چکیده
دراین مقاله به شبیه سازی و ساخت یک پرتاب کننده الکترومغناطیسی پرداخته شده است . در قسمت شبیه سازی ، گرافهای مربوط به جریان ، شتاب ، سرعت ، موقعیت ، نیروی وارده بر پرتابه و بازده سیستم به وسیله کدهای متلب شبیه سازی شده است. سپس در ادامه توضیح قسمت های مختلف ریل گان مورد نظر آورده شده و ساخت و چگونگی اندازه گیری سرعت و جریان بیان شده است.
واژه های کلیدی ریل گان، پرتاب کننده الکترومغناطیس، بانک خازنی
مقدمه
تفنگ ریلی الکترومغناطیسی سیستمی است که ازطریق تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی جنبشی، باعث شتاب دادن آرمیچرمیشود. [۱] در این سیستم، نیروی لورنتس حاصل از عبور جریان از داخل ریلها به پرتابه اعمال شده و سبب شتاب گرفتن آن میشود. [۲] در واقع ساختار آن را میتوان به صورت یک مدار الکتریکی در نظر گرفت که یک بانک خازنی را بر روی ریلها تخلیه میکند.
شبیهسازی
از آنجایی که مدار این پرتاب کننده مشابه یک مدار RLC می-باشد هدف اصلی این شبیهسازی محاسبه اندوکتانس مورد نظر جهت ایجاد یک سیستم بحرانی میراشونده و محاسبه کمیتهایی نظیر جریان، شتاب، موقعیت، سرعت، بازده و نیروی وارده بر پرتابه میباشد. پرتابکننده الکترومغناطیس مورد نظر از چند زیر سیستم که عبارت است از: بانک خازنی، سیستم گاز فشرده و پرتاب کننده تشکیل شده است . بانک خازنی به عنوان یک سیستم ذخیره سازی انرژی به کار می رود که می تواند به سرعت انرژی خود را بر روی ریلهای مسی تخلیه کند. سیستم گازفشرده ترکیبی ازمحفظه فشردهسازی و یک شیر الکتریکی میباشد که جهت ایجاد سرعت اولیه در پرتابه به منظور جلوگیری از جوش خوردن احتمالی آن به ریلها مورد استفاده قرار میگیرد، داخل محفظه، گازهای فشردهای از قبیل هوا، نیتروژن و یا یکی دیگر از گازهای بی اثر میباشد.[۴] پلاسمای ناشی از این گاز در
زمان تخلیه میتواند نقش مهمی در میزان آسیب دیدگی پرتابه و ریل-ها داشته باشد. مهمترین بخش در زیر سیستم تفنگ ریلی، ریلها میباشند که مسئولیت تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی جنبشی را با استفاده از نیروی لورنتس دارا میباشد و ما میتوانیم از طریق اندازه و فاصله بین ریلها نسبت تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی جنبشی را کنترل نماییم. در این شبیهسازی از روابط معمول موجود استفاده شده است [۴]
(۱)
(۲) = ln (
×
(۳) F =
معادله (۱) میدان مغناطیسی در اطراف سیمهای نامتناهی را نشان میدهد که ما میدان در اطراف ریلهای مستطیل شکل را با آن تخمین میزنیم، روابط ۲و ۳ به ترتیب گرادیان اندوکتانس و نیروی وارد بر پرتابه را نشان میدهند. در رابطه ۳ ، نقش ویژهای در تحلیل و برقراری ارتباط بین معادلات مداری و الکترومغناطیسی به عهده دارد و روشهای مختلفی برای محاسبه آن ارائه شده است، روشی که برای محاسبه در این مقاله استفاده کردیم، روشی تحلیلی برای ریلهای مکعبی شکل میباشد[۳] ، . [۴] نتایج حاصل از شبیهسازی برای این سیستم در شکل ۲ نشان داده شده است .
۱۲۸۷
شکل-۲ گرافهای مربوط به جریان ، شتاب ، موقعیت ، سرعت ، نیروی وارد بر پرتابه و بازده سیستم به عنوان تابعی از زمان
ساخت
این پرتاب کننده از عایقهایی ازجنس MDF و با طول کل ۶۰ سانتیمتر ساخته شده است. ریلهای مسی دارای طول ۳۳ cm ، عرض ۲ cm وضخامت
۵mm میباشد. دو قطعه کوچک مسی نیز در دیوارههای جانبی تعبیه شده است که بوسیله کابلهای مسی به بانک خازنی متصل میشود، علت انتخاب ریلهای مسی رسانندگی الکتریکی و نقطه ذوب بالای مس نسبت به سایر هادیها می-باشد. بانک خازنی شامل ۶۰ خازن۴۷۰ µF و حداکثر ولتاژ ۴۰۰ولت میباشد که از طریق نوارهای مسی موازی شدند و میتواند انرژیی معادل ۲٫۲KJ برای سیستم فراهم کنند، در این سیستم دو عدد سنسور مادون قرمز جهت نمایش موقعیت پرتابه در فاصله ۱۰ سانتیمتری انتهای پرتاب کننده نصب شده است. خروجی سنسورها به آیسی میکروکنترلر متصل است که با توجه به فاصله زمانی گذر پرتابه، سرعت خروجی پرتاب کننده را بر روی ال سی دی نمایش میدهد. شکل (۳) ریل گان کامل شده همراه با قطعات آن را نشان میدهد. شیر آزادسازی موجود در بین محفظه گاز فشرده و ورودی پرتاب کننده قرار گرفته است که توسط جریان الکتریکی راه اندازی میشود. پس از راه اندازی شیر، پرتابه با شتاب حاصل از گاز به ابتدای ریل مسی میرسد و پس از آشکارسازی پرتابه توسط سنسورهای اپتیک تریستور سری شده با بانک خازنی و ریلها فعال شده که منجر به تخلیه انرژی بانک روی گلوله میشود. پرتابهای که برای این سیستم در نظر گرفته شده است قطعهای از جنس آلومینیوم میباشد .
