同步感應線圈炮實驗與仿真研究*

周長軍，張 濤，國 偉，樵軍謀，范 薇

(西北機電工程研究所，陜西咸陽 712099)

0 引言

相比于化學能發射，電磁發射能夠將彈丸加速到更高速度[1]。感應式線圈炮是電磁發射領域的一個重要分支，具有結構簡單，設計靈活，電樞和驅動線圈無機械直接接觸等優點[2－3]，因而在炮彈發射、導彈發射、魚雷發射、火箭彈發射、飛機彈射及航天發射等技術領域將具有廣泛的軍事應用前景[3－4]。

美國桑迪亞國家實驗室對同步感應線圈炮進行了一系列深入的研究，成功設計和研制了多個試驗裝置，驗證了計算仿真程序和系統硬件的可靠性，成功的利用35級線圈炮將237g的彈丸加速到 1000m/s[5]。近年來，線圈炮的研究更加多樣化，桑迪亞實驗室和洛克希勒馬丁公司聯合進行了導彈彈射縮比樣機演示驗證，成功將650kg的載荷加速到12m/s[6]，并進行了多任務發射系統概念的研究[7]。這些研究成果使得線圈炮在工程化應用方面向前邁進了重要的一步。

文中詳細介紹了小規模4級同步感應線圈炮的設計，目的是為了驗證多級同步感應線圈發射能力，測試仿真結果的準確性。利用有限元軟件進行了仿真計算，通過對比仿真和實驗結果，對系統效率、電樞捕獲效應、彈丸等關鍵因素進行了討論和分析。

1 線圈炮設計

1.1 驅動線圈設計

線圈炮設計要求包括現實中易得的材料和硬件設備，裝配簡單，易于安裝和拆卸，在設計過程中能夠重復使用，系統集成度較高。同步感應線圈炮發射系統包括驅動線圈、脈沖功率電源、測控系統和彈丸。

圖1為同步感應線圈炮發射系統原理示意圖。線圈炮身管由多個相同口徑的同軸線圈串列而成，每級線圈由各自電源同步激發放電。電能儲存在電容器中，當光纖傳感器檢測到彈丸的位置時，激發控制系統在適當的位置觸發開關，驅動線圈內通入脈沖電流，彈丸線圈在變化的磁場中產生了感應電流。電樞的徑向磁場分量和彈丸的周向電流相互作用，產生了推動彈丸的作用力，多級線圈逐級加速，直至彈丸出膛。

圖1 同步感應線圈炮原理圖

該發射系統的設計要求是:在脈沖電源最大儲能為0.2MJ的條件下加速外徑為60mm的彈丸。根據脈沖電源的形式和設計目的，初步采用四級線圈發射器。四級線圈首尾相連形成一個整體身管，每個驅動線圈為獨立的模塊結構，這樣便于進行診斷和更換，以減小對剩余系統的影響。單級線圈的原理如圖2所示，它由內筒、線圈、絕緣材料和包封組成。內筒由環氧材料制成，一方面用來引導彈丸運動，另一方面對驅動線圈和彈丸起絕緣作用。當驅動線圈通入脈沖電流時，線圈的徑向力被約束在外部的包封裝置中，線圈的軸向力經過外部包封裝置傳到了炮尾的支撐結構。

圖2 單線圈結構原理圖

隨著彈丸速度的增加，需要減小電流的上升時間，而電流的上升時間與驅動線圈的電感和電源的電容有關，因此，較為方便的作法是減小每級線圈的匝數。理想的線圈應具有較薄的徑向厚度和較短的軸向長度[3]。較薄的徑向厚度是為了增加驅動線圈和彈丸之間的磁耦合，這樣能夠增加系統的效率。較短的軸向長度是為了減小彈丸的徑向力。在設計過程中，考慮到機械結構和電參數的需要，使得具體設計與理想要求有所不同。在設計過程中充分考慮到實用性和方便性，采用方銅線，可有效減小電流趨附效應和線圈發熱。采用了多層線圈是為了增大驅動線圈的電感，減小線圈的峰值電流，在低速時電流上升時間能夠與彈丸較好的匹配。線圈的具體參數如表1所示。

表1 線圈參數

1.2 脈沖功率電源

脈沖功率電源包括充電回路和電容器模塊。所有的電容器模塊都連接到充電回路中。當電容器的充電電壓值達到設定值時，繼電器自動斷開充電回路。

每級線圈由各自的電容器組供電，每個電容器組拓撲結構相同，參數一致。單模塊電容器組電路模型如圖3所示，電容為1mF，額定電壓為10kV。當觸發電路輸出控制信號接通開關時，電流通過同軸電纜饋接到相應的線圈。每級的電容器組包含1個二極管回路，目的是為了短路線圈，防止電容器反向充電。與二極管串聯的電阻是為了減小通過二極管電流的上升時間，保護二極管。

圖3 脈沖電源原理圖

1.3 激發控制系統

當彈丸在膛內發射時，控制系統實時檢測彈丸的位置，在適當的位置觸發開關產生磁行波推動彈丸運動。激發控制系統的原理如圖4所示，它包含控制器、適配器、光纖傳感器組件等。光纖傳感器位于相鄰的兩個線圈之間，具體位置由仿真計算得到。當彈丸到達某級的激發位置時，光纖傳感器組件傳遞1個光信號給適配器，適配器將光信號轉變為電信號并放大，控制器將接收到的電信號進行處理，控制電路將光信號轉化為電信號輸出。當脈沖電源的開關接收到來自控制系統的控制信號時，開關被觸發，相應線圈就被激發。

圖4 控制系統原理圖

1.4 彈丸設計

彈丸對發射性能具有重要的影響[8]。由于圓筒型彈丸易于分析和設計，在試驗中經常使用。由于彈丸在發射時不僅要受到推動力，還要受到徑向的壓縮力，因此在彈丸內部需要填充一定的絕緣材料。螺線管彈丸是將細導線繞制在PVC絕緣管上，在末端進行焊接。采用了兩種形式的電樞:一種是圓筒型彈丸，質量分別為0.65kg和1kg，導體厚度均為6mm;另一種是繞線型彈丸，共80匝，質量為1kg。

2 線圈炮性能研究

2.1 仿真計算

由于仿真計算可以有效的降低成本，提高效率，因此通常利用仿真估計復雜系統的性能。利用二維有限元仿真軟件建立了四級線圈炮系統模型[9]。仿真模型如圖5所示。在這個模型中僅包含了導電元件，為了得到與實際一致的仿真結果，考慮了級間的耦合效應。外電路仿真模型與脈沖功率電源一致。

圖5 仿真模型圖

彈丸的形式和質量對觸發位置有重要影響，而觸發位置最終影響效率。在仿真過程中，為了得到最高效率，對3種彈丸每一級線圈觸發位置進行了優化。3種彈丸發射時系統總儲能均為84.5kJ。圓筒型彈丸和繞線型彈丸的仿真結果如圖6所示。該仿真結果可作為結構設計的參考依據。

2.2 試驗結果

根據仿真結果搭建了四級線圈炮發射系統，采用了Rogowski線圈測量驅動線圈的電流，采用了分流電阻測量電容器的電壓。采用了紅外測速系統測量彈丸的初速。實驗結果如表2所示。

圖6 電流與速度仿真波形

表2 試驗結果

1kg圓筒型彈丸實際測得的第2級和第3級試驗電流曲線如圖7所示。

圖7 試驗電流曲線

3 實驗分析

3.1 系統效率

相比于仿真結果，實驗測得的彈丸初速較低。對于1kg的圓筒型彈丸，仿真計算的速度為112m/s，系統效率為7.4%，實際測試的結果為92m/s，系統效率為5.0%。導致這種差別的主要因素為:材料的屬性不確定，忽略了電樞的歐姆熱，電路的參數在發射過程中是變化的。

由實驗可知，0.65kg彈丸的系統效率為6.0%，高于1kg彈丸的效率，這表明對于一定的儲能，發射系統存在一個最優效率。由于這兩種彈丸的厚度相同，有效加速部分相同，而1kg彈丸的寄生質量大于0.65kg的寄生質量，寄生質量影響了整個系統的性能，因此1kg彈丸的系統效率受到了影響。

相比于其它電磁發射裝置，例如電磁導彈彈射系統，該裝置效率較低。其中一個重要的因素是磁耦合程度較低。驅動線圈的多層結構降低了驅動線圈和彈丸之間的耦合，減小了系統的效率。未來的研究應重點關注如何提高系統效率和增加驅動線圈和彈丸之間的耦合。

3.2 電樞捕獲效應

由圖6可知，1kg圓筒型彈丸具有明顯的電樞捕獲效應。當彈丸的速度達到最大值后，有一個明顯的下降，直到下一級激發時重新上升。這主要是由于彈丸在運動過程中受到一個反向的拖拽力。彈丸的受力可表示為:

式中:Id為線圈電流;Ip為彈丸電流;M為互感;x為位移。

由式(1)可以看出，彈丸的受力正比于線圈電流、彈丸電流和驅動線圈和彈丸線圈之間的互感梯度。電路的拓撲結構決定驅動線圈電流是正向的，當彈丸通過線圈中心線后，電感梯度也是正向的。因此，拖拽力主要是由于感應電流的反向產生的。當發射大質量彈丸時，電流的上升時間與彈丸的加速時間不匹配，磁場的減小在電樞中感應了大的反向電流，從而產生了較大的拖拽力。對于大質量的彈丸，可以增加電源系統的能量，提高彈丸速度，減少磁場對彈丸的影響，減小拖拽力。由圖6還可以看出，繞線彈丸的電樞捕獲效應不明顯，這主要是由于繞線式彈丸感生電流比較均勻，峰值電流密度小，磁場對彈丸的影響較小，因此拖拽力較小。

3.3 彈丸

進行了兩種形式的彈丸測試。由圖6可以看出，相比于圓筒型彈丸，繞線型彈丸具有較高的效率。這主要由于趨膚效應影響了圓筒型彈丸的電流分布，導致了額外的歐姆熱，影響了系統效率。螺線管彈丸電流分布均勻，能夠減小局部發熱，性能較好。但是這種電樞設計較為困難，在繞制完成后必須在尾部進行短路。對螺線管彈丸進行了試驗研究，結果表明，當電容器充電電壓達到4000V時，螺線管彈丸在彎折處發生了斷裂，表明螺線管線圈在發射過程中感生了較大的電流，整體結構須承受巨大的作用力。這種彈丸需要進一步進行分析和重新設計。雖然圓筒型彈丸效率略低，但是比較容易加工和實現，因此圓筒型彈丸可繼續應用于后續研究。

4 結束語

文中描述了四級線圈炮發射系統的組成以及設計要求，搭建了四級線圈發射器，脈沖功率電源，激發控制系統。通過實驗驗證了多級發射的能力，測試了仿真計算的準確性。

對兩種電樞進行了仿真和實驗。利用該發射系統將650g的圓筒型彈丸加速到125 m/s，效率為6%，將1kg的圓筒型彈丸加速到92m/s，效率為5%。試驗結果證明了該發射系統的發射能力，驗證了模型的準確性和可行性，為下一步大規模多級發射器的設計提供了工程基礎。

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