郭 威，陳息坤，朱國(guó)慶，陳永健，張克松

(上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200444)

0 引 言

電磁發(fā)射裝置是通過(guò)電磁力來(lái)加速物體，即通過(guò)電磁能量轉(zhuǎn)換使彈丸達(dá)到高速的裝置。相比于傳統(tǒng)的化學(xué)發(fā)射裝置，電磁發(fā)射的顯著優(yōu)點(diǎn)在于污染小、重復(fù)性好、可控性好，因此應(yīng)用前景廣闊。根據(jù)發(fā)射結(jié)構(gòu)的差異，電磁發(fā)射可以分為軌道型、線圈型和重接型，其中線圈型發(fā)射依據(jù)加速對(duì)象的不同又分為感應(yīng)型和磁阻型兩類[1]。文獻(xiàn)[2]研究了不同彈丸參數(shù)下磁阻型線圈發(fā)射器相關(guān)特性。文獻(xiàn)[3]對(duì)不同速度、不同驅(qū)動(dòng)線圈電流條件下的減速力進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[4-6]通過(guò)有限元仿真研究了發(fā)射過(guò)程中彈丸相關(guān)參數(shù)的影響。

本文主要利用兩種脈沖成型網(wǎng)絡(luò)模塊的不同放電特性，與電磁發(fā)射裝置結(jié)合進(jìn)行整體設(shè)計(jì)和優(yōu)化，縮短了發(fā)射結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)了放電回路的過(guò)零后關(guān)斷，并且對(duì)后級(jí)觸發(fā)時(shí)序進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，有效提升了發(fā)射彈丸的出口速度。

1 系統(tǒng)工作原理及組成

磁阻型線圈發(fā)射器主要由發(fā)射線圈、鐵磁材料制成的彈丸、電源以及相應(yīng)放電回路、續(xù)流回路構(gòu)成，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電磁發(fā)射基本結(jié)構(gòu)

電磁發(fā)射裝置的基本工作原理是：電路開(kāi)關(guān)閉合后電源放電給線圈產(chǎn)生脈沖電流，驅(qū)動(dòng)線圈受激勵(lì)產(chǎn)生感生磁場(chǎng)，鐵磁材料彈丸被磁化，由于被磁化后的彈丸磁阻遠(yuǎn)小于空氣磁阻，根據(jù)磁阻最小原則，磁通總是趨向于沿磁導(dǎo)率最小的路徑閉合，所以彈丸會(huì)受到軸向的電磁力，向線圈中心即磁阻最小的方向移動(dòng)[7-8]，會(huì)被加速發(fā)射出去。

2 放電電路與發(fā)射線圈設(shè)計(jì)分析

2.1 Ⅰ型、Ⅱ型脈沖成型網(wǎng)絡(luò)模塊放電拓?fù)?/h3>

脈沖放電電路是磁阻電磁發(fā)射系統(tǒng)的主要組成部分，單個(gè)脈沖功率電源也稱作脈沖成型網(wǎng)絡(luò)(以下簡(jiǎn)稱PFN)[9]，基本工作原理是將晶閘管作為開(kāi)關(guān)，控制電容放電產(chǎn)生脈沖電流。圖2為兩種PFN模塊的電路拓?fù)?，包括?chǔ)能電容C、續(xù)流二極管D、開(kāi)關(guān)元件T、發(fā)射線圈L以及相應(yīng)的等效電感與電阻。PFN模塊在放電過(guò)程中，當(dāng)電容正向電流減小到零后，Ⅰ型電路中電容所在回路中斷，電容電流消失，不再產(chǎn)生能量損耗，而Ⅱ型電路存在反向充電電流，因此Ⅰ型PFN放電過(guò)程效率較高。但是由于Ⅱ型拓?fù)涞木чl管處于電感續(xù)流回路中，能夠?qū)崿F(xiàn)續(xù)流回路的過(guò)零后關(guān)斷，所以通過(guò)對(duì)發(fā)射線圈參數(shù)與Ⅰ型、Ⅱ型PFN模塊的整體設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的發(fā)射過(guò)程，從而提升電磁發(fā)射效率。

圖2 兩種PFN模塊

2.2 線圈對(duì)發(fā)射過(guò)程的影響

利用虛位移的原理，可以近似計(jì)算得到鐵磁彈丸在發(fā)射線圈中的受力，位移前后磁能變化量：

(1)

從而得到彈丸所受的軸向電磁力：

(2)

式中：χm為鐵磁材料磁化率；μ0為真空磁導(dǎo)率；H為驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度；A為驅(qū)動(dòng)線圈的截面積。

對(duì)于兩級(jí)發(fā)射結(jié)構(gòu)，兩級(jí)發(fā)射線圈的作用增加了彈丸的加速距離，并且抵消了部分電磁減速力，相比于單級(jí)發(fā)射結(jié)構(gòu)，有效提升了發(fā)射效果。

3 兩種PFN結(jié)合電磁發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

3.1 結(jié)合Ⅰ型、Ⅱ型PFN模塊整體設(shè)計(jì)

在現(xiàn)有的兩級(jí)發(fā)射結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本文對(duì)發(fā)射結(jié)構(gòu)與電路進(jìn)行了整體的優(yōu)化設(shè)計(jì)，圖3為發(fā)射結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 結(jié)合Ⅰ型、Ⅱ型PFN模塊設(shè)計(jì)的發(fā)射結(jié)構(gòu)

在發(fā)射線圈方面，將前級(jí)線圈與后級(jí)線圈設(shè)計(jì)成間距為0的緊貼結(jié)構(gòu)，利用前級(jí)線圈與后級(jí)線圈之間的互感，在后級(jí)線圈脈沖電流上升時(shí)，可使前級(jí)線圈的電感電流降低到零，并且縮短了發(fā)射結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度。在電路設(shè)計(jì)方面，結(jié)合Ⅰ型、Ⅱ型PFN模塊，前級(jí)線圈采用Ⅱ型PFN拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)續(xù)流回路過(guò)零關(guān)斷，能夠明顯降低電磁發(fā)射過(guò)程中的減速力作用效果；后級(jí)線圈采用Ⅰ型放電拓?fù)?，可降低電容放電過(guò)程能耗。

該發(fā)射裝置的工作過(guò)程：當(dāng)前級(jí)晶閘管T1觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，電容C1向前級(jí)線圈放電形成磁場(chǎng)，鐵磁彈丸加速運(yùn)動(dòng)。在T2觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，后級(jí)線圈產(chǎn)生脈沖電流與前級(jí)線圈互感，使得前級(jí)線圈電流快速衰減到零，之后Ⅱ型PFN模塊中T1過(guò)零后關(guān)斷，前級(jí)線圈所在回路斷開(kāi)，對(duì)彈丸的減速力作用消失，而后級(jí)采用能耗較低的Ⅰ型PFN拓?fù)洹?/p>

3.2 仿真模型搭建與參數(shù)設(shè)置

本文基于ANSYS Maxwell對(duì)發(fā)射裝置進(jìn)行有限元仿真，發(fā)射裝置模型如圖4所示。前后級(jí)電容參數(shù)相同，電容容值3 300 μF,電容初始電壓400 V,前級(jí)驅(qū)動(dòng)線圈匝數(shù)140匝，后級(jí)線圈匝數(shù)160匝,線圈材料為銅，線徑為1.5 mm,線圈內(nèi)半徑均為19 mm,線圈外半徑均為25 mm，彈丸半徑為18 mm,長(zhǎng)度60 mm，材料為10號(hào)鋼。

圖4 兩級(jí)發(fā)射器仿真模型

3.3 優(yōu)化前后仿真對(duì)比

分別對(duì)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)的前后兩級(jí)磁阻發(fā)射裝置進(jìn)行有限元仿真，圖5為兩級(jí)線圈上的電流變化曲線與速度變化曲線?？梢钥闯觯O(shè)計(jì)優(yōu)化后的系統(tǒng)在線圈電流過(guò)零后電路關(guān)斷，不再產(chǎn)生對(duì)彈丸的減速力，對(duì)彈丸的動(dòng)能損耗消失，磁場(chǎng)只產(chǎn)生于后級(jí)線圈，前級(jí)線圈不再對(duì)彈丸作功。最終出口速度由14.6 m/s提升到了16.5 m/s，動(dòng)能提升了21.8%，有了顯著的提升。

圖5 優(yōu)化前后電感電流與彈丸速度變化曲線

3.4 前級(jí)過(guò)零關(guān)斷電路可行性驗(yàn)證

對(duì)設(shè)計(jì)的發(fā)射裝置進(jìn)行搭建，圖6為整體優(yōu)化設(shè)計(jì)后的兩級(jí)磁阻發(fā)射實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。圖7為整體優(yōu)化設(shè)計(jì)前后的電容放電與前級(jí)線圈電流波形。由實(shí)驗(yàn)波形能夠看出，優(yōu)化后的前級(jí)線圈電流實(shí)現(xiàn)了過(guò)零后關(guān)斷，因此該設(shè)計(jì)方案具有可行性。

圖6 采用Ⅰ型、Ⅱ型PFN拓?fù)涞碾姶虐l(fā)射平臺(tái)

圖7 優(yōu)化前后電容電壓電流與前級(jí)線圈電流波形

3.5 后級(jí)線圈觸發(fā)時(shí)序優(yōu)化

在結(jié)合Ⅰ型、Ⅱ型PFN模塊所設(shè)計(jì)的發(fā)射裝置的基礎(chǔ)上，對(duì)后級(jí)線圈驅(qū)動(dòng)電路觸發(fā)時(shí)間t0進(jìn)行調(diào)整，使得在第二級(jí)電容放電的時(shí)間內(nèi)，彈丸所受軸向加速力作用時(shí)間長(zhǎng)，而在彈丸所受電磁力變?yōu)榉聪驕p速力時(shí)，作用時(shí)間短，所受電磁力小，進(jìn)一步提高發(fā)射彈丸的出口速度。

對(duì)第二級(jí)電路不同觸發(fā)時(shí)間的放電情況進(jìn)行仿真計(jì)算，圖8為彈丸速度變化曲線。在其他參數(shù)保持不變，分析得出經(jīng)過(guò)第一級(jí)線圈加速后的速度基本相同，而第二級(jí)線圈在不同觸發(fā)時(shí)間下，彈丸最終出口速度v隨t0變化。

圖8 不同觸發(fā)時(shí)間下彈丸速度隨時(shí)間的變化曲線

表1為對(duì)比不同觸發(fā)時(shí)間下的彈丸出口速度和動(dòng)能。可知，觸發(fā)時(shí)間過(guò)早或者過(guò)晚，出口速度都會(huì)下降，彈丸動(dòng)能損耗增加，當(dāng)t0=6 ms時(shí),出口速度v0=17.6 m/s,此時(shí)發(fā)射裝置發(fā)出的彈丸動(dòng)能達(dá)到最大,為76.8 J。

表1 不同觸發(fā)時(shí)間下彈丸出口速度及動(dòng)能

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于ANSYS Maxwell仿真軟件建立的兩級(jí)磁阻發(fā)射裝置仿真模型，結(jié)合使用Ⅰ型、Ⅱ型PFN模塊對(duì)電磁發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行整體優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用前后兩級(jí)線圈的互感作用，實(shí)現(xiàn)了發(fā)射過(guò)程中放電電路的過(guò)零關(guān)斷，有效縮短了減速距離，顯著提升了發(fā)射彈丸的出口速度，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)該設(shè)計(jì)可行性進(jìn)行了驗(yàn)證，最后在此基礎(chǔ)上對(duì)后級(jí)線圈的放電時(shí)序優(yōu)化調(diào)整，進(jìn)一步提升了發(fā)射彈丸的出口速度。