地空導彈多極矩電磁發射器設計*

薛新鵬,舒 濤,楊志勇,馮 剛

(空軍工程大學防空反導學院,西安 710051)

地空導彈多極矩電磁發射器設計*

薛新鵬,舒 濤,楊志勇,馮 剛

(空軍工程大學防空反導學院,西安 710051)

針對如何提高地空導彈初始發射速度和戰場隱蔽性的問題,設計了一種新型地空導彈多極矩電磁發射器。多極矩電磁發射器的結構裝置為彈射線圈產生電磁彈射力,多極矩線圈來產生持續軸向加速力,以單級六極矩線圈為例,采用電磁場有限元方法進行發射過程仿真并提出了該發射器的設計流程。以某型地空導彈的發射性能為指標,根據建立的發射器原理和仿真模型計算得出了該發射器的線圈和電路參數,實現了地空導彈多極矩電磁發射器的設計。

多極矩電磁發射;模型;有限元仿真;發射器設計

0 引言

多極矩電磁發射技術是一種利用徑向磁場與拋體環向電流相互作用產生加速力的原理,將電磁能轉化為拋體有效載荷的動能,使得拋體加速至預定速度的一種發射技術[1-3]。

傳統的地空導彈發射器可分為熱發射和冷發射兩種形式,但其發射器存在一些固有缺陷或面臨一定技術問題[4]。例如熱發射對發射系統的燒蝕問題,并容易造成目標暴露,隱身性差;冷發射的反應速度較慢,且通用性不好,難以適應不同型號導彈的發射要求。而多極矩電磁發射技術能將拋體快速加速而不與發射器發生物理接觸,使得發射響應快、拋體通用性好[5-7],這種優勢特性在地空導彈發射領域有著巨大的應用潛力。

基于多極矩電磁發射技術的地空導彈發射器是一種新型導彈發射裝置,利用電磁力將導彈高速彈射出發射筒,其電磁發射技術與傳統導彈發射技術相比,具有推力大,懸浮穩定,可發射多種型號導彈等優勢,符合未來聯合作戰對武器裝備作戰效能、效費比和生存能力的要求。文中提出將多極矩電磁發射技術應用到地空導彈,通過發射理論分析與數學建模,設計了多極矩電磁發射器并進行了仿真驗證,實現了快速反應和大有效載荷的發射。

1 多極矩發射器結構裝置與發射原理

1.1 結構裝置

導彈多極矩發射器模型如圖1所示,發射裝置分為彈射和加速兩部分,其中彈射線圈為盤式線圈,加速線圈為環體多極矩線圈,發射拋體為某型地空導彈。

導彈多極矩發射器系統主要包括彈射線圈、多極矩線圈、導彈拋體、各級獨立的脈沖功率電源及其觸發電路、導彈拋體位置和速度傳感器等,其系統框圖如圖2所示。

圖1 發射器模型

圖2 系統框圖

1.2 彈射原理分析

導彈多極矩發射器的彈射裝置是基于渦流排斥原理,如圖3所示。對圖中彈射線圈輸入單脈沖電流,彈射線圈產生瞬態磁場并在導彈拋體底部產生感應電流,強磁場與感應電流作用會產生巨大的電磁彈射力。

圖3 彈射線圈發射原理模型

取導彈拋體底面電流元為Idl,根據電磁力定律,在彈射線圈磁場B的作用下,電流元所受到的電磁力為:

dF=Idl×B

(1)

由圖3可知,dF分解為軸向和徑向的分量dFz和dFr,彈射線圈的磁場和導彈拋體底面的感應渦流都關于z軸對稱,故dFr的合力為零,dFz合力加強,沿z軸的電磁力為:

F=Fz=∮Fzdl

(2)

此軸向合力為彈射部分對導彈拋體初始的加速力,并作為多極矩線圈加速運動的射入速度。

1.3 加速原理分析

導彈多極矩發射器的加速裝置是基于磁行波感應驅動加速的原理,六極矩線圈產生的徑向磁場與導彈拋體側面環向電流作用的截面圖如圖4所示?？紤]到磁感線重接路徑最短原則,設計成相鄰多極矩線圈電流方向相反。加速過程中,多極矩線圈產生的一系列脈沖電流,使得導彈拋體側面產生各個獨立的感應渦流,從拋體全局來看,渦流為環向。根據左手定則,徑向磁場與環向渦流作用的電磁加速力主要分量為導彈的發射方向。

圖4 多極矩磁場對環向電流的作用力示意圖

導彈拋體表面的渦流密度J與線圈產生的磁場B之間的關系式為:

J=×B/μ

(3)

式中μ為導彈拋體的磁導率。

基于微分形式的歐姆和電磁感應定律,得出磁場的擴散方程為:

(4)

式中σ為導彈拋體的電導率。

由安培力定理,得出導彈拋體所受的加速力密度為:

f=J×B=×B×B/μ

(5)

首先求解方程(4)得出磁場B,再代入方程(5)中,最終得到加速力F。

(6)

2 多極矩發射器的磁場數學模型

二維靜電磁場中,真空條件下的磁感應強度為:

B=μ0H=μ0(-φ)

(7)

式中:H為磁場強度;φ為標量磁位,為了在以下的表達式中方便分析,真空磁導率μ0均省略。

(8)

對方程(8)的解可用冪級數展開為:

φ(x,y)=a10x+a01y+a20x2+a11xy+a02y2+

a30x3+a21x2y+a12xy2+a03y3+…

(9)

本導彈發射器是六極矩,取式(9)中的前三階高次項即為六極矩磁場,六極矩場中的磁感應強度二階導數為恒定值,所以其標量磁位只能含有x和y的三次項。故得到:

φ6=a30x3+a21x2y+a12xy2+a03y3

(10)

φ6滿足Laplace方程,可得3a30=-a12,3a03=-a21,并代入式(10)。

由此可得到六極矩磁場的標量磁位表達式為:

(11)

其磁場為:

(12)

(13)

多極矩發射原理的分析與六極矩磁場數學模型的建立,為探索地空導彈多極矩電磁發射器設計奠定了理論基礎。

3 多極矩發射器設計

3.1 單極矩模型發射過程仿真

將導彈多極矩發射器分解,以單級六極矩為例,進行發射過程仿真,其產生的空間磁密和電密矢量分布如圖5和圖6所示。由圖示可知,在線圈載流密度為109A/m2時,六極矩場線圈產生的磁場理論最大值為45.488 T。

圖5 六極矩線圈磁感應強度圖

圖6 六極矩線圈電密矢量圖

在導彈多極矩電磁發射的設計中,多極矩線圈的電感是一個重要參數,它與脈沖電源相連接,對線圈中脈沖電流的波形有影響,因而導彈拋體的加速性能受其限制。單級六極矩線圈的電感矩陣值如圖7所示。

圖7 單級六極矩場線圈電感矩陣的值

3.2 多極矩發射器設計流程

在已知某型地空導彈數據參數和發射性能要求的前提下,則可根據圖3的系統框圖、導彈多極矩發射原理及其數學模型,最終確定發射器的結構和電路參數,使其符合導彈的初始發射性能指標,具體的發射器設計流程如圖8所示。

圖8 發射器設計流程

3.3 多極矩發射器設計

以某型地空導彈質量800 kg和發射初速25 m/s為發射指標,根據圖5和圖6單級六極矩瞬態仿真結果,并按照圖8中導彈發射器設計流程,以及建立的導彈多極矩發射器原理和數學模型,最終計算得出需要七級六極矩線圈加速(鑒于導彈的長度,該發射器共設計了十七級加速線圈,選擇其中的七級作為實際有效加速)。導彈多極矩發射器的結構參數如表1所示,單級大極矩線圈外部電路如圖9所示,其仿真動態特性曲線如圖10～圖12所示。

表1 多極矩發射器的結構參數

圖9 單級六極矩場線圈外部電路

圖10 導彈所受到的電磁力變化曲線

圖11 導彈運動速度變化曲線

圖12 導彈運動位移變化曲線

從仿真結果可以看出,經過七級線圈的加速,導彈多極矩發射器能將質量為800 kg的導彈經過0.36 s加速到最大速度為25.8 m/s,符合導彈的發射性能指標,實現了地空導彈多極矩電磁發射器的設計。

4 結論

在綜合分析國內外關于多極矩電磁發射相關文獻的基礎上,設計了基于多極矩電磁發射技術的新型地空導彈發射器,建立了該發射器的發射原理和數學模型,以單級六極矩為例給出了此發射技術的仿真過程,根據地空導彈的發射技術指標提出了多極矩電磁發射器的設計流程,并以某型地空導彈為例,計算確定了導彈多極矩發射器的結構和外部電路參數,通過仿真實現了加快地空導彈發射的反應時間和提高初始發射速度兩項技術指標,完成了導彈多極矩發射器設計。

多極矩電磁發射器的工作環境是在瞬變強磁場中,對導彈拋體材料有很高的要求,首先是材料在變化磁場中可以感應出強大的渦流,其次是材料密度要小。鋁制合金材料作為導彈艙體在工程實現上有著很好的可行性,鋁制合金材料不僅可以減輕導彈拋體的質量,而且鋁制材料是多極矩電磁發射中感應受力最大的金屬材料,在未來多極矩電磁發射的測試中,鋁制合金材料是最佳的選擇。

[1] ZHU Y W,WANG Y,YAN Z M,et al.Multipole field electromagnetic launcher [J].IEEE Transactions on Magnetics,2010,46(7):2622-2627.

[2] 王豫,羅文博,嚴仲明,等.多極矩電磁發射技術研究進展 [J].計算機仿真,2014,30(4):1165-1172.

[3] 羅文博.多極矩電磁發射系統優化設計與實驗研究 [D].成都:西南交通大學,2014:8-11.

[4] 鄒本貴,孫學鋒,曹延杰,等.艦載導彈電磁線圈垂直發射方案設計 [J].彈箭與制導學報,2013,33(5):45-48.

[5] ZHU Y W,WANG Y,CHEN W R,et al.Analysis and evaluation of three-stage twisty octapole field Electromagnetic launcher [J].IEEE.Transactions on Plasma Science,2012,40(5):1399-1406.

[6] MUSOLINO A,RAUGI M,TELLINI B.3-D field analysis in tubular induction launcher with armature transaction on verse motion [J].IEEE Transactions on Magnetics,1999,35(1):154-159.

[7] 朱英偉.多極矩場電磁推進模式研究與系統設計 [D].成都:西南交通大學,2011:77-80.

DesignofMultipoleElectromagneticEmitterforSurface-to-airMissile

XUE Xinpeng,SHU Tao,YANG Zhiyong,FENG Gang

(Air and Missile Defense College,Air Force Engineering University,Xi’an 710051,China)

In order to improve the initial emission velocity and the battlefield concealment of surface-to-air missile,a new type of multipole electromagnetic emitter for surface-to-air missile was designed.The structural device of multipole electromagnetic launcher produced electromagnetic ejection force for the ejection coil,and the multipole coil was used to generate a continuous axial accelerating force.Taking a monopole six polar moment coil as an example,electromagnetic field finite element method was used to simulate the launching process and the design procedure of the launcher was proposed.Taking the emission performance of a certain type of surface-to-air missile as the index,according to the principle of emitter and the simulation model to calculate the coil and the circuit parameters of the emitter,the design of multipole electromagnetic launcher of surface-to-air missile was realized.

multipole electromagnetic emission; model; finite element simulation; emitter design

10.15892/j.cnki.djzdxb.2017.02.007

2016-04-04

薛新鵬(1992-),男,黑龍江雙鴨山人,碩士研究生,研究方向:電磁發射技術。

TP391.9

A