軌道炮不同激勵電流下的發(fā)射特性對比分析*

邢彥昌，呂慶敖，陳建偉，雷 彬，張 倩，向紅軍

（陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，石家莊 050003）

0 引言

電磁軌道炮是利用脈沖大電流產(chǎn)生的強(qiáng)磁場，將通流電樞加速至超高速的一種新概念武器。軌道炮因具有其初速高、動能大、響應(yīng)快、易于控制的優(yōu)點(diǎn)，故有極高的軍事應(yīng)用價值［1-3］。

近30 年來，雖然電磁軌道炮發(fā)展較為迅速，但卻有著難以突破的技術(shù)瓶頸：燒蝕。產(chǎn)生燒蝕的原因主要有以下幾點(diǎn)［4-6］：1）軌道導(dǎo)體本身承受大電流帶來的焦耳熱；2）高速滑動電接觸的滑動接觸電阻產(chǎn)生的熱；3）為保證可靠的滑動電接觸，樞/軌間需預(yù)置較高的接觸壓力，接觸壓力在電樞高速滑動過程產(chǎn)生的摩擦熱；4）電樞在滑動過程發(fā)生轉(zhuǎn)捩產(chǎn)生電弧燒蝕。這些原因造成的熱量集中不僅造成嚴(yán)重的軌道損傷，降低軌道壽命，還會降低軌道炮的發(fā)射效率、出口速度等發(fā)射特性。而電流波形對軌道炮的溫升及發(fā)射特性有最直接的影響。

由于電源技術(shù)的限制，目前較為成熟的軌道炮電源是由電容器模塊組成的脈沖成型網(wǎng)絡(luò)，電流波形是由一個個獨(dú)立觸發(fā)的電容器放電擬合而成的近似于梯形波的電流。陳立學(xué)等［7-8］研究了在電流波形上升沿階段軌道電阻率對電樞溶蝕的影響，提出了降低電樞邊沿溶蝕的方法，并對電流下降沿樞軌接觸壓力降低的原因進(jìn)行了仿真及試驗(yàn)分析。燕山大學(xué)吳鵬［9］對外場增強(qiáng)型軌道炮內(nèi)外軌道的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行了數(shù)值計算，得到了電磁軌道炮性能隨電流增大系數(shù)、衰減系數(shù)的變化規(guī)律，并分析了電流參數(shù)對外場增強(qiáng)型軌道炮電磁力的影響。本文的研究重點(diǎn)在于，將具有相同能量、不同上升沿電樞的電流波形饋入電磁軌道炮，用有限元仿真的方法，分析其電流密度分布規(guī)律及電樞的電磁加速力、速度等參數(shù)的變化規(guī)律。

1 仿真模型與仿真條件

1.1 仿真模型

電磁軌道炮仿真模型如圖1 所示，軌道接觸面寬度w 為20 mm，電樞為普通U 型電樞。電樞的長度為35 mm，軌道炮炮膛口徑為20 mm×20 mm。由于軌道炮為對稱結(jié)構(gòu)，采用1/2 模型以提高軟件運(yùn)算效率。其中，軌道炮模型中軌道與電樞的材料如表1 所示。

圖1 仿真模型

1.2 仿真條件

仿真分析過程利用電壓源提供激勵電流，采用幅值相同的梯形波輸出電壓，如圖2 所示。分析中采用了3 種不同的上升時間，為使饋入軌道炮的能量接近相等，控制波形的上升時間及平臺時間，使電壓源提供的激勵電流能量相等。由于實(shí)際發(fā)射過程中樞軌滑動接觸電阻不是常量，為方便計算，假設(shè)回路電阻為定值R=10 mΩ，梯形波電壓幅值為Ua=5 000 V，上升時間為t1，平臺時間為t2。則上升沿階段的電壓：

表1 電樞-軌道材料參數(shù)

圖2 電壓波形示意圖

相對應(yīng)的電流：

則電流波形的上升時間、平臺時間和下降時間都與電壓波形相同。上升沿的輸出能量為：

平臺階段輸出的能量為：

由此得出電壓源在上升沿與平臺階段輸出總能量為：

由式（5）可以知道，通過調(diào)節(jié)上升沿與平臺時間，即可控制電壓源輸出的相同幅值、相同下降沿、不同上升沿的波形能量相等。3 種波形的上升時間及平臺時間見下頁表2，而下降沿時間相同，都為3.6 ms。

表2 3 種波形的特征參數(shù)

2 仿真結(jié)果分析

2.1 電流密度

軌道炮的電流密度分布是利用Ansoft Maxwell軟件中的Transient 求解器進(jìn)行仿真計算。

為查看不同上升沿電流波形激勵下的電磁軌道炮的電流密度分布，選取具有代表性的典型點(diǎn)進(jìn)行對比分析。仿真分析是在電樞靜態(tài)情況下進(jìn)行的，忽略了速度趨膚效應(yīng)帶來的影響。其中，上升時間為1.2 ms 的電流波形激勵下的樞軌模型在1.2 ms時刻的電流密度分布如圖3 所示。

圖3 波形1 激勵下的樞軌模型電流密度分布

選取圖1 中電樞尾端軌道邊楞上的點(diǎn)P 作為典型點(diǎn)，P 點(diǎn)在3 種電流波形下的電流密度隨時間的變化曲線如圖4 所示。

圖4 不同電流波形下P 點(diǎn)電流密度

從圖4 可以看出，雖然3 種電流波形幅值相同，但電流波形的上升沿不同，導(dǎo)致在模型的P 點(diǎn)的電流密度幅值具有較大差異，且上升沿時間越短、斜率越大，P 點(diǎn)的電流密度幅值越大。這說明，較大斜率的電流波形上升沿，更容易導(dǎo)致電流聚集區(qū)域的熔化磨損。

2.2 電磁力

對樞軌模型仿真結(jié)果中電樞上的洛倫茲力進(jìn)行積分、計算，圖5 給出了3 種電流波形下電樞受到沿發(fā)射方向的電磁加速力Fz及垂直樞軌接觸面的力Fy隨時間的變化曲線。

圖5 電樞所受電磁力隨時間的變化

從圖5 可以看出，電樞的加速力Fz的變化規(guī)律同輸出電壓波形相似，且不同上升時間的激勵電流下的Fz幅值基本相等，符合了電磁加速力公式F=L'I2/2；而電樞所受側(cè)壓力Fy的變化規(guī)律則與P 點(diǎn)的電流密度相似，也呈現(xiàn)出上升時間越短，幅值越大的現(xiàn)象，但下降速度較快，不利于發(fā)射后期樞軌接觸力的保持。

2.3 速度

假設(shè)不考慮摩擦力的情況下，電樞模型的質(zhì)量為m=40 g，則其速度為：

則通過積分計算，將不同上升時間電流波形激勵下的電樞速度最終值v1列入表2。從表2 可以看出，電樞的最終速度幾乎相等。

而如果考慮電磁力Fy產(chǎn)生的摩擦力，摩擦系數(shù)μ=0.2，則電樞的速度為：

計算得出不同上升時間電流波形激勵下的最終電樞速度v2，如表3 所示。

表3 不同電流波形下的速度

從表3 中可以看出，無論是否考慮側(cè)向電磁壓力產(chǎn)生的摩擦力，上升時間對速度的影響都不大，但上升時間較長的電流波形在速度上更占優(yōu)勢。

3 結(jié)論

利用Ansoft Maxwell 有限元分析軟件，對相同饋入能量、相同幅值、不同上升沿時間電流波形激勵下的電磁軌道炮進(jìn)行了電流密度、電磁力、速度的分析，得到的結(jié)論如下：

1）在激勵電流幅值相同的情況下，電樞尾部軌道上的典型區(qū)域P 點(diǎn)的電流密度峰值會隨著激勵電流上升時間的縮短而增大。

2）不同上升時間的激勵電流作用下的電樞所受電磁加速力幅值基本相同；但上升時間越短，側(cè)向壓力幅值越大，且下降越快，不利于發(fā)射后期樞軌接觸力的保持。

3）饋入電流幅值、能量都相同的情況下，不同上升時間對電樞的出口速度影響不大。

綜上所述，過短的上升沿時間會加劇電流聚集區(qū)域的熔化，并對樞軌接觸力的穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響，增加發(fā)射過程中滑動電接觸發(fā)生轉(zhuǎn)捩的風(fēng)險。