同步感應線圈炮實驗與仿真研究*

周長軍，張 濤，國 偉，樵軍謀，范 薇

(西北機電工程研究所，陜西咸陽 712099)

0 引言

相比于化學能發(fā)射，電磁發(fā)射能夠將彈丸加速到更高速度[1]。感應式線圈炮是電磁發(fā)射領域的一個重要分支，具有結構簡單，設計靈活，電樞和驅動線圈無機械直接接觸等優(yōu)點[2－3]，因而在炮彈發(fā)射、導彈發(fā)射、魚雷發(fā)射、火箭彈發(fā)射、飛機彈射及航天發(fā)射等技術領域將具有廣泛的軍事應用前景[3－4]。

美國桑迪亞國家實驗室對同步感應線圈炮進行了一系列深入的研究，成功設計和研制了多個試驗裝置，驗證了計算仿真程序和系統(tǒng)硬件的可靠性，成功的利用35級線圈炮將237g的彈丸加速到 1000m/s[5]。近年來，線圈炮的研究更加多樣化，桑迪亞實驗室和洛克希勒馬丁公司聯(lián)合進行了導彈彈射縮比樣機演示驗證，成功將650kg的載荷加速到12m/s[6]，并進行了多任務發(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用方面向前邁進了重要的一步。

文中詳細介紹了小規(guī)模4級同步感應線圈炮的設計，目的是為了驗證多級同步感應線圈發(fā)射能力，測試仿真結果的準確性。利用有限元軟件進行了仿真計算，通過對比仿真和實驗結果，對系統(tǒng)效率、電樞捕獲效應、彈丸等關鍵因素進行了討論和分析。

1 線圈炮設計

1.1 驅動線圈設計

線圈炮設計要求包括現(xiàn)實中易得的材料和硬件設備，裝配簡單，易于安裝和拆卸，在設計過程中能夠重復使用，系統(tǒng)集成度較高。同步感應線圈炮發(fā)射系統(tǒng)包括驅動線圈、脈沖功率電源、測控系統(tǒng)和彈丸。

圖1為同步感應線圈炮發(fā)射系統(tǒng)原理示意圖。線圈炮身管由多個相同口徑的同軸線圈串列而成，每級線圈由各自電源同步激發(fā)放電。電能儲存在電容器中，當光纖傳感器檢測到彈丸的位置時，激發(fā)控制系統(tǒng)在適當?shù)奈恢糜|發(fā)開關，驅動線圈內(nèi)通入脈沖電流，彈丸線圈在變化的磁場中產(chǎn)生了感應電流。電樞的徑向磁場分量和彈丸的周向電流相互作用，產(chǎn)生了推動彈丸的作用力，多級線圈逐級加速，直至彈丸出膛。

圖1 同步感應線圈炮原理圖

該發(fā)射系統(tǒng)的設計要求是:在脈沖電源最大儲能為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計目的，初步采用四級線圈發(fā)射器。四級線圈首尾相連形成一個整體身管，每個驅動線圈為獨立的模塊結構，這樣便于進行診斷和更換，以減小對剩余系統(tǒng)的影響。單級線圈的原理如圖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，一方面用來引導彈丸運動，另一方面對驅動線圈和彈丸起絕緣作用。當驅動線圈通入脈沖電流時，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)過外部包封裝置傳到了炮尾的支撐結構。

圖2 單線圈結構原理圖

隨著彈丸速度的增加，需要減小電流的上升時間，而電流的上升時間與驅動線圈的電感和電源的電容有關，因此，較為方便的作法是減小每級線圈的匝數(shù)。理想的線圈應具有較薄的徑向厚度和較短的軸向長度[3]。較薄的徑向厚度是為了增加驅動線圈和彈丸之間的磁耦合，這樣能夠增加系統(tǒng)的效率。較短的軸向長度是為了減小彈丸的徑向力。在設計過程中，考慮到機械結構和電參數(shù)的需要，使得具體設計與理想要求有所不同。在設計過程中充分考慮到實用性和方便性，采用方銅線，可有效減小電流趨附效應和線圈發(fā)熱。采用了多層線圈是為了增大驅動線圈的電感，減小線圈的峰值電流，在低速時電流上升時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。當電容器的充電電壓值達到設定值時，繼電器自動斷開充電回路。

每級線圈由各自的電容器組供電，每個電容器組拓撲結構相同，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。當觸發(fā)電路輸出控制信號接通開關時，電流通過同軸電纜饋接到相應的線圈。每級的電容器組包含1個二極管回路，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二極管電流的上升時間，保護二極管。

圖3 脈沖電源原理圖

1.3 激發(fā)控制系統(tǒng)

當彈丸在膛內(nèi)發(fā)射時，控制系統(tǒng)實時檢測彈丸的位置，在適當?shù)奈恢糜|發(fā)開關產(chǎn)生磁行波推動彈丸運動。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線圈之間，具體位置由仿真計算得到。當彈丸到達某級的激發(fā)位置時，光纖傳感器組件傳遞1個光信號給適配器，適配器將光信號轉變?yōu)殡娦盘柌⒎糯螅刂破鲗⒔邮盏降碾娦盘栠M行處理，控制電路將光信號轉化為電信號輸出。當脈沖電源的開關接收到來自控制系統(tǒng)的控制信號時，開關被觸發(fā)，相應線圈就被激發(fā)。

圖4 控制系統(tǒng)原理圖

1.4 彈丸設計

彈丸對發(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計，在試驗中經(jīng)常使用。由于彈丸在發(fā)射時不僅要受到推動力，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。螺線管彈丸是將細導線繞制在PVC絕緣管上，在末端進行焊接。采用了兩種形式的電樞:一種是圓筒型彈丸，質量分別為0.65kg和1kg，導體厚度均為6mm;另一種是繞線型彈丸，共80匝，質量為1kg。

2 線圈炮性能研究

2.1 仿真計算

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

圖5 仿真模型圖

彈丸的形式和質量對觸發(fā)位置有重要影響，而觸發(fā)位置最終影響效率。在仿真過程中，為了得到最高效率，對3種彈丸每一級線圈觸發(fā)位置進行了優(yōu)化。3種彈丸發(fā)射時系統(tǒng)總儲能均為84.5kJ。圓筒型彈丸和繞線型彈丸的仿真結果如圖6所示。該仿真結果可作為結構設計的參考依據(jù)。

2.2 試驗結果

根據(jù)仿真結果搭建了四級線圈炮發(fā)射系統(tǒng)，采用了Rogowski線圈測量驅動線圈的電流，采用了分流電阻測量電容器的電壓。采用了紅外測速系統(tǒng)測量彈丸的初速。實驗結果如表2所示。

圖6 電流與速度仿真波形

表2 試驗結果

1kg圓筒型彈丸實際測得的第2級和第3級試驗電流曲線如圖7所示。

圖7 試驗電流曲線

3 實驗分析

3.1 系統(tǒng)效率

相比于仿真結果，實驗測得的彈丸初速較低。對于1kg的圓筒型彈丸，仿真計算的速度為112m/s，系統(tǒng)效率為7.4%，實際測試的結果為92m/s，系統(tǒng)效率為5.0%。導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)射過程中是變化的。

由實驗可知，0.65kg彈丸的系統(tǒng)效率為6.0%，高于1kg彈丸的效率，這表明對于一定的儲能，發(fā)射系統(tǒng)存在一個最優(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彈丸的寄生質量大于0.65kg的寄生質量，寄生質量影響了整個系統(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，例如電磁導彈彈射系統(tǒng)，該裝置效率較低。其中一個重要的因素是磁耦合程度較低。驅動線圈的多層結構降低了驅動線圈和彈丸之間的耦合，減小了系統(tǒng)的效率。未來的研究應重點關注如何提高系統(tǒng)效率和增加驅動線圈和彈丸之間的耦合。

3.2 電樞捕獲效應

由圖6可知，1kg圓筒型彈丸具有明顯的電樞捕獲效應。當彈丸的速度達到最大值后，有一個明顯的下降，直到下一級激發(fā)時重新上升。這主要是由于彈丸在運動過程中受到一個反向的拖拽力。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、彈丸電流和驅動線圈和彈丸線圈之間的互感梯度。電路的拓撲結構決定驅動線圈電流是正向的，當彈丸通過線圈中心線后，電感梯度也是正向的。因此，拖拽力主要是由于感應電流的反向產(chǎn)生的。當發(fā)射大質量彈丸時，電流的上升時間與彈丸的加速時間不匹配，磁場的減小在電樞中感應了大的反向電流，從而產(chǎn)生了較大的拖拽力。對于大質量的彈丸，可以增加電源系統(tǒng)的能量，提高彈丸速度，減少磁場對彈丸的影響，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，磁場對彈丸的影響較小，因此拖拽力較小。

3.3 彈丸

進行了兩種形式的彈丸測試。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影響了圓筒型彈丸的電流分布，導致了額外的歐姆熱，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。但是這種電樞設計較為困難，在繞制完成后必須在尾部進行短路。對螺線管彈丸進行了試驗研究，結果表明，當電容器充電電壓達到4000V時，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)射過程中感生了較大的電流，整體結構須承受巨大的作用力。這種彈丸需要進一步進行分析和重新設計。雖然圓筒型彈丸效率略低，但是比較容易加工和實現(xiàn)，因此圓筒型彈丸可繼續(xù)應用于后續(xù)研究。

4 結束語

文中描述了四級線圈炮發(fā)射系統(tǒng)的組成以及設計要求，搭建了四級線圈發(fā)射器，脈沖功率電源，激發(fā)控制系統(tǒng)。通過實驗驗證了多級發(fā)射的能力，測試了仿真計算的準確性。

對兩種電樞進行了仿真和實驗。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%。試驗結果證明了該發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)射能力，驗證了模型的準確性和可行性，為下一步大規(guī)模多級發(fā)射器的設計提供了工程基礎。

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