosti u odnosu na klasične koncepcije topova. Ove predno-sti ogledaju se u sledećem:

- projektili elektromagnetskih šinskih topova su manjih dimenzija i mase u odnosu na klasične projektile sa čaurom,

Ristić, Z. i dr., Karakteristike trzanja elektromagnetskog topa, str. 15-25

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4 / 09

- udarna energija projektila elektromagnetskih šinskih topova na je-dinici površine cilja je veća, pa su sredstva efikasnija u protivo-klopnoj borbi,

- zbog izmenjene koncepcije projektila, konstrukcija zadnjaka, za-tvarača sa izbacačem čaura, kao i automatskog punjača znatno se pojednostavljuje,

- pošto nema dejstva ističućih barutnih gasova (reaktivna sila priti-ska na dno cevi) trzanje je veoma malo, pa nema ni potrebe za ugradnjom protivtrzajućeg uređaja,

- nema štetnog dejstva udarnog talasa, bleska i dima koji obično prate ispaljivanje klasičnih projektila.

Iako je još rano da se govori o svim prednostima i nedostacima elektromagnetskih topova, do sada su uočeni sledeći nedostaci:

- intenzivno elektromagnetsko zračenje, koje protivnik može lako da otkrije, javlja se čak i pre lansiranja prvog projektila,

- do termičkog zračenja elektromagnetskih šinskih topova može do-ći i pre lansiranja prvog projektila,

- potrebna je dodatna zaštita posade - posluge od navedenih štet-nih zračenja.

U dostupnoj literaturi postoji relativno mali broj stručnih radova o elektromagnetskim topovima, pa je svako novo saznanje i objavljeni ma-terijal o ovom problemu interesantan i dragocen.

Kod topova sa barutnim punjenjem sila ubrzanja projektila obezbe-đuje se visokim pritiskom barutnih gasova koji nastaju sagorevanjem ba-rutnog punjenja za vreme opaljenja. Reaktivno dejstvo pritiska barutnih gasova ne prenosi se na zadnjak sa zatvaračem stvarajući silu trzanja Pkn. Integral po vremenu ove sile je impuls trzanja It i za top sa barutnim punjenjem jednak je količini kretanja projektila i barutnih gasova na usti-ma cevi. Prema tome, može se napisati relacija:

Trzanje topa

*k

1 = jPkndt = (mp +Pmb )o

(4)

0

gde su:

Pkn - sila trzanja (rezultujuća sila na dno kanala cevi),

mp, mb - masa projektila i barutnog punjenja,

kn

tk - vreme ukupnog dejstva sile trzanja na cev,

в - koeficijent naknadnog dejstva barutnih gasova.

в

k

Relacija (4) važi za tzv. slobodno trzanje cevi, tj. kretanje cevi unazad za vreme opaljenja usled reaktivne sile pritiska barutnih gasova bez sila ot-pora kretanju ili kočenja kretanja usled dejstva protivtrzajućeg uređaja.

U slučaju elektromagnetskog topa nema ni zadnjaka sa zatvaračem ni barutnih gasova, pa je impuls trzanja jednostavno jednak količini kretanja projektila na ustima cevi It = mpv0. U vezi s tim nameće se pitanje -

kako je primenjena i gde postoji sila trzanja?

Cinjenica da na osnovu prvog principa mehanike elektromagnetski topovi trzaju dokazana je merenjem utvrđenog elektromagnetskog topa u balističko klatno [2]. Prema mišljenju Vitalisa (Witalis) [2] sila trzanja prenosi se u samim delovima šina i malog je intenziteta. Maršal (Marshall) i Vud (Wood) [3] osporavaju njegove tvrdnje da se sila trzanja kod elektro-magnetskih topova može zanemariti i uzimaju da ona postoji i održava se u provodničkim šinama čitavom dužinom lansera. Jasno je da provodnič-ke (radne) šine koje povezuju strujno kolo i top unose znatno opterećenje u sistem, pa je neophodno da se eksperimentalna merenja izvrše vrlo pa-žljivo i pouzdanije definiše mesto dejstva sile trzanja. U tom smislu njiho-vo gledište je korektnije i za dalje analize prihvatljivije.

Radi uporedne analize sa topom klasi čne konstrukcije sa barutnim punjenjem impuls trzanja je određen kao suma količine kretanja projektila i isticanja barutnih gasova na ustima cevi [3]:

RT = RTa - 0,26

■(K 7

26 (1 4mp л

3 I-

2

1 + (k +1)

mb

12кт

6 7m,

ь 7

(5)

(6)

gde su:

R - gasna konstanta,

к - odnos specifičnih toplota i

Ta, T0 - adijabatska temperatura i srednja temperatura gasa na izlazu iz cevi.

S obzirom na relaciju (4) trend rasta impulsa trzanja sa brzinom na jednostavan način može se utvrditi preko zavisnosti brzine na ustima cevi i relativnog odnosa mase punjenja i projektila, čiji je oblik [3]:

v0 = 3050

M

M + 3

(7)

m

gde je u = — - odnos mase barutnog punjenja i projektila.

m

P

Ristić, Z. i dr., Karakteristike trzanja elektromagnetskog topa, str. 15-25

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4 / 09

Grafički prikaz uzajamnih odnosa prema (7) dat je na slici 2.

Koristeći relaciju (7) posle sređivanja članova jednačine (5) i (6) mo-gu se sada napisati u pogodnijem obliku radi proračuna i poređenja sa impulsom trzanja za elektromagnetski top.

=3050.

џ

mr

џ + 3

џ.

3

2 M

к +1

1 + (к +1)

mb

12кт,

(8)

RTo = RTa - 2,4

(1

v 6

4 ^ џ 7 џ )џ + 3

(9)

Kao primer proračuna odgovarajućih veličina i impulsa trzanja uzet je top kalibra 20 mm, čiji projektil koristi barut oznake WC870. Za ovaj slučaj usvoje-ne vrednosti ostalih veličina su: R = 365,5m2/Ks2, Ta = 2577K i k = 1,25.

Promena odnosa impulsa za top 20 mm sa barutnim punjenjem je numerički određena i prikazana na slici 3, a zatim upoređena sa prome-nom odnosa impulsa za elektromagnetski top prema:

= v,

m

I

(10)

Odnos prema relaciji (10) u stvari predstavlja impuls trzanja koji se saopštava elektromagnetskom topu pri opaljenju sa konstantnom lansira-nom masom. Može se videti, prema slici 3, da su impulsi trzanja topa sa barutnim punjenjem i elektromagnetskog topa vrlo slični pri manjim brzi-nama, a da preko v0 = 1800 m / s impuls trzanja klasičnog topa naglo raste sa porastom mase barutnog punjenja.

Često se procena impulsa trzanja simulira preko više brzina lansiranja projektila koje treba da obezbede konstantnu energiju Eu na ustima cevi.

Ponašanje elektromagnetskog topa ukazuje na činjenicu da je impuls trzanja promenljiv kao energija podeljena sa brzinom. Ranije je utvrđeno da je impuls sile trzanja topa sa barutnim punjenjem sličan kao impuls sile trzanja kod elektromagnetskog topa (do brzine od v0 = 1800m / s počinje brzo da raste). Međutim, u slučaju konstantne energije ovaj porast impulsa je blaži usled smanjenja lansirane mase i mase punjenja kada brzina raste (slika 4).

Slika 4 - Odnos impulsa u slučaju Eu = const

Ristić, Z. i dr., Karakteristike trzanja elektromagnetskog topa, str. 15-25

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4 / 09

Pošto su topovi sa barutnim punjenjem klasične koncepcije obično snabdeveni gasnom kočnicom, to za razliku od elektromagnetskih topova postoji mogućnost smanjenja impulsa trzanja usled dejstva gasne kočnice.

Uticaj gasne kočnice

Gasna kočnica, kao gasni uređaj na ustima cevi, odbija izlazne ba-rutne gasove kroz odgovarajuće površine bočnih otvora, stvarajući silu kočenja u aksijalnom smeru. Postoji više vrsta i tipova gasnih kočnica sa različitim stepenom iskorišćenja energije izlazne struje barutnih gasova, odnosno koeficijenta korisnog dejstva.

Na slici 5 prikazana je gasna kočnica M109 velike efikasnosti koja je

Ova gasna kočnica je interesantna, jer su Baur (Baur) i Šmit (Schmidt) [4] sa njom, kao i sa gasnom kočnicom M198, merili kočenje trzanja, odnosno njegovo smanjenje na modelu topa 20 mm. Dobijeni rezultati promene efikasnosti za obe gasne kočnice dati su grafičkim prikazom na slici 6.

Koeficijent efikasnosti gasne kočnice edefiniše se kao odnos relativ-ne promene momenta trzanja sa gasnom kočnicom i bez nje masenog si-stema koji čine cev, projektil i barutni gasovi (punjenje).

Relacija za koeficijent efikasnosti в data je u obliku [4]:

e= !i^Is (11)

10 - mpV

gde su:

I0 - Ig - razlika ukupnog impulsa trzanja sa gasnom kočnicom i bez nje i I0 -mpv0 - razlika ukupno raspoloživog impulsa trzanja u barutnim ga-sovima.

Veličina koeficijenta efikasnosti в može biti veća od 1 (efikasnost preko 100%) ako barutni gasovi u gasnoj kočnici mogu da se šire i na-pred i nazad, kao u slučaju gasne kočnice M109 reaktivnog tipa i prečni-ka dva kalibra, prema slici 6.

Za top 20 mm sa porastom početne brzine raste i pritisak na ustima ce-vi. Gasna kočnica Ml98 je prečnika 1,6 kalibara i aktivnog je tipa, pri čemu spoljne pregrade omogućavaju gasovima da napuste cev sa porastom pro-dukata sagorevanja. Pregrade apsorbuju više produkata sagorevanja ako pritisak barutnih gasova i efikasnost gasne kočnice rastu. Supersonično je-zgro produkata sagorevanja pri tome može potpuno da obuhvati obe površi-ne gasne kočnice i promene brzine (pritiska) na izlaznom preseku kočnice. Ovaj podatak prema [3] mogao bi da se iskoristi za proračun dozvoljenog impulsa topa kada su brzine povećane i izuzetno velike.

Na osnovu podataka za gasnu kočnicu M109, prema slici 6, ekstrapo-lacijom brzina do 2500 m/s, impuls trzanja topa sa barutnim punjenjem sa visokoefikasnom gasnom kočnicom može se uporediti sa impulsom trzanja elektromagnetskog topa na sličan način, prema slici 7.

Slika 7 - Promena impulsa trzanja sa gasnom kočnicom pri Eu = const

Kako je efikasnost gasne kočnice M109 veća od 1, ukupni impuls sa-opšten topu sa barutnim punjenjem sa ugrađenom kočnicom je manji nego impuls trzanja elektromagnetskog topa, tj. moment količine kretanja sa-

СјгТ)

Ristić, Z. i dr., Karakteristike trzanja elektromagnetskog topa, str. 15-25

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 4 / 09

opšten projektilu. lako gasna kočnica topa sa barutnim punjenjem znatno smanjuje razliku u impulsima trzanja između klasične koncepcije topa i elektromagnetskog topa, postoje neki nedostaci u pogledu primene gasnih kočnica o kojima treba da se vodi računa. Naime, gasna kočnica M109 je vrlo masivna i utiče na funkcionalnost topa i projektovanje mehanizma za usmeravanje cevi po pravcu i elevaciji. Upotreba ovakve visokoenergetske gasne kočnice, takođe, znatno povećava efekte na ustima cevi (pucanj, blesak i sl.) i natpritisak iza oruđa. Međutim, u slučaju ugradnje topa na borbena vozila sa zatvorenom kupolom to ne mora da bude veći problem.

Zaključak

Na osnovu izvršene analize impulsa trzanja i karakterističnih veličina koje utiču na veličinu ovog impulsa utvrđeno je da elektromagnetski top ima manji impuls trzanja nego top klasične koncepcije sa barutnim punjenjem. To se i moglo očekivati, s obzirom na specifičnosti konstruktivnog rešenja navedenih sredstava. Izrazite razlike u impulsima trzanja nastaju naročito pri velikim početnim brzinama v0 > 1800m /5 u slučaju topa kalibra 20 mm. Po-ređenjem ostvarenih impulsa trzanja elektromagnetskog topa i topa klasične konstrukcije sa izuzetno efikasnom gasnom kočnicom vidi se da se može ostvariti znatno smanjenje impulsa trzanja topa sa barutnim punjenjem i značajno približenje impulsima trzanja koje ostvaruje elektromagnetski top. Pri velikim početnim brzinama projektila v0 > 2000 m / s (slika 7), kod topova sa barutnim punjenjem može se ostvariti i znatno smanjenje impulsa trzanja koji može biti i znatno manji od impulsa trzanja elektromagnetskog topa.

Pitanje impulsa trzanja elektromagnetskih topova značajno je sa više aspekata, kao što su: stabilnost sistema pri lansiranju projektila, potreba ugradnje protivtrzajućeg uređaja, koncepcija protivtrzajućeg uređaja, koriš-ćenje energije trzanja za rad mehanizama oruđa i dr. Zbog toga, ali i dru-gih istaknutih problema koji prate ostvarenje elektromagnetskih topova (snažni izvori električne struje, hlađenje izvora energije i samog oruđa, di-menzije elektromagnetskih topova), pitanje razvoja elektromagnetskih topova i dalje zahteva vrlo opsežna i zahtevna istraživanja i posebnu pažnju.

Literatura

[1] Ristić, Z., Jakovljević M., Osnovinaoružanja, VA Beograd, 2003.

[2] Witalis, E., Origin, Location, Magnitude and Consequences of Recoil in Plasma Armature Railgun, IEEE, Vol 142, No 3, 1995.

[3] Schmidt, E., Recoil Characteristics of Electromagnetic Cannon, Army Research Laboratory, Aberdeen Proving Ground, MD 21005-5066, 1998.

[4] Baur, E., Schmidt, E., Relationship between Efficiency and Blast from Gas Dynamic Recoil Brakes, AIAA Paper 85-1718, 1985.

RECOIL CHARACTERISTICS OF AN ELECTROMAGNETIC RAIL GUN Summary:

In this paper the electromagnetic rail gun recoil is discussed and compared with the recoil of a conventional, propellant gas driven gun. It is shown that, under similar launch conditions, the recoil of an electromagnetic gun is weaker than that of the powder-driven gun. The use of a muzzle brake on a powder-driven gun can alter its recoil characteristics and make its behavior closer to that of the electromagnetic rail gun.

Key words: electromagnetic rail gun, recoil, propellant gas driven gun, muzzle brake.

Datum prijema članka: 15. 07. 2008.

Datum dostavljanja ispravki rukopisa: 26. 01.2009.

Datum konačnog prihvatanja članka za objavljivanje: 09. 02. 2009.

СЖ>

Ristić, Z. i dr., Karakteristike trzanja elektromagnetskog topa, str. 15-25