طراحی بهینه پرتابگر ریل گان جهت استفاده به‌عنوان توپ پدافندی

رنجبر, محمد حسین; مردانی شهر بابک, محمد

طراحی بهینه پرتابگر ریل گان جهت استفاده به‌عنوان توپ پدافندی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشگاه جامع امام حسین (ع)، تهران ، ایران

چکیده

پرتابگر ریل گان از جمله تسلیحات نوظهور است که می‌تواند به‌عنوان سلاح آفندی و پدافندی مورد استفاده قرار گیرد. ازآنجایی‌که سرعت ثبت‌شده شلیک گلوله در پرتابگر ریل گان به چندین هزار متر بر ثانیه رسیده است، این پرتابگر گزینه بسیار مناسبی برای استفاده به‌عنوان توپ پدافندی در برابر موشک‌های دشمن است. در این مقاله ابتدا رفتار دینامیکی یک پرتابگر ریل‌گان توسط دستگاه معادلات دیفرانسیل غیرخطی مدل‌سازی می‌شود. سپس با حل این دستگاه معادلات با روش‌های عددی، متغیرهای فیزیکی پرتابگر شامل مکان و سرعت حرکت پرتابه (گلوله)، جریان تزریقی به ریل‌ها و ولتاژ بانک خازنی ذخیره‌ساز انرژی بر حسب زمان محاسبه می‌گردد. در نهایت توسط روش بهینه‌سازی تکامل تفاضلی، پارامترهای بهینه سامانه ریل‌گان برای رسیدن بیش‌ترین سرعت شلیک، تعیین می‌گردد. نتایج نشان می‌دهد که می‌توان با استفاده از منبع ذخیره‌ساز انرژی 300 مگاژولی و طراحی بهینه ریل‌ها و پارامترهای بانک خازنی، به سرعت‌های بیش از 5000 متر بر ثانیه دست‌یافت که برای کاربردهای پدافندی مناسب است.

کلیدواژه‌ها

20.1001.1.26762935.1402.14.1.6.6

عنوان مقاله [English]

Optimal Design of Railgun Launcher to be Implemented as a Defensive Artillery Gun

نویسندگان [English]

Mohammad Hossein Ranjbar
Mohammad Mardani Shahrbabak

Comprehensive University of Imam Hossein

چکیده [English]

Railgun launchers are emerging weapons that can be used as offensive or defensive weapons. Since the recorded speeds of firing shots of railgun launcher have reached several thousand meters per second, this launcher is a very good option to be implemented as a defensive artillery gun against enemy’s missiles. In this paper, first, the dynamic behavior of a railgun launcher is modeled by a system of nonlinear differential equations. Then, by numerical solving of this system of equations, the physical variables of the launcher in terms of time including location and speed of movement of armature (bullet), current injected in the rails and voltage of capacitor bank are calculated. Finally, the optimal parameters of railgun launcher in order to achieve the highest firing speed are determined by means of differential evolution optimization method. The results have shown that an optimally designed 300 MJ energy-stored railgun could achieve firing shot speeds of more than 5000 m/s which are suitable for defensive applications.

کلیدواژه‌ها [English]

Capacitor Bank
Differential Evolution
Defensive Artillery Gun
System of Equations
Inductance Gradient

مراجع

[1] Li, J.; Huang, K.; Fan, Z.; Su, Z.; Ren, R. “A Modeling and Measuring Method for Armature Muzzle Velocity based on railgun current”; IEEE Trans. Plasma Sci. 2021, 49, 2272-2277. http://doi.org/10.1109/TPS.2021.3089503.
[2] Han, J.; Pan, Y.; He, J. “Study of Employing Railguns in Close-in Weapon Systems”; IEEE Trans. Magn. 2009, 45, 641-644. http://doi.org/10.1109/TMAG.2008.2008890.
[3] McNab, I. R.; Mcglasson, B. T. “Lunar Electromagnetic Mass Accelerator (LEMMA): An Initial Concept Assessment”; IEEE Trans. Plasma Sci. 2022, 50, 3326-3333. http://doi.org/10.1109/TPS.2022.3176218.
[4] McNab, I. R. Mcglasson, B. T. “Brief History of EML Symposia: 1980-2018”; IEEE Trans. Plasma Sci. 2019, 47, 1–7. http://doi.org/10.1109/TPS.2018.2885269.
[5] Taher, S. A.; Jafari, M.; Pakdel, M. “A New Approach for Modeling Electromagnetic Railguns”; IEEE Trans. Plasma Sci. 2015, 43, 1733–1741. http://doi.org/10.1109/TPS. 2015.2419272.
[6] Peng, Z.; Zhai, X.; Zhang, X.; Liu, H. “Analysis of Transient Characteristics of Electromagnetic Launchers using Analytical Method”; IEEE Trans. Plasma Sci. 2022, 50, 3251–3261. http://doi.org/10.1109/TPS.2022.3196146.
[7] Zhou, Y.; Yan, P.; Sun, Y.; Yuan, W.; Zhang, D. “Design of a Distributed-Energy-Store Railgun”; IEEE Trans. Plasma Sci. 2011, 39, 230–234. http://doi.org/10.1109/TPS. 2010.2049032.
[8] Liu, X.; Yu, X.; Liu, X. “Performance Analysis and Parameter Optimization of CPPS-Based Electromagnetic Railgun System”; IEEE Trans. Plasma Sci. 2016, 44, 281–288. http://doi.org/10.1109/TPS.2010.2049032.
[9] Maleki, H.; Khanzade, M.H. “Modeling and Simulation of an Iron Core Compulsator with Permanent Magnet and Passive Compensation and introduce a new Methode to improve its Performance”; Third Int. Cong. Computer, electrical and communications 2016, 230-257. (In Persian).
Meyer, R. T.; DeCarlo, R. A.; Dickerson, J. “Energy Transfer Efficiency Optimization in an Electromagnetic Railgun”; IEEE Trans. Plasma Sci. 2017, 45, 702–710. http://doi.org/10.1109/TPS.2017.2669258.
Rabiei, A.; Keshtkar, A.; Gharib, L. “Study of Current Pulse Form for Optimization of Railguns Forces”; IEEE Trans. Plasma Sci. 2018, 46, 1047–1053, http://doi.org/ 10.1109/TPS.2018.2805329.
Zuo, X.; Li, H.; Zhao, B.; Liu, J. “Optimization Desing of a 40-kJ HTSPPT Module for Inductive Pulsed Power Supply”; IEEE Trans. Plasma Sci. 2021, 49, 2380–2386. http://doi.org/10.1109/TPS.2021.3097124.
Chaudhuri, D.; Dalvi, S.; Khatri, M; Chatterjee, S. “Design of Gate Drive Circuit for Thyristor Stack in Electromagnetic Railgun by Load-Line Analysis”; IEEE Trans. Plasma Sci. 2021, 49, 383–388. http://doi.org/10.1109/TPS.2020. 3043345.
Keshtkar, A. “Effect of Rail Dimension on Current Distribution and Inductance Gradient”; IEEE Trans. Magn. 2005, 41, 383-387. http://doi.org/10.1109/TMAG.2004. 838761.
Mozaffari, S.; Bayati, M. “Analysis and Design of a Coaxial Electromagnetic Launcher considering Interfering Fields”; PhD Thesis, Razi University, 2017 (In Persian).
Zhou, Y.; Yan, P.; Sun, Y.; Yuan, W.; Zhang, D. “Adaptation of Population Size in Differential Evolution and its Effects on Localization of Target Nodes”; IEEE Access, 2022, 10, 107785–107798. http://doi.org/10.1109/ACCESS. 2022. 3213060.
Hodge, C. G.; Flower, J. O.; Macalindin, A. “A Comparison of Co-energy and Lorentz Force based Simulations of Railguns”; Proc. IEEE Electr. Ship Technol. Symp. 2009, 157–164. http://doi.org/10.1109/20.101008.