一種導(dǎo)軌一線圈復(fù)合型電磁發(fā)射器的分析與仿真

魏登武，劉少克，鄭明華

(國(guó)防科技大學(xué)，湖南長(zhǎng)沙410073)

摘要：分析了一種導(dǎo)軌一線圈復(fù)合型電磁發(fā)射器的工作原理，建立了其電路模型和動(dòng)力學(xué)模型；在理論分析的基礎(chǔ)上，利用有限元軟件Maxwell對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)有限元數(shù)值計(jì)算，得到了彈丸發(fā)射過(guò)程中的磁場(chǎng)分布，進(jìn)一步得出了其電路模型和動(dòng)力學(xué)模型中的電感、電感梯度與彈丸位置的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，利用動(dòng)態(tài)仿真軟件Matlab／simulink仿真分析了這種復(fù)合型發(fā)射器的動(dòng)態(tài)特性。分析和仿真結(jié)果最示，該導(dǎo)軌線圈復(fù)合型發(fā)射器能使被發(fā)射物體獲得導(dǎo)軌和線圈兩種推力的共同作用，可以將大質(zhì)量物體加速到相對(duì)高的速度。

    關(guān)鍵詞：線圈一導(dǎo)軌復(fù)合型發(fā)射器；電磁發(fā)射；有限元；磁場(chǎng)分布；電感梯度

    中圖分類號(hào)：TM301．4⁺4  文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A  文章編號(hào)：1004—7018(2010)05一0025—04

O引  言

    電磁發(fā)射具有速度高、能源簡(jiǎn)易、效率高、性能優(yōu)良、可控性好和結(jié)構(gòu)多樣等顯著優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)軍事和民用相關(guān)領(lǐng)域有著重大的意義和應(yīng)用潛力^[1-3]。從結(jié)構(gòu)和工作原理上可分為導(dǎo)軌炮、線圈炮和重接炮三類。導(dǎo)軌炮和線圈炮是電磁炮的兩種主要類型。導(dǎo)軌炮是目前研究的主流方向，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制、能夠?qū)崿F(xiàn)超高速發(fā)射等優(yōu)點(diǎn)，但是發(fā)射效率低，需要功率高、電流大，并且發(fā)射物體質(zhì)量小，存在燒蝕、導(dǎo)軌刨削、電樞電接觸的轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象。線圈炮具有發(fā)射效率高、能夠發(fā)射大質(zhì)量物體的優(yōu)點(diǎn)，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要根據(jù)彈丸位置同步控制驅(qū)動(dòng)線圈中電流的通斷，單級(jí)線圈加速有限，需多級(jí)加速，而多級(jí)之間的響應(yīng)是制約線圈炮發(fā)展的重要因素之一。由于兩種發(fā)射類型具有互補(bǔ)性，導(dǎo)軌線圈復(fù)合型發(fā)射器綜合了各自的優(yōu)勢(shì)，它能使發(fā)射體獲得導(dǎo)軌和線圈兩種推力共同作用，可以將大質(zhì)量物體加速到相對(duì)高的速度。

1結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程

    導(dǎo)軌一線圈復(fù)合型電磁發(fā)射器如圖1所示。整個(gè)發(fā)射器由多級(jí)導(dǎo)軌和線圈組成，各級(jí)分離排列，由獨(dú)立的電源供電。每級(jí)中驅(qū)動(dòng)線圈和兩軌道串聯(lián)連接。其工作過(guò)程如下：當(dāng)彈丸線圈剛好通過(guò)驅(qū)動(dòng)線圈的中心位置時(shí)，電源對(duì)該級(jí)放電，電流經(jīng)過(guò)上導(dǎo)軌、電樞、下導(dǎo)軌和驅(qū)動(dòng)線圈構(gòu)成回路。兩條軌道和電樞按軌道炮的原理工作；同時(shí)，驅(qū)動(dòng)線圈中的脈沖電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)將在彈丸線圈中感應(yīng)出渦流，兩線圈以同步感應(yīng)線圈發(fā)射器的工作方式產(chǎn)生推力。因此，動(dòng)子在發(fā)射通道內(nèi)所受的力是導(dǎo)軌發(fā)射器和同步感應(yīng)線圈發(fā)射器的推力之和。

2理論分析

    以電容作為供電電源，可建立單級(jí)導(dǎo)軌線圈復(fù)合型發(fā)射器的電路模型，如圖2所示。圖中，R_r為導(dǎo)軌和電樞的可變電阻；R_d和R_p分別為驅(qū)動(dòng)線 圈和彈丸線圈的電阻；L_dr為導(dǎo)軌和驅(qū)動(dòng)線圈電感；L_p(常數(shù))是彈丸線圈電感；M_dp為驅(qū)動(dòng)線圈和彈丸線圈的互感；M_rp為導(dǎo)軌和彈丸線圈的互感。假設(shè)導(dǎo)軌一電樞一驅(qū)動(dòng)線圈回路中的電流為id，彈丸線圈中的電流為ip，則系統(tǒng)的磁場(chǎng)能：

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律和基爾霍夫定律可得到電源電壓和驅(qū)動(dòng)線圈兩端電壓：

其中，導(dǎo)軌電樞回路與彈丸線圈間的互感M_rp很弱，可以忽略。

   在很短的時(shí)間出內(nèi)，磁場(chǎng)能增量、彈丸動(dòng)能增量、電阻發(fā)熱及電源做功，滿足能量守恒：

    彈丸的速度v_p，所受的加速力F_m與彈丸動(dòng)能砷增量之間滿足：

    假定驅(qū)動(dòng)線圈電壓u_d和彈丸線圈電壓u_p的初始值條件由下式?jīng)Q定：

    不考慮線圈形狀對(duì)能量傳輸?shù)挠绊懀�忽略�?qū)動(dòng)線圈和彈丸線圈的熱效