串聯(lián)增強(qiáng)型六極軌道電磁發(fā)射器分析與仿真*

舒 濤,薛新鵬,劉 明,楊志勇,梅 朝

(1 空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院,西安 710051;2 94746部隊(duì),南昌 330000)

0 引言

自從上世紀(jì)80年代使用多軌道電磁技術(shù)成功發(fā)射多拋體[1],世界各國持續(xù)對(duì)電磁發(fā)射技術(shù)進(jìn)行廣泛而深入的研究[2-4]。軌道炮具有加速拋體至超高速的潛力,采用高密度儲(chǔ)能系統(tǒng),脈沖電源能對(duì)電磁軌道炮提供6 MA的電流,同時(shí),大脈沖電流可能會(huì)達(dá)到一個(gè)危險(xiǎn)水平,這將導(dǎo)致等離子體躍遷[5]。高電流密度的結(jié)果是燒蝕的軌道,從而降低發(fā)射能量利用效率。事實(shí)上,串聯(lián)增強(qiáng)型軌道炮,包括兩種基本類型:平面增強(qiáng)和疊加增強(qiáng)型,其可以降低電源電流的要求和提高發(fā)射效率[6],然而,所有的串聯(lián)增強(qiáng)型軌道炮在發(fā)射過程中都面臨惡劣電磁場環(huán)境,限制其拋體向智能化方向發(fā)展[7-8]。如此強(qiáng)的磁場會(huì)破壞拋體電子元件的工作性能,因此,屏蔽串聯(lián)增強(qiáng)型軌道炮的強(qiáng)磁場是很有必要的。

基于傳統(tǒng)電磁發(fā)射器在發(fā)射過程中,不能解決電磁屏蔽的背景問題,文中提出了一種新型電磁發(fā)射器:串聯(lián)增強(qiáng)六極軌道電磁發(fā)射器,發(fā)射器通過環(huán)向磁場與正交環(huán)向電流相互作用產(chǎn)生軸向加速力。使用串聯(lián)增強(qiáng)型六極軌道不僅解決大質(zhì)量驅(qū)動(dòng)問題,還有效地提供了中心區(qū)域的磁屏蔽。

1 發(fā)射模型的特性

發(fā)射智能彈藥的串聯(lián)增強(qiáng)型六極軌道電磁發(fā)射器如圖1所示。該發(fā)射器主要由串聯(lián)增強(qiáng)六極軌道和雙拋體組成,六極軌道和拋體材料分別是銅和鋁。串聯(lián)增強(qiáng)型電磁發(fā)射器包括雙六極軌道和兩個(gè)獨(dú)立的拋體,兩個(gè)六極軌道堆疊排布,且每個(gè)都與獨(dú)立的拋體相連接,并被絕緣空間相分離。軌道和拋體的結(jié)構(gòu)在X-Y平面是對(duì)稱的,雙拋體運(yùn)動(dòng)方向是Z軸。考慮到實(shí)際情況,外部設(shè)備的能源系統(tǒng)能夠提供大而快的電流脈沖,應(yīng)用于串聯(lián)增強(qiáng)型電磁發(fā)射器。

1.1 雙六極軌道設(shè)計(jì)

串聯(lián)增強(qiáng)型六極軌道的設(shè)計(jì)不僅增加了電感梯度,而且還起到引導(dǎo)和固定雙拋體的作用,這種電磁發(fā)射器的關(guān)鍵技術(shù)是雙六極軌道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),串聯(lián)增強(qiáng)型六極軌道的布局如圖2所示,串聯(lián)增強(qiáng)型六極軌道是60°圓周等間距布局,隨著對(duì)稱電流流入,雙六極軌道產(chǎn)生6對(duì)相鄰的反向磁場,因此,在中心區(qū)域,電磁場彼此抵消。傳統(tǒng)軌道電磁發(fā)射系統(tǒng)需要大電流以獲得足夠的驅(qū)動(dòng)力并達(dá)到超高速,然而,這在實(shí)際工程應(yīng)用中使用如此大的電流是非常困難的,這在很大程度上限制了常規(guī)軌道電磁炮的使用。由于通過串聯(lián)的六極軌道增加了磁場強(qiáng)度,在通入較低電流情況下,使用串聯(lián)增強(qiáng)型六極軌道電磁發(fā)射器能夠提供等效的電磁驅(qū)動(dòng)力。

1.2 雙拋體設(shè)計(jì)

雙拋體的設(shè)計(jì)如圖3所示,鑒于串聯(lián)增強(qiáng)型六極軌道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其電流的流動(dòng)方向是沿導(dǎo)弧,梅花狀拋體的設(shè)計(jì),一方面是為了降低系統(tǒng)重量,另一方面是引導(dǎo)電流,特別地,內(nèi)側(cè)六極軌道不能產(chǎn)生環(huán)向磁場在拋體#2中。在串聯(lián)增強(qiáng)配置中,內(nèi)側(cè)六極軌道通過梅花狀拋體#1形成回路,同樣地,外側(cè)六極軌道通過梅花狀拋體#2形成回路,并通過一個(gè)交叉連接形成內(nèi)、外側(cè)六極軌道之間的回路。電流在串聯(lián)增強(qiáng)軌道中流動(dòng),產(chǎn)生一重要環(huán)向磁場圍繞在雙拋體周圍,梅花狀拋體在內(nèi)、外電路中是相互獨(dú)立的,雙拋體的中空設(shè)計(jì)有利于固定和發(fā)射火箭。

2 六極軌道環(huán)向磁場構(gòu)型

2.1 典型構(gòu)型

在結(jié)構(gòu)上,傳統(tǒng)增強(qiáng)軌道炮可以看作是一對(duì)串聯(lián)增強(qiáng)軌道電磁發(fā)射器,串聯(lián)增強(qiáng)六極軌道電磁發(fā)射器可視為一個(gè)多重增強(qiáng)軌道炮的疊加。對(duì)于傳統(tǒng)增強(qiáng)軌道炮,其兩對(duì)導(dǎo)軌的電流必須是相反的,兩個(gè)軌道通過拋體形成一個(gè)電流回路并在運(yùn)動(dòng)區(qū)域提供相同方向的磁場,這是電磁推進(jìn)的必要條件,而這種必要條件限制了傳統(tǒng)軌道炮只有一種磁場構(gòu)型。同時(shí),串聯(lián)增強(qiáng)型六極軌道電磁發(fā)射器可以通過改變每個(gè)軌道的電流方向來產(chǎn)生一系列的磁場構(gòu)型。

針對(duì)串聯(lián)增強(qiáng)六極軌道電磁發(fā)射器,圖4展示了3種典型串聯(lián)增強(qiáng)六極軌道的連接方式,其中軌道流出的電流用粗線表示,軌道流入的用細(xì)線表示。為了確保徑向力的對(duì)稱性,電流不對(duì)稱的配置不予考慮。同時(shí),為了滿足系統(tǒng)回路的要求,6對(duì)軌道不能同時(shí)產(chǎn)生向內(nèi)或向外的電流,因此,只有A、B、C 3種構(gòu)型滿足這一要求。

2.2 仿真結(jié)果與分析

首先分析磁場分布,選擇拋體#1上下表面1 mm處作為截面磁場。3種構(gòu)型的磁場強(qiáng)度云圖具體如圖5所示,從上到下依次為A、B、C 3種構(gòu)型,其中左側(cè)為拋體#1上表面1 mm處截面磁場強(qiáng)度云圖。在軌道截面電流是200 kA的情況下,3種構(gòu)型產(chǎn)生的最大磁場分別為4.13 T,4.11 T和4.03 T,無一例外,最大磁場均出現(xiàn)在六極軌道和拋體之間接觸表面。如果相鄰軌道的電流方向相反,則可以增強(qiáng)軌道周圍的磁場強(qiáng)度,這種現(xiàn)象在B和C構(gòu)型的磁場分布中可以清楚地觀察到。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)度最大,而中部區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度最小。這表明,A構(gòu)型在雙拋體運(yùn)動(dòng)區(qū)域中可以收斂磁力線,并有利于雙拋體的加速。此外,對(duì)比拋體#1上表面1 mm處的磁場強(qiáng)度云圖,A構(gòu)型磁場強(qiáng)度衰減最快,B和C構(gòu)型其次,即在沿軸向方向上,磁場變化最為迅速的是A構(gòu)型,相應(yīng)地,對(duì)六極軌道和雙拋體之間的互感梯度也是最大的,所有這些優(yōu)勢都是為了加速拋體。從磁場的分布來推斷,A構(gòu)型的加速度性能最好,而B、C構(gòu)型則逐漸減弱。

從磁力線重接的角度來看,兩軌道的間距應(yīng)該盡量減小,以使磁力線最短,和磁阻最小。同樣地,在串聯(lián)增強(qiáng)的六極軌道構(gòu)型中,為了減少磁阻,相鄰軌道的磁力線方向應(yīng)該通過中間導(dǎo)弧形成閉合回路,A構(gòu)型的每根軌道和相鄰軌道電流流向均是反向的,磁力線重接最容易實(shí)現(xiàn)。然而,B和C構(gòu)型的磁力線重接難度逐步增加。

3 數(shù)值模擬仿真

3.1 電源電路模塊

不同于線圈或環(huán)向場電磁發(fā)射器對(duì)初始放電位置有嚴(yán)格限制[2],串聯(lián)增強(qiáng)六極軌道電磁發(fā)射器不需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)并簡化了電源電路的復(fù)雜性。A構(gòu)型的串聯(lián)增強(qiáng)六極軌道電磁發(fā)射器電子元件布置具體如圖6所示,軌道的編號(hào)從11開始,代表的含義是內(nèi)部的第一極軌道,六極軌道順時(shí)針方向排列。串聯(lián)增強(qiáng)六極軌道電磁發(fā)射器為獲取大電流脈沖放電,能源系統(tǒng)采用高能量存儲(chǔ)電容。D是續(xù)流二極管,R(t)是軌道回路的動(dòng)態(tài)電阻,軌道#11到軌道#26為串聯(lián)增強(qiáng)六極軌道的自感,D11、D13和D15的功能是為了分別控制軌道#11、軌道#13和軌道#15的電流方向。同樣地,D21、D23和D25的功能是為了分別控制軌道#21、軌道#23和軌道#25的電流方向。

3.2 雙拋體的軸向加速力

無論是拋體#1還是拋體#2,其軸向加速推進(jìn)作用思想是一樣的,在獲得多脈沖電流的情況下,串聯(lián)增強(qiáng)六極軌道電磁發(fā)射器可視為許多獨(dú)立的線性導(dǎo)體產(chǎn)生的多個(gè)環(huán)向脈沖磁場。由于串聯(lián)六極軌道的空間關(guān)系和雙拋體的外形設(shè)計(jì),所以拋體電流沿環(huán)向方向。串聯(lián)增強(qiáng)六極環(huán)向磁場與正交環(huán)向電流相互作用產(chǎn)生軸向安培力,通過MAXWELL三維有限元軟件仿真模擬,環(huán)向磁場矢量和正交環(huán)向電流矢量具體如圖7所示,在梅花狀拋體中,環(huán)向電流的方向與六極環(huán)向磁場均是正交的。

由于磁場的方向與電流的方向相互垂直,因而六極環(huán)向磁場與正交環(huán)向電流相互作用產(chǎn)生巨大的軸向推進(jìn)力。在串聯(lián)增強(qiáng)六極軌道通入200 kA電流的情況下,拋體所受推進(jìn)力具體如表1所示,其軸向推進(jìn)力為1.465×105N,然而,干擾力force_x和force_y相比于推進(jìn)力是非常小的。

3.3 磁場屏蔽

本電磁發(fā)射器的磁場屏蔽思想,是串聯(lián)增強(qiáng)六極軌道在運(yùn)動(dòng)區(qū)域磁場互相抵消的結(jié)果,在軌道的內(nèi)部,弱磁場被限制在特定的圓柱范圍內(nèi)。

表1 串聯(lián)增強(qiáng)型拋體所受推進(jìn)力

在多脈沖電流的峰值時(shí)刻,串聯(lián)增強(qiáng)六極軌道電磁發(fā)射器在X-Z平面的磁場分布如圖8所示,串聯(lián)增強(qiáng)六極軌道電磁發(fā)射器的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度是4.13 T,出現(xiàn)在六極軌道和雙拋體之間的接觸面上,然而,在雙拋體的運(yùn)動(dòng)區(qū)域,最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.24 T。

4 結(jié)論

文中提出了一種新型串聯(lián)增強(qiáng)六極軌道電磁發(fā)射器,并對(duì)其進(jìn)行理論分析和數(shù)值仿真,電磁推進(jìn)力的作用思想是環(huán)向磁場與正交環(huán)向電流相互作用產(chǎn)生軸向加速力?；谲壍离娏髁魅氲膶?duì)稱性,提出A、B、C三種電流流入構(gòu)型,數(shù)值仿真結(jié)果表明,A構(gòu)型的磁屏蔽效果優(yōu)于其它兩個(gè)構(gòu)型,并將有助于智能彈藥的發(fā)射。串聯(lián)增強(qiáng)六極軌道電磁發(fā)射器具有推力大、發(fā)射智能彈藥等優(yōu)勢。