電磁線圈發(fā)射器相似模型及模型實(shí)驗(yàn)研究

鄒本貴,孫學(xué)鋒,曹延杰,譚樂祖,曾家有

(海軍航空工程學(xué)院指揮系,山東煙臺(tái) 264001）

電磁線圈發(fā)射器相似模型及模型實(shí)驗(yàn)研究

鄒本貴,孫學(xué)鋒,曹延杰,譚樂祖,曾家有

(海軍航空工程學(xué)院指揮系,山東煙臺(tái) 264001）

模型實(shí)驗(yàn)是研究電磁線圈發(fā)射器(EMCL)工作特性的有效方法,要將模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用于EMCL原型的研究,必須弄清模型與原型各物理參數(shù)間的相似關(guān)系。以EMCL數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ),根據(jù)相似理論推導(dǎo)出EMCL相似模型的模型設(shè)計(jì)條件;對發(fā)射器的相似模型進(jìn)行仿真分析;進(jìn)行了單級EMCL相似模型實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)測得的放電回路電流、電樞速度均滿足相似模型的模型設(shè)計(jì)條件。研究結(jié)果表明:EMCL各物理參數(shù)的相似系數(shù)均可由尺度比例系數(shù)表示且與尺度比例系數(shù)成函數(shù)關(guān)系;只要給定EMCL原型結(jié)構(gòu)參數(shù)和尺度比例系數(shù),可以推導(dǎo)結(jié)構(gòu)相同、尺度不同的EMCL縮比模型的工作特性;也可以根據(jù)EMCL縮比模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)和尺度比例系數(shù)反推EMCL原型的工作特性,為模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。

兵器科學(xué)與技術(shù);電磁線圈發(fā)射器;相似模型;尺度比例系數(shù);模型實(shí)驗(yàn)

0 引言

電磁線圈發(fā)射器(EMCL)是一種新概念動(dòng)能武器,具有彈丸和炮管無機(jī)械接觸、力學(xué)結(jié)構(gòu)合理、效率高等諸多優(yōu)點(diǎn),特別適合低速、大質(zhì)量載荷的發(fā)射,如導(dǎo)彈、無人機(jī)等的彈射,具有廣闊的軍事應(yīng)用前景[1-4]。

EMCL發(fā)射過程是一個(gè)毫秒量級的瞬態(tài)高壓放電過程,不僅涉及變參數(shù)電路中的暫態(tài)過程,還涉及急劇變化的動(dòng)力學(xué)過程,彼此又通過磁場緊密耦合在一起[5]。采用全尺寸EMCL進(jìn)行大載荷的發(fā)射實(shí)驗(yàn)是非常困難的,而且實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往只能得出個(gè)別量之間的規(guī)律性關(guān)系,難以發(fā)現(xiàn)和抓住現(xiàn)象的全部本質(zhì),從而無法向?qū)嶒?yàn)條件范圍以外的同類現(xiàn)象推廣[6]。一個(gè)替代的方法是EMCL縮比模型實(shí)驗(yàn),由實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果外推到全比例設(shè)備上,可以大幅度減少實(shí)驗(yàn)工作量和費(fèi)用,而且易于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理與分析。將EMCL模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果推廣到原型實(shí)驗(yàn)中,必須要弄清模型與原型各物理參數(shù)間的相似關(guān)系。

模型實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ)是相似理論,只有掌握并正確運(yùn)用相似理論的基本原理,才能保證模型實(shí)驗(yàn)取得預(yù)期結(jié)果[6]。相似理論應(yīng)用于EMCL方面的研究文獻(xiàn)較少,主要集中在軌道炮方面[7-10]。美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室通過模型實(shí)驗(yàn)研究EMCL原型的工作特性[11-13];武漢大學(xué)對EMCL相似關(guān)系進(jìn)行了研究,推導(dǎo)出了EMCL縮比因數(shù)可用尺度比例系數(shù)和初始電壓的比例系數(shù)表示[14]。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)初始電壓的相似系數(shù)與尺度比例系數(shù)也呈相似比例關(guān)系,故本文以EMCL數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ),根據(jù)相似理論推導(dǎo)EMCL相似模型的模型設(shè)計(jì)條件;利用模型設(shè)計(jì)條件對EMCL相似模型進(jìn)行仿真分析;在理論和仿真研究的基礎(chǔ)上,開展單級EMCL相似模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 EMCL相似模型

1.1 EMCL等效電路

EMCL工作機(jī)理是發(fā)射線圈中變化的電流產(chǎn)生的磁場與電樞中感應(yīng)的渦流相互作用產(chǎn)生電磁力推動(dòng)電樞加速運(yùn)動(dòng)。假設(shè)電樞沿z軸運(yùn)動(dòng),n級發(fā)射線圈依次饋電觸發(fā),當(dāng)?shù)趍級(m=1,2,…,n)發(fā)射線圈饋電時(shí)EMCL發(fā)射過程的等效電路如圖1所示。

圖1中:U0m和Cm是第m級電容器初始放電電壓和電容量;Um為t時(shí)刻第m級電容器的電壓;v是彈丸速度;R0為回路固有電阻(包括電容器電阻、放電開關(guān)電阻和接線電阻);L0為回路固有電感(包括電容器電感、放電開關(guān)電感和接線電感);Rdm和Ldm分別為第m級發(fā)射線圈的電阻和電感;Rp和Lp分別為電樞的電阻和電感;Mdmpm為第m級發(fā)射線圈與電樞之間的互感;D為續(xù)流硅堆;idm和ipm分別為第m級發(fā)射線圈中放電回路電流和電樞中的渦流。

圖1 EMCL等效電路Fig.1 Equivalent circuit of EMCL

1.2 EMCL原型與模型

設(shè)x表示EMCL原型中的物理量,某一時(shí)刻t,當(dāng)給第m級發(fā)射線圈饋電時(shí),EMCL原型等效電路方程為

(4)式～(16)式中:mp為彈丸質(zhì)量;Fz為電磁力;i為電流;a(t)為彈丸的加速度;y(t)為彈丸運(yùn)動(dòng)的距離;η為發(fā)射效率;ρ為電阻率;l0為導(dǎo)線長度;A為導(dǎo)線截面積;μ為磁導(dǎo)率;dl1和dl2分別為發(fā)射線圈和電樞線圈的等效長度元;r為距離矢量;H是磁場強(qiáng)度;B為磁感應(yīng)強(qiáng)度;E為電場強(qiáng)度;J為電流密度;σ為電導(dǎo)率;S為應(yīng)力張量。

設(shè)x′表示EMCL模型中的物理量,將x′代入(1)式～(16)式則得到某一時(shí)t′,當(dāng)給第m級發(fā)射線圈饋電時(shí)EMCL模型的數(shù)學(xué)模型。

1.3 EMCL模型設(shè)計(jì)條件

由相似第一定理可知,兩個(gè)物體的現(xiàn)象相似,其對應(yīng)物理量互成比例[15],則

式中:cx為物理量x所對應(yīng)的相似系數(shù)。

根據(jù)量綱一致性原理將對應(yīng)物理量相似系數(shù)帶入(1)式～(16)式并與EMCL模型的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行比較,消去式中物理量,可得到EMCL各物理量的相似系數(shù)關(guān)系,即

假設(shè)在EMCL發(fā)射過程中發(fā)射線圈和電樞不發(fā)生彈塑性變形,同時(shí)忽略非線性現(xiàn)象包括:磁擴(kuò)散、熱損失和摩擦產(chǎn)生的影響。假設(shè)EMCL尺度比例系數(shù)為cl,則cz=cy=cr=cl1=cl2=cl0= cl.假設(shè)模型與原型所用材料相同,則cμ=cσ= cρ=ck=1,cmp=cρcV=c3l,其中V為體積。發(fā)射線圈匝數(shù)N量綱為1,則cN=1.哈密頓算子在直角坐標(biāo)系中表示為

由(34)式～(40)式可知,EMCL各物理參數(shù)的相似系數(shù)不是任意選擇的,它們之間是相互關(guān)聯(lián)的;只要給定了尺度相似系數(shù)cl,其他各物理參數(shù)的相似系數(shù)均可表示為cl的函數(shù)。

2 EMCL相似模型仿真

2.1 EMCL模型結(jié)構(gòu)及參數(shù)

設(shè)計(jì)了一種新型EMCL,該發(fā)射器模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。該發(fā)射器在電磁線圈發(fā)射器的底部加注了一個(gè)彈射線圈以提高彈丸進(jìn)入第1級驅(qū)動(dòng)線圈的速度。為了便于書寫,文中彈射線圈和驅(qū)動(dòng)線圈統(tǒng)稱為發(fā)射線圈,其中i1、i2、i3…in分別為第1級發(fā)射線圈(即彈射線圈)、第2級發(fā)射線圈(即第1級驅(qū)動(dòng)線圈)、第3級發(fā)射線圈(即第2級驅(qū)動(dòng)線圈)、…、第n級發(fā)射線圈(即第n-1級驅(qū)動(dòng)線圈)的電流。

圖2 新型EMCL模型Fig.2 The new EMCL model

根據(jù)EMCL模型與原型各物理參數(shù)的相似關(guān)系,模型參數(shù)與相似比例系數(shù)的關(guān)系如表1所示。

表1 EMCL相似模型參數(shù)Tab.1 Parameters of EMCL scale model

2.2 仿真結(jié)果及分析

分別令cl=1(原型)、cl=2、cl=5和cl=10,按照表1中EMCL相似模型參數(shù)進(jìn)行仿真,仿真得出回路電流、電樞受力、彈丸速度及位移隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖3～圖6所示,具體物理參數(shù)數(shù)值比較如表2所示。這里特別說明圖3～圖6中橫坐標(biāo)時(shí)間軸t″=lgt.

圖3 回路電流隨時(shí)間變化Fig.3 Loop current vs.time

圖4 電樞受力隨時(shí)間變化Fig.4 EM force acting on armature vs.time

圖5 彈丸速度隨時(shí)間變化Fig.5 Projectile velocity vs.time

對10匝的彈射線圈分別按照cl=1和cl=0.2的相似系數(shù)進(jìn)行有限元仿真,加載的電流波形如圖3所示。仿真得出彈射線圈的磁場、應(yīng)力和變形隨尺度比例系數(shù)的變化規(guī)律如圖7～圖9所示,電樞的渦流密度、應(yīng)力和變形如圖10～圖12所示,具體物理量數(shù)值比較如表2所示。

圖6 彈丸位移隨時(shí)間變化Fig.6 Projectile displacement vs.time

表2 物理參數(shù)值比較Tab.2 Comparison of physical quantity values

由圖3～圖12和表2～表3可以看出,根據(jù)尺度比例系數(shù)cl建立的EMCL模型的物理參數(shù)是可以用cl表示的且與cl是成比例關(guān)系的。只要給定原型結(jié)構(gòu)參數(shù)和尺度比例系數(shù)cl,可以研究與之結(jié)構(gòu)相同、尺度不同的EMCL模型的工作動(dòng)態(tài)特性;反之,可以根據(jù)EMCL縮比模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)和尺度比例系數(shù)cl反推EMCL原型的工作動(dòng)態(tài)特性,這為模型實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。

圖7 彈射線圈磁場隨尺度比例系數(shù)的變化Fig.7 The catapult coil distributions of magnetic flux density vs.cl

圖8 彈射線圈應(yīng)力隨尺度比例系數(shù)的變化Fig.8 Catapult coil Von Mises stress vs.cl

3 相似模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖9 彈射線圈變形隨尺度比例系數(shù)的變化Fig.9 Catapult coil deformation vs.cl

圖10 電樞渦流密度隨尺度比例系數(shù)的變化Fig.10 Armature eddy current density vs.cl

表3 單級EMCL有限元仿真結(jié)果比較Tab.3 Comparison of FEM simulation resultsof single-stage EMCL

圖11 電樞應(yīng)力隨尺度比例系數(shù)的變化Fig.11 Armature Von Mises stress vs.cl

圖12 電樞變形隨尺度比例系數(shù)的變化Fig.12 Armature deformation vs.cl

根據(jù)EMCL相似模型的模型設(shè)計(jì)條件,并考慮到實(shí)際加工過程中的條件限制,以尺度比例系數(shù)為3∶4制作的彈射線圈和電樞如圖13和圖14所示。彈射線圈和電樞的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及實(shí)驗(yàn)時(shí)外置電路參數(shù)如表4所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

分別對EMCL模型1和模型2進(jìn)行了3次放電實(shí)驗(yàn),測量得到一組模型1和模型2的回路電流,如圖15和圖16所示,電樞經(jīng)過網(wǎng)靶的時(shí)間如圖17和圖18所示。通過計(jì)算得出6次發(fā)射實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

圖13 彈射線圈Fig.13 Catapult coils

圖14 電樞Fig.14 Armatures

表4 實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)和電路參數(shù)Tab.4 Structure and circuit parameters of experimental devices

由表5可以看出,實(shí)驗(yàn)中測量得到的模型1和模型2的回路電流相差很小。隨著發(fā)射次數(shù)的增加,回路電流逐漸減小,這說明回路電流產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致線路電阻增大,所以隨著發(fā)射次數(shù)的增大,回路電流變小,如果忽略溫升對回路電阻的影響,可以認(rèn)為兩個(gè)模型中的回路電流近似相等,即證明ci=1.模型1經(jīng)過3次發(fā)射后電樞的平均速度為26.7 m/s,模型2經(jīng)過3次發(fā)射后電樞的平均速度為20.3 m/s,

圖15 模型1回路電流信號Fig.15 The loop current measured in Model 1

圖16 模型2回路電流信號Fig.16 The loop current measured in Model 2

圖17 模型1測得的時(shí)間信號Fig.17 The time measured in Model 1

圖18 模型2測得的時(shí)間信號Fig.18 The time measured in Model 2

v1/v2=26.7/20.3=1.32;模型1和模型2的尺寸比例為3/4,即:l1/l2=3/4.根據(jù)EMCL相似模型中的結(jié)論cv=,有v1/v2=/l=l2/l1=4/3=1.33,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果v1/v2=1.32基本相符,這說明實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果基本相符。

表5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Experimental results

4 結(jié)論

以EMCL數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ),根據(jù)相似理論推導(dǎo)出了EMCL相似模型的模型設(shè)計(jì)條件。只要給定原型結(jié)構(gòu)參數(shù)和尺度比例系數(shù)cl,就可以研究與之結(jié)構(gòu)相同的EMCL模型的工作動(dòng)態(tài)特性。同樣,可以根據(jù)EMCL模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)和尺度比例系數(shù)cl反推EMCL原型的工作動(dòng)態(tài)特性。進(jìn)行了單級EMCL相似模型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)測得的放電回路電流、電樞速度均滿足相似模型的模型設(shè)計(jì)條件,有效驗(yàn)證EMCL相似模型的正確性。

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Scale Model and Model Experiment of Electromagnetic Coil Launcher

ZOU Ben-gui,SUN Xue-feng,CAO Yan-jie,TAN Le-zu,ZENG Jia-you
(Department of Command,Naval Aeronautical and Astronautical University,Yantai 264001,Shandong,China)

Model experiment is an effective method to investigate the working process of electromagnetic coil launcher(EMCL).The model experiment results are used for prototype study of EMCL after the scaling factor relations of the physical parameters of model and prototype are mastered.Based on mathematical model of EMCL and similarity theory,the requirements for designing the model of EMCL are derived.The scaling model is researched by simulation.The experiment verification of the single-stage EMCL is conducted.The simulation of EMCL and experimental results show that the scaling factor relations of physical parameters are expressed as functions of the length scale factor.The working characteristics of EMCL sub-scale model can be deduced if the structure parameters of EMCL prototype and the length scale factors are given,and vice versa.The research results lay the theoretic foundation for model experiment.

ordnance science and technology;electromagnetic coil launcher;scale model;length scale factor;model experiment

O 303;TM866

:A

1000-1093(2014)05-0733-08

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.05.023

2013-03-11

國防預(yù)先研究項(xiàng)目(9140A25070208JB1402)

鄒本貴(1981—),男,講師。E-mail:se-sky@163.com