超大炮口動能電磁軌道炮設(shè)計與仿真

周長軍，蘇子舟，張 濤，樵軍謀，林振旺

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

電磁炮的技術(shù)優(yōu)勢主要表現(xiàn)在高初速，遠(yuǎn)射程和大威力上，其戰(zhàn)術(shù)價值可用于遠(yuǎn)程打擊和火力壓制、反臨近空間平臺作戰(zhàn)、高速小目標(biāo)末端防御等方面。電磁炮有望成為可大幅度提升軍隊裝備能力的新概念武器。

電磁軌道炮技術(shù)在我國的發(fā)展經(jīng)過了三個主要階段。由于大電流對軌道和電樞材料的燒蝕，以及超大規(guī)模電源系統(tǒng)的限制，上個世紀(jì)電磁軌道炮技術(shù)發(fā)展緩慢[1-2]。進(jìn)入21世紀(jì)以來，電磁軌道炮技術(shù)開始快速發(fā)展，許多關(guān)鍵技術(shù)取得了突破。

筆者從基礎(chǔ)設(shè)計理論、電樞受力、電流密度與峰值電流、電感梯度和技術(shù)風(fēng)險等角度探討了簡單軌道炮、串聯(lián)增強(qiáng)軌道炮、兩匝軌道炮的優(yōu)勢與不足，根據(jù)分析結(jié)果選定簡單軌道炮作為超大炮口動能軌道炮的基本方案，對該方案進(jìn)行了詳細(xì)的分析計算。

1 基本原理

1.1 發(fā)射原理

電磁軌道炮由兩條平行聯(lián)接的大電流的固定軌道和一個與軌道保持良好電接觸、能夠沿著軌道軸線方向滑動的電樞組成。當(dāng)接通電源時，電流沿著一條軌道流經(jīng)電樞，再由另一條軌道流回，從而構(gòu)成閉合回路。當(dāng)大電流流經(jīng)兩平行軌道時，在兩軌道之間產(chǎn)生強(qiáng)磁場，這個磁場與流經(jīng)電樞的電流相互作用，產(chǎn)生電磁力，推動電樞和置于電樞前面的彈丸沿著軌道加速運(yùn)動，從而獲得高速度。發(fā)射過程中，軌道將承受電磁擴(kuò)張力的作用。

1.2 基礎(chǔ)設(shè)計理論

炮口動能定義為彈丸質(zhì)量和速度平方乘積的一半。結(jié)合電磁炮作用力定律，軌道高度與電流密度的關(guān)系，應(yīng)用計算公式，就可以對電磁軌道炮系統(tǒng)進(jìn)行初步設(shè)計[3]。

(1)

Wm=Fl

(2)

(3)

I=0.9Ip

(4)

Ip=I1h

(5)

式中：Ek為彈丸炮口動能；m為彈丸質(zhì)量；v為彈丸速度；Wm為機(jī)械能；F為彈丸所受電磁力有效值；l為有效軌道長度；L′為電感梯度；I1為軌道電流密度；h為軌道高度；Ip為軌道峰值電流；I為軌道電流有效值。

2 初步設(shè)計

2.1 三種典型軌道炮結(jié)構(gòu)

由于本設(shè)計需要達(dá)到超高速、大質(zhì)量、大炮口動能的要求，主要考慮簡單軌道炮(1對軌道)、串聯(lián)增強(qiáng)軌道炮和兩匝軌道炮三種軌道炮結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。

2.2 電感梯度

電感梯度定義為單位長度軌道的電感值，是表征軌道炮系統(tǒng)最重要的參數(shù)之一。為便于分析，假定所有三種結(jié)構(gòu)的軌道炮具有相同的內(nèi)膛尺寸和身管長度，簡單軌道炮的電感梯度為L′, 總電感為L,三種結(jié)構(gòu)軌道炮的初值電感、終值電感和均值電感見表1。

表1 三種結(jié)構(gòu)軌道炮電感梯度

2.3 電流密度和峰值電流

盡管不同軌道炮電流密度有所差別，一般不大于35 kA/mm。簡單軌道炮和串聯(lián)增強(qiáng)軌道炮內(nèi)膛尺寸相同，軌道高度都是200 mm，兩匝軌道炮由于軌道之間的絕緣軌道高度只有80 mm，三種結(jié)構(gòu)軌道炮內(nèi)膛尺寸如圖2所示。

軌道電流密度和峰值電流是軌道炮系統(tǒng)非常重要的參數(shù)。通常，電流密度變化不大，因此假定三種結(jié)構(gòu)軌道炮具有相同的電流密度I1。假定簡單軌道炮軌道高度為h, 很顯然串聯(lián)增強(qiáng)型軌道炮軌道高度也是h，相反兩匝軌道炮軌道高度由于軌道之間的絕緣，軌道高度顯然小于0.5h。例如，一種試驗用兩匝軌道炮其軌道高度約為0.34h[4]。 本文中假設(shè)兩匝軌道炮軌道高度為0.4h。軌道高度和峰值電流見表2。

表2 三種結(jié)構(gòu)軌道炮電流密度和峰值電流

2.4 電樞受力

由軌道炮作用力定律可知，電磁炮通過電磁力加速電樞沿軌道運(yùn)動。假定簡單軌道炮峰值電流為IP,電樞受力為Fa,簡單軌道炮電樞受力為Fs；串聯(lián)增強(qiáng)型軌道炮電樞受力為Fa；兩匝軌道炮電樞受力為Ft。結(jié)合表1和表2 ，三種結(jié)構(gòu)軌道炮電樞受力如圖3所示。

從圖3中可以看出：

當(dāng)I≤0.41Ip時：

(6)

當(dāng)電流達(dá)到0.4Ip時，兩匝軌道炮電樞受力達(dá)到最大值0.64Fa, 如圖3中A點(diǎn)所示。

當(dāng)0.4Ip

3Fs=Fa，F(xiàn)a≤Ft

(7)

當(dāng)電流達(dá)到0.46Ip, 串聯(lián)增強(qiáng)軌道炮電樞受力與兩匝軌道炮電樞受力相同，如圖中B點(diǎn)所示。

當(dāng)0.461Ip

Fs≤Ft

(8)

當(dāng)電流達(dá)到0.8Ip,簡單軌道炮電樞受力與兩匝軌道炮電樞受力相同，如圖中C點(diǎn)所示。

當(dāng)0.8Ip

3Fs=FaFa>Ft

(9)

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 發(fā)射器總體設(shè)計技術(shù)

發(fā)射器總體設(shè)計對軌道炮性能起決定性作用。這由兩方面因素決定，一是發(fā)射器本身性能，要求具有高電感梯度和導(dǎo)通大電流的能力；二是與電源的匹配性，這樣才能充分發(fā)揮電磁軌道炮系統(tǒng)的性能。合理設(shè)計與優(yōu)化軌道發(fā)射器結(jié)構(gòu)，提高電感梯度和能夠?qū)ǖ碾娏?，調(diào)整脈沖電源參數(shù)，能夠有效提高系統(tǒng)效率。

本設(shè)計中的口徑200 mm，長8 m的軌道由銅合金制造，包封選用環(huán)氧材料。

3.2 脈沖電源工程化技術(shù)

目前，電磁軌道炮基本上都是采用電容器儲能電源，然而電容器能量密度非常低，因此脈沖電源的工程化研究一方面要提高電容器的儲能密度，在模塊化、小型化、一體化、可靠性和脈沖成型網(wǎng)絡(luò)等方面開展研究；另一方面是要開展脈沖交流發(fā)電機(jī)的研究工作，雖然該技術(shù)尚不成熟，但是軌道炮脈沖電源工程應(yīng)用的理想電源。

脈沖電源分系統(tǒng)由2 000個獨(dú)立觸發(fā)的模塊組成，充電10 kV時系統(tǒng)儲能200 MJ，每個模塊由2 mF電容器、空氣開關(guān)、20 μH調(diào)波電感，二極管和約5 mΩ電阻構(gòu)成[5]。

3.3 一體化電樞技術(shù)

一體化電樞設(shè)計的關(guān)鍵是考慮速度、效率、燒蝕及與發(fā)射系統(tǒng)的協(xié)調(diào)一致等問題。需要分析研究一體化發(fā)射器集成技術(shù)、分離技術(shù)、抗燒蝕技術(shù)、耐大電流以及與發(fā)射系統(tǒng)匹配設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)。

為了保護(hù)電樞在軌道中不受損壞，提高彈丸炮口動能，一體化電樞技術(shù)研究的重點(diǎn)方向是：一體化電樞集成及分離技術(shù)、電樞結(jié)構(gòu)設(shè)計、電樞材料技術(shù)等。由于電磁發(fā)射過程的強(qiáng)電磁環(huán)境，彈丸內(nèi)部引信等電子部件受到強(qiáng)電磁干擾，因此電磁屏蔽技術(shù)也是重要的研究內(nèi)容。

該設(shè)計中的電樞采用U形鋁合金固體電樞，質(zhì)量將達(dá)到20 kg。電樞臂將略大于內(nèi)膛尺寸，以施加預(yù)緊力確保電樞軌道可靠接觸[6]。

3.4 抗大電流、耐燒蝕軌道技術(shù)

軌道燒蝕不僅使軌道炮的總體性能下降，而且影響使用壽命。目前已知的影響軌道燒蝕的主要因素是炮體和電樞材料及結(jié)構(gòu)本身(包括軌道電極材料、軌道結(jié)構(gòu))、等離子體電樞材料和結(jié)構(gòu)、軌道絕緣子材料等。另外電樞在軌道內(nèi)的加速狀態(tài)和工作條件,如彈丸的初速、膛內(nèi)的尾部廢氣、加速電流的波形參數(shù)等均對軌道電極的燒蝕有影響。為了減輕軌道表面燒蝕，通常采用前級炮、分段軌道電極結(jié)構(gòu)形式、分級供電調(diào)節(jié)電流波形、前級炮予以加速、增強(qiáng)軌道結(jié)構(gòu)等方法。

4 仿真計算

4.1 初步計算

設(shè)計要求該200 mm口徑電磁軌道炮可將20 kg彈丸加速到2 500 m/s，且發(fā)射器身管長度小于10 m；峰值電流不超過7 MA；電流密度不超過35 kA/mm。

根據(jù)以上公式與約束條件，編制了計算程序。利用該程序共計算了多個算例，分別見表3～表5。

表3 簡單軌道炮計算

表4 串聯(lián)增強(qiáng)軌道炮計算

表3中算例3和4，表4中算例5～8均能達(dá)到設(shè)計要求，但表5中卻沒有算例能夠達(dá)到設(shè)計要求。通過初步設(shè)計可知,備選結(jié)構(gòu)為簡單軌道炮和串聯(lián)增強(qiáng)軌道炮兩種結(jié)構(gòu)形式。

表5 兩匝軌道炮計算

然而，在3D電磁場仿真計算中發(fā)現(xiàn)，串聯(lián)增強(qiáng)軌道炮的磁場遠(yuǎn)大于簡單軌道炮，尤其是在電樞前段，磁場將高達(dá)幾十特斯拉，一體化彈丸長期暴露在惡劣環(huán)境下，需要承擔(dān)較大的技術(shù)風(fēng)險。為降低研制風(fēng)險，決定選擇簡單軌道炮結(jié)構(gòu)，以算例3為基礎(chǔ)進(jìn)行更詳細(xì)的計算。

4.2 建模

利用SIMPLORER軟件建立了電磁軌道炮系統(tǒng)仿真模型。為便于計算，200 MJ脈沖電源系統(tǒng)的2 000個100 kJ模塊在仿真模型中以20個10 MJ模塊表示，發(fā)射器模型考慮了電樞運(yùn)動引起的系統(tǒng)參數(shù)變化[7]。軌道電阻和電感隨電樞運(yùn)動線性增加，假定電阻梯度為0.1 mΩ/m，電感梯度為0.4 μH/m。電磁炮系統(tǒng)仿真模型如圖4所示[8]。

4.3 仿真結(jié)果

為研究發(fā)射過程，對62 MJ炮口動能簡單軌道炮進(jìn)行了數(shù)值計算。電流波形如圖5所示，彈丸速度曲線如圖6所示，彈丸位移曲線如圖7所示。

由計算可知，8 m長軌道可將彈丸加速到2 540 m/s初速。仿真計算結(jié)果與初步計算中算例3吻合非常好，初速誤差僅為0.8%。

5 結(jié) 論

在仿真計算的基礎(chǔ)上，研究了影響電磁軌道炮設(shè)計的電樞受力、電流密度、峰值電流、電感梯度和技術(shù)風(fēng)險等主要因素，將電磁炮發(fā)射過程復(fù)雜的電磁力綜合問題簡化為經(jīng)典力學(xué)問題，歸納整理出簡單軌道炮、串聯(lián)增強(qiáng)軌道炮、兩匝軌道炮三種結(jié)構(gòu)對發(fā)射性能的優(yōu)缺點(diǎn)，為電磁軌道炮的設(shè)計提供了一定的理論參考。

計算分析表明：基于200 MJ脈沖電源系統(tǒng)，采用簡單軌道炮結(jié)構(gòu)，在8 m長的軌道上，可將20 kg的彈丸初速加速到2 540 m/s，炮口動能達(dá)到63 MJ，系統(tǒng)效率可達(dá)31.8%，理論上完全可以滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

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