六極軌道電磁發射器電樞優化設計與仿真*

劉 明,舒 濤,薛新鵬

(空軍工程大學防空反導學院,西安 710051)

0 引言

自電磁發射誕生之日起,人們就一直在進行相關的研究,以便電磁發射方式最終取代傳統的化學發射方式[1]。電磁發射方式與傳統化學發射方式相比具有初速大、效率高等優點[2]。軌道炮是電磁發射器中最成功的一種工程應用,它的原理和結構較為簡單,易于實現[3-6]。近年來,利用電磁軌道發射大質量的物體的研究也取得了較大進展,可加速包括導彈、火箭、衛星、飛機等在內的多種大質量物體[2]。這使得軌道電磁發射的彈丸從常規動能彈擴展到智能彈藥[7],彈丸發射過程伴隨著很惡劣的電磁環境,特別是軌道炮電流產生的強電磁[8],如此強的電磁場會影響彈丸電子元件的工作性能甚至將其損壞。六極軌道電磁發射器的六極軌道產生的強磁場在軌道中心相互抵消,為智能彈藥提供了有效的電磁屏蔽。

電樞是六極軌道電磁發射器的重要組成部件,六極軌道電磁發射器選用的是常用的固體電樞。六極軌道電磁發射器發射智能彈藥過程中強大的電流在趨膚效應的作用下僅僅分布在軌道和電樞的淺表層,導致電流在電樞與導軌接觸面的某些局部區域過于集中,電流集中將導致局部過熱從而發生電樞和軌道表面燒蝕,導致轉捩現象發生。通過改變六極軌道電磁發射器電樞的幾何結構,可以有效改善電樞和軌道接觸表面以及電樞內部的電流分布、焦耳熱分布和電磁力分布,從而減少電樞和軌道表面燒蝕以及抑制轉捩現象[9]。

文中分析了六極軌道電磁發射器的工作原理,對拋體受力和拋體中磁場屏蔽進行說明,基于Ansoft軟件分析得出電樞與軌道接觸面由于趨膚效應出現了電流不均勻分布,電樞和軌道部分地方電流集中現象較為嚴重。針對上述電流過度集中的現象,對六極軌道電磁發射器的電樞進行優化,對優化后的電樞進行有限元仿真分析,得到以下結論:優化電樞可以有效解決電流過度集中現象,并且最大電流密度的最大值也有降低;通過對比發現,在其他條件不變的情況下,優化電樞受力較以前也有提升。

1 六極軌道電磁發射器

六極軌道電磁發射器的模型如圖1所示,該發射器主要由六極軌道,電樞和導彈組成。所有軌道的設計是相同的,只是相鄰軌道電流方向相反,六極軌道的等間距分布能有效抵御發射過程中的劇烈振動,提高了發射精確度和抗干擾能力;電樞的俯視圖如圖2所示,電樞的厚度為d,電樞的中空設計是為了放置和固定導彈,將電樞設計成梅花狀,一方面是為了降低發射系統重量,另一方面是引導電流走向。

圖1 六極軌道電磁發射模型

圖2 電樞模型俯視圖

1.1 工作原理

在發射過程中,脈沖電壓源對120°等間距分布的3個軌道進行放電,通過梅花狀電樞連接,電流留回其余的3個軌道形成閉環回路。梅花狀電樞獲得6組環向電流,六極軌道中電流產生的環向磁場環繞在電樞周圍,軌道電流產生的環向磁場與電樞中正交環向電流相互作用,產生軸向安培力,推進電樞帶動導彈向外高速發射。由于六極環向磁場在電樞中心相互作用抵消,電磁屏蔽效應得以實現。

若將軌道分為N個微元,每極軌道電流在空間產生的磁感應強度為:

(1)

式中:μ0=4π×10-7N·A-1為真空磁導率;I為軌道電流;r表示空間點距軌道的距離;Δl表示軌道微元的長度。

根據磁場的疊加原理,空間中一點的總磁感應強度為:

(2)

若將電樞分成M個微元,那么作用在電樞上的安培力為:

(3)

其中,Δs為電樞微元的長度。

1.2 有限元仿真分析

根據以上的理論分析可知,電樞中流過的六組環向電流應與軌道電流在電樞區域產生的正交環向磁場正交,從而產生軸向加速力推動電樞帶動導彈一起向外運動。利用Ansoft軟件可對六極軌道電磁發射器的電樞及軌道進行有限元仿真分析,得到電樞中電流分布和軌道電流產生的磁場如圖3、圖4所示,電磁屏蔽的效果圖如圖5所示。

圖3 六組環向電流

從圖3和圖4來看,電樞中的電流分布具有對稱性,且電流主要密集分布在電樞靠近軌道的部分。軌道中電流產生的磁場以軌道為中心分布在其周圍,磁場的分布也具有對稱性,且電樞與每極軌道距離較近處磁場較大。從圖5可以看出,在拋體的中心部分,由于六極環向磁場相互作用抵消,電樞中部磁感應強度很小,電磁屏蔽效應得以實現。

發射過程中,電流在趨膚效應作用下匯聚在電樞和軌道表面,導致電樞及軌道接觸區域出現電流密度過大的現象,容易導致燒蝕甚至轉捩現象發生,影響發射效果,嚴重的還會導致發射的失敗。故對電樞和軌道的電流分布進行有限元仿真,得到電樞表面電流分布和軌道表面電流分布如圖6和圖7所示。

圖4 六極環向磁場

圖5 電樞周圍磁感應強度分布

圖6 電樞表面電流分布

從圖6和圖7可以看出,電流密集分布在電樞與軌道接觸面的下側。電樞下側與軌道接觸處電流密度最高且分布較廣,且軌道電流密度的最大值大于電樞電流密度最大值。

圖7 軌道表面電流分布

2 優化電樞模型有限元仿真

針對以上對電樞和軌道電流分布的分析,提出了一種優化的電樞模型,其結構如圖8所示,保持電樞的大體形狀及厚度d不改變,在電樞和軌道接觸的下側突出一部分,突出部分長度為d,底端厚度為0.3d,并且做到弧面與電樞底部光滑連接。

圖8 優化電樞模型

在保持電流、材料等所有條件不變的前提下,更換優化后的電樞進行有限元仿真,可求得電樞所受安培力的大小及方向,并將其與原電樞的安培力進行對比,結果如表1所示。

表1 優化前后推進力對比

簡單的計算后發現,在其他條件不變的條件下,電樞推進力增加了10%,這是增加電樞的體積和更加合理的電流的必然結果。

通過有限元分析同樣可獲得電樞表面電流密度分布和軌道表面電流密度分布如圖9和圖10所示。

圖9 優化電樞電流密度分布

圖10 軌道電流密度分布

將具有優化電樞的六極軌道電磁發射器與之前的對比發現,電樞上最大電流密度有降低,而且分布不像原電樞那么密集,紅色區域更小。軌道較之前電流密度最大值下降幅度較大,且電流密度最大值所處位置發生了改變,之前電流密集分布的地方現在變得很正常,都不再顯示紅色。具體對比如表2所示。

表2 優化前后仿真結果對比

3 結論

文中分析了六極軌道電磁發射器的工作原理,通過Ansoft軟件建立六極軌道電磁發射器模型并對其進行仿真分析,驗證了理論分析的結論,同時也得到了電樞和軌道電流密度分布的仿真結構。將電樞結構做了改變,在保持其他條件不變的前提下再次仿真,將結果與之前的進行對比,通過對比得到結論:優化后的六極軌道電磁發射器電樞和軌道最大電流密度較原模型都有降低,且分布密集程度下降,大電流聚集區域減小。優化后電樞的推進力也有10%的提升。