蘇子舟 國(guó)偉 張濤 陳彥輝 任 人

（西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099）

1 引言

電磁發(fā)射技術(shù)是將電能轉(zhuǎn)化為電磁能，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為拋體動(dòng)能，借助電磁力做功，把拋體發(fā)射出去，從而完成對(duì)拋體推進(jìn)的技術(shù)，具有發(fā)射速度高、能源簡(jiǎn)易、性能優(yōu)良、效率高、可控性好和結(jié)構(gòu)多樣等優(yōu)點(diǎn)。從本質(zhì)上說，是變化的磁場(chǎng)在特定結(jié)構(gòu)拋體（電樞）內(nèi)產(chǎn)生渦流，渦流又與變化的磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生電磁力加速拋體運(yùn)動(dòng)。

電磁炮就是利用電磁力加速炮彈，使炮彈達(dá)到超高速的電磁發(fā)射裝置。電磁炮按結(jié)構(gòu)和原理不同可分為軌道炮、線圈炮、重接炮三種。作為本文研究對(duì)象的線圈炮在相同電流條件下，具有效率高、推力大、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，線圈炮也存在結(jié)構(gòu)、測(cè)定和控制系統(tǒng)復(fù)雜、高同步性要求等問題。

在單級(jí)感應(yīng)線圈炮系統(tǒng)中，彈丸所能獲得的速度隨彈丸初始位置的變化而變化。在給定的條件下，通過調(diào)節(jié)彈丸初始位置，能夠獲得一個(gè)最大速度，這個(gè)發(fā)射位置就叫做最佳初始位置。最佳初始位置一般是在沒有配重的情況下確定的。實(shí)際上，拋體電樞只是彈丸的一部分，另外還包括引信、裝藥、殼體、定位導(dǎo)航系統(tǒng)等部分，所以有必要深入研究彈丸配重對(duì)線圈炮彈丸運(yùn)動(dòng)性能的影響。這里就引出一個(gè)問題，即不同配重對(duì)彈丸受力運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律。對(duì)于這兩者之間的關(guān)系，由于試驗(yàn)研究的成本較高，往往只選擇有代表性的進(jìn)行定性研究。因此，為了定量分析這兩者之間的關(guān)系，本文應(yīng)用有限元分析軟件 maxwell對(duì)單級(jí)感應(yīng)線圈炮系統(tǒng)配重與彈丸最佳初始位置之間的關(guān)系進(jìn)行了定量研究，為以后同步感應(yīng)線圈炮彈丸配重問題的研究提供理論參考。

2 同步感應(yīng)線圈炮工作原理

線圈炮是受直線電動(dòng)機(jī)原理的啟發(fā)設(shè)計(jì)的，利用線圈磁場(chǎng)給彈丸加速。炮身由一個(gè)或多個(gè)線圈組成，相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)定子線圈；彈丸類似電動(dòng)機(jī)的動(dòng)子，在驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用下發(fā)射出去。線圈炮包括磁阻線圈炮、脈沖感應(yīng)線圈炮、同步及異步感應(yīng)線圈炮、電刷換向螺旋線圈炮、無刷螺旋線圈炮和磁化彈丸行波炮等。

圖1 單級(jí)感應(yīng)線圈炮工作原理

感應(yīng)線圈炮利用多個(gè)脈沖電源對(duì)各級(jí)線圈同步放電和彈丸內(nèi)的磁通交變感應(yīng)加速?gòu)椡柽\(yùn)動(dòng)。炮管由多個(gè)同口徑、同軸線圈串列而成，彈丸受力拋體為銅質(zhì)空心圓筒。當(dāng)彈丸到達(dá)第1個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈的適當(dāng)位置時(shí)，該驅(qū)動(dòng)線圈放電，其磁場(chǎng)在彈丸內(nèi)變化，彈丸感應(yīng)產(chǎn)生電流，磁場(chǎng)與感應(yīng)電流相互作用，推動(dòng)彈丸前進(jìn)；然后經(jīng)第2、3、4個(gè)線圈……直至最后1個(gè)線圈，逐級(jí)把彈丸加速到很高的速度。其中單級(jí)感應(yīng)線圈炮的工作原理，如圖1所示。

為方便分析，把驅(qū)動(dòng)線圈和彈丸線圈簡(jiǎn)化成圖1所示的電流環(huán) C1和 C2。當(dāng)線圈 C1通以變化的電流id時(shí)，在線圈周圍產(chǎn)生變化磁場(chǎng)；當(dāng)線圈C2的截面中磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，由電磁感應(yīng)定律可知C2中有電流ip流動(dòng)。設(shè)彈丸與驅(qū)動(dòng)線圈之間的互感為M，則可得作用在彈丸上的驅(qū)動(dòng)力

產(chǎn)生與軸線水平和垂直兩個(gè)方向的作用力。垂直方向上的電磁力的作用效果是把線圈 C2向內(nèi)壓縮；水平方向的電磁力的作用效果是推動(dòng)彈丸在水平方向運(yùn)動(dòng)，它是決定彈丸線圈出口速度的最重要因素。前者可以減小電磁發(fā)射時(shí)的摩擦力；后者可以應(yīng)用于電磁加速。對(duì)于同步感應(yīng)線圈炮由于驅(qū)動(dòng)線圈電流和感應(yīng)電流方向是相反的，僅存在排斥方式的電磁力，只有當(dāng)彈丸線圈的中心面越過驅(qū)動(dòng)線圈的中心面時(shí)才能放電。

3 彈丸配重與最佳初始位置計(jì)算

彈丸初速高可以增大彈丸射程和穿甲能力，還可以縮短射擊的提前量，進(jìn)而提高命中率，因此可以認(rèn)為炮口初速是影響線圈炮性能的最重要參數(shù)之一。以下研究確定彈丸最佳初始發(fā)射位置均以獲得最高炮口初速為標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 仿真研究

本文所研究的單級(jí)感應(yīng)線圈炮系統(tǒng)采用電容器儲(chǔ)能，電容器參數(shù)見表1，驅(qū)動(dòng)線圈參數(shù)見表2，彈丸參數(shù)見表3。

表1 電容器參數(shù)

表2 線圈參數(shù)

表3 彈丸參數(shù)

初始位置d定義為彈丸的后端與線圈的末端之間的距離，如圖2所示。

根據(jù)以上初始條件，利用maxwell 軟件建立該線圈炮系統(tǒng)模型，通過調(diào)節(jié)參數(shù)，研究該線圈炮的性能。

圖2 彈丸初始發(fā)射位置示意圖

3.2 配重為0時(shí)最佳初始位置計(jì)算

利用 maxwell 軟件計(jì)算彈丸配重為 0（即不配重）時(shí)，不同初始位置的出口速度，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 不同初始位置下最大速度

從圖 3、表 4可以很清晰的看出，初始位置取值從5mm增加到100mm的過程中，速度從59.7m/s增大到101m/s再減小到11.2m/s，確實(shí)存在一個(gè)使出口速度達(dá)到最大的最佳初始位置。對(duì)于本單級(jí)線圈炮系統(tǒng)最佳初始發(fā)射位置為d=42mm處，出口速度達(dá)到101m/s。在發(fā)射位置從38mm增加到45mm的過程中，出口速度都在100m/s以上，相差在1%以內(nèi)，也就是說雖然在 d=42時(shí)才取得最大出口速度，但在這個(gè)小范圍內(nèi)出口速度對(duì)初始發(fā)射位置不是很敏感，這有利于控制驅(qū)動(dòng)線圈觸發(fā)。

3.3 彈丸不同配重最佳初始位置計(jì)算

改變彈丸的配重主要是基于以下考慮：

圖3 初始發(fā)射位置與出口速度曲線

目前炮彈的主要?dú)δ苓€是由裝藥實(shí)現(xiàn)的，配重能力大也就意味著裝藥能力強(qiáng)。另外，至少實(shí)際使用的彈丸形狀不會(huì)是純粹的圓筒狀，以更符合空氣動(dòng)力學(xué)，同時(shí)試驗(yàn)研究中要在彈丸上加裝加速度傳感器等測(cè)控設(shè)備，這些都要求深入研究彈丸配重對(duì)線圈炮性能的影響。

表5 不同配重時(shí)最佳初始位置及出口速度

在 maxwell 軟件中改變配重可以很容易的實(shí)現(xiàn)，只要設(shè)置不同的彈丸質(zhì)量就可以實(shí)現(xiàn)，一定程度上相當(dāng)于在不改變銅的性狀的前提下，改變銅的密度。求取最佳初始發(fā)射位置的過程和配重為0時(shí)完全相同，在此不再一一贅述，只列出結(jié)果。不同配重時(shí)最佳初始位置及出口速度見表 5，配重與最佳初始位置和速度曲線如圖4所示，配重效率曲線如圖5所示。

圖4 配重與最佳初始位置和速度曲線

圖5 配重效率曲線

表5中配重相對(duì)值表示配重是彈丸重量的倍數(shù)，如0.5表示彈丸重為0.6384kg時(shí)，則配重為0.3192kg，即彈丸配重是彈丸重量的一半，其它依此類推。這里，效率 η定義為彈丸動(dòng)能與電容器初始儲(chǔ)能的比值

配重相對(duì)值為0.5時(shí)，線圈炮效率

3.4 結(jié)論

（1）隨著配重增加，最佳初始位置d增加。這是因?yàn)閺椡枋芰Σ蛔兌渲卦黾樱瑥椡杷俣冉档?，使得彈丸不能擺脫電流下降沿對(duì)其影響。發(fā)射位置d增大，可以減小電流下降沿的不利影響，從而增加出口速度。

（2）隨著配重增加，即便在最佳初始位置發(fā)射，無論是彈丸出口速度還是效率都降低。

（3）配重增加到一定程度，如16倍以上，最佳發(fā)射位置失去意義，因?yàn)榇藭r(shí)線圈炮的效率太低。另外，配重大時(shí)由重力引起的摩擦力此時(shí)已經(jīng)不可忽略，實(shí)際中此時(shí)彈丸根本發(fā)射不出去，情況類似于電機(jī)的堵轉(zhuǎn)。也就是說對(duì)于給定的線圈炮系統(tǒng)，配重存在著極限，超過這個(gè)極限最佳初始位置失去意義，彈丸配重就更無從談起。

4 結(jié)論

通過對(duì)給定單級(jí)線圈炮系統(tǒng)的計(jì)算，可以得出如下結(jié)論，彈丸配重對(duì)最佳初始位置影響很大，隨著配重增加，最佳初始位置d增大、出口速度降低、效率降低，為以后的工程實(shí)踐提供參考。

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