單級(jí)感應(yīng)線圈炮彈丸出口速度與效率影響研究

國(guó)　偉，蘇子舟，曹　斌，張　博，范　薇

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng)　712099)

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單級(jí)感應(yīng)線圈炮彈丸出口速度與效率影響研究

國(guó)偉，蘇子舟，曹斌，張博，范薇

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng)712099)

驅(qū)動(dòng)線圈是同步感應(yīng)線圈炮的主要組成部分，其結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)性能有著重要的影響。通過(guò)分析儲(chǔ)能型單級(jí)感應(yīng)線圈炮的工作原理和電路模型，利用Ansoft有限元軟件，分別建立了短距、中距、長(zhǎng)距3種結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)線圈模型，計(jì)算了多種彈丸啟動(dòng)速度下的最佳觸發(fā)位置及單級(jí)線圈效率。計(jì)算結(jié)果表明:3種結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)線圈最佳觸發(fā)位置均隨彈丸啟動(dòng)速度增加向線圈底部(炮尾)方向移動(dòng)；短距線圈效率最低，隨彈丸啟動(dòng)速度增加而降低；中距線圈效率最高，先隨彈丸啟動(dòng)速度增加而增加，增加到一定值隨后再降低；長(zhǎng)距線圈效率居中,隨彈丸啟動(dòng)速度增加而增加。

電氣工程；單級(jí)感應(yīng)線圈炮；線圈結(jié)構(gòu)；有限元分析；最佳觸發(fā)位置

電磁發(fā)射是將電能通過(guò)電磁力轉(zhuǎn)化為機(jī)械能實(shí)現(xiàn)將拋體發(fā)射的過(guò)程，按原理可分為線圈炮、軌道炮和重接炮3種。同步感應(yīng)線圈炮作為線圈炮的一種主要形式，具有彈丸加速力大，驅(qū)動(dòng)電流相對(duì)較小，不與驅(qū)動(dòng)線圈直接接觸，避免了摩擦和導(dǎo)軌燒蝕，利用效率較高，壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，應(yīng)用前景非常廣闊[1-2]。

在單級(jí)感應(yīng)線圈炮系統(tǒng)中，彈丸所能獲得的動(dòng)能增加量與初始儲(chǔ)能、驅(qū)動(dòng)線圈結(jié)構(gòu)、彈丸結(jié)構(gòu)、觸發(fā)位置、彈丸啟動(dòng)速度等參量有關(guān)。驅(qū)動(dòng)線圈有短距、中距、長(zhǎng)距3種結(jié)構(gòu)形式，由此形成的線圈炮在最佳觸發(fā)位置和單線圈效率等方面具有各自不同的特性。由此引出一個(gè)問(wèn)題，即不同驅(qū)動(dòng)線圈結(jié)構(gòu)對(duì)彈丸受力運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律[3-4]。對(duì)于這兩者之間的關(guān)系，由于試驗(yàn)研究的成本較高，往往只選擇有代表性的進(jìn)行定性研究。因此，為了定量分析這兩者之間的關(guān)系，筆者應(yīng)用Ansoft有限元軟件分別對(duì)短距、中距、長(zhǎng)距3種驅(qū)動(dòng)線圈結(jié)構(gòu)單級(jí)感應(yīng)線圈炮系統(tǒng)彈丸初速、最佳觸發(fā)位置、單線圈效率之間的關(guān)系進(jìn)行了仿真分析，為以后同步感應(yīng)線圈炮驅(qū)動(dòng)線圈問(wèn)題的研究提供理論參考。

1　同步感應(yīng)線圈炮工作原理

1.1原理分析

同步感應(yīng)線圈炮的工作原理類(lèi)似于圓筒型直線異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，定子線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)因施加的脈沖電流而發(fā)生變化時(shí)，拋體線圈產(chǎn)生感生電流，拋體線圈電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與定子線圈的磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生軸向的力推動(dòng)拋體前進(jìn)，產(chǎn)生的徑向力使彈丸懸浮。單級(jí)感應(yīng)線圈炮的工作原理,如圖1所示。

感應(yīng)線圈炮的電源目前多選取具有高儲(chǔ)能密度的電容器，通過(guò)放電開(kāi)關(guān)控制向驅(qū)動(dòng)線圈供電，驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生圓環(huán)電流id，變化的電流在炮管內(nèi)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，使金屬性質(zhì)的彈丸產(chǎn)生了與驅(qū)動(dòng)線圈同軸的環(huán)形電流ip，圓環(huán)電流id和ip產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，從而推動(dòng)彈丸前進(jìn)[5]。

多級(jí)感應(yīng)線圈炮利用脈沖功率電源依次對(duì)多個(gè)串聯(lián)的線圈進(jìn)行放電，實(shí)現(xiàn)多級(jí)加速。多個(gè)線圈采用相同的內(nèi)徑，炮管采用非導(dǎo)磁材料。彈丸依次經(jīng)過(guò)多級(jí)線圈的逐級(jí)加速，最終將彈丸加速到發(fā)射速度。

1.2電路模型

線圈炮的工作過(guò)程比較復(fù)雜，電、磁、機(jī)械聯(lián)系比較緊密，影響因素比較多，為了簡(jiǎn)化分析，做了如下的簡(jiǎn)化：忽略了彈丸的空氣阻力、回路的固有電感、線圈發(fā)熱引起的結(jié)構(gòu)變化等。

在上述的簡(jiǎn)化條件下，單級(jí)感應(yīng)線圈炮電路模型如圖2所示。

U0為儲(chǔ)能電容器C的初始電壓;Rd為放電回路的總電阻;Ld為驅(qū)動(dòng)線圈的電感;Lp為彈丸的總電感;Rp為彈丸的總電阻;M為驅(qū)動(dòng)線圈和彈丸之間的互感，是位置的函數(shù)[6]。

通過(guò)以下方程將2個(gè)閉合回路聯(lián)系起來(lái)[1]

(1)

由初始條件可得

(2)

運(yùn)動(dòng)方程是

(3)

式中：vp為拋體線圈速度;up為彈丸感應(yīng)電壓;ud為驅(qū)動(dòng)線圈電壓;m為彈丸質(zhì)量。

通過(guò)聯(lián)立以上的方程組，就可以得到彈丸速度、加速度、位移等關(guān)鍵參量。

2　單級(jí)感應(yīng)線圈炮有限元分析

單線圈效率是影響線圈炮性能的重要參數(shù)之一，可以提高彈丸初速、增大彈丸射程和穿甲能力、縮短射擊的提前量、提高命中率。以下研究確定彈丸最佳初始發(fā)射位置均以獲得最高單線圈效率為標(biāo)準(zhǔn)。

2.1系統(tǒng)參數(shù)

筆者所研究的單級(jí)感應(yīng)線圈炮系統(tǒng)采用電容器儲(chǔ)能，其電源、彈丸等基本參數(shù)如表1所示。

表1　基本參數(shù)

根據(jù)驅(qū)動(dòng)線圈長(zhǎng)度與平均直徑之比將驅(qū)動(dòng)線圈分為短距線圈、中距線圈和長(zhǎng)距線圈，其中長(zhǎng)度與直徑之比大于1.2定義為長(zhǎng)距線圈；長(zhǎng)度與直徑之比小于0.8定義為短距線圈；長(zhǎng)度與直徑之比介于0.8～1.2之間的驅(qū)動(dòng)線圈定義為中距線圈。驅(qū)動(dòng)線圈均采用銅質(zhì)線芯，導(dǎo)電半徑為2 mm，絕緣層厚度為1 mm，3種結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)線圈參數(shù)如表2所示。

表2　驅(qū)動(dòng)線圈參數(shù)

2.2仿真模型

根據(jù)以上初始條件，利用Maxwell 軟件建立該線圈炮系統(tǒng)模型，如圖3所示，通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)，研究驅(qū)動(dòng)線圈對(duì)線圈炮性能的影響。驅(qū)動(dòng)線圈的軸向中心和彈丸的軸向中心重合處為零點(diǎn)，當(dāng)彈丸在驅(qū)動(dòng)線圈后方時(shí)觸發(fā)位置為正，當(dāng)彈丸在驅(qū)動(dòng)線圈前方時(shí)觸發(fā)位置為負(fù)[7]。

2.3計(jì)算結(jié)果

對(duì)于驅(qū)動(dòng)線圈而言，彈丸啟動(dòng)速度與觸發(fā)位置對(duì)彈丸的加速效果影響很大，所以首先要找到彈丸在該初速下的最佳觸發(fā)位置，從而得到最大的出口速度。本文中最佳觸發(fā)位置定義為使單級(jí)線圈炮系統(tǒng)效率最高的觸發(fā)位置。以短距線圈，彈丸啟動(dòng)速度140 m/s為例，其觸發(fā)位置與單線圈系統(tǒng)效率的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示,觸發(fā)位置與出口速度曲線如圖4所示。

表3　短距線圈觸發(fā)位置與效率對(duì)應(yīng)關(guān)系

由表3、圖4可知，對(duì)短距驅(qū)動(dòng)線圈而言，彈丸初速140 m/s時(shí)，其最佳觸發(fā)位置為10 mm處，效率為23%。

依次類(lèi)推，可以求出短距線圈、中距線圈和長(zhǎng)距線圈在彈丸啟動(dòng)速度140，250，350，450，600 m/s時(shí)的最佳觸發(fā)位置及對(duì)應(yīng)的出口速度和效率。計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4　計(jì)算結(jié)果匯總表

2.4驅(qū)動(dòng)線圈結(jié)構(gòu)對(duì)最佳觸發(fā)位置影響

由表4可以得到3種結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)線圈彈丸啟動(dòng)速度與最佳觸發(fā)位置對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線,如圖5所示。同一驅(qū)動(dòng)線圈，彈丸啟動(dòng)速度不同其最佳觸發(fā)位置不同；相同彈丸初速，不同結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)線圈其最佳觸發(fā)位置不同；隨初速增加，3種結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)線圈最佳觸發(fā)位置均線性增大，即最佳觸發(fā)位置均向線圈底部(炮尾)方向移動(dòng)，這是彈丸啟動(dòng)速度增加后系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)減小的一種自動(dòng)適應(yīng)。

2.5驅(qū)動(dòng)線圈結(jié)構(gòu)對(duì)單線圈效率的影響

由表4還可以得到3種結(jié)構(gòu)彈丸啟動(dòng)速度與單線圈效率對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線,如圖6所示。驅(qū)動(dòng)線圈結(jié)構(gòu)與單線圈效率關(guān)系更為復(fù)雜，整體而言，短距線圈效率最低且隨彈丸啟動(dòng)速度增加而快速降低；中距線圈低速段加速能力強(qiáng)，效率高，隨彈丸啟動(dòng)速度增加其效率有一個(gè)先增加后減小的過(guò)程；長(zhǎng)距線圈低速階段加速能力弱，效率隨彈丸啟動(dòng)速度增加而增加，當(dāng)彈丸初速達(dá)到450 m/s后，其效率超過(guò)中距線圈。因此以450 m/s初速為分界線，其下短距線圈和中距線圈效率高，其上長(zhǎng)距線圈效率高。

3　結(jié)論

1)同一驅(qū)動(dòng)線圈，彈丸啟動(dòng)速度不同其最佳觸發(fā)位置不同；相同彈丸啟動(dòng)速度，不同結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)線圈其最佳觸發(fā)位置不同。

2)隨彈丸啟動(dòng)速度增加，3種結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)線圈最

佳觸發(fā)位置均單調(diào)增加，以匹配系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)。

3)驅(qū)動(dòng)線圈結(jié)構(gòu)影響單線圈效率，整體而言，短距線圈單線圈效率最低、長(zhǎng)距線圈效率次之、中距線圈效率最高。

4)彈丸啟動(dòng)速度對(duì)不同結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)線圈效率影響規(guī)律差異很大：短距線圈效率隨彈丸啟動(dòng)速度增加而快速降低；中距線圈效率先隨彈丸啟動(dòng)速度增加再減小，存在極值；長(zhǎng)距線圈效率隨彈丸啟動(dòng)速度增加而增加。

References)

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Muzzle Velocity and Efficiency Performance of Single-stage Induction Coilgun

GUO Wei，SU Zizhou，CAO Bin，ZHANG Bo，F(xiàn)AN Wei

(Northwest Institute of Mechanical & Electrical Engineering, Xianyang712099, Shaanxi, China)

As a main component of the synchronous induction coil-gun, the structure of drive coils has great influence on its function. Working process and circuit model, which describes single-stage induction coil-gun excited by the stored energy pulsed capacitor, is established for the three kinds of structures: short range, medium range and long range. The single-stage induction coilgun is researched by simulation through the 2-dimension transient solver in the Ansoft software. With the maximal efficiency of drive coil as target function and the space of the centers of the driving coil and projectile as variables when discharging, three types of drive coils’structures are simulated. The simulation results indicate that each drive coil has its own best discharge position, and this position is different, which provides the theoretical reference for future engineering practice. The findings are as follows: the short range drive coil has the lowest efficiency, which decreases as the discharge speed increases; the medium range drive coil has the highest efficiency, which increases as the discharge speed increases up to a certain value; the long range drive coil has the middling efficiency, which increases as the discharge speed increases.

electrical engineering; single-stage induction coilguns; drive coils; finite element analysis; best discharge position

10.19323/j.issn.1673-6524.2016.02.001

2014-11-23

國(guó)偉(1965—)，男，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要從事電磁炮武器系統(tǒng)總體及測(cè)控技術(shù)研究。E-mail：goodwa@163.com

TJ012.1

A

1673-6524(2016)02-0001-04