基于電磁驅動的引信動態模擬研究

詹 超， 向紅軍， 雷 彬

(軍械工程學院彈藥工程系， 河北 石家莊 050003)

基于電磁驅動的引信動態模擬研究

詹 超， 向紅軍， 雷 彬

(軍械工程學院彈藥工程系， 河北 石家莊 050003)

針對引信模擬試驗傳統方法的不足，提出了將電磁發射技術應用到引信模擬試驗中。闡述了基于電磁驅動的引信模擬系統的結構組成和工作原理，建立了數學模型，并通過對所建模型的仿真分析，驗證了電磁發射技術在引信模擬試驗中應用的可行性，分析了充電電壓、電容和觸發位置對試驗彈受力和速度的影響，結果表明：通過調節這些參數，可根據所模擬引信的要求改變試驗彈受力情況。

電磁驅動；引信；動態模擬

引信作為彈藥的控制部分，對彈藥的安全性和可靠性起著至關重要的作用。目前，對引信的性能檢驗主要有靶場試驗和實驗室模擬試驗[1]。傳統的實驗室模擬試驗裝置包括基于氣體炮和真空炮的試驗[2-3]裝置以及基于小型火箭[4]的試驗裝置，但是這些試驗裝置都存在設備笨重、操作復雜、模擬結果不精確和模擬引信型號單一等缺點。電磁發射技術作為一種新的驅動技術，將其應用到引信的模擬發射中，具有控制精確、適應性好、結構相對輕便以及可實現設備全電化等優點。電磁發射技術興起于20世紀初，自20世紀60年代以來得到迅速發展[5-7]。目前，世界各國都將電磁發射技術作為未來武器系統的驅動方式，美國在電磁發射技術領域一直處于世界領先地位[8]。電磁發射主要分為電磁軌道發射和電磁線圈發射，其中，線圈發射又分為同步感應、異步感應和螺旋線圈3類發射方式。由于同步感應線圈發射方式具有彈丸無需連接外部電源、力學結構合理、發射管為圓柱管狀等特點，相比較而言最適合作為引信動態模擬的驅動方式。同步感應線圈炮模擬引信環境力作為一種新的方法，其研究主要集中在原理分析、仿真試驗和樣機研制階段。由電磁線圈驅動的試驗彈速度主要由脈沖功率電源的儲能決定，由于受試驗條件限制，現階段主要以低初速彈藥的引信為研究對象，如迫擊炮和槍榴彈引信。本文仿真模型基于槍榴彈引信模擬要求進行設計。

1 結構組成與工作原理

1.1 結構組成

引信動態模擬系統由直線驅動系統、旋轉電機、試驗彈和接收裝置等組成，其中：直線驅動系統主要由高功率脈沖電源(脈沖儲能電容器)、三電極間隙放電開關、驅動線圈、電樞及觸發控制電路等組成，如圖1所示；試驗彈由引信加固裝置、電磁屏蔽裝置及內置的引信體組成。電樞受電磁力作用向前推動試驗彈運動，完成引信膛內受力的模擬。

圖1 直線驅動系統基本組成

1.2 工作原理

驅動線圈由高功率脈沖電源饋電，當閉合開關時，驅動線圈在脈沖電流的作用下產生變化的磁場，使電樞產生感應電流(渦流)，通過其與磁場相互作用產生電磁力，推動試驗彈運動。對于膛內加速時間長或者膛壓曲線復雜的引信，可以設計多級加速。即當被第1級加速的試驗彈運動到第2級驅動線圈的合適位置后，給第2級驅動線圈饋電，電樞中感應出的渦流與驅動線圈產生的磁場相互作用，產生電磁力，推動發射組件繼續被加速。以此類推，試驗彈被一系列驅動線圈不斷加速，直到達到受力模擬要求。本文采用單級線圈驅動，對電磁發射技術在引信中的應用做初步的分析和論證。

2 數學模型

數學模型主要包括等效電路方程、動力學方程和運動學方程。

2.1 等效電路方程

驅動系統的等效電路如圖2所示，其中：R0、L0分別為供電回路電阻和電感；R1、L1分別為驅動線圈的電阻和電感；R2、L2分別為電樞的電阻和電感；C為電容器電容。為了消除回路中的反向電流，在回路中加入了續流硅堆D。

圖2 驅動系統的等效電路

在t時刻，等效電路方程如下：

(1)

(2)

式中：U0為電容器初始充電電壓；M12為驅動線圈與電樞的互感；i1為驅動線圈回路電流；i2為電樞回路電流。

2.2 動力學方程

對于彈丸受到的電磁力，可以采用電感法進行計算，其依據[7]是：力是儲存能量在運動中的變化率，即在運動方向上的能量梯度。在理想情況下，圖2所示的單級感應線圈炮在t時刻系統總儲能為

(3)

發射組件沿水平方向運動，自感項磁能不變化，只有互感項磁能隨位置變化。在不考慮摩擦力和空氣阻力影響的情況下，t時刻作用在發射組件上沿水平方向的力為

(4)

2.3 運動學方程

設裝有引信的試驗彈質量為mp，由引信驅動系統的動力學方程可得試驗彈t時刻的加速度為

(5)

t時刻試驗彈的速度為

(6)

t時刻試驗彈的位移為

(7)

3 驅動系統工作過程動態仿真

3.1 仿真模型

由于受電感梯度隨位置變化、驅動線圈電流瞬間發電以及試驗彈位置變化等因素的影響，試驗彈所受驅動力的理論計算十分困難。本文采用有限元分析軟件對所建立的模型進行仿真，仿真模型如圖3所示。

圖3 仿真模型

采用電磁場有限元分析軟件對引信模擬發射模型進行靜磁場仿真分析[9-10]。由于驅動系統為軸對稱結構，采用柱坐標系(Z-R)仿真環境，可以簡化為二維模型，這樣既可以保證計算精度，又可以大大降低計算量。

圖3給出的驅動線圈發射器的仿真模型中，包括運動區域、求解區域、電樞及驅動線圈。運動區域和求解區域的材料屬性分別設為空氣、真空。圖4給出了仿真區域的網格劃分情況，為了保證仿真計算精度，將彈丸、驅動線圈及運動區域的網格劃分得比較密集，而將求解區域的網格劃分得相對比較稀疏。

圖4 仿真區域的網格劃分

在仿真過程中，通過外接電路的方式為驅動線圈加載電壓，仿真外接電路如圖5所示。在外接電路中，脈沖儲能電容器的電壓設置為8 kV，電容設

圖5 仿真外接電路

置為1.2 mF，驅動線圈的電阻為52 mΩ，仿真的起始時間為0 ms，終止時間為3 ms，仿真時間步長為0.01 ms。

3.2 仿真結果分析

仿真結果中，電壓、電流、電磁力和速度隨時間的變化曲線分別如圖6-9所示。從圖6可以看出：電容器的初始充電電壓為8 kV，放電開始后，電壓逐漸下降，在1.2 ms時電容器兩端的電壓衰減到0 V。從圖7可以看出：驅動線圈的放電電流先逐漸增大，在1 ms時驅動線圈的最大放電電流為11 kA，此后驅動線圈的電流逐漸衰減，直到0 A。從圖8可以看出：發射過程中，試驗彈受到的電磁力先增大后減小，在1.05 ms時驅動線圈電磁力最大，為68.9 kN，在試驗彈總質量為0.6 kg時，其最大加速度(即引信受到的最大過載)約為11.483×103g(g為重力加速度)。從時間上也可以看出：在驅動線圈的放電電流達到最大值時，電磁力并沒有同步達到最大值，而是有0.05 ms的延遲。從圖9可以看出：試驗彈經過加速，電樞速度逐漸增大，在t=1.85 ms時得到的最大發射速度為107.8 m/s，此后近似做勻速運動。

圖6 電壓隨時間的變化曲線

圖7 電流隨時間的變化曲線

圖8 電磁力隨時間的變化曲線

圖9 速度隨時間的變化曲線

以上仿真結果表明：通過電磁直線加速器可以實現對試驗彈的加速，用以模擬引信發射過程中受到的最大直線加速慣性力。

4 充電電壓、電容和觸發位置對彈道特性的影響

4.1 充電電壓、電容對彈道特性的影響

1) 充電電壓對彈道特性的影響

在仿真模型和電路其他參數不變的情況下，分別設定充電電壓為5、6、7、8、9、10 kV。經過仿真計算，得到不同充電電壓下試驗彈所受電磁力和速度隨時間的變化曲線，分別如圖10、11所示。

圖10 不同充電電壓下試驗彈所受電磁力 隨時間的變化曲線

圖11 不同充電電壓下試驗彈速度 隨時間的變化曲線

從圖10可以看出：充電電壓為5、6、7、8、9、10 kV時，試驗彈受到的最大電磁力分別為23.4、35.9、51.5、68.9、89.5、110 kN，即隨著充電電壓的增大，試驗彈受到的最大電磁力也在逐漸增大，并且所受電磁力的上升和下降速度也明顯增大。受力上升階段越陡，即所模擬的加速度越大，加速過程更加明顯，這表明：通過調整儲能電容器的充電電壓，可以實現對引信受到的直線加速慣性力的調整，從而實現不同引信受到的直線加速慣性力的動態模擬，滿足一種試驗平臺可同時模擬多種引信的需要。

從圖11可以看出：不同充電電壓下試驗彈的速度都是先上升，然后逐漸趨于平穩；充電電壓為5、6、7、8、9、10 kV時，對應的試驗彈最大初速分別為57.4、73.9、90.8、107.8、125.1、141.5 m/s，即隨著充電電壓的增大，試驗彈的最大初速也在逐漸增大。

2) 充電電容對彈道特性的影響

在相同仿真模型以及充電電壓為8 kV且保持不變的情況下，改變充電電路電容為0.9、1.2、1.5、1.8 mF，仿真分析得到的試驗彈所受電磁力和速度隨時間的變化曲線分別如圖12、13所示。

圖12 不同充電電容下試驗彈所受電磁力 隨時間的變化曲線

圖13 不同充電電容下試驗彈速度 隨時間的變化曲線

從圖12可以看出：充電電容為0.9 mF時，在t=0.95 ms時刻，試驗彈受到的最大電磁力為49.5 kN；充電電容為1.2 mF時，在t=1.05 ms時刻，試驗彈受到的最大電磁力為68.9 kN；充電電容為1.5 mF時，在t=1.1 ms時刻，試驗彈受到的最大電磁力為86.2 kN；充電電容為1.8 mF時,在t=1.15 ms時刻，試驗彈受到的最大電磁力為100 kN。可見：隨著充電電容的增大，試驗彈受到的峰值過載逐漸增大，而且電磁力的上升和下降速度也在逐漸增大。

從圖13可以看出：隨著充電電容的增大，試驗彈速度也在逐漸增大，充電電容為0.9、1.2、1.5、1.8 mF時，對應的試驗彈峰值速度依次為89、107.8、123.5、136.2 m/s。

綜合分析電容器的充電電壓和充電電容可以看出：增大充電電容和充電電壓，都可以使試驗彈受到的峰值過載和試驗彈的速度增大。但增大充電電容會使試驗彈受到的電磁力前沿更加陡峭，呈現尖峰狀態，這與引信實際的內彈道特性存在一定的差異。因此，要使電磁力的上升沿或下降沿比較平緩，以模擬峰值過載的持續時間，可以通過綜合調整充電電壓、充電電容予以實現。

從分析結果也可以看出：通過調整充電電壓和充電電容，可以比較方便地調整試驗彈的內彈道特性，以模擬不同引信的直線加速慣性力。

4.2 觸發位置對彈道特性的影響

為分析不同初始位置對試驗彈所受電磁力的影響，定義觸發位置s為驅動線圈尾部到電樞尾部的距離。

在充電電壓為8 kV、充電電容為1.2 mF時，分析s=50，45，40，35，30 mm時的加速性能。利用圖5所示的仿真模型，通過仿真得到不同觸發位置下試驗彈所受電磁力和試驗彈速度隨時間的變化曲線，分別如圖14、15所示。

圖14 不同觸發位置下試驗彈所受電磁力 隨時間的變化曲線

圖15 不同觸發位置下試驗彈速度 隨時間的變化曲線

從圖14可以看出：隨著試驗彈初始位置的變化，其受到的電磁力也發生了相應變化,當s=30 mm時，試驗彈受到的電磁力在1.75 ms時達到最大值39.9 kN；當s=35 mm時，試驗彈受到的電磁力在1.25 ms時達到最大值59.1 kN；當s=40 mm時，試驗彈受到的電磁力在1.05 ms時達到最大值68.9 kN；當s=45 mm時，試驗彈受到的電磁力在1 ms時達到最大值76 kN；當s=50 mm時，試驗彈受到的電磁力在0.9 ms時達到最大值77.7 kN。可見：隨著驅動線圈尾部和電樞尾部之間距離的增大，試驗彈受到的電磁力峰值在逐漸增大，但是峰值的持續時間在逐漸縮短；同時，隨著s的增大，電磁力的上升和下降時間也將縮短。因此，要延長電磁力峰值的持續時間，也可以通過調整試驗彈和驅動線圈之間的相對位置來實現。

從圖15可以看出：試驗彈初始位置的變化，不僅使驅動線圈的放電電流和試驗彈受到的電磁力發生了變化，同樣使試驗彈的發射速度發生了變化，當s=30 mm時，試驗彈在2.5 ms時達到最大速度86.7 m/s；當s=35 mm時，試驗彈在2.1 ms時達到最大速度101 m/s；當s=40 mm時，試驗彈在1.85 ms時達到最大速度107.8 m/s；當s=45 mm時，試驗彈在1.75 ms時達到最大速度109 m/s；當s=50 mm時，試驗彈在1.7 ms時達到最大速度105.7 m/s。

5 結論

電磁線圈發射技術作為一種新的驅動技術應用到引信模擬試驗中，具有明顯的優勢。對于不同的引信，通過調整充電電壓、電容和觸發位置，能夠精確控制試驗彈受力和加速時間，使其符合所模擬引信的要求，實現了一套設備模擬多種不同類型引信的需求。研究結果將為后期單級或多級電磁線圈發射技術在引信模擬試驗中的應用提供指導。

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(責任編輯:尚彩娟)

Research on Fuze Dynamic Simulation Based onElectromagnetic Coil Launcher

ZHAN Chao, XIANG Hong-jun, LEI Bin

(Department of Ammunition Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China)

Aiming at the limitations of traditional simulation test methods in fuze, the application of electromagnetic launch technology on the fuze simulation test is proposed. The fundamental constitution and working principle are elaborated, and the mathematical model of the working process is established. Through the simulation and analysis, feasibility of fuze test with electromagnetic launch technology is validated. The influence of the charging voltage, the capacitance and the trigger position on the force and speed are analyzed. The results show that: the force of the tested projectile can be changed according to the requirements of simulation of fuze by adjusting those parameters.

electromagnetic drive; fuze; dynamic simulation

1672-1497(2015)02-0056-05

2015-01-04

軍隊科研計劃項目

詹 超(1991-)，男，碩士研究生。

TJ430.6+8

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.02.011