Абстракт- Рельсотрон PEGASUS во Франко-Германском Исследовательском Институте оборудован шестиметровым пускателем калибра 40*40 мм. Электрическая энергия максимальной величиной 10 МДж может быть подана с мощного ёмкостного накопителя. Ток подводится к 13ти участкам, расположенным вдоль ствола.

Снаряды или пусковые упаковки {launch package} массой от 1 до 4 кг были спроектированы так, чтобы достигались хорошие и электрические и механические характеристики. Снаряды тестировались на установке PEGASUS. «Башмак» {sabot} состоит из арматуры в виде щётки из металлического волокна {metal-fiber brush, проволока?}, вмонтированной в изоляционную структуру низкой плотности, сделанную из стеклоэпоксидного композитного материала. При массе около 0,3 кг этот «башмак», оснащённый 8ю щётками из металлического волокна (без полезной нагрузки), способен достигать дульных скоростей до 2200 м/с без какого-либо повреждения стеклоэпоксидной структуры в процессе ускорения. Стержни из вольфрамового сплава, используемые как полезная нагрузка, помещались перед «башмаком», т.е. были вкручены или вставлены в композитную структуру. 
Структурный анализ «башмака», содержащего вольфрамовый стержень, был выполнен с помощью FE-CodeLSDYNA3D{??? ПРОГРАММА РАСЧЁТА МЕХАНИЧЕСКОЙ ДИНАМИКИ???} Рассчитанное трёхмерное состояние нагрузки внутри композитной структуры «башмака» показывает, что критические нагрузки, главным образом, располагались на поверхности канала для стержня. Было предложено решение, как снизить высокие нагрузки. Решение было перенесено на конструкцию снаряда. Экспериментальные наблюдения с использованием рентгенографии со сверхмалой экспозицией {flash radiography}, проведённые в дуле рельсотрона, показали, что стержни полезной нагрузки могут быть запущены правильно.

1 ВВЕДЕНИЕ

Рельсовая установка PEGASUS была спроектирована для ускорения 1кг-мовых снарядов до дульной скорости больше 2000 м/с. Первые эксперименты начались в 1998 г с маленькими снарядами весом несколько сотен грамм для изучения поведения контакта рельс/арматура, а за одно, и механических свойств структуры «башмака» при высоких скоростях. Для стандартного 0,3 кг-вого снаряда, состоящего из арматуры из проволочной {metal-fiber} щётки [1-3], вмонтированной в пластиковый «башмак», усиленный стекловолокном {glass-fiber} [4], типичные дульные скорости около 2200 м/с достигались без каких-либо механических повреждений. Однако для этих исследований снаряды не оснащались полезной нагрузкой.
Цель исследования- проверить, может ли эта конфигурация «башмак»/арматура быть использована для ускорения полезной нагрузки весом в несколько кг. «Башмак» низкой плотности, сделанный из стеклоэпоксидного композиционного материала должен быть способен к введению высокоплотной нагрузки, подобной бронебойному стержню из вольфрамового сплава.
Дополнительный интерес в исследовании стержневидных полезных нагрузок обеспечивался «EADS Space Transportation». Их цель- исследовать осуществимость электрического пускателя для ускорения метеорологических зондов до высоты около 100 км. Обычно используемые метеорологические ракеты должны быть заменены пусковыми системами с меньшими эксплуатационными расходами. Теоретическое исследование было проведено для 22х-метрового электромагнитного рельсового пускателя калибром 80*80 мм и полной массой снаряда около 4 кг. Расчётный запас электрической энергии- около 28 МДж [5].
Настоящее исследование сосредоточено на механическом поведении структуры «башмака», которая должна быть устойчива к ускоряющим силам, действующим в арматуре, и должна удерживать стержневидную полезную нагрузку во время запуска. Концептуальный проект пусковых упаковок рельсотрона будет показан для снарядов с общей массой 1-4 кг. 1 кг-овый снаряд выбран как пример для моделирования поведения структуры пусковой упаковки с использованием dynamic FE-CodeLSDYNA3D {расчётная программа???}. Экспериментальная часть этого исследования состоит из краткого описания конструкции «башмака», и последующего изложения экспериментальных результатов рентгеновского фотографирования {X-Ray Photographs} снарядов в дуле рельсотрона.

2. МЕХАНИЧЕСКАЯ НАГРУЗКА

Схематический вид снарядной упаковки дан на рисунке 1.
Электрический ток течёт через арматуру из металлических проволочных щёток (Cu-Cd) и взаимодействует с магнитным полем В рельсов. Результирующая сила Лоренца, получаемая интегрированием плотности силы {force density} j x B {это векторное произведение} по объёму арматуры, ускоряет снаряд. Сила трения в электрическом контакте рельсы/арматура пренебрежимо мала по сравнению с ускоряющей силой. Кроме того, происходит эрозия между структурой «башмака» и внутренней поверхностью ствола. Чтобы минимизировать этот эффект, контактирующие поверхности 
Электрический ток течёт через арматуру из металлических проволочных щёток (Cu-Cd) и взаимодействует с магнитным полем В рельсов. Результирующая сила Лоренца, получаемая интегрированием плотности силы {force density} j x B {это векторное произведение} по объёму арматуры, ускоряет снаряд. Сила трения в электрическом контакте рельсы/арматура пренебрежимо мала по сравнению с ускоряющей силой. Кроме того, происходит эрозия между структурой «башмака» и внутренней поверхностью ствола. Чтобы минимизировать этот эффект, контактирующие поверхности смазывают силиконом. Наконец, в электрических контактах может иметь место эффект динамической боковой нагрузки при подаче тока, такой как магнитная сдувка [6] {magnetic blow-off, не знаю, что за эффект}. Структурный анализ не принимает в расчёт этого эффекта, но мы должны иметь его в виду для обсуждения экспериментальных результатов.

Структурный анализ требует знать распределение силы Лоренца по разным щёткам. Это было получено из electromagnetic FE-code MEGA [9] {тоже расчётная программа, надо полагать}.

Рисунок 3 показывает распределение плотности тока /j/ внутри рельса и внутри щёток восьмищёточного снаряда в момент времени t=8,3 мс. По причине симметрии расчётная модель может быть ограничена половиной рельса и четырьмя половинами щёток.

MEGA вычисляет распределение плотности силы f= j x B {все величины векторные} внутри щёток. Интегрирование осевой компоненты f {вектор} по объёму каждой щётки даёт силы на щётках, которые способствуют ускорению пусковой упаковки (рисунок 4).

Для первой модели {first layout} 1кг-вого снаряда было принято первое допущение- идеальность контакта между щётками и рельсом. Мы знаем, что омическое контактное сопротивление границы щётка/рельс возрастает во время запуска по причине износа щётки и плазменных дуг [3, 10], которые, в конечном счёте, ведут к различному распределению силы между щётками. Однако, трудно предсказать эффекты, подобные перемещению арматуры, до первого выстрела новым видом снаряда, по причине сложности этого явления [6, 11].

3. СВОЙСТВА МАТЕРИАЛА «БАШМАКА»

Нагрузка на структуру, обсуждённая в предыдущей секции, прикладывается к «башмаку» через стенки каналов щёток {brush bores} (рисунок 1) и передаётся полезной нагрузке, т.е. стержню из вольфрамового сплава высокой плотности. Более того, нам нужен материал «башмака» с низкой плотностью для получения максимального отношения массы полезной нагрузки к общей массе. Дополнительно, материал должен иметь электроизоляционные свойства. Этим потребностям могут соответствовать усиленные стекловолокном композиты [9]. Плетённый стеклоэпоксидный слоистый композит PERMAGLAS EPC203 (раньше называвшийся ТЕ630)- стандартный материал башмака для рельсотрона ISL. Ориентация двух нитей- направления основы и утка (1 и 2 направления)- относительно направления движения х показана на рисунке 5.

Поведение материала ортотропно, так как присутствуют две перпендикулярные плоскости симметрии (плоскость 2-3 и плоскость 1-3). Следовательно, плоскость 1-2 тоже плоскость симметрии.
Таблица 1 даёт краткий обзор основных механических свойств материала.

Таблица 1. Квазистатические прочности плетённого стеклоэпоксидного композита PERMAGLAS EPC203 [12].

4. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ СНАРЯДА

Ранние исследования были выполнены со стандартными 0,3кг-мовыми гиперскоростными снарядами, которые состояли из 8ми щёток и «башмака» 76мм-овой длины (рисунок 6) [9, 13].

Из-за симметрии геометрии и механической нагрузки, только четверть всего тела должна быть рассмотрена в численной модели (рисунок 6 b). Первая LSDYNA-расчётная модель снаряда со стержневидной полезной нагрузкой представляет собой расширение этой структуры на переднюю сторону, оснащённую отверстием для стержня из вольфрамового сплава (рисунок 7 а).

Материал стержня может быть охарактеризован линейной упругостью с модулем Юнга 340 ГПа и прочностью на растяжение/сжатие больше 900 МПа. Поэтому повреждение стержня во время запуска очень маловероятно. Используя свойства материала «башмака», описанные в разделе 3 (таблица 1), и осевые силы щёток в качестве нагрузки на структуру (раздел 2), мы можем вычислить ответную реакцию структуры. Было упомянуто, что для первого анализа стержень не зафиксирован внутри «башмака». Поэтому такая конфигурация может быть рассмотрена как «наихудший случай». Это может произойти, когда полезная нагрузка соединена с «башмаком» при помощи хрупкого связующего {bonding adhesive}. Последствием может быть катастрофическое разрушение поверхности соединения. С другой стороны, если связующее слишком податливо, будет невозможно передать нагрузку {имеется в виду разгонную силу} от «башмака» стержню. Результирующее сосредоточение структурной нагрузки в днище отверстия под стержень можно увидеть на рисунке 7 b, который показывает распределение осевой нагрузки в теле в момент времени t=8,6 мс {на подписи к рисунку указаны 8,3 мс}. В зоне высокой нагрузки прочность на сжатие (270 МПа, таблица 1) превышена.
Для снижения этих нагрузок демпфирующий диск из мягкой меди был помещён между «башмаком» и вольфрамовым стержнем. Вдобавок, стержень был вкручен в структуру «башмака» {имеется в виду резьбовое соединение}. Прямым результатом было значительное снижение осевых нагрузок в переходной зоне между стержнем и «башмаком» (смотри рисунок 8 b).

5. ЭКСПЕРИМЕНТ

А. Конструкция пусковой упаковки.

На основании концепции численного моделирования структуры были спроектированы серии снарядов различной массы- от 1 до 4 кг. Были протестированы две различные конструкции 1кг-вых снарядов. Первая, или базовая, конструкция соответствует разработке, которая была смоделирована численным методом (рисунок 9а).

Стержень полезной нагрузки вкручен в структуру «башмака» и установлен демпфирующий диск (рисунок 8). Отношение массы полезной нагрузки к общей массе снаряда приблизительно 0,55 (рисунок 9 а). Арматура состоит из восьми проволочных щёток. Для второй, улучшенной, конструкции 1кг-вого снаряда это отношение было увеличено до, примерно, 0,63 (рисунок 9b). Снарядные упаковки {projectile packages} массой 2, 3 и 4 кг показаны на рисунках 10 и 11.

Отверстие в «башмаке» для установки полезной нагрузки было слишком длинным для эффективного вкручивания. Поэтому стержни были закреплены эпоксидным связующим. Использование демпфирующего диска было сохранено. Из-за производственных ограничений структура «башмака» не может быть сделана из одной части, но должна быть собрана скреплением нескольких сегментов. Эти снаряды имеют достаточно места в своих задних частях для встраивания большего количества щёток арматуры, по сравнению с 1 и 2кг-выми снарядами (смотри таблицу 2). Так как контакт рельс/арматура подвержен интенсивному износу из-за трения и омического нагрева, большее число щёток приводит к увеличению срока службы арматуры.

В. Результаты экспериментов.

Первый 1кг-вый снаряд был запущен с применением умеренной электрической энергии (2,16 МДж, смотри таблицу 2). Входные параметры были идентичны расчётной модели в разделе 4. Легко проверить по рентгеновской фотографии (рисунок 12 а), что снаряд покидает канал рельсотрона без видимых повреждений. 

Второй 1кг-вый снаряд с улучшенным отношением полезной и общей масс также покинул дуло неповреждённым, хотя электрическая энергия была увеличена (рисунок 12 b).
Вторая серия экспериментов была проведена с использованием более высокой электрической энергии (4,17 МДж, смотри таблицу 2). Рисунки 13 и 14 показывают рентгеновские фотографии 2, 3 и 4кг-вых снарядов.

Во всех случаях стержень полезной нагрузки был ориентирован прямо вперёд, что можно трактовать как успех. Повреждения и аварии структуры «башмаков» 2 и 4кг-вых снарядов не наблюдалось. Однако, 3кг-вый снаряд полностью раскололся (рисунок 14 а), что означает разделение центрального слоя стеклоэпоксидной композитной структуры «башмака». Разные эффекты могут быть причиной этого аварийного состояния. Для примера, эффект боковой нагрузки из-за динамического воздействия тока в направлении, перпендикулярном плоскости слоя (направление 3, рисунок 5). Но вероятно, авария была обусловлена дефектом композитной структуры. Мы должны помнить, что структура «башмака» составлена из нескольких частей, соединённых производителем (смотри раздел 5 А).

Эффективность рельсотрона, определяемая как отношение кинетической энергии снаряда к запасённой электрической энергии, может быть легко определена из таблицы 2. Величина {эффективности} изменяется в пределах между 10% (4кг-вый снаряд) и 18% (2кг-вый снаряд), что кажется несколько неэффективным. Для сравнения, другие серии испытаний PEGASUS показывали эффективность около 30 % [14]. Эта заметная разница обусловлена конструкцией рельсотрона. На самом деле, установка PEGASUS была спроектирована для достижения дульных скоростей больше 2000 м/с. Положения DES-точек введения тока {DES current injection points. Как расшифровать сокращение не знаю}, распределённых вдоль рельсов, были оптимизированы для этой задачи. Следовательно, для более эффективной эксплуатации при меньших дульных скоростях (<1000 м/с, так, как в этом исследовании) точки введения тока должны быть изменены.

Таблица 2. Снаряды и параметры испытаний.

6.ВЫВОДЫ

Серии пусковых упаковок (калибром 40*40 мм с различными массами в диапазоне от 1 до 4 кг) были испытаны на рельсотроне PEGASUS во Франко-Германском Исследовательском институте. Ток вводился на 13ти участках, распределённых вдоль шестиметрового ствола.
Структура «башмака» состоит из арматуры из проволочной щётки, вмонтированной в изолирующую основу низкой плотности из плетённого стеклоэпоксидного композитного слоистого материала. Полезная нагрузка- стержень из вольфрамового сплава- был размещён перед «башмаком».
Структурный анализ снарядной упаковки, выполненный с использованием Mechanical Dynamic FE-CodeLSDYNA3D, показывает, что критические нагрузки, по существу, располагались в структуре «башмака» около дна отверстия под вольфрамовый стержень.
Экспериментальные наблюдения, использующие рентгеновские фотографии, сделанные в дуле рельсотрона, показывают, что пусковые упаковки могут быть запущены успешно. Стержни полезной нагрузки были ориентированы прямо вперёд.
Проведённые испытания показали, что исследование поведения структуры материала «башмака» должны быть продолжены для значительного увеличения дульной скорости. Запланированы исследования по оптимизации ориентации волокна в структуре «башмака» и процесса производства.

Источник: www.emlsymposium.org

Перевод: Котофеич