平面增強(qiáng)型六極軌道電磁發(fā)射器仿真與分析*

薛新鵬,舒 濤,劉 明,劉少偉,楊志勇

(空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院,西安 710051)

0 引言

通過(guò)多軌道電磁技術(shù)發(fā)射多拋體一直以來(lái)都是電磁推進(jìn)的熱門話題[1-3],世界各國(guó)持續(xù)對(duì)電磁發(fā)射技術(shù)進(jìn)行廣泛而深入的研究[4-6],相對(duì)于線圈炮和重接炮的電磁發(fā)射技術(shù),軌道炮具有加速拋體至超高速的潛力[7],但其軌道的高電流密度會(huì)導(dǎo)致軌道的嚴(yán)重?zé)g,從而降低發(fā)射能量利用效率和使用頻率。隨著世界軍事不僅僅滿足電磁發(fā)射動(dòng)能彈,而是向著電磁發(fā)射制導(dǎo)炸彈領(lǐng)域不斷發(fā)展,目前傳統(tǒng)電磁發(fā)射器存在一個(gè)迫切的問(wèn)題,就是在發(fā)射過(guò)程中都面臨惡劣電磁場(chǎng)環(huán)境,限制其拋體向智能化方向發(fā)展[8-9]。因此,提出一種新型平面增強(qiáng)型六極軌道電磁發(fā)射器,在提供大的推進(jìn)力的同時(shí),解決了強(qiáng)磁場(chǎng)屏蔽問(wèn)題。

1 發(fā)射模型

圖1展示的是平面增強(qiáng)型六極軌道電磁發(fā)射器模型,平面增強(qiáng)六極軌道和雙拋體組成是最重要的結(jié)構(gòu)組成,平面串聯(lián)增強(qiáng)六極軌道是等間距旋轉(zhuǎn)雙六極軌道排布,雙拋體為兩個(gè)大小相同獨(dú)立的梅花狀拋體上下層疊排布,雙拋體和制導(dǎo)炸彈的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閆軸。

平面增強(qiáng)型六極軌道的設(shè)計(jì)主要是為了增加軌道間的電感梯度,在導(dǎo)彈拋體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,平面增強(qiáng)型六極軌道還起到固定雙拋體的作用,增加了發(fā)射系統(tǒng)的穩(wěn)定性。旋轉(zhuǎn)雙六極軌道的構(gòu)型是此電磁發(fā)射器的關(guān)鍵技術(shù),平面串聯(lián)增強(qiáng)型六極軌道的布局如圖2所示,旋轉(zhuǎn)雙六極軌道是30°圓周等間距布局,對(duì)其中的3個(gè)軌道加載相同的電流,旋轉(zhuǎn)雙六極軌道產(chǎn)生6對(duì)磁場(chǎng),根據(jù)加載電流的軌道不同,中心區(qū)域的電磁場(chǎng)彼此抵消程度會(huì)有不同。由于平面布局的雙六極軌道增加了電感梯度,在通入相同電流的情況下,平面串聯(lián)增強(qiáng)型六極軌道電磁發(fā)射器提供的電磁驅(qū)動(dòng)力將大于六極軌道電磁發(fā)射器。

圖2 平面增強(qiáng)型六極軌道布局

2 軌道連接的3種環(huán)向磁場(chǎng)構(gòu)型方式

2.1 3種典型構(gòu)型

平面增強(qiáng)型六極軌道在結(jié)構(gòu)上相當(dāng)于兩個(gè)六極軌道電磁發(fā)射器旋轉(zhuǎn)一定角度的復(fù)合結(jié)構(gòu)。

根據(jù)電流加載于軌道的位置與個(gè)數(shù)不同,平面增強(qiáng)型六極軌道對(duì)稱發(fā)射器存在3種典型結(jié)構(gòu),具體的連接方式如圖3所示。

圖3 3種典型平面串聯(lián)增強(qiáng)六極軌的連接方式

2.2 3種構(gòu)型的仿真與分析

選擇兩個(gè)拋體在XY平面上的磁場(chǎng)分布,3種構(gòu)型的磁場(chǎng)強(qiáng)度云圖具體如圖4所示,從上到下依次為平面增強(qiáng)A、B和C 3種構(gòu)型,其中左側(cè)為拋體#1底面截面磁場(chǎng)強(qiáng)度云圖。

在加載截面軌道電流為100 kA的情況下,3種構(gòu)型產(chǎn)生的最大磁場(chǎng)分別為1.876 T,2.180 T和2.072 T,B構(gòu)型的磁場(chǎng)強(qiáng)度最大,且拋體#1截面的磁場(chǎng)強(qiáng)度明顯大于拋體#2,這是因?yàn)閽侒w#1截面的磁場(chǎng)是由旋轉(zhuǎn)雙六極軌道共同作用的結(jié)果,由于拋體#1連接的六極軌道在上部不存在電流,故拋體#2截面的磁場(chǎng)則是由單個(gè)六極軌道共同作用的結(jié)果。從磁場(chǎng)強(qiáng)度云圖中可以看出,平面串聯(lián)增強(qiáng)A構(gòu)型在中心有明顯的磁場(chǎng)屏蔽區(qū)域,而B(niǎo)和C兩種構(gòu)型的磁屏蔽區(qū)域逐漸減小,特別是C構(gòu)型,強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域幾乎占領(lǐng)了整個(gè)發(fā)射空間,B和C兩種構(gòu)型會(huì)嚴(yán)重干擾制導(dǎo)炸彈的內(nèi)部元器件。

拋體#1截面的磁場(chǎng)強(qiáng)度及其電流密度矢量圖具體如圖5所示,其中左側(cè)為拋體#1的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布矢量圖,右側(cè)為拋體#1的電流密度分布矢量圖。從左側(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度分布矢量圖中可以看出,平面串聯(lián)增強(qiáng)A構(gòu)型的磁力線均勻存在于旋轉(zhuǎn)雙六極軌道周圍,在中心區(qū)域幾乎沒(méi)有磁力線的存在;B構(gòu)型的磁力線主要存在于加載電流的軌道周圍,即磁力線是兩超四強(qiáng)的情況,且磁力線已滲透到中心區(qū)域中;C構(gòu)型由于受到拋體#2所連接軌道的影響,其磁力線整體呈現(xiàn)反對(duì)角線型,且磁力線已完全穿過(guò)發(fā)射運(yùn)動(dòng)的中心區(qū)域,這與圖4中C構(gòu)型磁場(chǎng)強(qiáng)度云圖是相符合的。相比于其它兩種構(gòu)型,A構(gòu)型軌道周圍六邊形邊界區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度是最均勻的,且中心區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度最小。

圖4 3種構(gòu)型磁場(chǎng)強(qiáng)度云圖

這表明,平面串聯(lián)增強(qiáng)A構(gòu)型在雙拋體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可以受力均勻,不會(huì)造成大的應(yīng)力集中的情況,增加了發(fā)射系統(tǒng)的穩(wěn)定性;B構(gòu)型的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大,在雙拋體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中將受到更大的推進(jìn)力與出口速度;C構(gòu)型的磁場(chǎng)范圍拓展到發(fā)射中心區(qū)域,不適合制導(dǎo)炸彈的發(fā)射。

從右側(cè)拋體#1的電流密度分布矢量圖中可以看出,平面串聯(lián)增強(qiáng)A構(gòu)型的電流矢量是從六級(jí)導(dǎo)軌中均勻流入流出到拋體#1中,是完全對(duì)稱的,這與A構(gòu)型的平面串聯(lián)增強(qiáng)六極軌的連接方式是相符合的;B構(gòu)型的電流矢量是從兩端對(duì)稱加載電流的,從另外4根軌道流出,且在Y軸對(duì)稱區(qū)域中,電流密度矢量減少,這是由于電流會(huì)走電阻最小的流通回路,在Y軸對(duì)稱區(qū)域形成沖擊碰撞;C構(gòu)型的電流矢量是從連續(xù)的3根軌道流入,從拋體#1對(duì)面的電流流出,其電流密度矢量在反對(duì)角線區(qū)域密度最大,這是由于最中間軌道電流的流入的分量加載到另外兩輸入電流造成的,這與圖6中C構(gòu)型磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量圖是相符合的。電流矢量密度的大小從B、C、A依次降低。

圖5 拋體#1截面的磁場(chǎng)強(qiáng)度及其電流密度矢量圖

與圖5類似,拋體#2截面的磁場(chǎng)強(qiáng)度及其電流密度矢量圖具體如圖6所示。與拋體#1截面的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布矢量圖不同的是,拋體#2的3種構(gòu)型磁力線是由其連接的一對(duì)六極軌道流通電流作用的結(jié)果,而拋體#1是由旋轉(zhuǎn)雙六極軌道流通電流共同作用的結(jié)果,這也使得拋體#2的3種構(gòu)型磁力線變得更加清晰明了。同樣的,拋體#2的電流密度分布矢量圖中是拋體#1的電流密度分布矢量圖逆時(shí)針扭轉(zhuǎn)30°的結(jié)果。

圖6 拋體#2截面的磁場(chǎng)強(qiáng)度及其電流密度矢量圖

3 推進(jìn)力與電磁屏蔽的仿真及分析

3.1 雙拋體的軸向推進(jìn)力

無(wú)論是平面增強(qiáng)六極軌道電磁發(fā)射器的哪種構(gòu)型,其拋體的軸向加速推進(jìn)作用思想是一樣的,即環(huán)向磁場(chǎng)與正交環(huán)向電流產(chǎn)生軸向推進(jìn)力,不同點(diǎn)為每種構(gòu)型的磁力線分布與電流流向不同,產(chǎn)生的有效推進(jìn)力有所差別。

在平面串聯(lián)增強(qiáng)六極軌道通入100 kA電流的情況下,3種構(gòu)型的雙拋體所受推進(jìn)力數(shù)據(jù)具體如表1所示,由表可知,A構(gòu)型拋體#1與拋體#2的電磁推進(jìn)力幾乎相等,上下拋體的推力是相同的,即在電磁發(fā)射過(guò)程中,制導(dǎo)炸彈的運(yùn)行將更加平穩(wěn);B構(gòu)型拋體#1與拋體#2的電磁推進(jìn)力相差最大,其電磁推進(jìn)力主要集中在拋體#1中,且B構(gòu)型的電磁推進(jìn)合力是最大的,這與圖4中B構(gòu)型的強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境和圖5中大電流矢量密度是相符合的;C構(gòu)型電磁推進(jìn)力也主要集中在拋體#1中。

表1 平面串聯(lián)增強(qiáng)的3種構(gòu)型拋體所受推進(jìn)力

特別的,平面串聯(lián)增強(qiáng)型的拋體#1所受的推進(jìn)力是旋轉(zhuǎn)雙六極軌道共同作用的結(jié)果,而拋體#2所受的推進(jìn)力是單六極軌道作用的結(jié)果。雖然A構(gòu)型的推進(jìn)合力是最小的,但分析3種構(gòu)型中拋體#2所受的推進(jìn)力,A構(gòu)型的推進(jìn)力是最大的,說(shuō)明單獨(dú)的六極軌道通過(guò)A構(gòu)型的電流加載方式,拋體受到的推進(jìn)力最大。

3.2 磁場(chǎng)屏蔽原理

平面串聯(lián)增強(qiáng)型六極軌道電磁發(fā)射器的磁場(chǎng)屏蔽思想,是平面增強(qiáng)六極軌道在運(yùn)動(dòng)區(qū)域磁場(chǎng)互相抵消的結(jié)果,3種典型構(gòu)型的電流流入方式會(huì)造成不同的磁場(chǎng)屏蔽效果。

在加載電流的峰值時(shí)刻,平面串聯(lián)增強(qiáng)六極軌道電磁發(fā)射器在X-Z截面與Y-Z截面的磁場(chǎng)強(qiáng)度云圖分布如圖7所示,在導(dǎo)彈的中心運(yùn)動(dòng)區(qū)域,A構(gòu)型的磁場(chǎng)強(qiáng)度最小,且弱磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍最大,B構(gòu)型的弱磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍較為集中,范圍遠(yuǎn)不如A構(gòu)型大,C構(gòu)型磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍遍布導(dǎo)彈的中心運(yùn)動(dòng)區(qū)域。

圖7 平面增強(qiáng)型六極軌道電磁發(fā)射器X-Z截面與Y-Z截面的磁場(chǎng)強(qiáng)度云圖

4 結(jié)論

文中在六極軌道電磁發(fā)射器模型的基礎(chǔ)上,提出了一種新型平面增強(qiáng)型六極軌道電磁發(fā)射器,仿真分析得出A構(gòu)型會(huì)產(chǎn)生最優(yōu)的磁屏蔽空間,而B(niǎo)構(gòu)型的電磁推進(jìn)力最大。在電磁發(fā)射器的構(gòu)型選擇上,若對(duì)于電磁推進(jìn)力要求最優(yōu),則選擇A構(gòu)型布局,若對(duì)于電磁屏蔽要求最優(yōu),則選擇B構(gòu)型布局。