彈丸配重對線圈炮最佳初始位置影響研究

蘇子舟 國偉 張濤 陳彥輝 任 人

（西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099）

1 引言

電磁發射技術是將電能轉化為電磁能，進而轉化為拋體動能，借助電磁力做功，把拋體發射出去，從而完成對拋體推進的技術，具有發射速度高、能源簡易、性能優良、效率高、可控性好和結構多樣等優點。從本質上說，是變化的磁場在特定結構拋體（電樞）內產生渦流，渦流又與變化的磁場相互作用，產生電磁力加速拋體運動。

電磁炮就是利用電磁力加速炮彈，使炮彈達到超高速的電磁發射裝置。電磁炮按結構和原理不同可分為軌道炮、線圈炮、重接炮三種。作為本文研究對象的線圈炮在相同電流條件下，具有效率高、推力大、壽命長等優點。同時，線圈炮也存在結構、測定和控制系統復雜、高同步性要求等問題。

在單級感應線圈炮系統中，彈丸所能獲得的速度隨彈丸初始位置的變化而變化。在給定的條件下，通過調節彈丸初始位置，能夠獲得一個最大速度，這個發射位置就叫做最佳初始位置。最佳初始位置一般是在沒有配重的情況下確定的。實際上，拋體電樞只是彈丸的一部分，另外還包括引信、裝藥、殼體、定位導航系統等部分，所以有必要深入研究彈丸配重對線圈炮彈丸運動性能的影響。這里就引出一個問題，即不同配重對彈丸受力運動的影響規律。對于這兩者之間的關系，由于試驗研究的成本較高，往往只選擇有代表性的進行定性研究。因此，為了定量分析這兩者之間的關系，本文應用有限元分析軟件 maxwell對單級感應線圈炮系統配重與彈丸最佳初始位置之間的關系進行了定量研究，為以后同步感應線圈炮彈丸配重問題的研究提供理論參考。

2 同步感應線圈炮工作原理

線圈炮是受直線電動機原理的啟發設計的，利用線圈磁場給彈丸加速。炮身由一個或多個線圈組成，相當于電動機定子線圈；彈丸類似電動機的動子，在驅動線圈產生的磁場作用下發射出去。線圈炮包括磁阻線圈炮、脈沖感應線圈炮、同步及異步感應線圈炮、電刷換向螺旋線圈炮、無刷螺旋線圈炮和磁化彈丸行波炮等。

圖1 單級感應線圈炮工作原理

感應線圈炮利用多個脈沖電源對各級線圈同步放電和彈丸內的磁通交變感應加速彈丸運動。炮管由多個同口徑、同軸線圈串列而成，彈丸受力拋體為銅質空心圓筒。當彈丸到達第1個驅動線圈的適當位置時，該驅動線圈放電，其磁場在彈丸內變化，彈丸感應產生電流，磁場與感應電流相互作用，推動彈丸前進；然后經第2、3、4個線圈……直至最后1個線圈，逐級把彈丸加速到很高的速度。其中單級感應線圈炮的工作原理，如圖1所示。

為方便分析，把驅動線圈和彈丸線圈簡化成圖1所示的電流環 C1和 C2。當線圈 C1通以變化的電流id時，在線圈周圍產生變化磁場；當線圈C2的截面中磁場發生變化時，由電磁感應定律可知C2中有電流ip流動。設彈丸與驅動線圈之間的互感為M，則可得作用在彈丸上的驅動力

產生與軸線水平和垂直兩個方向的作用力。垂直方向上的電磁力的作用效果是把線圈 C2向內壓縮；水平方向的電磁力的作用效果是推動彈丸在水平方向運動，它是決定彈丸線圈出口速度的最重要因素。前者可以減小電磁發射時的摩擦力；后者可以應用于電磁加速。對于同步感應線圈炮由于驅動線圈電流和感應電流方向是相反的，僅存在排斥方式的電磁力，只有當彈丸線圈的中心面越過驅動線圈的中心面時才能放電。

3 彈丸配重與最佳初始位置計算

彈丸初速高可以增大彈丸射程和穿甲能力，還可以縮短射擊的提前量，進而提高命中率，因此可以認為炮口初速是影響線圈炮性能的最重要參數之一。以下研究確定彈丸最佳初始發射位置均以獲得最高炮口初速為標準。

3.1 仿真研究

本文所研究的單級感應線圈炮系統采用電容器儲能，電容器參數見表1，驅動線圈參數見表2，彈丸參數見表3。

表1 電容器參數

表2 線圈參數

表3 彈丸參數

初始位置d定義為彈丸的后端與線圈的末端之間的距離，如圖2所示。

根據以上初始條件，利用maxwell 軟件建立該線圈炮系統模型，通過調節參數，研究該線圈炮的性能。

圖2 彈丸初始發射位置示意圖

3.2 配重為0時最佳初始位置計算

利用 maxwell 軟件計算彈丸配重為 0（即不配重）時，不同初始位置的出口速度，計算結果見表4。

表4 不同初始位置下最大速度

從圖 3、表 4可以很清晰的看出，初始位置取值從5mm增加到100mm的過程中，速度從59.7m/s增大到101m/s再減小到11.2m/s，確實存在一個使出口速度達到最大的最佳初始位置。對于本單級線圈炮系統最佳初始發射位置為d=42mm處，出口速度達到101m/s。在發射位置從38mm增加到45mm的過程中，出口速度都在100m/s以上，相差在1%以內，也就是說雖然在 d=42時才取得最大出口速度，但在這個小范圍內出口速度對初始發射位置不是很敏感，這有利于控制驅動線圈觸發。

3.3 彈丸不同配重最佳初始位置計算

改變彈丸的配重主要是基于以下考慮：

圖3 初始發射位置與出口速度曲線

目前炮彈的主要殺傷功能還是由裝藥實現的，配重能力大也就意味著裝藥能力強。另外，至少實際使用的彈丸形狀不會是純粹的圓筒狀，以更符合空氣動力學，同時試驗研究中要在彈丸上加裝加速度傳感器等測控設備，這些都要求深入研究彈丸配重對線圈炮性能的影響。

表5 不同配重時最佳初始位置及出口速度

在 maxwell 軟件中改變配重可以很容易的實現，只要設置不同的彈丸質量就可以實現，一定程度上相當于在不改變銅的性狀的前提下，改變銅的密度。求取最佳初始發射位置的過程和配重為0時完全相同，在此不再一一贅述，只列出結果。不同配重時最佳初始位置及出口速度見表 5，配重與最佳初始位置和速度曲線如圖4所示，配重效率曲線如圖5所示。

圖4 配重與最佳初始位置和速度曲線

圖5 配重效率曲線

表5中配重相對值表示配重是彈丸重量的倍數，如0.5表示彈丸重為0.6384kg時，則配重為0.3192kg，即彈丸配重是彈丸重量的一半，其它依此類推。這里，效率 η定義為彈丸動能與電容器初始儲能的比值

配重相對值為0.5時，線圈炮效率

3.4 結論

（1）隨著配重增加，最佳初始位置d增加。這是因為彈丸受力不變而配重增加，彈丸速度降低，使得彈丸不能擺脫電流下降沿對其影響。發射位置d增大，可以減小電流下降沿的不利影響，從而增加出口速度。

（2）隨著配重增加，即便在最佳初始位置發射，無論是彈丸出口速度還是效率都降低。

（3）配重增加到一定程度，如16倍以上，最佳發射位置失去意義，因為此時線圈炮的效率太低。另外，配重大時由重力引起的摩擦力此時已經不可忽略，實際中此時彈丸根本發射不出去，情況類似于電機的堵轉。也就是說對于給定的線圈炮系統，配重存在著極限，超過這個極限最佳初始位置失去意義，彈丸配重就更無從談起。

4 結論

通過對給定單級線圈炮系統的計算，可以得出如下結論，彈丸配重對最佳初始位置影響很大，隨著配重增加，最佳初始位置d增大、出口速度降低、效率降低，為以后的工程實踐提供參考。

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