電磁發(fā)射催淚武器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及發(fā)射單元的發(fā)射仿真分析

魯月

（武警警官學(xué)院，成都 651205）

電磁發(fā)射催淚武器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及發(fā)射單元的發(fā)射仿真分析

魯月

（武警警官學(xué)院，成都 651205）

該武器系統(tǒng)是以電磁發(fā)射技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合“金屬風(fēng)暴”武器系統(tǒng)模型，提出的一種快速發(fā)射催淚彈藥的新概念武器構(gòu)想，將打破依靠火藥發(fā)射非致命彈藥的傳統(tǒng)局限，為非致命武器研究拓展了研究方向和思路。以催淚武器發(fā)射效率高低為判斷標(biāo)準(zhǔn)，通過對(duì)武器系統(tǒng)發(fā)射單元發(fā)射過程仿真的改進(jìn)，得出了電樞壁厚度、驅(qū)動(dòng)線圈匝數(shù)、觸發(fā)深度、電容容值、電壓值影響武器系統(tǒng)電樞發(fā)射的關(guān)系曲線，參照發(fā)射效率高低和初速大小確立合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。以這套參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)搭建了試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了模擬催淚彈的單發(fā)和連續(xù)發(fā)射試驗(yàn)，較好地驗(yàn)證了催淚武器系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)的合理性及仿真結(jié)果的正確性。

非致命武器，電磁發(fā)射，動(dòng)態(tài)仿真，有限元分析

0 引言

通過對(duì)電磁發(fā)射式催淚武器系統(tǒng)的進(jìn)一步深入研究，發(fā)現(xiàn)前期［1］提出的武器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在可行性上存在較大難度，為了使武器系統(tǒng)更能貼近實(shí)戰(zhàn)化要求，依據(jù)催淚武器系統(tǒng)［1］的功能需求，結(jié)合“金屬風(fēng)暴”［2］武器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)更為合理的整體模型，并完善了武器系統(tǒng)仿真分析。

1 催淚武器系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

電磁發(fā)射式催淚武器系統(tǒng)由16個(gè)發(fā)射管組成，整體成4×4的集束結(jié)構(gòu)。其中每個(gè)發(fā)射管都可組成單個(gè)獨(dú)立的小型發(fā)射機(jī)構(gòu)，獨(dú)立使用時(shí)適用于單兵攜帶或小型步兵戰(zhàn)車等環(huán)境，也可多管配合組成大型驅(qū)散裝備。為了突出武器系統(tǒng)強(qiáng)大的作戰(zhàn)效能，可將4個(gè)發(fā)射管歸為一個(gè)發(fā)射模塊，既有單管機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)又具備較強(qiáng)的火力，各發(fā)射模塊還可自由拼裝組成8管、12管或16管的發(fā)射狀態(tài)，繼續(xù)強(qiáng)化打擊或防御能力。

1.1 充能模塊

充能模塊是武器系統(tǒng)的動(dòng)力源泉，由各發(fā)射管的充能機(jī)構(gòu)組成，負(fù)責(zé)為武器發(fā)射模塊重復(fù)提供可靠的脈沖電流，確保驅(qū)動(dòng)線圈與催淚彈電樞的磁耦合作用。各發(fā)射管的充能機(jī)構(gòu)包括初級(jí)電源、恒流充電電源和高壓脈沖功率電源3部分。

1.2 發(fā)射模塊

發(fā)射模塊是武器系統(tǒng)的核心部件，主要由各發(fā)射管中單級(jí)感應(yīng)發(fā)射單元的催淚彈電樞、驅(qū)動(dòng)線圈和飛行導(dǎo)軌組成，負(fù)責(zé)完成催淚彈電樞的發(fā)射。

1.3 主控電路

主控制電路是武器系統(tǒng)的中樞，管理整個(gè)武器系統(tǒng)的工作流程，主要通過人機(jī)操作界面控制電源模塊的充放電過程以及各發(fā)射管中發(fā)射模塊的工作程序，既可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)發(fā)射管逐個(gè)發(fā)射，也可多個(gè)發(fā)射管齊發(fā)射。

1.4 發(fā)射平臺(tái)

武器系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，各功能機(jī)構(gòu)的組成部件較多，使得整體體積較大，不便于單兵攜帶和使用，因此，需要一個(gè)車載式的發(fā)射平臺(tái)，發(fā)射平臺(tái)為武器系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的發(fā)射環(huán)境，適應(yīng)多種任務(wù)需求。

該武器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)龐大，現(xiàn)階段主要設(shè)計(jì)一個(gè)單管的發(fā)射機(jī)構(gòu)代表武器系統(tǒng)的功能和作用效果。

單個(gè)發(fā)射管的結(jié)構(gòu)包括4部分，依次為充能機(jī)構(gòu)、發(fā)射機(jī)構(gòu)、控制電路和發(fā)射平臺(tái)，如圖2所示。初級(jí)電源、恒流充電電源和高壓脈沖功率電源共同組成發(fā)射管的充能機(jī)構(gòu)，恒流充電電源通過高頻恒流給高壓功率脈沖電源充電，通過主控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)向發(fā)射機(jī)構(gòu)中的驅(qū)動(dòng)線圈供電。發(fā)射機(jī)構(gòu)由五組發(fā)射單元組成，圖3所示為單個(gè)發(fā)射管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

2 發(fā)射單元的發(fā)射仿真分析

結(jié)合前期工作所得［4-6］，建立如圖4所示幾何模型，模型參數(shù)如下頁表1所示。棕色物體代表電樞，朱紅色物體代表驅(qū)動(dòng)線圈，灰色線框表示電樞的運(yùn)動(dòng)區(qū)域，黃色線框表示該模型的求解區(qū)域。圖右側(cè)為模型的放大圖樣，此處的電樞質(zhì)量包括鋁制電樞、點(diǎn)火機(jī)構(gòu)及裝藥總重量。

按照ansoft仿真軟件的方法步驟［7-8］，對(duì)單級(jí)感應(yīng)線圈發(fā)射單元的參數(shù)進(jìn)行仿真，計(jì)算出口速度隨各種影響參數(shù)變化的變化曲線。

2.1 催淚彈彈壁厚度對(duì)發(fā)射單元的影響

催淚彈發(fā)射過程中的感應(yīng)渦流分布在彈體的外表層且集中于后部，且彈體壁厚度不同，感應(yīng)電流的分布就會(huì)有差異，進(jìn)而影響感應(yīng)電流與驅(qū)動(dòng)線圈磁場的耦合作用，改變催淚彈的運(yùn)動(dòng)速度，設(shè)彈體外徑為37 mm，初始中心距為20 mm，脈沖電源電壓為3 000 V，電容為1 500 μF，分別對(duì)5種不同壁厚Armature_H=1 mm、1.5 mm、2 mm、2.5 mm、3 mm的彈體進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖5所示，當(dāng)催淚彈飛離管口后，脫離測速器監(jiān)控范圍，測速器顯示速度變?yōu)榱恪?/p>

2.2 驅(qū)動(dòng)線圈匝數(shù)對(duì)發(fā)射單元的影響

設(shè)定其余初始條件不變，初始中心距為20 mm，脈沖電源電壓為3 500 V，電容為1 500 μF，設(shè)定驅(qū)動(dòng)線圈匝數(shù)分別為10、40、70、90、100、130、150的情況下進(jìn)行了電磁仿真，得到的結(jié)果如圖6所示。

2.3 催淚彈觸發(fā)深度對(duì)催淚彈出口速度的影響

觸發(fā)深度是指催淚彈距離驅(qū)動(dòng)線圈中心面的距離。距離不同所產(chǎn)生的電磁力也有非常大的變化。設(shè)定驅(qū)動(dòng)線圈長度為50 mm，催淚彈鋁制外殼長50mm，脈沖電源電壓為3500V，電容為1500 μF，線圈匝數(shù)為90，觸發(fā)深度分別設(shè)為0mm、10mm、20mm、30 mm、40 mm、50 mm進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，得到的結(jié)果如下頁圖7所示。

為了使結(jié)果更精確，作了2次劃分，將20 mm～40 mm分為兩部分，第1組為20 mm～30 mm，將觸發(fā)深度劃分為20 mm、22 mm、24 mm、26 mm、28 mm、30 mm，得出的催淚彈的速度曲線如圖8所示。第2組為30 mm～40 mm，將觸發(fā)深度劃分為30 mm、32 mm、34 mm、36 mm、38 mm、40 mm，得到的催淚彈速度曲線如下頁圖9所示。由圖9對(duì)比得到：當(dāng)觸發(fā)深度為36 mm時(shí)的速度最大，達(dá)到了88 m/s，此時(shí)的發(fā)射效率最高達(dá)到了4.21%。

2.4 電容容值對(duì)催淚彈出口速度的影響

電容器在不同電容值放電時(shí)影響催淚彈電樞發(fā)射效率呈先增加后減少的變化曲線，在2 500 μF時(shí)發(fā)射效率最大，催淚彈出口速度達(dá)到了113 m/s，不過此時(shí)電容過大增加了武器系統(tǒng)的制造成本，而且在1 500 μF時(shí)的發(fā)射效率與2500 μF時(shí)相差不大，出口速度也達(dá)到了86 m/s，滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，如圖10和表2。

2.5 電容電壓值對(duì)催淚彈出口速度的影響

設(shè)定500 V、1 500 V、2 000 V、2 500 V、3 000 V、3 500 V、4 000 V、4 500 V、5 000 V的8個(gè)參照電壓分別進(jìn)行仿真，得出的結(jié)果如圖11和表3所示，可見脈沖電源充電電壓越高，催淚彈的受力就越大，得到的出口速度就越高。

3 影響發(fā)射的參數(shù)仿真結(jié)果分析

催淚彈電樞彈體壁厚度厚則增加負(fù)重，減少有效載荷，薄則減弱耦合效果，降低電樞初始，設(shè)定催淚彈壁的壁厚為2.5 mm；驅(qū)動(dòng)線圈的匝數(shù)也不能過多和過少，確立了比較適合該系統(tǒng)的90匝大??；此外通過仔細(xì)篩選在1 mm～50 mm的范圍內(nèi)確定了催淚彈電樞與驅(qū)動(dòng)線圈的中心距為36 mm時(shí)的最佳初始位置；以發(fā)射效率為依據(jù)，確定了合理的電容器電容值1 500 μF，再通過改變電容電壓選擇了適合實(shí)際任務(wù)需求的3 500 V的電容電壓。

4 模擬催淚彈的發(fā)射試驗(yàn)

搭建了如圖12所示的武器系統(tǒng)單個(gè)發(fā)射管裝置。調(diào)節(jié)恒流充電電源的各項(xiàng)參數(shù)后輸出電壓為5KV，脈沖電源采用5個(gè)300 μF的電容器并聯(lián)，總?cè)萘窟_(dá)到了1 500 μF，并采用單光電感應(yīng)器測速法測量模擬催淚彈的速度，模擬催淚彈發(fā)射速度測量裝置如圖13所示。模擬催淚彈電樞的總長度為80 mm，其中鋁制薄圓筒長50 mm，厚度為2.5 mm，質(zhì)量約37 g，內(nèi)部采用質(zhì)量約63 g的硬質(zhì)尼龍與鋁制薄圓筒采用螺紋連接，保證總質(zhì)量為100 g，催淚彈電樞內(nèi)徑為32 mm，外徑為37 mm，結(jié)構(gòu)如圖14所示。

當(dāng)發(fā)射系統(tǒng)的前期檢查工作完成后進(jìn)行脈沖電源的充放電實(shí)驗(yàn)，通過檢驗(yàn)證明脈沖電源和恒流充電電源的實(shí)際工作性能良好，可以進(jìn)行模擬催淚彈的單發(fā)和連續(xù)發(fā)射試驗(yàn)。S1表示模擬催淚彈底部與發(fā)射管底部的距離。

從表4可以看出，模擬催淚彈的出口速度隨著S1的減小呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，且最大出口速度達(dá)到了76.92 m/s，當(dāng)前情況下模擬催淚彈與驅(qū)動(dòng)線圈的中心距約36 mm，這與仿真分析得到的最佳觸發(fā)位置相同，證明了仿真的正確性。調(diào)節(jié)脈沖電源充電電壓確保實(shí)測電壓一致，進(jìn)而進(jìn)行催淚彈連續(xù)發(fā)射試驗(yàn)。

模擬催淚彈一次5枚連續(xù)發(fā)射時(shí)，5發(fā)射彈中最高初始速度為76.19 m/s，發(fā)射效率最高可達(dá)3.15%。

5 結(jié)束語

本文首先對(duì)催淚武器系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，并選取系統(tǒng)的一個(gè)功能單元進(jìn)行催淚彈發(fā)射過程的動(dòng)態(tài)仿真分析，對(duì)武器系統(tǒng)發(fā)射效率中的各種影響因素加以分析，確定出一套較為合理的參數(shù)指標(biāo)，以各項(xiàng)參數(shù)的最佳數(shù)值為依據(jù)搭建了單個(gè)發(fā)射管的試驗(yàn)平臺(tái)，并進(jìn)行了模擬催淚彈的單發(fā)和連續(xù)發(fā)射試驗(yàn)，所得到的催淚彈出口速度達(dá)到了技戰(zhàn)術(shù)要求，武器系統(tǒng)的發(fā)射效率相對(duì)較高，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)。

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Structure Design of Electromagnetic Launch Tear Weapon System and Launch Simulation of Launch Unit

LU Yue
（Offcers College of CAPF，Chengdu 651205，China）

The Weapon System is on the basis of Electromagnetic launch technology adds“metal storm”military system model，putting forward the idea about a new conception military equipment to send Non-lethal weapons ammunition with rof，has broken the traditional rely on the limitations of gunpowder to launch non-lethal ammunition，expands the research direction for non-lethal weapons research and thinking.This paper is in order to the firing efficiency of the Tear Weapon System for the judgement criteria，according to improve simulation methods of the system launch process，The relation curve concerning the structure parameters affecting tear gas armature launch is arrived by the thickness of setting up model，setting performance parameters as well as post processing a series of rational structural parameters is chosen and set up according to the sending efficiency and outlet velocity in order to lay a foundation for the further study.According optimal parameters for the standard to set up a test platform，the results of the simulated tear gas single and continuous emission test demonstrated the theoretical design and simulation result of tear weapons systems.

non-lethalweapons，electromagnetic emission，dynamic simulation，finite element simulation

O441

A

1002-0640（2015）10-0178-05

2014-09-05

2014-10-27

魯 月（1988- ），女，四川成都人，碩士。研究方向：管理科學(xué)與工程。