電磁軌道炮被動式炮口消弧裝置的理論分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

唐 波,徐英桃,栗保明

(南京理工大學(xué) 瞬態(tài)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210094)

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電磁軌道炮被動式炮口消弧裝置的理論分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

唐 波,徐英桃,栗保明

(南京理工大學(xué) 瞬態(tài)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210094)

為了研究電磁軌道炮消除炮口電弧的方法,提出了一種新型結(jié)構(gòu)的被動式炮口消弧裝置,建立了含有消弧裝置的內(nèi)彈道計(jì)算模型。分析了被動式消弧器的兩個(gè)作用原理,第一個(gè)是磁通壓縮原理,能夠在電樞中產(chǎn)生反向電流,以減小炮口剩余電流;第二個(gè)是續(xù)流原理,使系統(tǒng)中殘余能量可以從消弧器中釋放,而不是經(jīng)過電弧,從而大大減小炮口弧光。發(fā)現(xiàn)消弧器的電氣參數(shù)必須與發(fā)射器的電氣參數(shù)相匹配才能達(dá)到最佳效果,過大或過小的感抗和阻抗都會導(dǎo)致不良消弧狀態(tài),最優(yōu)參數(shù)應(yīng)為較小的電感與稍大的電阻組合。進(jìn)一步研究了炮口消弧器的工程化設(shè)計(jì)方法,所提出的結(jié)構(gòu)最適合使用不銹鋼材料,能顯著降低炮口殘余電流和電弧,而初速基本沒有減小,該理論分析和設(shè)計(jì)思路可以為軌道炮消弧器的研究提供參考。

內(nèi)彈道;電磁軌道炮;炮口消弧;消弧器設(shè)計(jì)

電磁軌道炮作為新概念武器受到廣泛關(guān)注,其發(fā)射時(shí)依靠電磁力推動彈丸運(yùn)動,理論上電磁軌道炮可以做到無聲、無光發(fā)射,具有非常高的隱蔽性。目前美國已建成32 MJ電源系統(tǒng),最新的電源系統(tǒng)總儲能高達(dá)100 MJ,但實(shí)際電能轉(zhuǎn)換效率只有30%左右,有相當(dāng)大的能量殘留在發(fā)射系統(tǒng)中[1]。尤其是在電樞出炮口時(shí),導(dǎo)體間的固體電接觸變?yōu)殡娀〗佑|,電源系統(tǒng)中的能量需要通過電弧繼續(xù)釋放,使電弧持續(xù)燃燒形成炮口電弧。當(dāng)電樞出炮口時(shí)仍有數(shù)百安培的電流從電弧中流過,導(dǎo)致嚴(yán)重的炮口燒蝕和巨大的閃光、聲響等,這會大大降低軌道壽命和隱蔽性。

消除炮口電弧的方法已有不少研究,在炮口增加分流裝置便是有效的方法。Honig設(shè)計(jì)了利用炮口開關(guān)在彈丸出炮口時(shí)快速導(dǎo)通的方法,使剩余電能重新存儲到電源系統(tǒng)中[3]。Parker等人研究了炮口分流器的性能,發(fā)現(xiàn)在炮口增加分流電路能夠顯著減小電樞的峰值功率,減輕燒蝕問題。之后,Parker又設(shè)計(jì)出一種電感型炮口分流器,利用磁通壓縮原理可以簡單而高效地消除炮口電弧,當(dāng)選擇合適的電氣參數(shù)時(shí)就能使炮口電流減小到0[4-5]。Jamison 等人也發(fā)現(xiàn)在炮口串聯(lián)電阻后能使電樞出膛時(shí)炮口殘余電流顯著減小[6]。Bernardes等人設(shè)計(jì)了一種電容器型炮口分流器,能夠明顯減小炮口電弧閃光,并恢復(fù)系統(tǒng)中約10%的能量[7]。國內(nèi)何勇等人使用低阻抗的觸發(fā)開關(guān)作為主動式消弧裝置,當(dāng)電樞接近炮口時(shí)快速導(dǎo)通開關(guān),實(shí)驗(yàn)表明該方法能夠有效地抑制炮口電弧[8]。目前,消除電弧的方法以實(shí)驗(yàn)為主,理論研究與工程化研究較少,但對于武器系統(tǒng)而言,炮口消弧器的設(shè)計(jì)研究有很大意義。本文將建立被動式消弧裝置的理論計(jì)算模型,結(jié)合工程實(shí)際討論被動式炮口消弧器的設(shè)計(jì)方法,提出一個(gè)高效、緊湊的新型實(shí)用化結(jié)構(gòu),最終給出相關(guān)電氣參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)匹配原則。

1 炮口消弧器的理論分析

圖1為軌道炮發(fā)射時(shí)典型的電流曲線[2]。

圖1 炮口殘余電流示意圖

為消除炮口電弧,常見的有2種方法,即主動式和被動式[8]。主動式消弧裝置利用開關(guān)導(dǎo)通炮口消弧回路,對電氣參數(shù)的要求不高,但由于其需要準(zhǔn)確的測量電樞出膛時(shí)刻,且開關(guān)系統(tǒng)體積較大,不適合安裝在炮口上。而被動式消弧裝置的結(jié)構(gòu)簡單可靠,將正負(fù)極軌道在炮口處用電感或電阻等連接在一起即可,一方面炮口回路能夠在電樞前部壓縮磁通,減小炮口殘余電流;另一方面回路可以續(xù)流,削弱電弧能量。被動式炮口消弧器的可靠性已有很多實(shí)驗(yàn)可以證實(shí)[4-7],在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了適合工程應(yīng)用的新型消弧器結(jié)構(gòu),如圖2。

圖2 被動式消弧裝置結(jié)構(gòu)示意圖

該結(jié)構(gòu)主要有3個(gè)特點(diǎn):①結(jié)構(gòu)簡單、體積小、強(qiáng)度高,適合安裝在炮口部位,以一體化結(jié)構(gòu)方便與軌道連接,增加發(fā)射器炮口部位的強(qiáng)度;②效率高,經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后,該型消弧器電感值較小,而電阻值稍大,能夠保證良好的消弧性能,而炮口初速基本沒有減小;③在端口部有縫隙,與電力開關(guān)中常用的窄縫滅弧原理類似[9],可將殘存的電弧隔斷釋放,或快速冷卻而滅弧,結(jié)構(gòu)上與常規(guī)炮口制退器類似[10],比較美觀。

當(dāng)身管的結(jié)構(gòu)不同時(shí),消弧器的結(jié)構(gòu)也需要作相應(yīng)的調(diào)整,以使消弧器的電氣參數(shù)與身管的電氣參數(shù)相匹配,否則不能達(dá)到最佳消弧狀態(tài)。本文以一個(gè)小口徑電磁軌道炮身管的電氣參數(shù)為例,設(shè)計(jì)出與其相匹配的消弧器參數(shù),由于導(dǎo)體自身的阻抗,只需改變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就可以達(dá)到所需的電感值和電阻值。最后,設(shè)計(jì)出符合工程應(yīng)用的機(jī)械結(jié)構(gòu),該方法簡單實(shí)用,也是本文著重強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)。首先建立內(nèi)彈道計(jì)算模型,與普通電磁發(fā)射器相比,該模型需要在計(jì)算中增加消弧器回路的電路方程,簡化電路如圖3所示。圖中,UB為炮尾兩端的電壓,Ua為電樞兩端的電壓,x為電樞到炮尾距離,lg為軌道總長度,Iall為總電流,Ia為電樞中的電流,Is為炮口消弧器中流過的電流。

含有消弧器的軌道炮發(fā)射過程可以分為2個(gè)階段[11],第一階段是電樞在膛內(nèi)運(yùn)動時(shí),電樞前方和后方軌道的電感值和電阻值都在變化,而且電樞前方的回路會對電樞中電流產(chǎn)生較大影響;第二階段是電樞脫離軌道時(shí),軌道間會出現(xiàn)大量等離子體電弧或金屬蒸汽等,可以近似認(rèn)為軌道間將存在高阻值電阻。第一階段的等效電路圖與相關(guān)電氣參數(shù)如圖4。圖中,L0和R0分別為回路的初始電感和電阻,L′和R′分別為軌道電感梯度和電阻梯度,Ls和Rs分別為炮口消弧器電感和電阻。電樞后部軌道中的電感L′x和電阻R′x快速增大,而電樞前部的電感L′(lg-x)和電阻R′(lg-x)則快速減小,出現(xiàn)磁通壓縮現(xiàn)象,抵消了電樞中的部分電流,并最終減小到0。

圖3 含有消弧裝置的軌道炮示意圖

圖4 第一階段等效電路圖

電源系統(tǒng)由n個(gè)模塊組成,每個(gè)模塊電容為Ck,初始電壓為Uck,電感為Lk,k=1,2,…,n,用方程組表示為[12]

(1)

計(jì)算中當(dāng)Uck≤0時(shí),令Uck=0。除了電源系統(tǒng)的方程組,還需要寫出身管系統(tǒng)的電路方程組,即:

(2)

式中:v為電樞運(yùn)動速度。

第二階段是電樞出炮口時(shí),炮口殘留有部分電弧,將繼續(xù)導(dǎo)通回路。設(shè)炮口電弧的電阻為Rc,根據(jù)Marshall[13]計(jì)算出的銅等離子體電導(dǎo)率約為20S/mm,近似取值為12mΩ,第二階段等效電路圖如圖5所示。

此時(shí)電樞已經(jīng)脫離軌道,但仍用Ia表示電弧中流過的電流,并認(rèn)為是炮口殘余電流。此時(shí),系統(tǒng)的電路方程變?yōu)?/p>

(3)

除此之外,還需要建立電樞的運(yùn)動方程,與普通軌道炮不同的是,由于炮口消弧器的分流作用,電樞受到前后兩側(cè)的磁場疊加作用[4],電磁力方程為

F=(L′IallIa/2)+(L′IsIa/2)

(4)

(5)

式中:F為電樞受到的電磁力,ma為電樞質(zhì)量。結(jié)合式(1)～式(5),就可以計(jì)算出含有炮口消弧裝置時(shí),電磁發(fā)射器的整個(gè)內(nèi)彈道過程。

圖5 第二階段等效電路圖

2 計(jì)算算例

為更好地分析被動式炮口消弧器的設(shè)計(jì)方法及其阻抗與身管系統(tǒng)的匹配關(guān)系,以一個(gè)單軌20 mm小口徑軌道炮為算例,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及結(jié)構(gòu)參數(shù),可以得到該發(fā)射器與電源系統(tǒng)的電氣參數(shù)等,如表1和表2。

表1 電弧與消弧器的電氣參數(shù)

表2 身管與電源系統(tǒng)參數(shù)

2.1 被動式消弧器原理分析

將各參數(shù)代入計(jì)算模型后得到的計(jì)算結(jié)果如圖6所示,可以發(fā)現(xiàn),加裝炮口消弧器與不加消弧器時(shí),總電流的波形幾乎一致,說明該型炮口消弧器對電源系統(tǒng)的放電特性基本沒有影響。在未加裝炮口消弧器時(shí),認(rèn)為回路中的總電流全部經(jīng)過電樞,并在電樞出炮口時(shí)釋放到電弧中,此時(shí),剩余電流高達(dá)80 kA。當(dāng)加裝炮口消弧器后,發(fā)射過程中有一部分電流從消弧裝置中流過,電樞中的電流逐漸減小,在出炮口時(shí)電樞中的電流基本減小為0,從而大大減小炮口的殘余電流,而且減小電樞中流過的電流,有利于減輕燒蝕問題,增加軌道壽命等。

圖6 電路仿真結(jié)果

由圖6也可以看出,電樞電流在下降過程中有一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn),先是較緩慢地減小,而后快速減小,對應(yīng)消弧過程的2個(gè)階段,也可以認(rèn)為是被動式消弧器的2個(gè)工作原理,分別是磁通壓縮原理和續(xù)流原理。

第一個(gè)是磁通壓縮原理,初始時(shí)刻,由于消弧器回路的電感,消弧器中流過的電流很小,保證了電樞的加速運(yùn)動。隨著電樞的前進(jìn),消弧回路的總電感迅速減小,出現(xiàn)磁通壓縮現(xiàn)象,使消弧回路中的電流快速增加,抵消了電樞中的部分電流,但由于炮口分流的作用,電樞的初速基本不會降低。最終電樞出炮口時(shí)剩余電流將大幅減小,從而最大程度地抑制樞軌分離時(shí)電弧的產(chǎn)生。

第二個(gè)是續(xù)流原理,當(dāng)電樞出炮口后,系統(tǒng)中的剩余能量將通過消弧器釋放,而不是經(jīng)過殘余電弧或金屬蒸汽釋放,從而削弱電弧中的能量。如圖7中,無消弧器時(shí),炮口電弧中的電流密度很高,使電弧能量快速增加,導(dǎo)致較大的閃光和噪聲等[14];而安裝消弧器后,大部分電流從消弧器中流過,電弧中的電流密度小得多,基本只聚集在消弧器的內(nèi)部,從而大幅減少炮口電弧的閃光等。

圖7 含消弧器與不含時(shí)炮口電弧中的電流密度對比

2.2 被動式消弧裝置優(yōu)缺點(diǎn)分析

被動式炮口消弧器的優(yōu)點(diǎn)如前文所述,結(jié)構(gòu)簡單、效率高,若參數(shù)選擇合適,能顯著減小電樞出炮口時(shí)產(chǎn)生的電弧,而且由于炮口消弧器的分流作用,電樞前后兩側(cè)的磁場相疊加共同推動電樞運(yùn)動,電樞的炮口初速只是稍微降低,由1 860 m/s降低到1 818 m/s,如圖8中良好消弧狀態(tài)。這與Parker的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的[5],該實(shí)驗(yàn)中炮口電流由170 kA下降到12 kA,而初速僅由1 140 m/s下降為1 090 m/s。理論分析與實(shí)驗(yàn)都說明此類被動式炮口消弧裝置是非常有效的。

圖8 不同狀態(tài)下電樞膛內(nèi)運(yùn)動速度曲線對比

但被動式炮口消弧器也有缺點(diǎn),如圖8中不良消弧狀態(tài),炮口初速降低比較多。這是由于消弧的電氣參數(shù)與發(fā)射器的電氣參數(shù)不匹配,對消弧性能和發(fā)射性能產(chǎn)生了不良影響。由于發(fā)射時(shí)間短,磁通壓縮速度很快,當(dāng)消弧裝置中電感和電阻非常小時(shí),消弧回路中將產(chǎn)生過大的反向電流,進(jìn)而導(dǎo)致電樞中電流反向,嚴(yán)重降低炮口初速。例如選擇Ls=0.1 μH,Rs=0.1 mΩ時(shí),電樞中的電流減小過快而反向,如圖9所示。同時(shí)炮口初速由1 860 m/s降低到1 660 m/s,降低了10.8%,不過這個(gè)缺點(diǎn)可以解決,因?yàn)榘l(fā)射器的結(jié)構(gòu)確定后,就可以確定其相關(guān)參數(shù),從而設(shè)計(jì)出與其相匹配的消弧器參數(shù)。

圖9 電樞中出現(xiàn)的反向電流

2.3 基于新型結(jié)構(gòu)的被動式消弧器優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)上述分析,被動式炮口消弧器的設(shè)計(jì)方法總結(jié)為:首先確定身管的電氣參數(shù),根據(jù)其數(shù)值計(jì)算出滿足最佳性能需求的消弧器電氣參數(shù),最后根據(jù)該參數(shù)設(shè)計(jì)出消弧器的結(jié)構(gòu)。以該發(fā)射器為例,先計(jì)算出消弧器不同電感值和電阻值時(shí)炮口的電流IM和初速vM,如圖10和圖11所示。

圖10 炮口初速隨電感和電阻的變化規(guī)律

圖11 不同電阻值和電感值時(shí)炮口電流

結(jié)合圖10和圖11,可以看出當(dāng)Ls與Rs過小時(shí),電樞中電流將反向,炮口初速會嚴(yán)重降低。其余情況下,初速基本沒有降低,說明合適的參數(shù)可以防止發(fā)射效率下降;當(dāng)Ls和Rs較大時(shí),炮口的殘余電流也變大,消弧的性能降低,但仍比不安裝炮口消弧器時(shí)要低得多,說明消弧器能夠有效減小炮口電流。另外,電感值對其性能影響比電阻更大,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先考慮其電感。

為找出最佳的參數(shù),假設(shè)WI和Wv分別表示炮口電流和初速的設(shè)計(jì)權(quán)重,計(jì)算中各取50%。2個(gè)不同的量還需要進(jìn)行歸一化處理,考慮到炮口電流無論正向還是反向,數(shù)值過大都是不利的,因此取絕對值的負(fù)數(shù),K表示最優(yōu)系數(shù),即:

(6)

最優(yōu)參數(shù)如圖12中顏色最深的區(qū)域,實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)難以得到精確數(shù)值,使其值在該范圍內(nèi)即可。綜上,選擇較小的電感能達(dá)到消弧目的,而選擇偏大一些的電阻,能防止出現(xiàn)反向電流,從而保證發(fā)射效率。最優(yōu)參數(shù)應(yīng)為較小的電感值與稍大的電阻值的組和,此時(shí)炮口電流基本可減為0,而初速不會明顯降低。

圖12 最優(yōu)參數(shù)示意圖

針對本文提出的炮口消弧器結(jié)構(gòu),使用三維有限元軟件計(jì)算出其電感值和電阻值,由于電感受結(jié)構(gòu)影響較大,該結(jié)構(gòu)確定后電感值基本也可以確定。而電阻值的大小與其材料的導(dǎo)電性有關(guān),對于該型結(jié)構(gòu),計(jì)算了幾種不同材質(zhì)時(shí)的炮口電流和初速,如表3。

表3 不同材質(zhì)對該型炮口消弧器的影響

計(jì)算發(fā)現(xiàn),導(dǎo)電性較好的銀、銅、鋁等材質(zhì)并不適合用來制作這種類型的炮口消弧器。反而導(dǎo)電性不良的不銹鋼材質(zhì)卻更適合,這個(gè)結(jié)果是比較好的,因?yàn)殇摰膹?qiáng)度很高,能夠保證消弧器不被破壞,還能進(jìn)一步增加炮口部位的強(qiáng)度,而且其成本低,易加工。另外有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)值得考慮,一般的鋼鐵材料會有磁飽和效應(yīng)[15],而這對于炮口消弧器是有利的。剛發(fā)射時(shí),鐵質(zhì)材料沒有達(dá)到磁飽和狀態(tài),磁導(dǎo)率較高,因而其感抗也比較大,會減小消弧器中的電流,而保證電樞的加速運(yùn)動;而當(dāng)電流增大后,鐵質(zhì)材料很快達(dá)到磁飽和狀態(tài),感抗減小,有利于磁通壓縮,從而快速減小炮口殘余電流。也可以選擇性能更好的合金材料,只需使其電氣參數(shù)與發(fā)射器參數(shù)相匹配即可。對于本文提出的消弧器結(jié)構(gòu),最佳選擇是不銹鋼材料。

3 結(jié)束語

本文總結(jié)了炮口消弧的方法,提出了一種簡單高效的被動式炮口消弧器結(jié)構(gòu),并推導(dǎo)出了計(jì)算模型,該模型能夠很好地模擬出含有消弧裝置的軌道炮內(nèi)彈道曲線。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,主要得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

①被動式消弧器主要有2個(gè)消弧原理。一是磁通壓縮原理,當(dāng)電樞在軌道中運(yùn)動時(shí),消弧器與軌道回路的電感值快速減小,導(dǎo)致消弧回路的電流不斷增大,以抵消電樞中的部分電流,從而減小出炮口時(shí)的殘余電流;二是續(xù)流原理,電樞出炮口后,系統(tǒng)中的剩余能量可以通過消弧器繼續(xù)釋放,而不是通過電弧,從而削弱電弧的能量,進(jìn)而減小閃光和噪聲等。

②消弧器的電氣參數(shù)必須與發(fā)射器的電氣參數(shù)相匹配才能達(dá)到最佳效果,過小的電感和電阻會導(dǎo)致反向電流,嚴(yán)重降低效率;過大的電感和電阻無法使炮口電流減為0。最優(yōu)參數(shù)應(yīng)為較小的電感值與稍大的電阻值的組合,此時(shí)炮口殘余電流可減小到0,而初速基本不會降低。

③進(jìn)一步研究了炮口消弧裝置工程化設(shè)計(jì)方法,針對本文提出的被動式消弧器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的電感合適,使用鋼材質(zhì)時(shí)能使消弧器的電氣參數(shù)與身管參數(shù)相匹配,達(dá)到最佳消弧性能。同時(shí),該結(jié)構(gòu)簡單可靠,還可增加發(fā)射器的炮口強(qiáng)度。此外,利用鋼鐵質(zhì)材料的磁飽和效應(yīng)可使消弧器初始時(shí)刻感抗較大,進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的發(fā)射性能與消弧性能。該理論分析與工程設(shè)計(jì)思路可以為軌道炮的消弧研究提供參考。

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Theoretical Analysis and Optimization Design of Passive Muzzle Arc Suppression Device in a Railgun

TANG Bo,XU Ying-tao,LI Bao-ming

(National Key Laboratory of Transient Physics,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

To control muzzle arc of electromagnetic rail gun,a new passive arc suppression device of muzzle was proposed,and the calculation model of the interior ballistics was established.Two arc suppression principles were analyzed.The first is the magnetic flux compression,and the muzzle circuit will produce reverse current in armature to reduce the muzzle current.The second is the continuous flow of current when armature is out,and the residual energy will release by the arc suppression device instead of the arc flash.The electrical parameters of arc suppression device should be matched with the launching system,and too small or too large inductance and resistance will lead to undesirable arc suppression.The optimal parameters should be the smaller inductance and slightly larger resistance.In this design,the best material is stainless steel which is simple and reliable.With this device,the muzzle residual current is almost reduced to zero,but the muzzle velocity is not reduced.This design offers reference for the study of muzzle arc suppression device.

interior ballistics;electromagnetic railgun;muzzle arc control;arc suppression device design

2016-08-23

唐波(1990- ),男,博士研究生,研究方向?yàn)殡姶虐l(fā)射技術(shù)。E-mail:tangbo90@126.com。

TJ399

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1004-499X(2016)04-0062-06