본 논문에서는 코일건 발사 시스템의 성능 향상을 위한 솔레노이드 설계에 대해 연구하였다. 즉, 코일건 솔레노이드의 코일 직경에 따른 피투사체의 발사속도에 대한 분석을 수행하였다. 코일건은 자기력을 이용하여 피투사체를 발사시키는 시스템이다. 솔레노이드에 순간적으로 큰 전류를 흘려주면 코일 주위에 순간적인 자기장이 만들어지고, 발사체는 플레밍의 오른손 법칙에 따라 코일의 중심 방향으로 자기력을 받아 발사된다. 피투사체의 발사 속도는 솔레노이드 코일이 생성하는 자기력과 비례한다. 하지만, 솔레노이드 코일은 규격에 따른 최대허용 전류가 존재한다. 따라서, 한계 전류 내에서 피투사체에 작용하는 자기력이 최대가 되는 솔레노이드 코일의 설계가 필요하다. 본 논문에서는 솔레노이드 코일의 설계를 위해 AWG(American Wire Gauge)6부터 AWG18까지의 코일의 직경에 따른 최적의 권수를 찾아서 발사가능여부와 그에 따른 발사속도를 비교 분석한다.
본 논문에서는 코일건 발사 시스템의 성능 향상을 위한 솔레노이드 설계에 대해 연구하였다. 즉, 코일건 솔레노이드의 코일 직경에 따른 피투사체의 발사속도에 대한 분석을 수행하였다. 코일건은 자기력을 이용하여 피투사체를 발사시키는 시스템이다. 솔레노이드에 순간적으로 큰 전류를 흘려주면 코일 주위에 순간적인 자기장이 만들어지고, 발사체는 플레밍의 오른손 법칙에 따라 코일의 중심 방향으로 자기력을 받아 발사된다. 피투사체의 발사 속도는 솔레노이드 코일이 생성하는 자기력과 비례한다. 하지만, 솔레노이드 코일은 규격에 따른 최대허용 전류가 존재한다. 따라서, 한계 전류 내에서 피투사체에 작용하는 자기력이 최대가 되는 솔레노이드 코일의 설계가 필요하다. 본 논문에서는 솔레노이드 코일의 설계를 위해 AWG(American Wire Gauge)6부터 AWG18까지의 코일의 직경에 따른 최적의 권수를 찾아서 발사가능여부와 그에 따른 발사속도를 비교 분석한다.
This paper reports the design of solenoid in a coilgun for high velocity of projectile in a coilgun system, according to diameter of coil. Coilgun using a magnetic force means a mechanism that can control the magnetic material. When momentarily supply a large current to the solenoid instantaneous ma...
This paper reports the design of solenoid in a coilgun for high velocity of projectile in a coilgun system, according to diameter of coil. Coilgun using a magnetic force means a mechanism that can control the magnetic material. When momentarily supply a large current to the solenoid instantaneous magnetic field is created around the coil, the projectile is fired by receiving a magnetic force towards the center of the coil, based on the right-hand rule of Fleming. The velocity of projectile is proportional to the magnetic force generated by the electromagnetic coil. The current affects the life of the coil and the current limit exists. Therefore, the coilgun design, which does not exceed the current limit and the magnetic forces are at the maximum, is required. In this paper, whether it is possible fire looking for the optimal number of turns according to the diameter of the coil from AWG #6 to AWG #18 for the design of the solenoid coil, and comparative analysis firing rate associated with it.
This paper reports the design of solenoid in a coilgun for high velocity of projectile in a coilgun system, according to diameter of coil. Coilgun using a magnetic force means a mechanism that can control the magnetic material. When momentarily supply a large current to the solenoid instantaneous magnetic field is created around the coil, the projectile is fired by receiving a magnetic force towards the center of the coil, based on the right-hand rule of Fleming. The velocity of projectile is proportional to the magnetic force generated by the electromagnetic coil. The current affects the life of the coil and the current limit exists. Therefore, the coilgun design, which does not exceed the current limit and the magnetic forces are at the maximum, is required. In this paper, whether it is possible fire looking for the optimal number of turns according to the diameter of the coil from AWG #6 to AWG #18 for the design of the solenoid coil, and comparative analysis firing rate associated with it.
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문제 정의
본 논문에서는 솔레노이드 코일직경에 따른 피투사체의 발사속도에 대한 분석을 수행한다. 기존의 코일건 연구에서는 솔레노이드 코일의 직경을 선정한 다음 그에 따라 솔레노이드를 설계하였다[3].
본 논문에서는 전자기 발사체에서 피투사체의 높은 발사력을 위한 코일건 내의 솔레노이드의 코일 직경에 따른 발사속도의 비교를 수행하였다. 코일의 직경 d를 설계변수를 선정하였으며, 코일에 흐를 수 있는 최대전류를 계산해서 수치연산 상용프로그램인 MATLAB을 이용하여 코일 AWG 규격에 따른 최적의 권수를 설계하여 비교하였다.
본 논문은 전자기 발사체에서 피투사체의 높은 발사속도를 위한 최적의 솔레노이드 코일 직경을 찾는 것이 목적이고, 발사속도는 기능 변수이다. 따라서, 발사속도에 가장 큰 영향을 미치는 코일의 직경 d를 설계변수로 선정한다.
제안 방법
따라서, 솔레노이드 코일의 최적의 권수를 찾기 위하여 축방향권수 N과 반경방향권수 M을 각각 1부터 100까지 100 × 100 직교행렬표로 만들어 수치연산 상용프로그램인 MATLAB을 이용하여 최대전류보다 낮은 전류가 흐르는 코일의 권수에서 가장 큰 자속밀도가 발생하는 권수를 추출하기 위한 실험을 수행하였다.
본 논문에서는 전자기 발사체에서 피투사체의 높은 발사력을 위한 코일건 내의 솔레노이드의 코일 직경에 따른 발사속도의 비교를 수행하였다. 코일의 직경 d를 설계변수를 선정하였으며, 코일에 흐를 수 있는 최대전류를 계산해서 수치연산 상용프로그램인 MATLAB을 이용하여 코일 AWG 규격에 따른 최적의 권수를 설계하여 비교하였다. 직경이 굵을수록 더 높은 발사속도를 보였으며, 직경이 얇은 코일에서는 상대적으로 낮은 발사속도를 보였다.
기존의 코일건 연구에서는 솔레노이드 코일의 직경을 선정한 다음 그에 따라 솔레노이드를 설계하였다[3]. 하지만 본 논문에서는 미국 전선 규격인 AWG(American Wire Gage) #6부터 AWG #18까지 코일의 직경 d를 설계변수로 선정하고, 코일의 축방향 턴수 N, 반경 방향 턴수 M, 최대전류 I, 코일의 저항 R을 종속변수로 선정하였다. 수치연산 상용 프로그램인 MATLAB을 이용하여 각 각의 코일 직경에 따른 발사속도에 대해 시뮬레이션을 수행하였다[4].
대상 데이터
Table III은 솔레노이드 코일의 설계에 사용된 초기조건이다. 피투사체가 통과되는 통로 역할을 하는 튜브는 자성이 없고 전기적 특성을 가지는 알루미늄 재질의 외반경 3.6 mm, 두께 0.5 mm인 관으로 선정하였다. 또한 코일과 발사체 사이의 거리는 25 mm로 선정하였다.
이론/모형
하지만 본 논문에서는 미국 전선 규격인 AWG(American Wire Gage) #6부터 AWG #18까지 코일의 직경 d를 설계변수로 선정하고, 코일의 축방향 턴수 N, 반경 방향 턴수 M, 최대전류 I, 코일의 저항 R을 종속변수로 선정하였다. 수치연산 상용 프로그램인 MATLAB을 이용하여 각 각의 코일 직경에 따른 발사속도에 대해 시뮬레이션을 수행하였다[4].
피투사체의 발사속도 해석을 위해 식(8)을 Newton의 운동 방정식을 이용하여 식(9)와 같이 표현가능하며 수치연산 상용 프로그램인 MATLAB의 ODE45 함수로 피투사체의 발사속도 해석하였다. 발사속도 해석을 위해 발사체의 초기속도는 0으로 설정하였다.
성능/효과
직경이 굵을수록 더 높은 발사속도를 보였으며, 직경이 얇은 코일에서는 상대적으로 낮은 발사속도를 보였다. 따라서, Coilgun 제작 시 상대적으로 직경이 큰 코일을 이용하여 솔레노이드를 활용하면 발사속도가 증가할 것으로 기대되지만 코일 직경이 커질수록 코일의 권선 및 가공이 상대적으로 힘들어져서, 솔레노이드 제작비용이 증가한다. 따라서, 코일 직경 설계시 발사속도 및 제작비용을 고려하여 설계하여야 할 것이다.
코일의 직경 d를 설계변수를 선정하였으며, 코일에 흐를 수 있는 최대전류를 계산해서 수치연산 상용프로그램인 MATLAB을 이용하여 코일 AWG 규격에 따른 최적의 권수를 설계하여 비교하였다. 직경이 굵을수록 더 높은 발사속도를 보였으며, 직경이 얇은 코일에서는 상대적으로 낮은 발사속도를 보였다. 따라서, Coilgun 제작 시 상대적으로 직경이 큰 코일을 이용하여 솔레노이드를 활용하면 발사속도가 증가할 것으로 기대되지만 코일 직경이 커질수록 코일의 권선 및 가공이 상대적으로 힘들어져서, 솔레노이드 제작비용이 증가한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
코일건이 높은 발사 성능을 요구하는 이유는?
또한 기존의 우주발사체와 달리 전기충전만 되면 반복해서 사용할 수 있다. 코일건은 주로 최첨단 무기나 우주발사체 등을 목적으로 하기 때문에 높은 발사 성능이 요구된다[1]. 코일건 시스템에서 솔레노이드 설계는 피투사체의 발사 성능을 좌우하며, 특히, 솔레노이드 코일의 직경에 따라 코일에 인가되는 최대전류, 솔레노이드의 축방향 턴수, 반경 방향 턴수가 결정된다.
액체연료나 고체연료를 연소시켜 추진력을 얻는 방법의 문제점은?
현재 우주시대를 위한 우주발사체 시스템의 연구가 활발히 진행중이며, 액체연료나 고체연료를 연소시켜 추진력을 얻는 방법을 많이 이용하고 있다. 이는 많은 비용이 요구될 뿐만 아니라 폭발의 위험성과 같이 실패할 가능성이 상당히 존재한다. 최근, 기존의 발사체 시스템을 대체하기 위해 전자기 발사 시스템에 대한 연구가 대두시되고 있다.
전자기 발사 장치란?
최근, 기존의 발사체 시스템을 대체하기 위해 전자기 발사 시스템에 대한 연구가 대두시되고 있다. 전자기 발사 장치란, 전자기 코일을 이용하여 고속의 자기 추진력을 발생시키는 시스템이다. 전자기 발사 시스템은 액체연료나 고체연료를 연소시킬 필요가 없으며, 이에 따른 환경문제 또한 발생하지 않는 장점이 있다.
참고문헌 (7)
J. H. Kim, S. W. Jeon, and J. Y. Kim, KARI 11, 127 (2013).
E. J. Yun, T. B. Lee, J. W. Kim, Y. S. Kim, C. H. Hong, and W. C. Seo, KIEE 1521 (2002).
S. J. Lee, J. H. Lee, D. Y. Lee, T. W. Seo, and J. H. Kim, KSMTE 23, 408 (2014).
S. J. Joo, J. M. Han, J. U. Jo, M. S. Lee, D. Park, J. U. Park, J. H. Byun, D. S. Kim, and G. S. Park, KIEE ICEMS Conferences 402 (2006).
S. J. Lee, J. H. Kim, B. S. Song, and J. H. Kim, J. Magn. 18, 481 (2013).
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