一種導軌一線圈復合型電磁發射器的分析與仿真

魏登武，劉少克，鄭明華

(國防科技大學，湖南長沙410073)

摘要：分析了一種導軌一線圈復合型電磁發射器的工作原理，建立了其電路模型和動力學模型；在理論分析的基礎上，利用有限元軟件Maxwell對其結構參數進行了優化設計。通過有限元數值計算，得到了彈丸發射過程中的磁場分布，進一步得出了其電路模型和動力學模型中的電感、電感梯度與彈丸位置的關系。在此基礎上，利用動態仿真軟件Matlab／simulink仿真分析了這種復合型發射器的動態特性。分析和仿真結果最示，該導軌線圈復合型發射器能使被發射物體獲得導軌和線圈兩種推力的共同作用，可以將大質量物體加速到相對高的速度。

    關鍵詞：線圈一導軌復合型發射器；電磁發射；有限元；磁場分布；電感梯度

    中圖分類號：TM301．4⁺4  文獻標識碼：A  文章編號：1004—7018(2010)05一0025—04

O引  言

    電磁發射具有速度高、能源簡易、效率高、性能優良、可控性好和結構多樣等顯著優點，在未來軍事和民用相關領域有著重大的意義和應用潛力^[1-3]。從結構和工作原理上可分為導軌炮、線圈炮和重接炮三類。導軌炮和線圈炮是電磁炮的兩種主要類型。導軌炮是目前研究的主流方向，具有結構簡單、易于控制、能夠實現超高速發射等優點，但是發射效率低，需要功率高、電流大，并且發射物體質量小，存在燒蝕、導軌刨削、電樞電接觸的轉捩現象。線圈炮具有發射效率高、能夠發射大質量物體的優點，但是結構復雜，要根據彈丸位置同步控制驅動線圈中電流的通斷，單級線圈加速有限，需多級加速，而多級之間的響應是制約線圈炮發展的重要因素之一。由于兩種發射類型具有互補性，導軌線圈復合型發射器綜合了各自的優勢，它能使發射體獲得導軌和線圈兩種推力共同作用，可以將大質量物體加速到相對高的速度。

1結構和工作過程

    導軌一線圈復合型電磁發射器如圖1所示。整個發射器由多級導軌和線圈組成，各級分離排列，由獨立的電源供電。每級中驅動線圈和兩軌道串聯連接。其工作過程如下：當彈丸線圈剛好通過驅動線圈的中心位置時，電源對該級放電，電流經過上導軌、電樞、下導軌和驅動線圈構成回路。兩條軌道和電樞按軌道炮的原理工作；同時，驅動線圈中的脈沖電流產生的磁場將在彈丸線圈中感應出渦流，兩線圈以同步感應線圈發射器的工作方式產生推力。因此，動子在發射通道內所受的力是導軌發射器和同步感應線圈發射器的推力之和。

2理論分析

    以電容作為供電電源，可建立單級導軌線圈復合型發射器的電路模型，如圖2所示。圖中，R_r為導軌和電樞的可變電阻；R_d和R_p分別為驅動線 圈和彈丸線圈的電阻；L_dr為導軌和驅動線圈電感；L_p(常數)是彈丸線圈電感；M_dp為驅動線圈和彈丸線圈的互感；M_rp為導軌和彈丸線圈的互感。假設導軌一電樞一驅動線圈回路中的電流為id，彈丸線圈中的電流為ip，則系統的磁場能：

根據法拉第電磁感應定律和基爾霍夫定律可得到電源電壓和驅動線圈兩端電壓：

其中，導軌電樞回路與彈丸線圈間的互感M_rp很弱，可以忽略。

   在很短的時間出內，磁場能增量、彈丸動能增量、電阻發熱及電源做功，滿足能量守恒：

    彈丸的速度v_p，所受的加速力F_m與彈丸動能砷增量之間滿足：

    假定驅動線圈電壓u_d和彈丸線圈電壓u_p的初始值條件由下式決定：

    不考慮線圈形狀對能量傳輸的影響，忽略驅動線圈和彈丸線圈的熱效