磁阻型電磁發(fā)射裝置分析與建模

王澤民　王中華

摘要：以磁阻型電磁發(fā)射裝置為研究對象，根據(jù)其電磁發(fā)射原理研究了發(fā)射電路的物理模型，進而建立了彈丸初速度與線圈匝數(shù)、線圈長度、彈丸長度、彈丸相對磁導率、電源電壓及放電電流等參數(shù)之間的數(shù)學模型，通過對該數(shù)學模型的仿真分析，結(jié)合實際應(yīng)用中的一些常見問題，分析了磁阻型電磁發(fā)射裝置的主要參數(shù)設(shè)計原則及注意事項，為磁阻型電磁發(fā)射裝置的優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：電磁發(fā)射；彈丸；電路模型；運動模型

中圖分類號：TM154.2 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）23-0232-03

Abstract： According to the principle of electromagnetic launch， the physical model of the circuit of launching is studied based on the reluctance electromagnetic launcher. The mathematical model is established between the parameters of the turn ratio， the coil length， projectile length， relative permeability of projectile， the supply voltage， and the discharge current. Through the simulation and analysis of the mathematical model， the design principles and considerations is given combined with some common problems in application. The reference is provided for improvement designing the reluctance electromagnetic launcher.

Key words： electromagnetic launch； projectile； circuit model； motion model

1引言

電磁發(fā)射實現(xiàn)的方式各不相同，但是其原理都是利用電磁系統(tǒng)中電磁場產(chǎn)生的洛倫茲力來對金屬炮彈進行加速的。電磁發(fā)射器從其類型上大致可以分為三類：導軌型、線圈型和重接型[1]，三種不同類型的發(fā)射器由于實現(xiàn)方式的不同各存在著其自身的優(yōu)缺點。對于導軌型電磁發(fā)射技術(shù)的研究起步較早，各方面也比較完善，其發(fā)射速度可以很高，但是對電流的要求很大，而且對軌道腐蝕比較嚴重[2]；對于線圈型電磁發(fā)射器有著可以發(fā)射質(zhì)量很大的物體以及效率很高等優(yōu)點，但是對于其驅(qū)動線圈中電流時刻的控制非常復雜[3]；對于重接型電磁發(fā)射器有著無接觸、無燒蝕的優(yōu)點，但是其還處于理論研究初期[4]。本文選擇了效率較高的磁阻型電磁發(fā)射裝置作為研究對象，通過建模分析解析出最優(yōu)的一組影響其發(fā)射速度的因素，對以后進一步的研究提供一定的理論依據(jù)。

2磁阻型電磁發(fā)射原理

磁阻電磁發(fā)射裝置由一個驅(qū)動線圈和一個鐵磁性彈丸以及附屬部件構(gòu)成。它是利用線圈的鐵磁磁路的磁阻變化吸引鐵芯運動來加速鐵芯彈丸的。它與普通線圈炮的不同之處在于彈丸是一整塊鐵磁材料，被加速的不是彈丸線圈或管狀彈丸[5]，其作用原理是磁阻最小原理。磁通總是趨向于經(jīng)過磁阻最小的路徑，鐵磁性的彈丸具有比空氣高得多的磁導率，因此彈丸放置在驅(qū)動線圈內(nèi)部時，在彈丸與空氣組成的磁路里，彈丸就會向磁阻最小的方向運動。也可以認為是驅(qū)動線圈中的電流與被磁化的鐵磁性彈丸中的磁化電流之間的安培力，由于磁化電流與驅(qū)動線圈中的電流具有相同的方向，因此彈丸受到吸力而加速，磁阻型電磁發(fā)射原理圖如圖1所示。

3磁阻型電磁發(fā)射的模型分析

對于磁阻型電磁發(fā)射裝置的分析分為兩個方面：電路模型和運動模型分析。

3.1電路模型

由磁阻型電磁發(fā)射原理可知，要求電源能給驅(qū)動線圈提供勵磁電流 [6，7]。由于電容器具有儲能密度高、一體化封裝、結(jié)構(gòu)牢固、無噪聲、無污染等一系列優(yōu)點，所以一般選擇電容器作為發(fā)射裝置的供電電源，由此建立電路模型如圖2所示。

彈丸的速度隨著線圈匝數(shù)的增加而變大。但在實際中不得不考慮線圈時間常數(shù)引起的過渡過程，由于電感對突變電流有阻礙的作用，所以這就會引起系統(tǒng)中放電電流的變化，由于電感與線圈匝數(shù)成正比，匝數(shù)的增加將會增大電感從而增加了放電電流在整個系統(tǒng)中的時間，如果放電時間控制不準確則會產(chǎn)生倒吸作用從而減慢彈丸的速度，同樣如果線圈匝數(shù)過少，線圈放電電流就會增大，由此帶來一系列如線圈散熱、損耗加大、大電流下開關(guān)器件的選擇等問題。因此，在實際設(shè)計時應(yīng)綜合考試線圈匝數(shù)和放電電流等參數(shù)。

彈丸的相對磁導率越高，則彈丸的速度越快，因此在選擇彈丸的時候應(yīng)盡量選擇質(zhì)量較輕，而相對磁導率比較大的鐵磁材料。

電源電壓越大彈丸將獲得越大的速度，但是在實際系統(tǒng)中過度增加電源電壓將會產(chǎn)生較大的渦流，而渦流產(chǎn)生的電磁力將阻礙彈丸的向前運動，所以在提高彈丸速度的時候不能一味的增加電源電壓，應(yīng)當從整個系統(tǒng)各個因素考慮。

彈丸速度隨著放電電流的增加而迅速變大，但是當彈丸達到線圈幾何中心以后持續(xù)放電將會對彈丸產(chǎn)生一個倒吸作用，阻礙彈丸運動，因此在盡可能增大放電電流的同時必須嚴格控制放電電流的持續(xù)時間。

5結(jié)論

通過對磁阻型電磁發(fā)射原理的研究分析建立了發(fā)射電路的物理模型和運動模型，推導了彈丸速度的計算公式。通過仿真給出了彈丸初速度與線圈匝數(shù)、線圈長度、彈丸長度、彈丸相對磁導率、電源電壓及放電電流等參數(shù)之間的關(guān)系曲線，結(jié)合實際中常見的問題，分析了磁阻型電磁發(fā)射裝置主要參數(shù)的設(shè)計原則及注意事項，為磁阻型電磁發(fā)射裝置的優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。

參考文獻：

[1]潘娜，申澤軍.電磁軌道炮的電路建模及參數(shù)特性分析[J].黑龍江電力，2013（2）.

[2]王群，耿云玲.電磁炮及其特點和軍事應(yīng)用前景[J].國防科技，2011（2）.

[3]孫韓，白秀軍.電磁炮物理模型構(gòu)建與系統(tǒng)實現(xiàn)[J].智能計算機與應(yīng)用，2015（4）.

[4]劉戀，于克訓.三種實際因素對電磁軌道炮性能的影響[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013（35）.

[5]王明東，王天祥. 新概念武器的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].四川兵工學報，2014（6）.

[6]李軍，嚴萍，袁偉群.電磁軌道炮發(fā)射技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀[J].高電壓技術(shù)，2014（4）.

[7]李如年，王敬，王海.新概念動能武器—電磁炮[J].中國電子科學研究院學報，2011（2）.

[8]向紅軍，趙科義.多級電磁感應(yīng)線圈炮的級間耦合特性[J].高電壓技術(shù)，2012（5）.

[9]譚賽，魯軍勇.電磁軌道炮的電氣參數(shù)特性研究及優(yōu)化設(shè)計[J].船電技術(shù)，2012（2）.