Exploring the Possibilities of a Naval Electromagnetic Rail Gun

18 Pages·2003·2.73 MB·English

EExxpplloorriinngg tthhee PPoossssiibbiilliittiieess
ooff aa NNaavvaall
EElleeccttrroommaaggnneettiicc RRaaiill GGuunn
38th Annual Gun & Ammunition Symposium
March 24 – 27, 2003
POC: Roger Ellis
[email protected]
[phone]
OOuuttlliinnee
How a Railgun Works
w
Why a Naval Railgun Now?
w
Parametric Model
w
Parametric Studies
w
Conclusions
w
HHooww iitt WWoorrkkss
PPaaiirr ooff MMeettaall
CCoonndduuccttiinngg RRaaiillss
((iinnssiiddee bbaarrrreell))
LLooww DDrraagg
HHyyppeerrssoonniicc
PPrroojjeeccttiillee
SSlliiddiinngg AArrmmaattuurree
((ccoonndduuccttss eelleeccttrriiccaall
ccuurrrreenntt bbeettwweeeenn rraaiillss))
SSaabboott
((ssuuppppoorrttss pprroojjeeccttiillee))
SSoouurrccee ooff SSttoorreedd
EElleeccttrriiccaall EEnneerrggyy
((ee..gg..,, ccaappaacciittoorr bbaannkk))
HHooww iitt WWoorrkkss
LLoorreennttzzffoorrccee aacccceelleerraatteess
aarrmmaattuurree && pprroojjeeccttiillee
MMaaggnneettiicc ffiieelldd iinntteerraaccttss wwiitthh
ddoowwnn bbaarrrreell..
aarrmmaattuurree ccuurrrreenntt,, ggeenneerraattiinngg
BBB
aaxxiiaall pprrooppuullssiivvee ffoorrccee
MMaaggnneettiicc ffiieelldd
ggeenneerraatteedd aarroouunndd FFF
JJJ
rraaiillss aass ccuurrrreenntt fflloowwss
tthhrroouugghh cciirrccuuiitt..
LLoorreennttzz FFoorrccee ((FF)) ==
CCuurrrreenntt ((JJ)) XX MMaaggnneettiicc FFiieelldd ((BB))
SSwwiittcchh cclloosseess,,
ccuurrrreenntt fflloowwss
tthhrroouugghh rraaiillss &&
aarrmmaattuurree..
WWhhyy NNooww ??
Integrated Power
System (IPS)
Guided Munitions
Development
Advances in
Railgun Technology
EEnnaabblliinngg TTeecchhnnoollooggiieess ffoorr TTrraannssffoorrmmaattiioonnaall NNaavvaall RRaaiillgguunn
NNaavvyy EEMM WWoorrkksshhoopp
A workshop was held in November 2001 at
w
the Institute for Advanced Technology (IAT)
NNoottiioonnaall NNaavvyy EEMM GGuunn::
to access the feasibility of a long range
Naval railgun. •• FFlliigghhtt MMaassss –– 1155 kkgg
•• LLaauunncchh MMaassss –– 2200 kkgg
•• LLaauunncchh VVeelloocciittyy –– 22..55 kkmm//ss
Included most of the nations foremost
w
•• MMuuzzzzllee EEnneerrggyy –– 6633 MMJJ
experts in EM launch.
•• BBrreeeecchh EEnneerrggyy –– ~~115500 MMJJ
•• BBaarrrreell LLeennggtthh –– 1100 mm
Discussions were centered around a
w
•• PPeeaakk AAcccceell.. –– 4455 kkgg’’ss
notional Navy EM Gun.
•• FFiirriinngg RRaattee –– 66 ttoo 1122 RRPPMM
•• PPeeaakk PPoowweerr –– 2200 ttoo 4400 MMWW
Participants concluded that “…no current
w •• PPeeaakk CCuurrrreenntt ~~ 66 MMAA
scientific or technological obstacles would
•• IInn--BBoorree TTiimmee ~~ 88 –– 1100 mmsseecc
preclude the development of a naval
railgun.”
EEvvaalluuaatteedd NNoottiioonnaall NNaavvyy EEMM GGuunn FFeeaassiibbiilliittyy
Why Trade Studies?
Projectile
Gun Mount
Helps better quantify important parameters and
w
concerns/issues from the workshop
Understand launcher design space and relationship
w
to/impact on projectile and PFN design space.
Size proof of concept launcher demonstration to
w
Power Supply
demonstrate feasibility of a tactical configuration.
& Magazine
Track energy flow from power supply to target.
w
AA ttoottaall sshhiipp//wweeaappoonn ssyysstteemmss ddeessiiggnn aapppprrooaacchh iiss eesssseennttiiaall..
PPaarraammeettrriicc SSttuuddiieess
Effected Parameters
Effected Parameters
PFN Size
w PFN Size
w
Variables Being Explored
Variables Being Explored
Maximum Current
w Maximum Current
w
Barrel Length Linear Current Density
w Barrel Length w Linear Current Density
w w
Energy Dissipated in Rails
w BBoorree D Dimimeennssioionnss ww Energy Dissipated in Rails
w
Inductance Gradient
w Inductance Gradient
w
Certain Projectile Characteristics
ww Certain Projectile Characteristics w PPieiezzoommeetrtricic E Efffifcicieiennccyy
w
ww InInteteggrraatetedd L Laauunncchh P Paacckkaaggee ww CCoooolilningg F Floloww R Raatete
Firing Rate
Characteristics ww Firing Rate
Characteristics
Gun System Weight
w Gun System Weight
w
Certain Electrical Current
w Certain Electrical Current Estimates
w Estimates
CChhaarraaccteterrisistitcicss ww %% P Paarraassitiitcic M Maassss
Maximum Projectile Gee’s
w Maximum Projectile Gee’s
Rail Cooling Characteristics w
w Rail Cooling Characteristics
w
Projectile Range
w Projectile Range
w
Distributed Cabling
ww Distributed Cabling w TTeerrmmininaal lV Veeloloccitiyty
w
MMooddeell MMeetthhooddoollooggiieess
MMooddeell CCoommppoonneennttss
VVaarryy aann IInnppuutt ffoorr aa
SSppeecciiffiieedd RRaannggee OObbsseerrvvee
WWhhiillee KKeeeeppiinngg aallll CChhaannggeess iinn
OOtthheerr IInnppuutt OOuuttppuutt VVaalluueess
CCoonnssttaanntt PPrroojjeeccttiillee && RRaaiill CCoooolliinngg
TTrraajjeeccttoorryy
RRaaiill HHeeaattiinngg
IInntteeggrraatteedd CCuurrrreenntt
LLaauunncchh DDiissttrriibbuuttiioonn
PPaacckkaaggee CCaallccuullaattiioonn
CCuurrrreenntt PPrrooffiillee
IInn--BBoorree EEvveenntt
GGeenneerraattoorr
LLaauunncchheerr TTrraaddeess BBaasseelliinnee
w Barrel Configuration
Barrel Cross Section
– 10 m barrel
– Cabled at Breech
rail
– Train and Elevate
– Simple Cooling Channels
w Bore
– 150mm x 150mm *
– 100 mm rail thickness *
w Electrical Current Profile
cooling
– 6.5 MA/msec linear rise rate *
150 mm
– 0 slope linear secondary rate * channels
– 2 MA/msec linear decay rate *
– 40% max current a muzzle exit *
w Projectile Barrel trade initial inputs based on Center
– 20 Kg Launch Mass for Naval Analysis’ notional gun which was
– 2.5 Km/sec evaluated at the Navy Electro-Magnetic
– Base Push
Launch Workshop (7-9 November 2001,
– “Barrage Like”
Austin Texas
«Implied Characteristics from Notional Baseline