平面增強型六極軌道電磁發射器仿真與分析*

薛新鵬,舒 濤,劉 明,劉少偉,楊志勇

(空軍工程大學防空反導學院,西安 710051)

0 引言

通過多軌道電磁技術發射多拋體一直以來都是電磁推進的熱門話題[1-3],世界各國持續對電磁發射技術進行廣泛而深入的研究[4-6],相對于線圈炮和重接炮的電磁發射技術,軌道炮具有加速拋體至超高速的潛力[7],但其軌道的高電流密度會導致軌道的嚴重燒蝕,從而降低發射能量利用效率和使用頻率。隨著世界軍事不僅僅滿足電磁發射動能彈,而是向著電磁發射制導炸彈領域不斷發展,目前傳統電磁發射器存在一個迫切的問題,就是在發射過程中都面臨惡劣電磁場環境,限制其拋體向智能化方向發展[8-9]。因此,提出一種新型平面增強型六極軌道電磁發射器,在提供大的推進力的同時,解決了強磁場屏蔽問題。

1 發射模型

圖1展示的是平面增強型六極軌道電磁發射器模型,平面增強六極軌道和雙拋體組成是最重要的結構組成,平面串聯增強六極軌道是等間距旋轉雙六極軌道排布,雙拋體為兩個大小相同獨立的梅花狀拋體上下層疊排布,雙拋體和制導炸彈的運動方向為Z軸。

平面增強型六極軌道的設計主要是為了增加軌道間的電感梯度,在導彈拋體運動過程中,平面增強型六極軌道還起到固定雙拋體的作用,增加了發射系統的穩定性。旋轉雙六極軌道的構型是此電磁發射器的關鍵技術,平面串聯增強型六極軌道的布局如圖2所示,旋轉雙六極軌道是30°圓周等間距布局,對其中的3個軌道加載相同的電流,旋轉雙六極軌道產生6對磁場,根據加載電流的軌道不同,中心區域的電磁場彼此抵消程度會有不同。由于平面布局的雙六極軌道增加了電感梯度,在通入相同電流的情況下,平面串聯增強型六極軌道電磁發射器提供的電磁驅動力將大于六極軌道電磁發射器。

圖2 平面增強型六極軌道布局

2 軌道連接的3種環向磁場構型方式

2.1 3種典型構型

平面增強型六極軌道在結構上相當于兩個六極軌道電磁發射器旋轉一定角度的復合結構。

根據電流加載于軌道的位置與個數不同,平面增強型六極軌道對稱發射器存在3種典型結構,具體的連接方式如圖3所示。

圖3 3種典型平面串聯增強六極軌的連接方式

2.2 3種構型的仿真與分析

選擇兩個拋體在XY平面上的磁場分布,3種構型的磁場強度云圖具體如圖4所示,從上到下依次為平面增強A、B和C 3種構型,其中左側為拋體#1底面截面磁場強度云圖。

在加載截面軌道電流為100 kA的情況下,3種構型產生的最大磁場分別為1.876 T,2.180 T和2.072 T,B構型的磁場強度最大,且拋體#1截面的磁場強度明顯大于拋體#2,這是因為拋體#1截面的磁場是由旋轉雙六極軌道共同作用的結果,由于拋體#1連接的六極軌道在上部不存在電流,故拋體#2截面的磁場則是由單個六極軌道共同作用的結果。從磁場強度云圖中可以看出,平面串聯增強A構型在中心有明顯的磁場屏蔽區域,而B和C兩種構型的磁屏蔽區域逐漸減小,特別是C構型,強磁場區域幾乎占領了整個發射空間,B和C兩種構型會嚴重干擾制導炸彈的內部元器件。

拋體#1截面的磁場強度及其電流密度矢量圖具體如圖5所示,其中左側為拋體#1的磁場強度分布矢量圖,右側為拋體#1的電流密度分布矢量圖。從左側磁場強度分布矢量圖中可以看出,平面串聯增強A構型的磁力線均勻存在于旋轉雙六極軌道周圍,在中心區域幾乎沒有磁力線的存在;B構型的磁力線主要存在于加載電流的軌道周圍,即磁力線是兩超四強的情況,且磁力線已滲透到中心區域中;C構型由于受到拋體#2所連接軌道的影響,其磁力線整體呈現反對角線型,且磁力線已完全穿過發射運動的中心區域,這與圖4中C構型磁場強度云圖是相符合的。相比于其它兩種構型,A構型軌道周圍六邊形邊界區域的磁感應強度是最均勻的,且中心區域的磁感應強度最小。

圖4 3種構型磁場強度云圖

這表明,平面串聯增強A構型在雙拋體運動過程中可以受力均勻,不會造成大的應力集中的情況,增加了發射系統的穩定性;B構型的磁感應強度最大,在雙拋體運動過程中將受到更大的推進力與出口速度;C構型的磁場范圍拓展到發射中心區域,不適合制導炸彈的發射。

從右側拋體#1的電流密度分布矢量圖中可以看出,平面串聯增強A構型的電流矢量是從六級導軌中均勻流入流出到拋體#1中,是完全對稱的,這與A構型的平面串聯增強六極軌的連接方式是相符合的;B構型的電流矢量是從兩端對稱加載電流的,從另外4根軌道流出,且在Y軸對稱區域中,電流密度矢量減少,這是由于電流會走電阻最小的流通回路,在Y軸對稱區域形成沖擊碰撞;C構型的電流矢量是從連續的3根軌道流入,從拋體#1對面的電流流出,其電流密度矢量在反對角線區域密度最大,這是由于最中間軌道電流的流入的分量加載到另外兩輸入電流造成的,這與圖6中C構型磁場強度矢量圖是相符合的。電流矢量密度的大小從B、C、A依次降低。

圖5 拋體#1截面的磁場強度及其電流密度矢量圖

與圖5類似,拋體#2截面的磁場強度及其電流密度矢量圖具體如圖6所示。與拋體#1截面的磁場強度分布矢量圖不同的是,拋體#2的3種構型磁力線是由其連接的一對六極軌道流通電流作用的結果,而拋體#1是由旋轉雙六極軌道流通電流共同作用的結果,這也使得拋體#2的3種構型磁力線變得更加清晰明了。同樣的,拋體#2的電流密度分布矢量圖中是拋體#1的電流密度分布矢量圖逆時針扭轉30°的結果。

圖6 拋體#2截面的磁場強度及其電流密度矢量圖

3 推進力與電磁屏蔽的仿真及分析

3.1 雙拋體的軸向推進力

無論是平面增強六極軌道電磁發射器的哪種構型,其拋體的軸向加速推進作用思想是一樣的,即環向磁場與正交環向電流產生軸向推進力,不同點為每種構型的磁力線分布與電流流向不同,產生的有效推進力有所差別。

在平面串聯增強六極軌道通入100 kA電流的情況下,3種構型的雙拋體所受推進力數據具體如表1所示,由表可知,A構型拋體#1與拋體#2的電磁推進力幾乎相等,上下拋體的推力是相同的,即在電磁發射過程中,制導炸彈的運行將更加平穩;B構型拋體#1與拋體#2的電磁推進力相差最大,其電磁推進力主要集中在拋體#1中,且B構型的電磁推進合力是最大的,這與圖4中B構型的強磁場環境和圖5中大電流矢量密度是相符合的;C構型電磁推進力也主要集中在拋體#1中。

表1 平面串聯增強的3種構型拋體所受推進力

特別的,平面串聯增強型的拋體#1所受的推進力是旋轉雙六極軌道共同作用的結果,而拋體#2所受的推進力是單六極軌道作用的結果。雖然A構型的推進合力是最小的,但分析3種構型中拋體#2所受的推進力,A構型的推進力是最大的,說明單獨的六極軌道通過A構型的電流加載方式,拋體受到的推進力最大。

3.2 磁場屏蔽原理

平面串聯增強型六極軌道電磁發射器的磁場屏蔽思想,是平面增強六極軌道在運動區域磁場互相抵消的結果,3種典型構型的電流流入方式會造成不同的磁場屏蔽效果。

在加載電流的峰值時刻,平面串聯增強六極軌道電磁發射器在X-Z截面與Y-Z截面的磁場強度云圖分布如圖7所示,在導彈的中心運動區域,A構型的磁場強度最小,且弱磁場強度范圍最大,B構型的弱磁場強度范圍較為集中,范圍遠不如A構型大,C構型磁場強度范圍遍布導彈的中心運動區域。

圖7 平面增強型六極軌道電磁發射器X-Z截面與Y-Z截面的磁場強度云圖

4 結論

文中在六極軌道電磁發射器模型的基礎上,提出了一種新型平面增強型六極軌道電磁發射器,仿真分析得出A構型會產生最優的磁屏蔽空間,而B構型的電磁推進力最大。在電磁發射器的構型選擇上,若對于電磁推進力要求最優,則選擇A構型布局,若對于電磁屏蔽要求最優,則選擇B構型布局。