Cannon-Калибр электромагнитная пушка ( CCEMG ) пусковая был скоропалительные рэйлган пусковая разработанный военными США в начале 1990 - х годов для изучения и проверки жизнеспособности электромагнитного оружия. [1]
Описание
Пусковая установка CCEMG (версия III) представляла собой серию усиленных рельсотронов, способных произвести три пятизарядных залпа из стартовых пакетов массой 185 г со скоростью 1850 м / с и скорострельностью 5 Гц. Это была пусковая установка длиной 2,25 м с водно-гликолевым охлаждением и прямоугольным стволом диаметром 30 мм , обеспечивающая высокую скорость стрельбы с помощью компрессора CCEMG , обеспечивающего несколько пиковых импульсов 835 кА. [1] [2] Пусковая установка CCEMG имела общую массу всего 273 кг, несмотря на ее прочную арматуру и жесткую конструкцию, что явилось результатом включения в ее конструкцию механизма направленной предварительной нагрузки, керамических боковых стенок и композитной внешней оболочки . Характеристики пусковой установки CCEMG основывались на механизме направленной предварительной нагрузки системы, называемом «плоские домкраты», который располагался между основными и увеличивающими рельсами рельсотрона. Плоскогубцы противодействовали электромагнитной нагрузке и оказывали давление на главные рельсы, так что керамические боковые стенки (сделанные из глинозема АД-96) оставались сжатыми на протяжении всего разряда. Они должны были иметь давление 138 МПа для полного выстрела и выдерживать смещение около 1,3 мм. Композитная обертка с намотанной нитью, состоящая из 82 процентов графитовых волокон и 18 процентов стекловолокна, реагировала на предварительную нагрузку и обеспечивала жесткость пусковой установки в осевом направлении. Рельсы были изготовлены из хромистой меди из-за его прочности (выход 310 МПа), проводимости (82 процента IACS), относительно низкой стоимости и стабильности размеров. [1] [3] Основные направляющие были прорезаны поперек оси пусковой установки до середины керамической стенки, чтобы достичь КПД казенной части (кинетическая энергия якоря, деленная на энергию, подаваемую в казенную часть пушки) 50. процентов. [1] [4]
Характеристики
В следующих таблицах показаны параметры пусковой установки CCEMG:
Тип рейлгана | Серия дополнена |
---|---|
Размер отверстия (см) | 1,73 х 2,73 |
Общая длина (м) | 2,25 |
Увеличенная длина (м) | 1,85 |
Жесткость при пиковом токе | Отклонение 0,2% |
Охлаждающая жидкость | Вода-этиленгликоль |
Вес (кг) | 273 |
Масса стартового пакета (г) | 180 |
---|---|
Начальная скорость пули (м / с) | 1850 |
Пиковый ток (кА) | 835 |
Количество залпов | 3 |
Выстрелов за залп | 5 |
Темп стрельбы (Гц) | 5 |
Время между залпами (с) | 2,5 |
Разработка
Пусковая установка CCEMG была разработана в начале 1990-х годов в рамках программы «Электромагнитная пушка пушечного калибра» (CCEMG) для демонстрации жизнеспособности электромагнитного многозарядного оружия. Программа CCEMG спонсировалась Центром исследований, разработок и инженерии вооружения армии США и Корпусом морской пехоты США. В рамках проекта Центру электромеханики Техасского университета в Остине (UT-CEM) было поручено построить пусковую установку, а также обеспечить импульсный источник питания и разработку арматуры, в то время как Kaman Science Corporation получила задание разработать пусковую установку. Интегрированный стартовый пакет (ILP) для рельсотрона. [6] Чтобы спроектировать пусковую установку CCEMG, был разработан алгоритм оптимизации под названием EXCaliber (сокращенно от электромагнитного экспериментального калибра), чтобы учесть детали, касающиеся конструкции якоря и ствола, а также требования к тепловому дизайну, а также проанализировать влияние различных условий окружающей среды запуска. по габаритам и массе блока питания. Уравнения, управляющие конструкцией якоря и ствола, были закодированы в программную структуру FORTRAN , а тепловые и конструктивные ограничения как для якоря, так и для ствола были взаимозависимо смоделированы. EXCaliber использовался для расчета минимального уровня якоря и ствола, а также минимальных требований к энергии затвора орудия. На основе этих расчетов алгоритм оптимизации определил, что минимальная потребность в энергии в казенной части достигается при скорости пуска 1,85 км / с и что потребность в энергии в казенной части для однооборотных (простых рельсовых) конструкций возрастает с большей скоростью, чем для двух- или трехоборотных. (дополненные) конструкции по мере увеличения скорости запуска. Результаты EXCaliber также пришли к выводу, что прямоугольное поперечное сечение ствола обеспечивает более высокую эффективность запуска, чем конструкция с круглым стволом. [7]
При разработке пусковой установки CCEMG, UT-CEM и Kaman Science Corporation выдвинули определенный набор требований, которым должна отвечать пусковая установка. (См. Таблицу ниже)
Бронепробиваемость при наклоне 56 градусов | 131-мм RHA на высоте 1,5 км; 66-мм RHA на 3 км. |
---|---|
Калибр | От 20 до 40 мм |
Скорострельность | От 300 до 400 выстрелов в минуту |
Размер залпа | 5-7 раундов |
Время между залпами | От 2 до 2,5 секунд |
Вероятность попадания | 90% |
Вес системы | 5000 фунтов (2286 кг) максимум |
Оружейная платформа | Совместимость с десантно-штурмовой машиной |
Чтобы выполнить эти целевые спецификации, CCEMG сделала несколько конструктивных решений, чтобы оптимизировать ее работу. Якорь CCEMG, который должен был нести ускоряющий ток и распределять ускоряющую силу на вспомогательный снаряд, был спроектирован так, чтобы его можно было выбросить после запуска, и он контактировал с рельсом в двух разных местах. По расчетам EXCaliber, стартовый пакет имел общую массу 180 грамм, которая была равномерно разделена между якорем и вспомогательным снарядом. Другие варианты дизайна включали в себя керамические боковые стенки, внутреннюю предварительную нагрузку и хром-медные рельсы. Для ILP компания Kaman Science Corporation разработала стартовый комплекс для работы со стартовой скоростью 1850 м / с для удовлетворения требований к проникновению на дальность, что привело к пиковому осевому ускорению 2,06 x 10 6 м / с 2 или 210 000 g. Импульсный источник питания (PPS) для пусковой установки CCEMG состоял из восьми блоков, каждая из которых была номинально 200 кДж при номинальном максимальном напряжении заряда 10 кВ. [7] В качестве источника питания пусковой установки CCEMG компрессор с воздушным сердечником весил 2 045 кг и потреблял 40 МДж при 12 000 об / мин. [4] По завершении процесса разработки программы CCEMG были построены два однозарядных рельсотрона (известных как пусковые установки CCEMG IIA и IIB) и скорострельное ружье с водно-гликолевым охлаждением (пусковая установка CCEMG III). Единственное указанное отличие между пусковыми установками IIA и IIB от пусковой установки III заключалось в том, что пусковая установка III имела проходы для охлаждающей жидкости для охлаждения комплектов направляющих между залпами и направляющую замедления, необходимую для самозарядки . [5]
Тесты
Launcher IIA тестирование
Предварительные испытания пусковой установки CCEMG IIA проводились в UT-CEM и в Исследовательской лаборатории армии США (ARL) с 1994 по 1995 год. [1] Основная цель экспериментальных испытаний заключалась в проверке характеристик однозарядной пусковой установки и ILP, чтобы определить, соответствуют ли они системным требованиям CCEMG. На различных этапах тестирования были внесены улучшения и модификации в программу запуска и ILP. [6]
Номер кадра | CEM 7 | CEM 11 | 7 дирхамов | 14 дирхамов | 16 ARL | 34 ARL | 37 дирхамов | 38 дирхамов | 39 дирхамов |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Дата | 01.03.94 | 14.03.94 | 31.08.94 | 28.09.94 | 21.10.94 | 01.06.95 | 15.08.95 | 16.08.95 | 17.08.95 |
Параметры PPS | |||||||||
Скорость CPA (об / мин) | 3774 | 3837 | NA | NA | NA | NA | NA | NA | NA |
Возбуждение поля (А) | 1489 | 1500 | NA | NA | NA | NA | NA | NA | NA |
Пиковое напряжение (В) | 1638 | 1612 | 8500 | 8400 | 9200 | 7400 | 7800 | 8600 | 9100 |
CPA вольт (В) | 110 | 220 | NA | NA | NA | NA | NA | NA | NA |
Угол стрельбы (градусы) | 5,84 | 5.00 | NA | NA | NA | NA | NA | NA | NA |
Пиковый ток (кА) | 552 | 462 | 609 | 586 | 667 * | 639 | 666 | 716 | 766 |
Ширина импульса (мс) | 4.1 | 4.1 | 1.9 | 2.2 | 1,9 * | 2,6 | 2.3 | 2.1 | 2.0 |
Время до пика (мс) | 1.9 | 1.9 | 0,38 | 0,38 | 0,38 * | 0,47 | 0,46 | 0,46 | 0,46 |
Параметры запуска / ILP | |||||||||
Скорость (м / с) | 1339 | 1350 | 1886 г. | 1369 | 1492 | 1350 | 1492 | 1639 | 1785 |
Масса ИЛП (кг) | 0,186 | 0,098 | 0,174 | 0,178 | 0,180 | 0,180 | 0,180 | 0,180 | 0,180 |
Эффективность казенной части (%) | 51 | 30 | 37 | 42 | 42 * | 37 | 39,1 | 39,8 | 44,6 |
Усилие вставки якоря (кН) | 11,6 | 5,98 | 2,79 | 5,89 | 7,57 | 5,58 | 5,57 | 5,57 | 5,57 |
Ток якоря на выходе (кА) | 123 | 94 | 294 | 263 | 300 * | 132 | 146 | 134 | 384 |
Действие на выходе (MA 2 с) | 515 | 355 | 367 | 436 | 511 | 468 | 500 | 527 | 642 |
Давление Flatjack (МПа) | 103 | 96 | 96 | 93 | 96 | 96 * | 110 | 110 | 128 |
Примечание: * оценка |
CEM-UT тестирование
Пусковая установка CCEMG IIA произвела в общей сложности 11 выстрелов по UT-CEM. Пусковая установка питалась от компрессора с железным сердечником 1 МДж / импульс, и выстрелы производились с постепенным увеличением энергии системы. [1] [5] Отклонение осевой линии канала ствола было измерено до и после герметизации плоского цилиндра перед электрическими испытаниями, чтобы определить, повлияли ли плоские цилиндры на прямолинейность канала ствола, что указывало на целостность адгезионных соединений между рельсами и направляющей. боковины, а также симметрия конструктивного предварительного натяга. [1] [4] Прямолинейность канала ствола изменилась очень мало даже после 11-го выстрела, отклоняясь от прямой не более чем на 0,2 мм, что позволяет предположить, что к конструкции применялась либо равномерная осевая деформация, либо осевые деформации плоского джека. оказал минимальное влияние на структуру. Пусковая установка IIA продемонстрировала свои самые высокие характеристики на седьмом выстреле, пиковый ток которого составил 552 кА. Во время последнего выстрела испытатели обнаружили дефект изоляции в пусковой установке. В результате были внесены изменения в конструкцию электроизоляции пусковых установок IIB и III, такие как утолщение слюдяной изоляции, добавление композитного изоляционного барьера между областью коллектора плоской опоры и увеличивающими рельсами, а также включение дополнительных слой стекловолокна к отверстию композитной оболочки. [1] [5]
ARL тестирование
Испытания ARL пусковой установки CCEMG IIA проводились на базе ЭМ на околозвуковом полигоне Абердинского испытательного полигона (APG) , штат Мэриленд. Пусковая установка питалась от конденсаторного импульсного источника питания мощностью 1,55 МДж, состоящего из восьми батарей, каждая из которых могла заряжаться до различных начальных напряжений и запускаться независимо по времени. [1] [5] На протяжении всего испытания начальная скорость была измерена с использованием различных методов, например, путем регистрации скорости изменения индукционного поля якоря в стволе. Другие методы включали использование камеры мазка , рентгеновского снимка и радара. Радар также использовался для оценки ухудшения скорости субснаряда, которое произошло по всей дальности полета. Пятнадцать карт рыскания, которые служили картонными целями, были использованы для оценки аэродинамики свободного полета снаряда, выпущенного из рельсотрона. [6] [8] [9]
Пусковая установка произвела в общей сложности 39 выстрелов по APG, где выстрелы с 1 по 9 были сосредоточены на характеристиках компонентов, выстрелы с 10 по 16 были посвящены развитию арматуры, выстрелы с 17 по 27 были сосредоточены на динамике запуска, выстрелы с 28 по 32 были сосредоточены на возможностях псевдо-множественных выстрелов и кадры с 33 по 39 сфокусированы на максимальной производительности. Выстрелы с 28 по 32 были произведены без обслуживания канала ствола между пятью последовательными выстрелами, чтобы оценить возможную многозарядную работу пусковой установки CCEMG. [1] Во время выстрелов с 33 по 39 пусковая установка IIA подвергалась максимальным уровням нагрузки из-за увеличения начального напряжения заряда конденсатора и результирующего пикового тока, подаваемого в пусковую установку. [6] Следовательно, выстрел 39 продемонстрировал наивысшие характеристики с пиковым током 766 кА, а также максимальным дульным током при 384 кА. Однако, поскольку пусковая установка не была спроектирована так, чтобы выдерживать такой уровень силы на дульном срезе, впоследствии наблюдались существенная деформация конструкции и износ рельсов на дульной части. [1] По завершении испытания было определено, что пусковая установка IIA была приведена в негодность из-за возникшего в результате повреждения, а оставшаяся плоская домкрата находилась под давлением до невозможности определить ее верхний расчетный предел. Плоский домкрат без сбоев достиг потолка давления 30 тысяч фунтов на квадратный дюйм, но вскоре после этого нагнетание давления прекратилось, чтобы предотвратить повреждение направляющих рельсов, которые были спасены для повторного использования. При разборке пусковой установки IIA было обнаружено несколько трещин в боковых стенках, вероятно, из-за концентрации напряжений. Однако рельсовые соединения и поверхности отверстий рельсов с алюминиевым покрытием получили очень незначительные повреждения. [1] [5]
Launcher III тестирование
Эксплуатационные испытания пусковой установки CCEMG III были проведены CEM-UT в 1996 году. Несмотря на то, что пусковая установка III была многозарядной системой, во время этой оценки была проведена только однократная проверка с целью проверки точности компьютерного моделирования, устанавливая надежность системы управления и определения необходимых параметров для системы импульсного питания. Многократные испытания проводились с постепенным увеличением энергии системы в последующих испытаниях. Всего для этого испытания было произведено шесть одиночных выстрелов, из которых шестой выстрел продемонстрировал самую высокую дульную энергию - 279 кДж. Результаты показали отсутствие повреждений рельса или боковой стенки пусковой установки, за исключением незначительной дуговой эрозии, вызванной последним выстрелом. [4]
Номер выстрела | 3 | 4 | 5 | 6 |
---|---|---|---|---|
Дата | 24.01.96 | 05.02.96 | 07.02.96 | 09.02.96 |
Параметры источника питания | ||||
Полевые усилители (кА) | 22,0 | 27,4 | 27,4 | 30,5 |
Время нарастания поля (с) | 0,192 | 0,195 | 0,195 | 0,160 |
Пиковое напряжение переменного тока (В) | 1 910 | 2,510 | 2,485 | 2 835 |
Угол огня (градусы) | 5 | 5 | 5 | 5 |
Пиковый ток пушки (кА) | 496 | 599 | 605 | 660 |
Ширина импульса (мс) | 3,30 | 2,97 | 2,97 | 2,97 |
Параметры пусковой установки / арматуры | ||||
Первичное давление плоской рамы (тыс. Фунтов на кв. Дюйм) | 10.0 | 13,0 | 13,0 | 15.0 |
Масса ИЛП (г) | 135,3 | 148,4 | 163,3 | 154,5 |
Сила нагрузки (фунт-сила) | 3 100 | 3 200 | 3 360 | 3136 |
Начальная скорость ИЛП (м / с) | 1,187 | 1,729 | 1,530 | 1 900 |
Дульная энергия (кДж) | 95,3 | 222 | 191 | 279 |
Дульный ток (кА) | 0,0 | 125 | 68 | 212 |
Эффективность казенной части (%) | 44 год | 53 | 49 | 49 |
Последующие эксперименты
В 1999 году исследователи из ARL провели серию экспериментов на пусковой установке CCEMG на экспериментальной установке Transonic в Абердине, чтобы исследовать влияние электромагнетизма на процесс сброса саботажа и на субснаряд во время запуска. [10] [11]
Рекомендации
- ^ Б с д е е г ч я J к л м Зелинский Александр; Верст, Майкл (июль 1995 г.). Скорострельная рельсовая пушка для системы электромагнитного орудия пушечного калибра . 8-й симпозиум по электромагнитному запуску. Балтимор, штат Мэриленд.
- ^ Фонтани, Гарри (10 ноября 1999 г.). Электрический запуск: неизбежная технология . 18-й Международный симпозиум по баллистике. Сан-Антонио, Техас. С. 325–326. ISBN 9781566769013.
- ^ Ценг, Джером; Шмидт, Эдвард (2004). «Современные материалы делают технологию электромагнитных пушек на шаг ближе к полю боя». AMPTIAC Ежеквартально . 8 (4): 79–84. CiteSeerX 10.1.1.383.9304 .
- ^ а б в г д Верст, Майкл; Хотц, Томас; Китцмиллер, Джон; Пенни, Чак; Теландер, РМ (январь 1997 г.). «Испытания скорострельной пушки калибра». IEEE Transactions on Magnetics . 33 (1): 613–618. Bibcode : 1997ITM .... 33..613W . DOI : 10.1109 / 20.560084 . ЛВП : 2152/30557 .
- ^ Б с д е е г ч Зелинский, Александр; Верст, Майкл (январь 1997 г.). "Пушечная электромагнитная пусковая установка". IEEE Transactions on Magnetics . 33 (1): 630–635. Bibcode : 1997ITM .... 33..630Z . DOI : 10.1109 / 20.560087 .
- ^ а б в г д Зелинский, Александр; Вейнахт, Пол; Уэбб, Дэвид; Соенксен, Кейт (март 1997 г.). Исследование баллистических характеристик снаряда с электромагнитным пуском из пушки (отчет). Исследовательская лаборатория армии США. ADA326880 - через Центр технической информации Министерства обороны.
- ^ а б Цена, JH; Юнь, HD; Kajs, JP; Китцмиллер-младший; Пратап, SB; Верст, Мэриленд (январь 1995 г.). «Отказ от оптимизации арматуры и ствола для электромагнитной пусковой системы пушечного калибра». IEEE Transactions on Magnetics . 31 (1): 225–230. Bibcode : 1995ITM .... 31..225P . DOI : 10.1109 / 20.364697 . ЛВП : 2152/30918 .
- ^ Зелински, А.Е .; Soencksen, K .; Уэбб, DW; Вейнахт, П. (январь 1997 г.). «Комплексные характеристики пускового комплекса в гранатомете пушечного калибра» . IEEE Transactions on Magnetics . 33 (1): 163–168. Bibcode : 1997ITM .... 33..163Z . DOI : 10.1109 / 20.559936 .
- ^ Зелински, А .; Хильденбранд, Д. (январь 1997 г.). «Наблюдение и моделирование характеристик контакта якоря в электромагнитной пушке пушечного калибра». IEEE Transactions on Magnetics . 33 (1): 157–162. Bibcode : 1997ITM .... 33..157Z . DOI : 10.1109 / 20.559935 .
- ^ Зелински, А.Е .; Вейнахт, П. (январь 1999 г.). «Влияние электродинамики рельсотрона на динамику пуска снаряда». IEEE Transactions on Magnetics . 35 (1): 118–123. Bibcode : 1999ITM .... 35..118Z . DOI : 10.1109 / 20.738388 .
- ^ Зелински, А.Е .; Weinacht, P .; Пауэлл, JD (январь 1999 г.). «Влияние электродинамики рельсотрона на выброс якоря». IEEE Transactions on Magnetics . 35 (1): 112–117. Bibcode : 1999ITM .... 35..112Z . DOI : 10.1109 / 20.738387 .