周長(zhǎng)軍，張 濤，國(guó) 偉，樵軍謀，范 薇

(西北機(jī)電工程研究所，陜西咸陽(yáng) 712099)

0 引言

相比于化學(xué)能發(fā)射，電磁發(fā)射能夠?qū)椡杓铀俚礁咚俣萚1]。感應(yīng)式線圈炮是電磁發(fā)射領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)靈活，電樞和驅(qū)動(dòng)線圈無(wú)機(jī)械直接接觸等優(yōu)點(diǎn)[2－3]，因而在炮彈發(fā)射、導(dǎo)彈發(fā)射、魚(yú)雷發(fā)射、火箭彈發(fā)射、飛機(jī)彈射及航天發(fā)射等技術(shù)領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V泛的軍事應(yīng)用前景[3－4]。

美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室對(duì)同步感應(yīng)線圈炮進(jìn)行了一系列深入的研究，成功設(shè)計(jì)和研制了多個(gè)試驗(yàn)裝置，驗(yàn)證了計(jì)算仿真程序和系統(tǒng)硬件的可靠性，成功的利用35級(jí)線圈炮將237g的彈丸加速到 1000m/s[5]。近年來(lái)，線圈炮的研究更加多樣化，桑迪亞實(shí)驗(yàn)室和洛克希勒馬丁公司聯(lián)合進(jìn)行了導(dǎo)彈彈射縮比樣機(jī)演示驗(yàn)證，成功將650kg的載荷加速到12m/s[6]，并進(jìn)行了多任務(wù)發(fā)射系統(tǒng)概念的研究[7]。這些研究成果使得線圈炮在工程化應(yīng)用方面向前邁進(jìn)了重要的一步。

文中詳細(xì)介紹了小規(guī)模4級(jí)同步感應(yīng)線圈炮的設(shè)計(jì)，目的是為了驗(yàn)證多級(jí)同步感應(yīng)線圈發(fā)射能力，測(cè)試仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。利用有限元軟件進(jìn)行了仿真計(jì)算，通過(guò)對(duì)比仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)系統(tǒng)效率、電樞捕獲效應(yīng)、彈丸等關(guān)鍵因素進(jìn)行了討論和分析。

1 線圈炮設(shè)計(jì)

1.1 驅(qū)動(dòng)線圈設(shè)計(jì)

線圈炮設(shè)計(jì)要求包括現(xiàn)實(shí)中易得的材料和硬件設(shè)備，裝配簡(jiǎn)單，易于安裝和拆卸，在設(shè)計(jì)過(guò)程中能夠重復(fù)使用，系統(tǒng)集成度較高。同步感應(yīng)線圈炮發(fā)射系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)線圈、脈沖功率電源、測(cè)控系統(tǒng)和彈丸。

圖1為同步感應(yīng)線圈炮發(fā)射系統(tǒng)原理示意圖。線圈炮身管由多個(gè)相同口徑的同軸線圈串列而成，每級(jí)線圈由各自電源同步激發(fā)放電。電能儲(chǔ)存在電容器中，當(dāng)光纖傳感器檢測(cè)到彈丸的位置時(shí)，激發(fā)控制系統(tǒng)在適當(dāng)?shù)奈恢糜|發(fā)開(kāi)關(guān)，驅(qū)動(dòng)線圈內(nèi)通入脈沖電流，彈丸線圈在變化的磁場(chǎng)中產(chǎn)生了感應(yīng)電流。電樞的徑向磁場(chǎng)分量和彈丸的周向電流相互作用，產(chǎn)生了推動(dòng)彈丸的作用力，多級(jí)線圈逐級(jí)加速，直至彈丸出膛。

圖1 同步感應(yīng)線圈炮原理圖

該發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求是:在脈沖電源最大儲(chǔ)能為0.2MJ的條件下加速外徑為60mm的彈丸。根據(jù)脈沖電源的形式和設(shè)計(jì)目的，初步采用四級(jí)線圈發(fā)射器。四級(jí)線圈首尾相連形成一個(gè)整體身管，每個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈為獨(dú)立的模塊結(jié)構(gòu)，這樣便于進(jìn)行診斷和更換，以減小對(duì)剩余系統(tǒng)的影響。單級(jí)線圈的原理如圖2所示，它由內(nèi)筒、線圈、絕緣材料和包封組成。內(nèi)筒由環(huán)氧材料制成，一方面用來(lái)引導(dǎo)彈丸運(yùn)動(dòng)，另一方面對(duì)驅(qū)動(dòng)線圈和彈丸起絕緣作用。當(dāng)驅(qū)動(dòng)線圈通入脈沖電流時(shí)，線圈的徑向力被約束在外部的包封裝置中，線圈的軸向力經(jīng)過(guò)外部包封裝置傳到了炮尾的支撐結(jié)構(gòu)。

圖2 單線圈結(jié)構(gòu)原理圖

隨著彈丸速度的增加，需要減小電流的上升時(shí)間，而電流的上升時(shí)間與驅(qū)動(dòng)線圈的電感和電源的電容有關(guān)，因此，較為方便的作法是減小每級(jí)線圈的匝數(shù)。理想的線圈應(yīng)具有較薄的徑向厚度和較短的軸向長(zhǎng)度[3]。較薄的徑向厚度是為了增加驅(qū)動(dòng)線圈和彈丸之間的磁耦合，這樣能夠增加系統(tǒng)的效率。較短的軸向長(zhǎng)度是為了減小彈丸的徑向力。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到機(jī)械結(jié)構(gòu)和電參數(shù)的需要，使得具體設(shè)計(jì)與理想要求有所不同。在設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮到實(shí)用性和方便性，采用方銅線，可有效減小電流趨附效應(yīng)和線圈發(fā)熱。采用了多層線圈是為了增大驅(qū)動(dòng)線圈的電感，減小線圈的峰值電流，在低速時(shí)電流上升時(shí)間能夠與彈丸較好的匹配。線圈的具體參數(shù)如表1所示。

表1 線圈參數(shù)

1.2 脈沖功率電源

脈沖功率電源包括充電回路和電容器模塊。所有的電容器模塊都連接到充電回路中。當(dāng)電容器的充電電壓值達(dá)到設(shè)定值時(shí)，繼電器自動(dòng)斷開(kāi)充電回路。

每級(jí)線圈由各自的電容器組供電，每個(gè)電容器組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同，參數(shù)一致。單模塊電容器組電路模型如圖3所示，電容為1mF，額定電壓為10kV。當(dāng)觸發(fā)電路輸出控制信號(hào)接通開(kāi)關(guān)時(shí)，電流通過(guò)同軸電纜饋接到相應(yīng)的線圈。每級(jí)的電容器組包含1個(gè)二極管回路，目的是為了短路線圈，防止電容器反向充電。與二極管串聯(lián)的電阻是為了減小通過(guò)二極管電流的上升時(shí)間，保護(hù)二極管。

圖3 脈沖電源原理圖

1.3 激發(fā)控制系統(tǒng)

當(dāng)彈丸在膛內(nèi)發(fā)射時(shí)，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)彈丸的位置，在適當(dāng)?shù)奈恢糜|發(fā)開(kāi)關(guān)產(chǎn)生磁行波推動(dòng)彈丸運(yùn)動(dòng)。激發(fā)控制系統(tǒng)的原理如圖4所示，它包含控制器、適配器、光纖傳感器組件等。光纖傳感器位于相鄰的兩個(gè)線圈之間，具體位置由仿真計(jì)算得到。當(dāng)彈丸到達(dá)某級(jí)的激發(fā)位置時(shí)，光纖傳感器組件傳遞1個(gè)光信號(hào)給適配器，適配器將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)并放大，控制器將接收到的電信號(hào)進(jìn)行處理，控制電路將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出。當(dāng)脈沖電源的開(kāi)關(guān)接收到來(lái)自控制系統(tǒng)的控制信號(hào)時(shí)，開(kāi)關(guān)被觸發(fā)，相應(yīng)線圈就被激發(fā)。

圖4 控制系統(tǒng)原理圖

1.4 彈丸設(shè)計(jì)

彈丸對(duì)發(fā)射性能具有重要的影響[8]。由于圓筒型彈丸易于分析和設(shè)計(jì)，在試驗(yàn)中經(jīng)常使用。由于彈丸在發(fā)射時(shí)不僅要受到推動(dòng)力，還要受到徑向的壓縮力，因此在彈丸內(nèi)部需要填充一定的絕緣材料。螺線管彈丸是將細(xì)導(dǎo)線繞制在PVC絕緣管上，在末端進(jìn)行焊接。采用了兩種形式的電樞:一種是圓筒型彈丸，質(zhì)量分別為0.65kg和1kg，導(dǎo)體厚度均為6mm;另一種是繞線型彈丸，共80匝，質(zhì)量為1kg。

2 線圈炮性能研究

2.1 仿真計(jì)算

由于仿真計(jì)算可以有效的降低成本，提高效率，因此通常利用仿真估計(jì)復(fù)雜系統(tǒng)的性能。利用二維有限元仿真軟件建立了四級(jí)線圈炮系統(tǒng)模型[9]。仿真模型如圖5所示。在這個(gè)模型中僅包含了導(dǎo)電元件，為了得到與實(shí)際一致的仿真結(jié)果，考慮了級(jí)間的耦合效應(yīng)。外電路仿真模型與脈沖功率電源一致。

圖5 仿真模型圖

彈丸的形式和質(zhì)量對(duì)觸發(fā)位置有重要影響，而觸發(fā)位置最終影響效率。在仿真過(guò)程中，為了得到最高效率，對(duì)3種彈丸每一級(jí)線圈觸發(fā)位置進(jìn)行了優(yōu)化。3種彈丸發(fā)射時(shí)系統(tǒng)總儲(chǔ)能均為84.5kJ。圓筒型彈丸和繞線型彈丸的仿真結(jié)果如圖6所示。該仿真結(jié)果可作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)仿真結(jié)果搭建了四級(jí)線圈炮發(fā)射系統(tǒng)，采用了Rogowski線圈測(cè)量驅(qū)動(dòng)線圈的電流，采用了分流電阻測(cè)量電容器的電壓。采用了紅外測(cè)速系統(tǒng)測(cè)量彈丸的初速。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

圖6 電流與速度仿真波形

表2 試驗(yàn)結(jié)果

1kg圓筒型彈丸實(shí)際測(cè)得的第2級(jí)和第3級(jí)試驗(yàn)電流曲線如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)電流曲線

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 系統(tǒng)效率

相比于仿真結(jié)果，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的彈丸初速較低。對(duì)于1kg的圓筒型彈丸，仿真計(jì)算的速度為112m/s，系統(tǒng)效率為7.4%，實(shí)際測(cè)試的結(jié)果為92m/s，系統(tǒng)效率為5.0%。導(dǎo)致這種差別的主要因素為:材料的屬性不確定，忽略了電樞的歐姆熱，電路的參數(shù)在發(fā)射過(guò)程中是變化的。

由實(shí)驗(yàn)可知，0.65kg彈丸的系統(tǒng)效率為6.0%，高于1kg彈丸的效率，這表明對(duì)于一定的儲(chǔ)能，發(fā)射系統(tǒng)存在一個(gè)最優(yōu)效率。由于這兩種彈丸的厚度相同，有效加速部分相同，而1kg彈丸的寄生質(zhì)量大于0.65kg的寄生質(zhì)量，寄生質(zhì)量影響了整個(gè)系統(tǒng)的性能，因此1kg彈丸的系統(tǒng)效率受到了影響。

相比于其它電磁發(fā)射裝置，例如電磁導(dǎo)彈彈射系統(tǒng)，該裝置效率較低。其中一個(gè)重要的因素是磁耦合程度較低。驅(qū)動(dòng)線圈的多層結(jié)構(gòu)降低了驅(qū)動(dòng)線圈和彈丸之間的耦合，減小了系統(tǒng)的效率。未來(lái)的研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注如何提高系統(tǒng)效率和增加驅(qū)動(dòng)線圈和彈丸之間的耦合。

3.2 電樞捕獲效應(yīng)

由圖6可知，1kg圓筒型彈丸具有明顯的電樞捕獲效應(yīng)。當(dāng)彈丸的速度達(dá)到最大值后，有一個(gè)明顯的下降，直到下一級(jí)激發(fā)時(shí)重新上升。這主要是由于彈丸在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到一個(gè)反向的拖拽力。彈丸的受力可表示為:

式中:Id為線圈電流;Ip為彈丸電流;M為互感;x為位移。

由式(1)可以看出，彈丸的受力正比于線圈電流、彈丸電流和驅(qū)動(dòng)線圈和彈丸線圈之間的互感梯度。電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定驅(qū)動(dòng)線圈電流是正向的，當(dāng)彈丸通過(guò)線圈中心線后，電感梯度也是正向的。因此，拖拽力主要是由于感應(yīng)電流的反向產(chǎn)生的。當(dāng)發(fā)射大質(zhì)量彈丸時(shí)，電流的上升時(shí)間與彈丸的加速時(shí)間不匹配，磁場(chǎng)的減小在電樞中感應(yīng)了大的反向電流，從而產(chǎn)生了較大的拖拽力。對(duì)于大質(zhì)量的彈丸，可以增加電源系統(tǒng)的能量，提高彈丸速度，減少磁場(chǎng)對(duì)彈丸的影響，減小拖拽力。由圖6還可以看出，繞線彈丸的電樞捕獲效應(yīng)不明顯，這主要是由于繞線式彈丸感生電流比較均勻，峰值電流密度小，磁場(chǎng)對(duì)彈丸的影響較小，因此拖拽力較小。

3.3 彈丸

進(jìn)行了兩種形式的彈丸測(cè)試。由圖6可以看出，相比于圓筒型彈丸，繞線型彈丸具有較高的效率。這主要由于趨膚效應(yīng)影響了圓筒型彈丸的電流分布，導(dǎo)致了額外的歐姆熱，影響了系統(tǒng)效率。螺線管彈丸電流分布均勻，能夠減小局部發(fā)熱，性能較好。但是這種電樞設(shè)計(jì)較為困難，在繞制完成后必須在尾部進(jìn)行短路。對(duì)螺線管彈丸進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，當(dāng)電容器充電電壓達(dá)到4000V時(shí)，螺線管彈丸在彎折處發(fā)生了斷裂，表明螺線管線圈在發(fā)射過(guò)程中感生了較大的電流，整體結(jié)構(gòu)須承受巨大的作用力。這種彈丸需要進(jìn)一步進(jìn)行分析和重新設(shè)計(jì)。雖然圓筒型彈丸效率略低，但是比較容易加工和實(shí)現(xiàn)，因此圓筒型彈丸可繼續(xù)應(yīng)用于后續(xù)研究。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中描述了四級(jí)線圈炮發(fā)射系統(tǒng)的組成以及設(shè)計(jì)要求，搭建了四級(jí)線圈發(fā)射器，脈沖功率電源，激發(fā)控制系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了多級(jí)發(fā)射的能力，測(cè)試了仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性。

對(duì)兩種電樞進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)。利用該發(fā)射系統(tǒng)將650g的圓筒型彈丸加速到125 m/s，效率為6%，將1kg的圓筒型彈丸加速到92m/s，效率為5%。試驗(yàn)結(jié)果證明了該發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)射能力，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性和可行性，為下一步大規(guī)模多級(jí)發(fā)射器的設(shè)計(jì)提供了工程基礎(chǔ)。

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