A Digital Model of the Electrodynamic Acceleration Process in a Coil Gun Device

The subject of this paper is an analysis of the process of applying kinetic energy to a projectile made from a non-magnetic, electrically conductive material and placed inside of an inductance coil live with alternating current. A digital model of an acceleration system was built, comprising a high-current coil and a cylindrical projectile located inside of the coil. Analytical formulas of the three-dimensional distribution of the axial and radial components of the magnetic field generated by the coil were applied [1]. The mathematical model described herein included the projectile and coil three-dimensional system (with the dimensions and distribution of the coil turns), the parameters of the power supply system and their variations, caused by the energy input to the projectile (and including the variation of: coupling coefficient, pulsation, coefficient of attenuation, inductance, and resistance), and the balance of momentum of the projectile and coil system. A system of equations which depicted the projectile and coil system (the law of electromagnetic induction, the Biot-Savart law, electric-to-kinetic energy transfer, and the balance of momentum of the projectile and coil system) was solved with numerical methods. The conclusions relevant to the design and technology of an ICG (Inductance Coil Gun), derived from the foregoing numerical analysis, were experimentally verified. Initial calculations were completed to optimise the acceleration process. The acceleration efficiency in a cascade of 10 coils was calculated.

Przedmiotem pracy jest analiza procesu nadawania energii kinetycznej pociskowi wykonanemu z niemagnetycznego materiału przewodzącego, umieszczonemu wewnątrz cewki, przez którą płynie prąd zmienny. Zbudowano model cyfrowy układu akceleracyjnego złożonego z wysokoprądowej cewki oraz umieszczonego wewnątrz niej metalicznego pocisku w kształcie walca. Wykorzystano analityczne wzory na przestrzenny rozkład składowej osiowej i radialnej pola magnetycznego wytwarzanego przez cewkę [5]. Model matematyczny uwzględnia układ przestrzenny cewka-pocisk (wymiary oraz rozkład zwojów cewki), parametry układu zasilającego z uwzględnieniem ich zmienności w czasie spowodowanej przekazem energii do pocisku, w tym zmienność współczynnika sprzężenia, pulsacji, współczynnika tłumienia, indukcyjności i oporności, a także bilans pędu układu cewka-pocisk. Układ równań opisujący układ (prawo indukcji elektromagnetycznej, prawo Biota-Savarta, przemiana energii elektrycznej w kinetyczną, bilans pędu układu cewka-pocisk) rozwiązano metodami numerycznymi. Dokonano eksperymentalnej weryfikacji płynących z analizy wniosków istotnych z punktu widzenia konstrukcji i technologii urządzenia miotającego typu Inductance Coil Gun (ICG). Wykonano wstępne obliczenia mające na celu optymalizację procesu akceleracji. Przeprowadzono także obliczenia wydajności akceleracji w kaskadzie złożonej z 10 cewek.