詹 超， 向紅軍， 雷 彬

(軍械工程學(xué)院彈藥工程系， 河北 石家莊 050003)

基于電磁驅(qū)動(dòng)的引信動(dòng)態(tài)模擬研究

詹 超， 向紅軍， 雷 彬

(軍械工程學(xué)院彈藥工程系， 河北 石家莊 050003)

針對(duì)引信模擬試驗(yàn)傳統(tǒng)方法的不足，提出了將電磁發(fā)射技術(shù)應(yīng)用到引信模擬試驗(yàn)中。闡述了基于電磁驅(qū)動(dòng)的引信模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，建立了數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)對(duì)所建模型的仿真分析，驗(yàn)證了電磁發(fā)射技術(shù)在引信模擬試驗(yàn)中應(yīng)用的可行性，分析了充電電壓、電容和觸發(fā)位置對(duì)試驗(yàn)彈受力和速度的影響，結(jié)果表明：通過(guò)調(diào)節(jié)這些參數(shù)，可根據(jù)所模擬引信的要求改變?cè)囼?yàn)彈受力情況。

電磁驅(qū)動(dòng)；引信；動(dòng)態(tài)模擬

引信作為彈藥的控制部分，對(duì)彈藥的安全性和可靠性起著至關(guān)重要的作用。目前，對(duì)引信的性能檢驗(yàn)主要有靶場(chǎng)試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)[1]。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)裝置包括基于氣體炮和真空炮的試驗(yàn)[2-3]裝置以及基于小型火箭[4]的試驗(yàn)裝置，但是這些試驗(yàn)裝置都存在設(shè)備笨重、操作復(fù)雜、模擬結(jié)果不精確和模擬引信型號(hào)單一等缺點(diǎn)。電磁發(fā)射技術(shù)作為一種新的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，將其應(yīng)用到引信的模擬發(fā)射中，具有控制精確、適應(yīng)性好、結(jié)構(gòu)相對(duì)輕便以及可實(shí)現(xiàn)設(shè)備全電化等優(yōu)點(diǎn)。電磁發(fā)射技術(shù)興起于20世紀(jì)初，自20世紀(jì)60年代以來(lái)得到迅速發(fā)展[5-7]。目前，世界各國(guó)都將電磁發(fā)射技術(shù)作為未來(lái)武器系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式，美國(guó)在電磁發(fā)射技術(shù)領(lǐng)域一直處于世界領(lǐng)先地位[8]。電磁發(fā)射主要分為電磁軌道發(fā)射和電磁線圈發(fā)射，其中，線圈發(fā)射又分為同步感應(yīng)、異步感應(yīng)和螺旋線圈3類發(fā)射方式。由于同步感應(yīng)線圈發(fā)射方式具有彈丸無(wú)需連接外部電源、力學(xué)結(jié)構(gòu)合理、發(fā)射管為圓柱管狀等特點(diǎn)，相比較而言最適合作為引信動(dòng)態(tài)模擬的驅(qū)動(dòng)方式。同步感應(yīng)線圈炮模擬引信環(huán)境力作為一種新的方法，其研究主要集中在原理分析、仿真試驗(yàn)和樣機(jī)研制階段。由電磁線圈驅(qū)動(dòng)的試驗(yàn)彈速度主要由脈沖功率電源的儲(chǔ)能決定，由于受試驗(yàn)條件限制，現(xiàn)階段主要以低初速?gòu)椝幍囊艦檠芯繉?duì)象，如迫擊炮和槍榴彈引信。本文仿真模型基于槍榴彈引信模擬要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

引信動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)由直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、試驗(yàn)彈和接收裝置等組成，其中：直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由高功率脈沖電源(脈沖儲(chǔ)能電容器)、三電極間隙放電開(kāi)關(guān)、驅(qū)動(dòng)線圈、電樞及觸發(fā)控制電路等組成，如圖1所示；試驗(yàn)彈由引信加固裝置、電磁屏蔽裝置及內(nèi)置的引信體組成。電樞受電磁力作用向前推動(dòng)試驗(yàn)彈運(yùn)動(dòng)，完成引信膛內(nèi)受力的模擬。

圖1 直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基本組成

1.2 工作原理

驅(qū)動(dòng)線圈由高功率脈沖電源饋電，當(dāng)閉合開(kāi)關(guān)時(shí)，驅(qū)動(dòng)線圈在脈沖電流的作用下產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，使電樞產(chǎn)生感應(yīng)電流(渦流)，通過(guò)其與磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁力，推動(dòng)試驗(yàn)彈運(yùn)動(dòng)。對(duì)于膛內(nèi)加速時(shí)間長(zhǎng)或者膛壓曲線復(fù)雜的引信，可以設(shè)計(jì)多級(jí)加速。即當(dāng)被第1級(jí)加速的試驗(yàn)彈運(yùn)動(dòng)到第2級(jí)驅(qū)動(dòng)線圈的合適位置后，給第2級(jí)驅(qū)動(dòng)線圈饋電，電樞中感應(yīng)出的渦流與驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生電磁力，推動(dòng)發(fā)射組件繼續(xù)被加速。以此類推，試驗(yàn)彈被一系列驅(qū)動(dòng)線圈不斷加速，直到達(dá)到受力模擬要求。本文采用單級(jí)線圈驅(qū)動(dòng)，對(duì)電磁發(fā)射技術(shù)在引信中的應(yīng)用做初步的分析和論證。

2 數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型主要包括等效電路方程、動(dòng)力學(xué)方程和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。

2.1 等效電路方程

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的等效電路如圖2所示，其中：R0、L0分別為供電回路電阻和電感；R1、L1分別為驅(qū)動(dòng)線圈的電阻和電感；R2、L2分別為電樞的電阻和電感；C為電容器電容。為了消除回路中的反向電流，在回路中加入了續(xù)流硅堆D。

圖2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的等效電路

在t時(shí)刻，等效電路方程如下：

(1)

(2)

式中：U0為電容器初始充電電壓；M12為驅(qū)動(dòng)線圈與電樞的互感；i1為驅(qū)動(dòng)線圈回路電流；i2為電樞回路電流。

2.2 動(dòng)力學(xué)方程

對(duì)于彈丸受到的電磁力，可以采用電感法進(jìn)行計(jì)算，其依據(jù)[7]是：力是儲(chǔ)存能量在運(yùn)動(dòng)中的變化率，即在運(yùn)動(dòng)方向上的能量梯度。在理想情況下，圖2所示的單級(jí)感應(yīng)線圈炮在t時(shí)刻系統(tǒng)總儲(chǔ)能為

(3)

發(fā)射組件沿水平方向運(yùn)動(dòng)，自感項(xiàng)磁能不變化，只有互感項(xiàng)磁能隨位置變化。在不考慮摩擦力和空氣阻力影響的情況下，t時(shí)刻作用在發(fā)射組件上沿水平方向的力為

(4)

2.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

設(shè)裝有引信的試驗(yàn)彈質(zhì)量為mp，由引信驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程可得試驗(yàn)彈t時(shí)刻的加速度為

(5)

t時(shí)刻試驗(yàn)彈的速度為

(6)

t時(shí)刻試驗(yàn)彈的位移為

(7)

3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作過(guò)程動(dòng)態(tài)仿真

3.1 仿真模型

由于受電感梯度隨位置變化、驅(qū)動(dòng)線圈電流瞬間發(fā)電以及試驗(yàn)彈位置變化等因素的影響，試驗(yàn)彈所受驅(qū)動(dòng)力的理論計(jì)算十分困難。本文采用有限元分析軟件對(duì)所建立的模型進(jìn)行仿真，仿真模型如圖3所示。

圖3 仿真模型

采用電磁場(chǎng)有限元分析軟件對(duì)引信模擬發(fā)射模型進(jìn)行靜磁場(chǎng)仿真分析[9-10]。由于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，采用柱坐標(biāo)系(Z-R)仿真環(huán)境，可以簡(jiǎn)化為二維模型，這樣既可以保證計(jì)算精度，又可以大大降低計(jì)算量。

圖3給出的驅(qū)動(dòng)線圈發(fā)射器的仿真模型中，包括運(yùn)動(dòng)區(qū)域、求解區(qū)域、電樞及驅(qū)動(dòng)線圈。運(yùn)動(dòng)區(qū)域和求解區(qū)域的材料屬性分別設(shè)為空氣、真空。圖4給出了仿真區(qū)域的網(wǎng)格劃分情況，為了保證仿真計(jì)算精度，將彈丸、驅(qū)動(dòng)線圈及運(yùn)動(dòng)區(qū)域的網(wǎng)格劃分得比較密集，而將求解區(qū)域的網(wǎng)格劃分得相對(duì)比較稀疏。

圖4 仿真區(qū)域的網(wǎng)格劃分

在仿真過(guò)程中，通過(guò)外接電路的方式為驅(qū)動(dòng)線圈加載電壓，仿真外接電路如圖5所示。在外接電路中，脈沖儲(chǔ)能電容器的電壓設(shè)置為8 kV，電容設(shè)

圖5 仿真外接電路

置為1.2 mF，驅(qū)動(dòng)線圈的電阻為52 mΩ，仿真的起始時(shí)間為0 ms，終止時(shí)間為3 ms，仿真時(shí)間步長(zhǎng)為0.01 ms。

3.2 仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)果中，電壓、電流、電磁力和速度隨時(shí)間的變化曲線分別如圖6-9所示。從圖6可以看出：電容器的初始充電電壓為8 kV，放電開(kāi)始后，電壓逐漸下降，在1.2 ms時(shí)電容器兩端的電壓衰減到0 V。從圖7可以看出：驅(qū)動(dòng)線圈的放電電流先逐漸增大，在1 ms時(shí)驅(qū)動(dòng)線圈的最大放電電流為11 kA，此后驅(qū)動(dòng)線圈的電流逐漸衰減，直到0 A。從圖8可以看出：發(fā)射過(guò)程中，試驗(yàn)彈受到的電磁力先增大后減小，在1.05 ms時(shí)驅(qū)動(dòng)線圈電磁力最大，為68.9 kN，在試驗(yàn)彈總質(zhì)量為0.6 kg時(shí)，其最大加速度(即引信受到的最大過(guò)載)約為11.483×103g(g為重力加速度)。從時(shí)間上也可以看出：在驅(qū)動(dòng)線圈的放電電流達(dá)到最大值時(shí)，電磁力并沒(méi)有同步達(dá)到最大值，而是有0.05 ms的延遲。從圖9可以看出：試驗(yàn)彈經(jīng)過(guò)加速，電樞速度逐漸增大，在t=1.85 ms時(shí)得到的最大發(fā)射速度為107.8 m/s，此后近似做勻速運(yùn)動(dòng)。

圖6 電壓隨時(shí)間的變化曲線

圖7 電流隨時(shí)間的變化曲線

圖8 電磁力隨時(shí)間的變化曲線

圖9 速度隨時(shí)間的變化曲線

以上仿真結(jié)果表明：通過(guò)電磁直線加速器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)彈的加速，用以模擬引信發(fā)射過(guò)程中受到的最大直線加速慣性力。

4 充電電壓、電容和觸發(fā)位置對(duì)彈道特性的影響

4.1 充電電壓、電容對(duì)彈道特性的影響

1) 充電電壓對(duì)彈道特性的影響

在仿真模型和電路其他參數(shù)不變的情況下，分別設(shè)定充電電壓為5、6、7、8、9、10 kV。經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算，得到不同充電電壓下試驗(yàn)彈所受電磁力和速度隨時(shí)間的變化曲線，分別如圖10、11所示。

圖10 不同充電電壓下試驗(yàn)彈所受電磁力 隨時(shí)間的變化曲線

圖11 不同充電電壓下試驗(yàn)彈速度 隨時(shí)間的變化曲線

從圖10可以看出：充電電壓為5、6、7、8、9、10 kV時(shí)，試驗(yàn)彈受到的最大電磁力分別為23.4、35.9、51.5、68.9、89.5、110 kN，即隨著充電電壓的增大，試驗(yàn)彈受到的最大電磁力也在逐漸增大，并且所受電磁力的上升和下降速度也明顯增大。受力上升階段越陡，即所模擬的加速度越大，加速過(guò)程更加明顯，這表明：通過(guò)調(diào)整儲(chǔ)能電容器的充電電壓，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)引信受到的直線加速慣性力的調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)不同引信受到的直線加速慣性力的動(dòng)態(tài)模擬，滿足一種試驗(yàn)平臺(tái)可同時(shí)模擬多種引信的需要。

從圖11可以看出：不同充電電壓下試驗(yàn)彈的速度都是先上升，然后逐漸趨于平穩(wěn)；充電電壓為5、6、7、8、9、10 kV時(shí)，對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)彈最大初速分別為57.4、73.9、90.8、107.8、125.1、141.5 m/s，即隨著充電電壓的增大，試驗(yàn)彈的最大初速也在逐漸增大。

2) 充電電容對(duì)彈道特性的影響

在相同仿真模型以及充電電壓為8 kV且保持不變的情況下，改變充電電路電容為0.9、1.2、1.5、1.8 mF，仿真分析得到的試驗(yàn)彈所受電磁力和速度隨時(shí)間的變化曲線分別如圖12、13所示。

圖12 不同充電電容下試驗(yàn)彈所受電磁力 隨時(shí)間的變化曲線

圖13 不同充電電容下試驗(yàn)彈速度 隨時(shí)間的變化曲線

從圖12可以看出：充電電容為0.9 mF時(shí)，在t=0.95 ms時(shí)刻，試驗(yàn)彈受到的最大電磁力為49.5 kN；充電電容為1.2 mF時(shí)，在t=1.05 ms時(shí)刻，試驗(yàn)彈受到的最大電磁力為68.9 kN；充電電容為1.5 mF時(shí)，在t=1.1 ms時(shí)刻，試驗(yàn)彈受到的最大電磁力為86.2 kN；充電電容為1.8 mF時(shí),在t=1.15 ms時(shí)刻，試驗(yàn)彈受到的最大電磁力為100 kN?？梢?jiàn)：隨著充電電容的增大，試驗(yàn)彈受到的峰值過(guò)載逐漸增大，而且電磁力的上升和下降速度也在逐漸增大。

從圖13可以看出：隨著充電電容的增大，試驗(yàn)彈速度也在逐漸增大，充電電容為0.9、1.2、1.5、1.8 mF時(shí)，對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)彈峰值速度依次為89、107.8、123.5、136.2 m/s。

綜合分析電容器的充電電壓和充電電容可以看出：增大充電電容和充電電壓，都可以使試驗(yàn)彈受到的峰值過(guò)載和試驗(yàn)彈的速度增大。但增大充電電容會(huì)使試驗(yàn)彈受到的電磁力前沿更加陡峭，呈現(xiàn)尖峰狀態(tài)，這與引信實(shí)際的內(nèi)彈道特性存在一定的差異。因此，要使電磁力的上升沿或下降沿比較平緩，以模擬峰值過(guò)載的持續(xù)時(shí)間，可以通過(guò)綜合調(diào)整充電電壓、充電電容予以實(shí)現(xiàn)。

從分析結(jié)果也可以看出：通過(guò)調(diào)整充電電壓和充電電容，可以比較方便地調(diào)整試驗(yàn)彈的內(nèi)彈道特性，以模擬不同引信的直線加速慣性力。

4.2 觸發(fā)位置對(duì)彈道特性的影響

為分析不同初始位置對(duì)試驗(yàn)彈所受電磁力的影響，定義觸發(fā)位置s為驅(qū)動(dòng)線圈尾部到電樞尾部的距離。

在充電電壓為8 kV、充電電容為1.2 mF時(shí)，分析s=50，45，40，35，30 mm時(shí)的加速性能。利用圖5所示的仿真模型，通過(guò)仿真得到不同觸發(fā)位置下試驗(yàn)彈所受電磁力和試驗(yàn)彈速度隨時(shí)間的變化曲線，分別如圖14、15所示。

圖14 不同觸發(fā)位置下試驗(yàn)彈所受電磁力 隨時(shí)間的變化曲線

圖15 不同觸發(fā)位置下試驗(yàn)彈速度 隨時(shí)間的變化曲線

從圖14可以看出：隨著試驗(yàn)彈初始位置的變化，其受到的電磁力也發(fā)生了相應(yīng)變化,當(dāng)s=30 mm時(shí)，試驗(yàn)彈受到的電磁力在1.75 ms時(shí)達(dá)到最大值39.9 kN；當(dāng)s=35 mm時(shí)，試驗(yàn)彈受到的電磁力在1.25 ms時(shí)達(dá)到最大值59.1 kN；當(dāng)s=40 mm時(shí)，試驗(yàn)彈受到的電磁力在1.05 ms時(shí)達(dá)到最大值68.9 kN；當(dāng)s=45 mm時(shí)，試驗(yàn)彈受到的電磁力在1 ms時(shí)達(dá)到最大值76 kN；當(dāng)s=50 mm時(shí)，試驗(yàn)彈受到的電磁力在0.9 ms時(shí)達(dá)到最大值77.7 kN?？梢?jiàn)：隨著驅(qū)動(dòng)線圈尾部和電樞尾部之間距離的增大，試驗(yàn)彈受到的電磁力峰值在逐漸增大，但是峰值的持續(xù)時(shí)間在逐漸縮短；同時(shí)，隨著s的增大，電磁力的上升和下降時(shí)間也將縮短。因此，要延長(zhǎng)電磁力峰值的持續(xù)時(shí)間，也可以通過(guò)調(diào)整試驗(yàn)彈和驅(qū)動(dòng)線圈之間的相對(duì)位置來(lái)實(shí)現(xiàn)。

從圖15可以看出：試驗(yàn)彈初始位置的變化，不僅使驅(qū)動(dòng)線圈的放電電流和試驗(yàn)彈受到的電磁力發(fā)生了變化，同樣使試驗(yàn)彈的發(fā)射速度發(fā)生了變化，當(dāng)s=30 mm時(shí)，試驗(yàn)彈在2.5 ms時(shí)達(dá)到最大速度86.7 m/s；當(dāng)s=35 mm時(shí)，試驗(yàn)彈在2.1 ms時(shí)達(dá)到最大速度101 m/s；當(dāng)s=40 mm時(shí)，試驗(yàn)彈在1.85 ms時(shí)達(dá)到最大速度107.8 m/s；當(dāng)s=45 mm時(shí)，試驗(yàn)彈在1.75 ms時(shí)達(dá)到最大速度109 m/s；當(dāng)s=50 mm時(shí)，試驗(yàn)彈在1.7 ms時(shí)達(dá)到最大速度105.7 m/s。

5 結(jié)論

電磁線圈發(fā)射技術(shù)作為一種新的驅(qū)動(dòng)技術(shù)應(yīng)用到引信模擬試驗(yàn)中，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于不同的引信，通過(guò)調(diào)整充電電壓、電容和觸發(fā)位置，能夠精確控制試驗(yàn)彈受力和加速時(shí)間，使其符合所模擬引信的要求，實(shí)現(xiàn)了一套設(shè)備模擬多種不同類型引信的需求。研究結(jié)果將為后期單級(jí)或多級(jí)電磁線圈發(fā)射技術(shù)在引信模擬試驗(yàn)中的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

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(責(zé)任編輯:尚彩娟)

Research on Fuze Dynamic Simulation Based onElectromagnetic Coil Launcher

ZHAN Chao, XIANG Hong-jun, LEI Bin

(Department of Ammunition Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China)

Aiming at the limitations of traditional simulation test methods in fuze, the application of electromagnetic launch technology on the fuze simulation test is proposed. The fundamental constitution and working principle are elaborated, and the mathematical model of the working process is established. Through the simulation and analysis, feasibility of fuze test with electromagnetic launch technology is validated. The influence of the charging voltage, the capacitance and the trigger position on the force and speed are analyzed. The results show that: the force of the tested projectile can be changed according to the requirements of simulation of fuze by adjusting those parameters.

electromagnetic drive; fuze; dynamic simulation

1672-1497(2015)02-0056-05

2015-01-04

軍隊(duì)科研計(jì)劃項(xiàng)目

詹 超(1991-)，男，碩士研究生。

TJ430.6+8

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.02.011