一種螺旋線圈電磁發(fā)射器彈丸受力的仿真研究
楊棟，劉振祥，揚(yáng)麗佳，沈志，歐陽(yáng)建明，蔣雅琴
(國(guó)防科技大學(xué)，湖南長(zhǎng)沙410073)
摘要：劉一種螺旋線圈電磁發(fā)射器(HcEL)彈丸受力的影響因素，如彈丸與驅(qū)動(dòng)線圈相對(duì)位置、彈丸線圈和驅(qū)動(dòng)線圈尺寸、電流大小等進(jìn)行了靜態(tài)模擬。結(jié)果表明，HcEL彈丸的受力大小與其相對(duì)驅(qū)動(dòng)線圈的位置有關(guān)，且有一個(gè)****受力位置。線圈半徑固定時(shí)，彈丸****受力隨線圈軸向長(zhǎng)度增大而增大，線圈軸向長(zhǎng)度較小時(shí)彈丸加速度達(dá)到****。彈丸****受力與線圈每匝電流平方成止比，****受力位置不隨電流改變。仿真結(jié)果驗(yàn)證了HcEL的基本理論，并為HcEL結(jié)構(gòu)的設(shè)引提供了參數(shù)支持。
關(guān)鍵詞：電磁發(fā)射；線圈炮；螺旋線圈炮；彈丸受力
中圖分類號(hào)：TM303．1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(2010)04—0017—03
0引 言
上世紀(jì)中期開(kāi)始，超高速(大于3 km／s)發(fā)射技術(shù)一直是研究的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)火炮受到火藥燃?xì)鉁孤曀俚南拗疲錁O限速度一般在3～4 km／s附近，而電磁發(fā)射器的彈丸速度則役有這樣的理論限制[1]。1961年K．Thom和J．N0rw00d提出一種螺旋線圈電磁發(fā)射器(以下簡(jiǎn)稱HcEL)，并經(jīng)過(guò)P．Mongeau、F wmiams和近年來(lái)美國(guó)密蘇里一哥倫比亞大學(xué)T．G．Engel等人的研究，取得了顯著進(jìn)展[2-4]。
HcEL的主要優(yōu)點(diǎn)是具有高電感梯度，一般比導(dǎo)軌炮大2個(gè)數(shù)量級(jí)。HcEL的發(fā)射器常數(shù)(Launcher coflsfant，為系統(tǒng)電阻與發(fā)射器電感梯度的比值，反映發(fā)射器的結(jié)構(gòu)特征，是一個(gè)速度量綱)比導(dǎo)軌炮小1個(gè)數(shù)量級(jí)；這就意味著，在同樣的炮口速度下，HcEL具有比導(dǎo)軌炮更高的能量轉(zhuǎn)化效率。所以HcEL是獲得低到中速發(fā)射仍能保持很高效率的一種很好的解決方案[5]。由于高的電感梯度，在同樣的受力下，HcEL只需要比導(dǎo)軌炮更小的電流；炮燒蝕小，使用壽命長(zhǎng)[6]。
理論上，精確的解析法求解加速力有一定困難，因?yàn)槠渲猩婕暗綑E圓積分的計(jì)算，故必須采用基于有限元的數(shù)值計(jì)算方法[7]。本文利用Maxweu 2D軟件對(duì)HcEL彈丸受力的影響因素，如彈丸與驅(qū)動(dòng)線圈相對(duì)位置、彈丸線圈和驅(qū)動(dòng)線圈尺寸、電流大小等，進(jìn)行了靜態(tài)模擬。結(jié)果表明，HcEL彈丸的受力大小與其相對(duì)驅(qū)動(dòng)線圈的位置有關(guān)，且有一個(gè)****受力位置。線圈半徑固定時(shí)，彈丸****受力隨線圈軸向長(zhǎng)度增大而增大，但增大趨勢(shì)逐漸變緩。線圈軸向、徑向長(zhǎng)度比值達(dá)到2倍以后，受力增加顯變緩。驅(qū)動(dòng)線圈軸向、徑向長(zhǎng)度比為O．55時(shí)彈丸速度達(dá)到****，彈丸炮口速度****。彈丸****力與線圈每匝電流平方成正比，****受力位置不隨電流改變。仿真結(jié)果驗(yàn)證了HcEL的基本理論，并為HcEL結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了參數(shù)支持。
1 HcEL基本結(jié)構(gòu)和理論
HcEL的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由彈丸線圈和驅(qū)動(dòng)線圈組成。電刷使驅(qū)動(dòng)線圈的一段通電，導(dǎo)電的驅(qū)動(dòng)線圈和彈丸線圈總是處于產(chǎn)生****力的****位置。兩線圈中的反向電流產(chǎn)生排斥磁場(chǎng)，加速?gòu)椡枨斑M(jìn)[8]。
式中：La為彈丸線圈自感；Ls為驅(qū)動(dòng)線圈自感；M為彈丸和驅(qū)動(dòng)線圈之間的互感。
式(3)中，兩線圈磁場(chǎng)相加時(shí)互感項(xiàng)為正，而兩線圈磁場(chǎng)相減時(shí)互感項(xiàng)為負(fù)。將式(3)對(duì)距離微分得到螺旋線圈炮電感梯度：
式中：M 為互感梯度；La和Lb不隨距離變化。
將式(4)代人式(2)得到螺旋線圈炮受力公式[9]：
式中：Fhg為螺旋線圈炮彈丸受力；M為彈丸線圈和驅(qū)動(dòng)線圈的互感梯度；I為螺旋線圈炮電流。
2仿真與設(shè)計(jì)
利用Maxwell 2D進(jìn)行參數(shù)化電磁場(chǎng)分析，彈丸設(shè)計(jì)為內(nèi)置式。驅(qū)動(dòng)線圈和彈丸線圈材料選擇為銅，總電流都設(shè)為20 kA(電流密度為7.668 7×108 A／m2)。驅(qū)動(dòng)線圈通電部分長(zhǎng)度為16．3 mm，驅(qū)動(dòng)線圈半徑為9．7 mm；彈丸線圈長(zhǎng)度為16 3 mm，彈丸線圈半徑為6．3 mm，兩線圈導(dǎo)線直徑為1 6 mm，兩線圈匝數(shù)均為8 5。其Ma—e11 2D模型如圖2所示。
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