六極軌道發射器電磁推進與屏蔽數值驗證設計*

舒 濤，薛新鵬，劉 明，楊志勇，馮 剛

(空軍工程大學防空反導學院，西安 710051)

0 引言

目前，與線圈炮和重接炮相比，軌道炮是電磁發射器中最成功的一種工程應用[1-3]。電磁軌道炮的彈丸正從常規動能彈擴展到智能彈藥[4-6]。智能彈藥包含各種傳感器和執行機構，這導致彈丸發射過程中將經過一個很惡劣的電磁環境，特別是軌道炮電流產生的很高脈沖電磁場[7]。如此強的電磁場會破壞彈丸電子元件的工作性能。

軌道電流產生的強大磁場限制軌道炮彈丸向智能化方向發展，屏蔽軌道炮的強電磁場環境迫在眉睫[7]。軌道炮的電磁屏蔽策略分為主動屏蔽和被動屏蔽，主動屏蔽是利用附加器件上的線圈產生反向磁場削弱彈丸周圍的磁場，然而其結構十分復雜，被動屏蔽則是使用屏蔽材料來削弱磁場，對于軌道炮磁場的低頻特性，良好的導體限制時變磁場屏蔽效能[8]。傳統的電磁屏蔽方法難以達到有效作用。

從根本上講，常規電磁發射器不能解決發射過程中的電磁屏蔽問題?；谶@樣的背景，文中提出了一種新型電磁發射器：六極軌道電磁發射器，環向磁場與正交環向電流相互作用產生軸向加速力，且在發射軌道中心區域。該發射器有效地提供了電磁屏蔽,六極軌道電磁發射器可以解決電磁屏蔽和大質量推進問題。

1 發射模型

六極軌道電磁發射模型如圖1所示。拋體運動方向為Z軸。該發射器主要由六極軌道、拋體和導彈組成，所有軌道的設計是相同的，拋體為梅花狀。此外，外部設備包括超導能量系統，用于獲得高脈沖電壓。

1.1 發射過程

在最初的發射階段，導彈拋體在六極軌道中靜止等待發射信號。在發射過程中，脈沖電壓源對120°等間距的3個軌道進行放電，而其余的3個軌道作為閉環回路。通過梅花狀拋體連接，在每兩個軌道之間形成閉環回路。同時，梅花狀拋體獲得6組環向電流，六極軌道產生的環向磁場環繞在拋體周圍。在拋體的中心部分，由于六極環向磁場相互作用抵消，電磁屏蔽效應得以實現。環向磁場與正交環向電流相互作用，產生軸向安培力，電磁力推進拋體和導彈向高速發射。

圖1 六極軌道電磁發射模型

1.2 六極軌道設計

六極軌道電磁發射器關鍵技術是六極軌道的結構設計。六極軌道布局和六極電流的流動方向如圖2所示，六極軌道是60°均勻間隔的圓形布局，電流通過梅花狀拋體流入一軌道并從相鄰兩個軌道流出，由于電流大小是相等對稱流動的，所以六極軌道產生反向抵消的環向磁場。因此，在導彈發射運動的中心部分，電磁場是相互抵消的，形成磁場屏蔽空間。

圖2 拋體和六極軌道的電流流動方向

1.3 拋體設計

拋體電流的流動方向如圖2所示，拋體的中空設計是為了放置和固定導彈。鑒于六極軌道的構型設計，梅花狀拋體的電流方向是沿導向弧的。梅花狀拋體的設計，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。

本設計沒有增加額外線圈或屏蔽材料來削弱磁場干擾，這使得發射系統的復雜性得以簡化。

2 電磁推進數值模型

2.1 推進力原理

由于梅花狀拋體的電流在圓周上是對稱的，在六極軌道磁場作用下，拋體的徑向力可以相互抵消，環向磁場B和正交環向電流I如圖2所示。六極軌道獲得脈沖電流并產生脈沖六極環向磁場，梅花狀拋體通過的電流和六極軌道產生的環向磁場正交，六極環向磁場與正交六極環向電流相互作用產生巨大的軸向推進力。

2.2 電路方程

六極軌道電磁推進的等效電路如圖3所示。高功率脈沖電容C對六極軌道進行放電，UC是電容器的充電電壓，K是大電流開關，D是連續電流二極管，R(t)是電路的總電阻，L1到L6是六極軌道的自感，D1、D3和D5的功能分別是控制自感L1、L3和L5的電流方向，M12、M13和M14分別是L1到L4之間的互感，考慮到六極軌道的對稱性，其它軌道之間的互感與M12、M13和M14相同。

圖3 六極軌道電磁推進等效電路

當開關K打開時，電磁發射器開始工作，同時脈沖源放電到三軌，六極軌道回路方程可等效為：

當脈沖源完成并停止放電時，二極管D使得電流保持連續。因此，六極軌道回路方程變為：

(2)

2.3 推進力有限元仿真

通過三維有限元軟件，對新型電磁發射器的六極軌道和拋體進行仿真分析。六極環向磁場的矢量分布如圖4所示，六極環向磁場圍繞六極軌道，且相鄰的兩個磁場方向相反。六極正交環向電流的矢量分布如圖5所示，梅花狀拋體的環向電流，始終與六極環向磁場是正交的。假設六極軌道和傳統軌道炮的輸入電流均為100 kA，則作用在拋體的推進力如表1所示。傳統電磁軌道炮的軸向推進力是6.575×103N，force_x和force_y干擾力很小。六極軌道發射器軸向推進力為2.310×104N，與傳統軌道炮相比，force_z增加近四倍，同樣地，其余干擾力也同樣小。

表1 六極軌道與軌道炮推進力對比

圖4 六極環向磁場矢量

圖5 正交環向電流矢量

3 電磁屏蔽數值模型

3.1 電磁屏蔽原理

如圖6所示，點P是位于六極軌道內任意一點，β6、β6′是點P與軌道#6之間的夾角，同樣地，點P與其它軌道之間的夾角為β1、β1′到β5、β5′。順次地，點P與軌道之間的距離依次為a到f，軌道#1到軌道#6流經的電流，在點P的磁通密度可分別表示為:

(3)

圖6 六極軌磁場中點P與兩相鄰軌不共面

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

由此給出了點P的總磁通密度為：

B=B1+B3+B5-B2-B4-B6

(9)

在六極軌道內部，磁場大幅減弱的范圍被限制在一定的圓環區域。

3.2 考察點與參考面布局

由于拋體的電子元件占據一定空間，故定義一個120 mm×120 mm的矩形參考面S(S位于XZ平面)，參考面S的布局位于拋體的中心?？疾禳cA到G的布局如圖7所示。考察點A在六極軌道的中心，點B、C、D為30 mm等距間距排列，同樣地，點E、F、和G為60 mm等距間距排列。

圖7 考察點布局

3.3 磁場空間分布

在脈沖電流的峰值時刻，六極軌道電磁發射器在XY平面的磁場分布如圖8所示，其中梅花狀拋體中心區域的磁場非常小；六極軌道電磁發射器在XZ平面的磁場分布如圖9所示，其中有一圓柱體區域，拋體上下兩部分的磁場強度很小。六極軌道電磁發射器的最大磁感應強度為7.63 T，且出現在支撐導軌(靠近六極軌道)，然而，六極軌道中心圓柱區域的磁通密度卻很小，即使該區域周圍有軌道電流產生的強磁場，磁感應強度仍然不足以摧毀導彈內部的電子元件。相應地，傳統軌道炮在XZ平面的磁場分布如圖10所示，傳統軌道炮最大磁感應強度7.20 T，出現在支撐導軌、兩軌道和拋體附近，然而，兩軌道之間的磁場卻非常強。

圖8 六極軌道在XY平面的磁場分布

圖9 六極軌道在XZ平面的磁場分布

圖10 傳統軌道炮在XZ平面的磁場分布

圖11 考察點磁感應強度

考察點A到G的磁感應強度如圖11所示，相應點從下到上順序依次為從A到G，其變化規律與脈沖電流曲線一致，參考面S的最大磁感應強度為0.12 T，然而，大多數考察點的磁感應強度在0.04 T以下，低于一般電子元件磁場工作環境的上限[9]。同時，越靠近中心區域，磁感應強度越小。

4 結論

文中介紹了一種新型六極軌道電磁發射器。因為此電磁發射器設計既不使用額外線圈或附加材料來屏蔽磁場，降低了發射系統的復雜性，此外，六極軌道設計提高了磁屏蔽效果。利用環向磁場與正交環向電流產生軸向加速度力，并在中央區域產生磁屏蔽效果。理論分析了推進力和磁屏蔽。數值仿真結果表明，六極軌道電磁發射器具有很大的軸向加速度力和產生磁屏蔽效果，載荷區域與軌道的距離是影響磁屏蔽效果的重要因素。六極軌道電磁發射器磁屏蔽性能優于傳統電磁發射器，未來可用于導彈和衛星的發射。