軌道炮消弧器結(jié)構(gòu)設計及電磁特性分析

裴朋超，王劍安，曹 斌，李明濤，葛 霞

(1.西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099；2.中央軍委裝備發(fā)展部裝備技術(shù)合作局，北京 100000)

電磁軌道炮作為一種新概念動能武器，相較傳統(tǒng)火炮具有炮口初速高、射程遠及控制簡單等諸多優(yōu)勢，在國內(nèi)外受到各國軍方的廣泛關(guān)注，在未來具有極高的軍事應用價值[1-2]。軌道炮利用電磁力發(fā)射彈丸,理論計算結(jié)果表明軌道炮的發(fā)射效率不超過50%，目前美國最新的脈沖電源系統(tǒng)儲能最高可達100 MJ，但試驗數(shù)據(jù)顯示發(fā)射效率卻在30%左右，這表明在發(fā)射結(jié)束時刻軌道內(nèi)會殘留大量能量[3]。這些殘留的電能將以炮口電弧的方式消耗掉，試驗數(shù)據(jù)表明炮口電弧溫度可達20 000 K，將對發(fā)射系統(tǒng)中軌道和絕緣材料造成嚴重燒蝕，同時炮口電弧會產(chǎn)生巨大的閃光、電磁輻射及聲響等，將嚴重影響到作戰(zhàn)隱蔽性。

目前，在炮口安裝分流裝置是消除炮口電弧的有效手段。Parker等通過在炮口串聯(lián)電感，借助磁通壓縮可以有效地抑制炮口電弧，通過與發(fā)射器系統(tǒng)匹配合適的電氣參數(shù)可以有效降低炮口電流[4]。國內(nèi)何勇等利用導通時阻抗極低的外觸發(fā)開關(guān)使殘留電能流經(jīng)消弧裝置，較好地消除了炮口電弧[5]。唐波等分析了被動式消弧裝置的工作原理，設計出一種被動式消弧裝置，并對其進行了優(yōu)化設計[6]。楊帆等針對膛口軌道燒蝕和系統(tǒng)的初速精度問題，提出一種基于反向消弧的電磁發(fā)射與膛口電弧抑制方案，試驗取得了較好效果[7]。

消除炮口電弧對提高軌道炮壽命、軌道抗燒蝕及戰(zhàn)場需求都具有重要意義，筆者通過建立包含消弧器的電磁軌道炮發(fā)射電路，利用參數(shù)匹配指導消弧器結(jié)構(gòu)設計，基于分流方式設計被動式消弧裝置，并建立消弧器的數(shù)值計算模型，對消弧器在彈丸出炮口時刻的電磁特性進行模擬，根據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果再進一步完善結(jié)構(gòu)設計，對后續(xù)消弧器的設計過程提供一種方式。

1 消弧裝置電路模型

搭建包含消弧器的電磁軌道炮內(nèi)彈道電路模型，如圖1所示。圖中UB為炮尾接入電壓，Ua為電樞電壓，x為電樞距離炮尾長度，lg為軌道總長度，Iall為炮尾總電流，Ia、Is分別為流經(jīng)電樞和消弧器分電流。

將整個電磁軌道炮發(fā)射過程分為電樞膛內(nèi)運動和電樞出炮口兩個階段。

電樞膛內(nèi)運動階段電路模型如圖2所示，L0和R0分別初始時刻電樞后端回路的電感和電阻，L′和R′分別為軌道電感梯度和電阻梯度，Ls和Rs分別為消弧器自身電感和電阻。隨著電樞運動，電樞后端回路的電感L′x和電阻R′x快速增加，同時電樞前端回路的電感L′(lg-x)和電阻R′(lg-x)則迅速減小，由于磁通壓縮便在消弧回路中產(chǎn)生感生電動勢，進而感生電流匯聚到電樞上，在一定程度抵消了消弧器部分分流電流。

由于電磁發(fā)射所用電源為脈沖電源，可設電源由n個模塊組成，每個模塊電容為Ck，初始電壓為Uck，電感為Lk，其中k=1，2，…，n，則電源系統(tǒng)可表示為

(1)

當Uck≤0時，令Uck=0，發(fā)射系統(tǒng)的電路方程為

(2)

(3)

Ua=IaRa，

(4)

Ia=Iall-Is，

(5)

式中,v為電樞沿軌道方向運動速度。

電樞出炮口階段電路模型如圖3所示，在電樞出炮口瞬間，樞軌分離界面產(chǎn)生大量等離子體和金屬氣體，此時電流將通過等離子體和金屬氣體傳遞，表現(xiàn)為炮口電弧的形式。

設該炮口電弧電阻為Rc，仍用Ia表示流經(jīng)Rc的電流大小，可認為Ia為炮口殘留電流，有

(6)

(7)

由于磁通壓縮，作用在電樞上的電磁力為前后磁場的疊加，有

(8)

(9)

式中：F為作用在電樞上的電磁力；ma為電樞質(zhì)量。

聯(lián)立式(1)～(9)，可求出電磁軌道炮發(fā)射過程中的整個內(nèi)彈道過程。

2 消弧裝置結(jié)構(gòu)設計

2.1 消弧裝置分類

基于分流工作方式的消弧器主要有主動式和被動式兩種[6]。主動式消弧器一般采用低阻抗的外觸發(fā)開關(guān)在電樞出炮口時刻導通消弧器回路，由于需要準確確定觸發(fā)時刻，系統(tǒng)中需包含反饋單元等，造成整體系統(tǒng)復雜，可靠性降低。被動式消弧器時刻接通軌道正負極，一般選用低電感大電阻電氣參數(shù)，結(jié)構(gòu)組成較主動式消弧器簡單，系統(tǒng)簡單，可靠性較高；將正負極軌道在接通后，可以在電樞前部壓縮磁通，當消弧器與發(fā)射器系統(tǒng)電氣參數(shù)匹配合理時，彈丸在前后磁場作用下所受電磁驅(qū)動力更大，同時減小炮口殘余電流，并在回路可以續(xù)流，削弱電弧能量。

被動式消弧器首先是基于磁通壓縮現(xiàn)象，在發(fā)射過程中，消弧器回路電感隨著電樞的移動迅速減小，進而在消弧器回路中產(chǎn)生的感生電動勢會增加流經(jīng)彈丸的電流，從而抵消一部分消弧器分流電流；繼而是續(xù)流原理，由于消弧器時刻接通正負導軌，在彈丸出炮口瞬間，軌道中殘留電流將流經(jīng)消弧器，經(jīng)過自身的電阻消耗掉。

2.2 被動式消弧裝置結(jié)構(gòu)設計

基于被動式消弧方式，消弧器沿發(fā)射方向上下、左右對稱布置，在炮口通過一圓環(huán)結(jié)構(gòu)連接正負導軌，結(jié)構(gòu)自身具有一定的電感和電阻。設計的新型被動式消弧器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3 消弧器數(shù)值模型建立

為分析所設計消弧器的電磁特性，利用有限元軟件建立消弧器的數(shù)值模型并分析其電磁特性。

3.1 數(shù)值分析模型建立

在ANSYS中建立消弧器及軌道的有限元模型，模型示意如圖5所示，主要組成包括上下軌道、消弧器、近端空氣和遠端空氣4個部分。所建模型中，軌道長度300 mm，軌道高度20 mm，兩軌道之間距離40 mm，軌道寬度30 mm，消弧器外徑180 mm，內(nèi)徑160 mm，長度100 mm，外空氣的厚度均為20 mm.

3.2 材料屬性

該數(shù)值模型中，上、下軌道采用銅材料，消弧器采用不銹鋼材料，對遠端空氣和近端空氣只需設定相對磁導率為1即可，材料屬性參數(shù)如表1所示。

表1 材料屬性參數(shù)

3.3 定義單元類型和網(wǎng)格劃分

該分析模型采用三維基于節(jié)點的磁矢量位與磁標量位聯(lián)合使用的瞬態(tài)分析方法。磁矢量位分析模塊選用SOLID97電磁場單元，主要包括軌道、消弧器和近端空氣3個部分；磁標量位分析模塊主要指遠端空氣部分，選用SOLID96單元；用單元INTER115劃分矢量位和標量位界面。采取自由網(wǎng)格劃分的方法，為加快仿真速度，可以將重點關(guān)注的消弧器網(wǎng)格劃分較密，網(wǎng)格劃分完成后的消弧器軌道連接有限元模型如圖6所示，共包含58 352個節(jié)點，52 368個單元。

3.4 施加邊界條件及載荷

3.4.1 邊界條件

將遠端空氣的最外層定義成單元IFIN11來作為分析模型的邊界條件，同時定義矢量位和標量位的分界面(INTER115單元所在的界面)上的矢勢的垂直分量為0.

3.4.2 加載電流

根據(jù)某次電磁發(fā)射數(shù)據(jù)采集，軌道中的電流和電壓變化如圖7所示。從圖7可知，當t≤3 ms，電壓一直處于上升階段并達到峰值電壓，電流幅值最大且處于平穩(wěn)階段；當t>3 ms時，電流和電壓同時下降；根據(jù)彈丸位置信號反饋，當t≈3 ms時，彈丸出炮口。彈丸出炮口時刻，上下軌道間存留電壓值為2 kV，炮口殘留電流值為260 kA.在仿真模型中只需加載其中一種載荷即可，筆者選擇施加電流載荷，于是先耦合上軌道左端面所有節(jié)點的電壓(VOLT)自由度，并將電流(AMPS)加到這個端面的任意點上，最后定義下軌道左端面節(jié)點的電壓自由度為0[8].

4 電磁性能分析

4.1 消弧器阻抗特性分析

經(jīng)有限元仿真計算，消弧器的電感為0.15 μH，電阻為4 mΩ.

4.2 消弧器電流密度及焦耳熱分布

消弧器的電流密度分布將直接影響其單位體積內(nèi)的焦耳熱，如果電流路徑不合理，可能會導致消弧器局部過熱，嚴重時在電磁力的作用下會熔斷消弧器導電體，造成消弧效果失效。有限元分析電流密度(JT)分布情況和焦耳熱(JHEA)分布情況如圖8所示，比較發(fā)現(xiàn)，兩種分布特性基本一致，其中電流密度總在消弧器導體拐角內(nèi)圓處要大于外圓處，這與電流的趨膚原理符合。

從消弧器電流密度分布云圖可看出，消弧器的電流密度在導體拐角內(nèi)圓處大于外圓處，這主要是由于電流總是沿著路徑最短、電阻最小處傳遞的原理。由于焦耳熱與電流的平方線性相關(guān)，因此單位體積內(nèi)產(chǎn)生的焦耳熱與電流密度分布一致。

4.3 消弧器所受電磁力分布

提取消弧器各個方向的電磁力分布云圖，如圖9所示，可看出整體結(jié)構(gòu)所受電磁力在徑向呈對稱分布，當電流流向相對時，導體間的電磁力表現(xiàn)為斥力作用，且電流密度大的導體受力大于電流密度較小的導體；沿軌道發(fā)射方向，由于結(jié)構(gòu)不具有對稱性，且在徑向有一等效圓環(huán)路徑，當電流通過時，在磁場作用下，消弧器受一整體向前的驅(qū)動力。

利用ANSYS的自動求和功能提取消弧器整體結(jié)構(gòu)所受電磁力大小及分布情況，如圖10所示，可知消弧器沿身管發(fā)射方向的電磁力最大，為45 647 N，沿著徑向指向y、z方向的力分別為238 N和312 N，在徑向y、z方向的力主要是由于網(wǎng)格劃分不對稱引起的，可以忽略不計?？煽闯鱿∑髌鋸较蚴芰緦ΨQ，由于沿身管發(fā)射方向消弧器結(jié)構(gòu)不對稱，在電樞出炮口瞬間，軌道中的電流全部流向消弧器，此時消弧器可看做是一個電阻較大的電樞，因此其沿身管發(fā)射方向的電磁力較大。

由于消弧器結(jié)構(gòu)在徑向具有對稱性，因此沿徑向所受的電磁力方向相反，相互抵消，整體上結(jié)構(gòu)在徑向不對外呈現(xiàn)電磁力，此時消弧器在徑向所受電磁力可理解成內(nèi)力，通過提取1/2結(jié)構(gòu)沿徑向受力情況，可知消弧器沿徑向指向y、z方向的力分別為137.4 kN和67.2 kN.y向電磁力之所以是z向電磁力的2倍，主要原因是y向的磁場強度By是z向的磁場強度的2倍，由于電流在y、z向的路徑基本一致，且電流大小相同，通過分別提取y、z向的磁場強度并求和，得知By=8 152 N，Bz=3 717 N.

彈丸出炮口瞬間，消弧器上產(chǎn)生的電磁力將拖拽消弧器沿發(fā)射方向移動，沿徑向電磁力將使消弧器產(chǎn)生徑向變形，因此必須在結(jié)構(gòu)設計中克服電磁力對消弧器的影響。

5 結(jié)論

消弧器可以有效抑制炮口電弧的產(chǎn)生，對保護軌道避免軌道燒蝕具有重要意義，通過建立包含炮口消弧器的軌道炮電路模型，分析消弧器與發(fā)射系統(tǒng)的電氣匹配關(guān)系，進而指導消弧器結(jié)構(gòu)設計。

利用ANSYS有限元軟件，建立消弧器軌道系統(tǒng)的數(shù)值分析模型，并將實際測試數(shù)據(jù)中電樞出炮口瞬間的電流值作為載荷施加在模型上，對消弧器的電流密度及焦耳熱分析進行數(shù)值求解，結(jié)果表明消弧器的電流密度在導體拐角內(nèi)圓處大于外圓處，且單位體積內(nèi)產(chǎn)生的焦耳熱與電流密度分布一致；通過提取消弧器的電磁力，發(fā)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)在發(fā)射方向受電磁力較大，在徑向由于結(jié)構(gòu)對稱，電磁力抵消，表現(xiàn)為整體結(jié)構(gòu)徑向?qū)ν獠怀尸F(xiàn)電磁力，通過提取結(jié)構(gòu)徑向1/2模型受力狀況，表明在徑向指向y向的電磁力是指向z向的2倍。因此在結(jié)構(gòu)設計中，必須在發(fā)射方向和消弧器結(jié)構(gòu)徑向予以約束，以克服電磁力對消弧器結(jié)構(gòu)的影響。

通過建立消弧器的電路模型，分析其阻抗特性對發(fā)射系統(tǒng)的影響，從而根據(jù)阻抗特性設計消弧器結(jié)構(gòu)方案，并建立消弧器的數(shù)值仿真模型。通過ANSYS有限元仿真軟件，仿真分析了消弧器的電磁特性，并根據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果完善消弧器結(jié)構(gòu)設計，提高了工作效率，為后續(xù)相關(guān)結(jié)構(gòu)設計提供參考方案。