電磁催淚風暴系統(tǒng)引信參數(shù)分析與仿真

楊風

（武警工程大學，西安 710086）

電磁催淚風暴系統(tǒng)引信參數(shù)分析與仿真

楊風

（武警工程大學，西安 710086）

介紹了電磁催淚風暴系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理，應(yīng)用數(shù)值分析法確定了引信線圈的發(fā)火電壓標準，結(jié)合Maxwell電磁仿真軟件建立了兩組發(fā)射單元模型，分析得到了引信線圈的最佳位置、最優(yōu)匝數(shù)及最小間距。為確定電磁感應(yīng)式引信參數(shù)提供了一種較好方案。

電磁發(fā)射，電磁感應(yīng)，引信，仿真

引言

經(jīng)過一百多年的發(fā)展，電磁發(fā)射技術(shù)已經(jīng)取得了巨大的進步，雖然在高射頻和高射速領(lǐng)域仍然存在許多難題，但在低速方面已經(jīng)可以運用到實際的裝備研制上來，且與常規(guī)的化學發(fā)射方式相比，電磁發(fā)射方式具有明顯的優(yōu)勢。

電磁催淚風暴武器系統(tǒng)是指能夠運用電磁發(fā)射技術(shù)極速發(fā)射大量催淚彈藥的武器系統(tǒng)。它能通過調(diào)節(jié)供電電壓和彈藥的發(fā)射角度，實現(xiàn)對彈藥的射擊距離和方向的控制，既可單發(fā)定點射擊，也可結(jié)合其強大的高射速在短暫時間內(nèi)形成大面積的催淚煙霧，驅(qū)散鬧事人群，同時，具有強大的震懾作用。由于其高射速、打擊距離和方向可控、噪聲和污染低等優(yōu)點，很好地彌補了武警部隊現(xiàn)有裝備無法達到快速驅(qū)散的裝備空缺，適合武警部隊處置大規(guī)模群體性事件。

1 結(jié)構(gòu)原理

電磁催淚風暴武器系統(tǒng)主要運用單級同步感應(yīng)線圈發(fā)射器技術(shù)［1］結(jié)合“金屬風暴”模型構(gòu)建的武器系統(tǒng)。系統(tǒng)由16管發(fā)射器組成，呈4×4矩陣結(jié)構(gòu)，可拆分成12管、9管等結(jié)構(gòu)。每管發(fā)射器包括4組單級感應(yīng)線圈發(fā)射單元，采用多彈串聯(lián)預裝填技術(shù)［3］，一次可裝填4枚彈，4枚彈藥緊靠排列，一枚彈藥對應(yīng)一個發(fā)射單元，發(fā)射時，4枚彈藥按前后順序依次發(fā)射（發(fā)射管簡要示意圖如下頁圖1所示，第3、4號發(fā)射單元與第1、2號相同）。

發(fā)射時，彈藥1受到驅(qū)動線圈1向前的作用力向前運動，而彈藥2及后面的彈藥受到向后的作用力，由于被頂死，所以不會運動。彈藥1在極短的時間內(nèi)達到要求速度，引信1在此過程中受到強電磁感應(yīng)，成功發(fā)火，后幾發(fā)彈藥的引信由于準確設(shè)計，達不到發(fā)火電壓，安全可靠。

圖1 發(fā)射管簡要示意圖

由于成本要求，電磁催淚風暴系統(tǒng)彈藥采用簡易電磁感應(yīng)式電火花引信，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。在發(fā)射過程中，受到驅(qū)動線圈磁場作用，引信感應(yīng)線圈產(chǎn)生高壓，連接在感應(yīng)線圈的電極擊穿空氣點燃彈藥。那么，引信感應(yīng)線圈的匝數(shù)、位置、直徑，以及前一發(fā)彈藥發(fā)射時對后一發(fā)彈藥引信影響的大小即引信的間距值得深入研究。

圖2 引信結(jié)構(gòu)簡圖

2 發(fā)火電壓標準

根據(jù)湯姆森擊穿理論，當γeαh=1+γ時，電極的擊穿電壓V滿足：

式中：p為電極間的大氣電壓；d為電極間距；A、B為常數(shù)；γ為二次電離系數(shù)。

由于在實際中難以得知γ的值，因此，要將式（1）變形，文獻［4］通過研究，可將式（1）改寫為

式中，k=1n［A/1n（1+1/γ）］。

文獻［5］給出了常數(shù)B在空氣中的具體值為2 737.5。

文獻［6］通過計算得到了k的值如表1。

表1 不同壓強·間距下空氣的k值

因此，在標準大氣壓下，電極間距小于2 mm，空氣的擊穿電壓公式可寫成：

將電極間距取0.8 mm，則電極擊穿電壓為2.4 kV。令前一枚引信發(fā)火安全系數(shù)取1.25，后一發(fā)引信不發(fā)火安全系數(shù)取0.5，那么則要求彈藥在發(fā)射過程中，前一枚引信峰值電壓要超過3 kV，后一枚引信峰值電壓要低于1.2 kV。

引信的電壓標準已明確。要對引信線圈的感應(yīng)電壓進行求解，就得計算出其與驅(qū)動線圈間互感、自感與互感梯度。但困難的是自感、互感與互感梯度的計算涉及三階橢圓積分的復雜函數(shù)［7］，基本不能得到解析解，只能用數(shù)值模擬的方法得到動態(tài)的完整解。鑒于以上難點問題，本文結(jié)合高度集成化的Ansoft Maxwell仿真軟件模擬催淚彈發(fā)射的動態(tài)過程及引信的感應(yīng)電壓。

3 仿真過程及結(jié)果分析

3.1 仿真設(shè)置

Ansoft Maxwell［8］是基于麥克斯韋微分方程，采用有限元離散形式，將工程中的電磁場計算轉(zhuǎn)變?yōu)辇嫶蟮木仃嚽蠼狻Ｋ哂袦蚀_、快捷、分布式計算、并行式計算等諸多優(yōu)點，不僅可以對單個電磁機構(gòu)進行數(shù)值計算，還可以對整個系統(tǒng)進行聯(lián)合仿真。作為世界著名的商用低頻電磁場有限元軟件之一，Ansoft在各個工程電磁領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。本文采用Ansoft Maxwell 14進行電磁催淚風暴系統(tǒng)彈藥的電磁運動仿真。

根據(jù)文獻［9］可以知道，二維軸向瞬態(tài)磁場滿足的齊次波動方程為：

式中，σ是介質(zhì)的電導率，ε是介質(zhì)的介電常數(shù)，μ是介質(zhì)的磁導率。

Maxwell就可以根據(jù)此微分方程進行數(shù)值求解，然后經(jīng)過轉(zhuǎn)化得到磁場的各種物理量。

為了便于確定彈藥引信的參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)階段同類武器基本參數(shù)，將系統(tǒng)的發(fā)射單元參數(shù)作表2設(shè)置：

表2 系統(tǒng)發(fā)射單元參數(shù)

根據(jù)上述系統(tǒng)參數(shù)，建立Ansoft Maxwell模型如圖3所示（由于系統(tǒng)設(shè)置隔磁材料，假設(shè)驅(qū)動線圈1通電時，驅(qū)動線圈2不會對系統(tǒng)磁場有影響，故驅(qū)動線圈2可省略不建）。

由于模型是軸對稱形式，為了減少計算資源，采用柱面坐標。

為了模擬無限元邊界，將邊界條件設(shè)置為氣球邊界。

仿真時間參數(shù)方面，太大會占用計算資源，結(jié)合彈體出管的時間，設(shè)置為1 ms。

計算步長的選擇需要慎重，太小可能不能計算收斂，太大計算精確度會降低，結(jié)合仿真時間，將計算步長設(shè)置為0.01 ms。

在Maxwell中，可以將需要優(yōu)化的參數(shù)進行參數(shù)化處理，從而將其最優(yōu)值找出，因此，將線圈匝數(shù)n和間距d分別做參數(shù)化處理，進行二維瞬態(tài)仿真。

圖3 Maxwell模型圖

3.2 仿真過程

仿真過程圖如圖4～圖6所示。

圖4 系統(tǒng)在0.01 ms時的磁場分布

圖5 系統(tǒng)在0.50 ms時的磁場分布

圖6 系統(tǒng)在1.00 ms時的磁場分布

3.3 仿真結(jié)果

將匝數(shù)n參數(shù)化，可得到在不同匝數(shù)時引信1的感應(yīng)電壓的曲線如下頁圖7所示，彈藥1的速度如下頁圖8所示。

圖7 在不同匝數(shù)時引信1的感應(yīng)電壓

圖8 在不同匝數(shù)時彈藥1的速度

取引信線圈匝數(shù)為100，將引信線圈間距d參數(shù)化，可得到1彈發(fā)射時，在不同間距下引信2的感應(yīng)電壓的曲線如圖9所示，彈藥1的速度如圖10所示。

圖9 在不同間距下引信2的感應(yīng)電壓

圖10 在不同間距下彈藥1的速度

3.4 結(jié)果分析

結(jié)果分析：從圖7可以看出：當引信線圈匝數(shù)超過100（包含100）時，引信線圈感應(yīng)電壓超過3 kV，可以穩(wěn)定發(fā)火。從圖8可以看出，當取引信線圈匝數(shù)為100時，引信1和2相距超過80 mm（即彈藥最小長度）時，引信2峰值電壓不超過100 V，遠遠小于1.2 kV，保證了引信2不發(fā)火。而圖9、圖10可看出在引信符合要求的情況下，彈藥出口速度可達100 m/s左右，符合作戰(zhàn)需要。因此，在文中給定系統(tǒng)參數(shù)下，引信線圈最優(yōu)匝數(shù)為100匝，最優(yōu)位置為緊靠彈體最外圈，相鄰引信最小間距即彈藥最小長度為82 mm。

4 結(jié)束語

本文明確了簡易電磁引信的發(fā)火電壓標準，仿真分析了引信的各項參數(shù)，旨在為電磁催淚風暴系統(tǒng)引信設(shè)計提供一個合適方案，為下一步搭建實驗平臺提供引信的實現(xiàn)方法。

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［8］趙 博，張洪亮.Ansoft12在工程磁場中的應(yīng)用［M］.北京：中國水利水電出版社，2007.

［9］趙 博，張洪亮.Ansoft12在工程磁場中的應(yīng)用［M］.北京：中國水利水電出版社，2007：48.

Fuse Simulation of Electromagnetic Launch Style Tear Weapon System

YANG Feng
（Engineering University of Armed Police Force，Xi'an 710086，China）

The structure and principles of electromagnetic launch style tear weapon system are introduced.Applying the numerical analysis method to determine the standard of fuze ignition voltage，using the Maxwell electromagnetic simulation software to create two transmitting unit model，and through analysis，the paper gets the optimal location，best number of turns of the coil fuze and the minimum spacing parameter.A better solution to determine the electromagnetic induction type fuze is provided.

electromagnetic launch，electromagnetic induction，fuse，simulation

TJ43

A

1002-0640（2014）10-0179-04

2013-08-09

2013-10-07

楊 風（1991- ），男，湖南永州人，碩士研究生。研究方向：非致命武器。