電磁軌道炮被動式炮口消弧裝置的理論分析與優化設計

唐 波,徐英桃,栗保明

(南京理工大學 瞬態物理國家重點實驗室,南京 210094)

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電磁軌道炮被動式炮口消弧裝置的理論分析與優化設計

唐 波,徐英桃,栗保明

(南京理工大學 瞬態物理國家重點實驗室,南京 210094)

為了研究電磁軌道炮消除炮口電弧的方法,提出了一種新型結構的被動式炮口消弧裝置,建立了含有消弧裝置的內彈道計算模型。分析了被動式消弧器的兩個作用原理,第一個是磁通壓縮原理,能夠在電樞中產生反向電流,以減小炮口剩余電流;第二個是續流原理,使系統中殘余能量可以從消弧器中釋放,而不是經過電弧,從而大大減小炮口弧光。發現消弧器的電氣參數必須與發射器的電氣參數相匹配才能達到最佳效果,過大或過小的感抗和阻抗都會導致不良消弧狀態,最優參數應為較小的電感與稍大的電阻組合。進一步研究了炮口消弧器的工程化設計方法,所提出的結構最適合使用不銹鋼材料,能顯著降低炮口殘余電流和電弧,而初速基本沒有減小,該理論分析和設計思路可以為軌道炮消弧器的研究提供參考。

內彈道;電磁軌道炮;炮口消弧;消弧器設計

電磁軌道炮作為新概念武器受到廣泛關注,其發射時依靠電磁力推動彈丸運動,理論上電磁軌道炮可以做到無聲、無光發射,具有非常高的隱蔽性。目前美國已建成32 MJ電源系統,最新的電源系統總儲能高達100 MJ,但實際電能轉換效率只有30%左右,有相當大的能量殘留在發射系統中[1]。尤其是在電樞出炮口時,導體間的固體電接觸變為電弧接觸,電源系統中的能量需要通過電弧繼續釋放,使電弧持續燃燒形成炮口電弧。當電樞出炮口時仍有數百安培的電流從電弧中流過,導致嚴重的炮口燒蝕和巨大的閃光、聲響等,這會大大降低軌道壽命和隱蔽性。

消除炮口電弧的方法已有不少研究,在炮口增加分流裝置便是有效的方法。Honig設計了利用炮口開關在彈丸出炮口時快速導通的方法,使剩余電能重新存儲到電源系統中[3]。Parker等人研究了炮口分流器的性能,發現在炮口增加分流電路能夠顯著減小電樞的峰值功率,減輕燒蝕問題。之后,Parker又設計出一種電感型炮口分流器,利用磁通壓縮原理可以簡單而高效地消除炮口電弧,當選擇合適的電氣參數時就能使炮口電流減小到0[4-5]。Jamison 等人也發現在炮口串聯電阻后能使電樞出膛時炮口殘余電流顯著減小[6]。Bernardes等人設計了一種電容器型炮口分流器,能夠明顯減小炮口電弧閃光,并恢復系統中約10%的能量[7]。國內何勇等人使用低阻抗的觸發開關作為主動式消弧裝置,當電樞接近炮口時快速導通開關,實驗表明該方法能夠有效地抑制炮口電弧[8]。目前,消除電弧的方法以實驗為主,理論研究與工程化研究較少,但對于武器系統而言,炮口消弧器的設計研究有很大意義。本文將建立被動式消弧裝置的理論計算模型,結合工程實際討論被動式炮口消弧器的設計方法,提出一個高效、緊湊的新型實用化結構,最終給出相關電氣參數與結構參數的最優匹配原則。

1 炮口消弧器的理論分析

圖1為軌道炮發射時典型的電流曲線[2]。

圖1 炮口殘余電流示意圖

為消除炮口電弧,常見的有2種方法,即主動式和被動式[8]。主動式消弧裝置利用開關導通炮口消弧回路,對電氣參數的要求不高,但由于其需要準確的測量電樞出膛時刻,且開關系統體積較大,不適合安裝在炮口上。而被動式消弧裝置的結構簡單可靠,將正負極軌道在炮口處用電感或電阻等連接在一起即可,一方面炮口回路能夠在電樞前部壓縮磁通,減小炮口殘余電流;另一方面回路可以續流,削弱電弧能量。被動式炮口消弧器的可靠性已有很多實驗可以證實[4-7],在此基礎上設計了適合工程應用的新型消弧器結構,如圖2。

圖2 被動式消弧裝置結構示意圖

該結構主要有3個特點:①結構簡單、體積小、強度高,適合安裝在炮口部位,以一體化結構方便與軌道連接,增加發射器炮口部位的強度;②效率高,經過優化設計后,該型消弧器電感值較小,而電阻值稍大,能夠保證良好的消弧性能,而炮口初速基本沒有減小;③在端口部有縫隙,與電力開關中常用的窄縫滅弧原理類似[9],可將殘存的電弧隔斷釋放,或快速冷卻而滅弧,結構上與常規炮口制退器類似[10],比較美觀。

當身管的結構不同時,消弧器的結構也需要作相應的調整,以使消弧器的電氣參數與身管的電氣參數相匹配,否則不能達到最佳消弧狀態。本文以一個小口徑電磁軌道炮身管的電氣參數為例,設計出與其相匹配的消弧器參數,由于導體自身的阻抗,只需改變結構設計就可以達到所需的電感值和電阻值。最后,設計出符合工程應用的機械結構,該方法簡單實用,也是本文著重強調的一點。首先建立內彈道計算模型,與普通電磁發射器相比,該模型需要在計算中增加消弧器回路的電路方程,簡化電路如圖3所示。圖中,UB為炮尾兩端的電壓,Ua為電樞兩端的電壓,x為電樞到炮尾距離,lg為軌道總長度,Iall為總電流,Ia為電樞中的電流,Is為炮口消弧器中流過的電流。

含有消弧器的軌道炮發射過程可以分為2個階段[11],第一階段是電樞在膛內運動時,電樞前方和后方軌道的電感值和電阻值都在變化,而且電樞前方的回路會對電樞中電流產生較大影響;第二階段是電樞脫離軌道時,軌道間會出現大量等離子體電弧或金屬蒸汽等,可以近似認為軌道間將存在高阻值電阻。第一階段的等效電路圖與相關電氣參數如圖4。圖中,L0和R0分別為回路的初始電感和電阻,L′和R′分別為軌道電感梯度和電阻梯度,Ls和Rs分別為炮口消弧器電感和電阻。電樞后部軌道中的電感L′x和電阻R′x快速增大,而電樞前部的電感L′(lg-x)和電阻R′(lg-x)則快速減小,出現磁通壓縮現象,抵消了電樞中的部分電流,并最終減小到0。

圖3 含有消弧裝置的軌道炮示意圖

圖4 第一階段等效電路圖

電源系統由n個模塊組成,每個模塊電容為Ck,初始電壓為Uck,電感為Lk,k=1,2,…,n,用方程組表示為[12]

(1)

計算中當Uck≤0時,令Uck=0。除了電源系統的方程組,還需要寫出身管系統的電路方程組,即:

(2)

式中:v為電樞運動速度。

第二階段是電樞出炮口時,炮口殘留有部分電弧,將繼續導通回路。設炮口電弧的電阻為Rc,根據Marshall[13]計算出的銅等離子體電導率約為20S/mm,近似取值為12mΩ,第二階段等效電路圖如圖5所示。

此時電樞已經脫離軌道,但仍用Ia表示電弧中流過的電流,并認為是炮口殘余電流。此時,系統的電路方程變為

(3)

除此之外,還需要建立電樞的運動方程,與普通軌道炮不同的是,由于炮口消弧器的分流作用,電樞受到前后兩側的磁場疊加作用[4],電磁力方程為

F=(L′IallIa/2)+(L′IsIa/2)

(4)

(5)

式中:F為電樞受到的電磁力,ma為電樞質量。結合式(1)～式(5),就可以計算出含有炮口消弧裝置時,電磁發射器的整個內彈道過程。

圖5 第二階段等效電路圖

2 計算算例

為更好地分析被動式炮口消弧器的設計方法及其阻抗與身管系統的匹配關系,以一個單軌20 mm小口徑軌道炮為算例,根據實驗數據以及結構參數,可以得到該發射器與電源系統的電氣參數等,如表1和表2。

表1 電弧與消弧器的電氣參數

表2 身管與電源系統參數

2.1 被動式消弧器原理分析

將各參數代入計算模型后得到的計算結果如圖6所示,可以發現,加裝炮口消弧器與不加消弧器時,總電流的波形幾乎一致,說明該型炮口消弧器對電源系統的放電特性基本沒有影響。在未加裝炮口消弧器時,認為回路中的總電流全部經過電樞,并在電樞出炮口時釋放到電弧中,此時,剩余電流高達80 kA。當加裝炮口消弧器后,發射過程中有一部分電流從消弧裝置中流過,電樞中的電流逐漸減小,在出炮口時電樞中的電流基本減小為0,從而大大減小炮口的殘余電流,而且減小電樞中流過的電流,有利于減輕燒蝕問題,增加軌道壽命等。

圖6 電路仿真結果

由圖6也可以看出,電樞電流在下降過程中有一個明顯的轉折點,先是較緩慢地減小,而后快速減小,對應消弧過程的2個階段,也可以認為是被動式消弧器的2個工作原理,分別是磁通壓縮原理和續流原理。

第一個是磁通壓縮原理,初始時刻,由于消弧器回路的電感,消弧器中流過的電流很小,保證了電樞的加速運動。隨著電樞的前進,消弧回路的總電感迅速減小,出現磁通壓縮現象,使消弧回路中的電流快速增加,抵消了電樞中的部分電流,但由于炮口分流的作用,電樞的初速基本不會降低。最終電樞出炮口時剩余電流將大幅減小,從而最大程度地抑制樞軌分離時電弧的產生。

第二個是續流原理,當電樞出炮口后,系統中的剩余能量將通過消弧器釋放,而不是經過殘余電弧或金屬蒸汽釋放,從而削弱電弧中的能量。如圖7中,無消弧器時,炮口電弧中的電流密度很高,使電弧能量快速增加,導致較大的閃光和噪聲等[14];而安裝消弧器后,大部分電流從消弧器中流過,電弧中的電流密度小得多,基本只聚集在消弧器的內部,從而大幅減少炮口電弧的閃光等。

圖7 含消弧器與不含時炮口電弧中的電流密度對比

2.2 被動式消弧裝置優缺點分析

被動式炮口消弧器的優點如前文所述,結構簡單、效率高,若參數選擇合適,能顯著減小電樞出炮口時產生的電弧,而且由于炮口消弧器的分流作用,電樞前后兩側的磁場相疊加共同推動電樞運動,電樞的炮口初速只是稍微降低,由1 860 m/s降低到1 818 m/s,如圖8中良好消弧狀態。這與Parker的實驗結果是一致的[5],該實驗中炮口電流由170 kA下降到12 kA,而初速僅由1 140 m/s下降為1 090 m/s。理論分析與實驗都說明此類被動式炮口消弧裝置是非常有效的。

圖8 不同狀態下電樞膛內運動速度曲線對比

但被動式炮口消弧器也有缺點,如圖8中不良消弧狀態,炮口初速降低比較多。這是由于消弧的電氣參數與發射器的電氣參數不匹配,對消弧性能和發射性能產生了不良影響。由于發射時間短,磁通壓縮速度很快,當消弧裝置中電感和電阻非常小時,消弧回路中將產生過大的反向電流,進而導致電樞中電流反向,嚴重降低炮口初速。例如選擇Ls=0.1 μH,Rs=0.1 mΩ時,電樞中的電流減小過快而反向,如圖9所示。同時炮口初速由1 860 m/s降低到1 660 m/s,降低了10.8%,不過這個缺點可以解決,因為發射器的結構確定后,就可以確定其相關參數,從而設計出與其相匹配的消弧器參數。

圖9 電樞中出現的反向電流

2.3 基于新型結構的被動式消弧器優化設計

根據上述分析,被動式炮口消弧器的設計方法總結為:首先確定身管的電氣參數,根據其數值計算出滿足最佳性能需求的消弧器電氣參數,最后根據該參數設計出消弧器的結構。以該發射器為例,先計算出消弧器不同電感值和電阻值時炮口的電流IM和初速vM,如圖10和圖11所示。

圖10 炮口初速隨電感和電阻的變化規律

圖11 不同電阻值和電感值時炮口電流

結合圖10和圖11,可以看出當Ls與Rs過小時,電樞中電流將反向,炮口初速會嚴重降低。其余情況下,初速基本沒有降低,說明合適的參數可以防止發射效率下降;當Ls和Rs較大時,炮口的殘余電流也變大,消弧的性能降低,但仍比不安裝炮口消弧器時要低得多,說明消弧器能夠有效減小炮口電流。另外,電感值對其性能影響比電阻更大,設計時應首先考慮其電感。

為找出最佳的參數,假設WI和Wv分別表示炮口電流和初速的設計權重,計算中各取50%。2個不同的量還需要進行歸一化處理,考慮到炮口電流無論正向還是反向,數值過大都是不利的,因此取絕對值的負數,K表示最優系數,即:

(6)

最優參數如圖12中顏色最深的區域,實際設計時難以得到精確數值,使其值在該范圍內即可。綜上,選擇較小的電感能達到消弧目的,而選擇偏大一些的電阻,能防止出現反向電流,從而保證發射效率。最優參數應為較小的電感值與稍大的電阻值的組和,此時炮口電流基本可減為0,而初速不會明顯降低。

圖12 最優參數示意圖

針對本文提出的炮口消弧器結構,使用三維有限元軟件計算出其電感值和電阻值,由于電感受結構影響較大,該結構確定后電感值基本也可以確定。而電阻值的大小與其材料的導電性有關,對于該型結構,計算了幾種不同材質時的炮口電流和初速,如表3。

表3 不同材質對該型炮口消弧器的影響

計算發現,導電性較好的銀、銅、鋁等材質并不適合用來制作這種類型的炮口消弧器。反而導電性不良的不銹鋼材質卻更適合,這個結果是比較好的,因為鋼的強度很高,能夠保證消弧器不被破壞,還能進一步增加炮口部位的強度,而且其成本低,易加工。另外有一個優點值得考慮,一般的鋼鐵材料會有磁飽和效應[15],而這對于炮口消弧器是有利的。剛發射時,鐵質材料沒有達到磁飽和狀態,磁導率較高,因而其感抗也比較大,會減小消弧器中的電流,而保證電樞的加速運動;而當電流增大后,鐵質材料很快達到磁飽和狀態,感抗減小,有利于磁通壓縮,從而快速減小炮口殘余電流。也可以選擇性能更好的合金材料,只需使其電氣參數與發射器參數相匹配即可。對于本文提出的消弧器結構,最佳選擇是不銹鋼材料。

3 結束語

本文總結了炮口消弧的方法,提出了一種簡單高效的被動式炮口消弧器結構,并推導出了計算模型,該模型能夠很好地模擬出含有消弧裝置的軌道炮內彈道曲線。根據計算結果,主要得到以下幾點結論:

①被動式消弧器主要有2個消弧原理。一是磁通壓縮原理,當電樞在軌道中運動時,消弧器與軌道回路的電感值快速減小,導致消弧回路的電流不斷增大,以抵消電樞中的部分電流,從而減小出炮口時的殘余電流;二是續流原理,電樞出炮口后,系統中的剩余能量可以通過消弧器繼續釋放,而不是通過電弧,從而削弱電弧的能量,進而減小閃光和噪聲等。

②消弧器的電氣參數必須與發射器的電氣參數相匹配才能達到最佳效果,過小的電感和電阻會導致反向電流,嚴重降低效率;過大的電感和電阻無法使炮口電流減為0。最優參數應為較小的電感值與稍大的電阻值的組合,此時炮口殘余電流可減小到0,而初速基本不會降低。

③進一步研究了炮口消弧裝置工程化設計方法,針對本文提出的被動式消弧器結構進行了優化設計,發現該結構的電感合適,使用鋼材質時能使消弧器的電氣參數與身管參數相匹配,達到最佳消弧性能。同時,該結構簡單可靠,還可增加發射器的炮口強度。此外,利用鋼鐵質材料的磁飽和效應可使消弧器初始時刻感抗較大,進一步增強系統的發射性能與消弧性能。該理論分析與工程設計思路可以為軌道炮的消弧研究提供參考。

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Theoretical Analysis and Optimization Design of Passive Muzzle Arc Suppression Device in a Railgun

TANG Bo,XU Ying-tao,LI Bao-ming

(National Key Laboratory of Transient Physics,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

To control muzzle arc of electromagnetic rail gun,a new passive arc suppression device of muzzle was proposed,and the calculation model of the interior ballistics was established.Two arc suppression principles were analyzed.The first is the magnetic flux compression,and the muzzle circuit will produce reverse current in armature to reduce the muzzle current.The second is the continuous flow of current when armature is out,and the residual energy will release by the arc suppression device instead of the arc flash.The electrical parameters of arc suppression device should be matched with the launching system,and too small or too large inductance and resistance will lead to undesirable arc suppression.The optimal parameters should be the smaller inductance and slightly larger resistance.In this design,the best material is stainless steel which is simple and reliable.With this device,the muzzle residual current is almost reduced to zero,but the muzzle velocity is not reduced.This design offers reference for the study of muzzle arc suppression device.

interior ballistics;electromagnetic railgun;muzzle arc control;arc suppression device design

2016-08-23

唐波(1990- ),男,博士研究生,研究方向為電磁發射技術。E-mail:tangbo90@126.com。

TJ399

A

1004-499X(2016)04-0062-06