بررسی عددی همزمان اثرات مغناطیسی و آیرودینامیکی بر روی یک پرتابگر الکترومغناطیس با آرمیچر سبک بر روی شبکه متحرک غیریکنواخت

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسنده

عضو هیات علمی / دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی

چکیده

در پرتابگر الکترومغناطیسی که برای شتاب دادن به اجرام تا سرعت های بالا به کار می رود از انرژی الکتریکی برای تحریک سیستم و اعمال نیروی الکترومغناطیسی به پرتابه استفاده می شود. این نوع پرتابگرها دارای راندمان بالاتری نسبت به پرتابگرهای معمولی هستند لذا اخیرا رویکر گسترده­ای در صنایع هوافضا نسبت به این نوع پرتابگرها، از جمله حوزه پرتاب ماهواره های سبک، پدیدار گشته است. از آنجاییکه علاوه بر نیروهای الکترومغناطیسی  نیروهای آیرودینامیکی نیز در میزان شتاب آرمیچر موثر می باشند لذا نیاز است معادلات ناویراستوکس گذرا بر روی شبکه متحرک غیریکنواخت، همزمان با معادلات ماکسول حل شوند. از شبکه باسازمان جهت کاهش هزینه های محاسباتی استفاده شده است. خط مسیر ذرات نشان می دهد که جریانی میان ناحیه پرفشار نزدیک دماغه و ناحیه کم فشار انتهای آرمیچر شکل می گیرد. علاوه بر گردابه های ناحیه کم فشار، جریان ثانویه ای در کنار دیواره های ارمیچر دیده می شود. نهایتا با اعمال نیروهای لورنتز و درگ، سرعت آرمیچر محاسبه گردید. نتایج نشان می دهد که در این شرایط آرمیچر می تواند به سرعت حدود 100 متر بر ثانیه در بازه زمانی 2 میلی ثانیه دست یابد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Numerical study of magnetic and aerodynamic effects on the light armature of an electromagnetic launcher using non-uniform moving grid

نویسنده [English]

  • Mostafa Varmazyar
Assistant Professor / Department of Mechanical Engineering, Shahid Rajaee Teacher Training University
چکیده [English]

The electromagnetic launchers are used to accelerate armature to the high velocity. This system applies the electrical energy to induce the magnetic force in the armature. This type of launchers has a higher efficiency than conventional launchers. Therefore, aerospace industries recently widely use from this type of launcher for some of the spatial application, such as the transmittal of light satellites. Since, in addition to the electromagnetic forces, the aerodynamic forces are also effective in the rate of acceleration, so that the transient Navier-Stokes equations on the non-uniform moving mesh should be solved simultaneously with the Maxwell equations. A structured mesh has been used to reduce computational costs. The pathline shows that the flow is formed between the high-pressure area, near the nose of the armature, and the low-pressure region, near the end of the armature. Finally, the speed of the armature was calculated by applying Lorentz and Drag forces. The results show that the speed of the armature can reach about the 100 m/s during the time interval of about 2 ms.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Electromagnetic launcher
  • rail and armature
  • ِ drag forces
  • Navier-Stokes equation
  • Maxwell equation
[1] S. An, B. Lee, Y. Bae, Y.-H. Lee, S.-H. Kim, Numerical Analysis of the Transient Inductance Gradient of Electromagnetic Launcher Using 2-D and 3-D Finite-Element Methods, IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 45, No. 7, pp. 1635-1638, 2017.

[2] H. Kasahara, A. Matsuo, The effect of shape on the aerodynamic and thermal performance of hypersonic projectiles launched by a ground-based railgun, in Proceeding of AIAA, 0048, 2018.

[3] L. Mascolo, A. Stoica, Electro-Magnetic Launchers on the Moon: A Feasibility Study, in Proceeding of, IEEE, pp. 37-42, 2018.

[4] M. R. Doyle, D. J. Samuel, T. Conway, R. R. Klimowski, Electromagnetic aircraft launch system-EMALS, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 31, No. 1, pp. 528-533, 1995.

[5] W. Walls, W. Weldon, S. Pratap, M. Palmer, D. Adams, Application of electromagnetic guns to future naval platforms, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 35, No. 1, pp. 262-267, 1999.

[6] L. Xu, Y. Geng, Forces of rails for electromagnetic railguns, Applied mathematical modelling, Vol. 36, No. 4, pp. 1465-1476, 2012.

[7] S. Aksoy, M. F. Yavuz, A. Balikci, Transient modelling of a linear induction launcher-type coil gun with two-dimensional cylindrical finite-difference time domain method, IET electric power applications, Vol. 5, No. 1, pp. 153-158, 2011.

[8] M. Ghassemi, Y. M. Barsi, M. H. Hamedi, Effect of armature design on thermal and electromagnetic distribution of an electromagnetic launcher, Heat Transfer Engineering, Vol. 29, No. 9, pp. 839-844, 2008.

[9] M. Ghassemi, Y. M. Barsi, Effect of liquid film (indium) on thermal and electromagnetic distribution of an electromagnetic launcher with new armature, IEEE Transactions on magnetics, Vol. 41, No. 1, pp. 408-413, 2005.

[10] D. Lancelle, O. Božić, Thermal protection, aerodynamics, and control simulation of an electromagnetically launched projectile, IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 43, No. 5, pp. 1156-1161, 2015.

[11] S. Hundertmark, D. Lancelle, A scenario for a future European shipboard railgun, IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 43, No. 5, pp. 1194-1197, 2015.

[12] O. Božić, T. Eggers, S. Wiggen, Aerothermal and flight mechanic considerations by development of small launchers for low orbit payloads started from Lorentz rail accelerator, Progress in Propulsion Physics, Vol. 2, pp. 765-784, 2011.

[13] J. V. Parker, S. Levinson, Loss of propulsive force in railguns with laminated containment, IEEE transactions on magnetics, Vol. 35, No. 1, pp. 442-446, 1999.

[14] K. M. Chakravarthy, T. J. Watt, D. L. Bourell, The use of high-speed video as an in-bore diagnostic for electromagnetic launchers, IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 39, No. 2, pp. 809-814, 2011.

[15] M. Varmazyar, S. R. Hamzeloo, Thermoelastic Analysis of an Electromagnetic Launcher Using Finite Volume Method, Aerospace Mechanics Journal, Vol. 15, No. 2, pp. 9, 2019. (in Persian)

[16] M. Ghassemi, M. Varmazyar, Stress analysis of the rails of a new high velocity armature design in an electromagnetic launcher, International journal of impact engineering, Vol. 35, No. 12, pp. 1529-1533, 2008.

[17] M. Ghassemi, M. Varmazyar, Thermal Stresses Analysis of the Rails and the Armature of an Electromagnetic Launcher, in Proceeding of, IEEE, pp. 1-6, 2008.