電磁線圈發射器推力波形特性及推力控制策略研究

苑希超，向紅軍，呂慶敖，張 倩，劉 斌

(1.陸軍工程大學石家莊校區 彈藥工程系， 石家莊 050003; 2. 32150部隊， 河南 開封 475003)

隨著軍事技術迅速發展及新型彈藥的不斷出現，引信在彈藥系統中的作用越來越重要，它能否正常工作，直接關系到彈藥裝備能否安全可靠作用[1]。因此，需要開展引信試驗對其質量狀況進行檢查，在眾多引信檢查方法中，引信發射環境動態模擬試驗由于其成本低、效果好、易于實施，得到越來越多的應用。在引信發射環境動態模擬試驗中，主要模擬發射時的后坐力和離心力，現有的引信發射環境動態模擬試驗主要利用氣體炮及其改進試驗裝置來模擬后坐力，存在通用性和可控性差、操作復雜、不便有效模擬引信發射過程中所受環境力等[2]。國內外相關研究機構和專家學者從不同角度、采用不同方法進行了大量嘗試和研究，取得了一批有價值的研究成果。其中，電磁感應線圈發射器由于采用圓筒形身管，結構合理，且采用電磁力逐級加速的發射方式，可調性好，成為一種新的引信發射環境模擬的有效方式[3-6]。

當前關于電磁線圈發射器的研究主要集中在提高電磁線圈炮彈藥發射初速和發射效率等方面[7-10]，而引信發射環境模擬試驗主要關注驅動器所能提供的過載特性與引信發射過程是否相符以及對過載的控制方面[11]。本文以基于電磁線圈發射器的引信后坐力環境模擬技術為背景，分析了電磁線圈驅動器推力波形特性并探索了電磁線圈發射器推力波形控制策略。

1 電磁線圈發射器基本原理

電磁感應線圈發射器的工作原理如圖1。發射器系統主要由驅動電路、驅動線圈和電樞組成。驅動線圈固定在炮筒上，每一級驅動線圈通過導線和開關分別連接一組儲能電容器，為驅動線圈供電。觸發開關導通后，儲能電容器通過驅動線圈放電形成強脈沖磁場，電樞在這個強脈沖磁場的作用下產生感應電流，電樞中的感應電流與線圈產生的強脈沖磁場相互作用產生電磁力，推動彈丸加速。

圖1 電磁感應線圈發射器工作原理圖

電磁線圈發射器的等效電路如圖2所示。

圖2 電磁直線驅動器等效電路

圖中，R0和L0分別是驅動回路的電阻和電感，R1和L1分別是驅動線圈電阻和電感值，R2和L2分別是電樞電感值，C為電容器電容值，D表示續流硅堆。

其等效電路方程可表示為：

(1)

(2)

式中：U0是電容器充電電壓；M12是電樞與驅動線圈之間的互感；i1和i2分別為驅動回路和電樞回路中的電流。

根據電磁線圈發射器的發射原理可知，電磁力可以看作是整個系統中能量的變化率，即系統總能量在運動方向的梯度[2]。t時刻系統的總能量可表示為：

(3)

忽略發射摩擦力和空氣阻力，t時刻電樞所受電磁推力可以表示為：

(4)

從式(4)可以看出，電磁力大小由放電電流idjip和互感梯度dMj/dx決定。電樞速度v對互感梯度dMj/dx產生直接影響，可將電磁力表示成時間t、放電電流idjip和電樞速度v的函數。

F=F(t,idj,ip,v)

(5)

2 推力波形特性分析

多級線圈發射器電樞受力由多個線圈產生的電磁力疊加而成。由式(5)可知，電磁線圈發射器推力受到時間t、電流idj、ip和電樞速度v的影響，而這些參數又會受到充電電壓、線圈結構、電樞結構、線圈間距、觸發位置等多個參數的影響。

以兩級電磁線圈發射器為例進行有限元仿真分析，由于系統為軸對稱結構，因此，建立二分之一的二維模型進行仿真分析。如圖3所示，仿真模型由兩級驅動線圈1和2、電樞3、運動區域4、計算場域5組成。驅動線圈為銅質，每級80匝，外半徑81 mm、內半徑51 mm，厚30 mm，長60 mm，兩級線圈初始間距10 mm。電樞為鋁質，外半徑50 mm，內半徑30 mm，厚度20 mm，長度60 mm。

圖3 二維仿真模型

模型的外接電路如圖4所示，所采用的電容值為2 400 μF，充電電壓默認為8 000 V，驅動線圈回路電阻設為200 mΩ。

圖4 驅動線圈外接電路

2.1 線圈間距對驅動力的影響

為保持推力波形連續，設置第二級線圈觸發位置為9 mm，進而得到此時的線圈間距，并分別對線圈間距為10～30 mm的情況進行仿真，仿真過程中，其它參數不變。得到的兩級線圈間距對驅動力的影響曲線如圖5所示。

圖5 兩級線圈間距對驅動力的影響曲線

結果表明，兩個峰值之間的距離隨著線圈間距的增大而增加，同時推力波動逐漸變大；但整體推力持續時間明顯增加。

2.2 觸發位置對驅動力的影響

綜合推力波形要求，設置線圈間距30 mm，進而得到初始觸發距離為-21 mm，其他條件不變的前提下，對不同觸發位置分別為為-24 mm、-21 mm、-18 mm和-15 mm的情況進行仿真，得到的推力曲線如圖6所示。

圖6 第二級線圈觸發位置時的推力曲線

結果表明，在此范圍內，電磁推力隨著觸發位置絕對值的減小而逐漸減小，而持續時間雖然逐漸增加，但增加并不明顯，且會增加推力的波動，因此選擇觸發距離為-21 mm。

2.3 電壓對驅動力的影響

在已確定參數條件下，對第二級充電電壓7 000～1 000 V的4個級別電壓參數進行仿真，得到推力曲線如圖7所示。

從圖7給出的推力曲線可以看出，第二級線圈的電磁力隨著電壓的增加逐漸增大，但對總體推力持續時間影響不大。結合線圈長度對發射參數影響分析，可以推測，增加第二級驅動線圈長度，將會減緩能量的釋放速度，從而降低推力峰值，增加峰值持續時間。

圖7 第二級充電電壓時的推力曲線

2.4 線圈長度對驅動力的影響

在上節基礎上，選擇第二級充電電壓為10 kV，其他條件不變，適當增加第二級線圈長度，分析其對推力波形的影響。得到推力曲線如圖8所示。

圖8 第二級觸發位置時的推力曲線

可以看出，第二級線圈的推力峰值隨著第二級驅動線圈長度的增加逐漸減小，而推力總體持續時間逐漸增大。因此，電源能量足夠的情況下，可以通過增加線圈長度，提升持續時間。

3 推力波形控制策略

根據以上分析，針對波形連續性要求，提出推力波形控制策略如下：

1) 首先對第一級發射器的電參數和結構參數進行優化，使得第一級線圈推力峰值出現時，電樞尾部盡可能離開第一級線圈，一般來說，采用短線圈。

2) 根據目標推力曲線要求，利用第一級線圈的推力F1、速度v1和位移s1信息，確定第二級線圈的觸發時間t2，滿足F1(t2)不小于目標推力曲線對模擬最大推力的要求，進而得到觸發位置為s1(t2)和觸發第二級線圈時電樞的速度為v1(t2)。

3) 根據已確定的觸發位置，初步采用與第一級線圈相同的電參數和結構參數，通過優化，確定兩級線圈之間的間距。

4) 在已確定參數的基礎上優化第二級發射線圈的電容及其充電電壓，使其推力曲線滿足目標曲線要求。

5) 通過優化，確定第二級線圈長度。

6) 以此類推，可得到后續級發射參數。

4 驗證

為驗證控制策略的可行性，利用構建的電磁直線驅動器，進行兩級同步感應線圈發射試驗。試驗中，第一級線圈觸發位置為25 mm，第二級線圈觸發時間延遲0.5 ms，充電電壓為8 000 V，通過試驗得到試驗彈的加速度曲線如圖9。

圖9 兩級線圈加速度曲線

從圖中可以看出，兩級電磁直線驅動器實現了推力的連續，即電磁推力的連續，相比單級線圈發射器，電磁推力峰值持續時間明顯增加。

5 結論

1) 通過多級線圈發射器參數對推力波形特性的影響規律分析，可以看出線圈間距增大使得脈沖寬度增加，但也使推力的連續性降低；

2) 在能量足夠的情況下，可以通過同時增加充電電壓和線圈長度，使推力峰值滿足條件的前提下增加峰值持續時間。

3) 所提出的電磁線圈發射器推力控制策略，可有效控制體力波形。