一種導軌一線圈復合型電磁發(fā)射器的分析與仿真
魏登武，劉少克，鄭明華
(國防科技大學，湖南長沙410073)
摘要：分析了一種導軌一線圈復合型電磁發(fā)射器的工作原理，建立了其電路模型和動力學模型；在理論分析的基礎上，利用有限元軟件Maxwell對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化設計。通過有限元數(shù)值計算，得到了彈丸發(fā)射過程中的磁場分布，進一步得出了其電路模型和動力學模型中的電感、電感梯度與彈丸位置的關系。在此基礎上，利用動態(tài)仿真軟件Matlab／simulink仿真分析了這種復合型發(fā)射器的動態(tài)特性。分析和仿真結(jié)果最示，該導軌線圈復合型發(fā)射器能使被發(fā)射物體獲得導軌和線圈兩種推力的共同作用，可以將大質(zhì)量物體加速到相對高的速度。
關鍵詞：線圈一導軌復合型發(fā)射器；電磁發(fā)射；有限元；磁場分布；電感梯度
中圖分類號：TM301．4+4 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(2010)05一0025—04
O引 言
電磁發(fā)射具有速度高、能源簡易、效率高、性能優(yōu)良、可控性好和結(jié)構(gòu)多樣等顯著優(yōu)點，在未來軍事和民用相關領域有著重大的意義和應用潛力[1-3]。從結(jié)構(gòu)和工作原理上可分為導軌炮、線圈炮和重接炮三類。導軌炮和線圈炮是電磁炮的兩種主要類型。導軌炮是目前研究的主流方向，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、能夠?qū)崿F(xiàn)超高速發(fā)射等優(yōu)點，但是發(fā)射效率低，需要功率高、電流大，并且發(fā)射物體質(zhì)量小，存在燒蝕、導軌刨削、電樞電接觸的轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象。線圈炮具有發(fā)射效率高、能夠發(fā)射大質(zhì)量物體的優(yōu)點，但是結(jié)構(gòu)復雜，要根據(jù)彈丸位置同步控制驅(qū)動線圈中電流的通斷，單級線圈加速有限，需多級加速，而多級之間的響應是制約線圈炮發(fā)展的重要因素之一。由于兩種發(fā)射類型具有互補性，導軌線圈復合型發(fā)射器綜合了各自的優(yōu)勢，它能使發(fā)射體獲得導軌和線圈兩種推力共同作用，可以將大質(zhì)量物體加速到相對高的速度。
1結(jié)構(gòu)和工作過程
導軌一線圈復合型電磁發(fā)射器如圖1所示。整個發(fā)射器由多級導軌和線圈組成，各級分離排列，由獨立的電源供電。每級中驅(qū)動線圈和兩軌道串聯(lián)連接。其工作過程如下：當彈丸線圈剛好通過驅(qū)動線圈的中心位置時，電源對該級放電，電流經(jīng)過上導軌、電樞、下導軌和驅(qū)動線圈構(gòu)成回路。兩條軌道和電樞按軌道炮的原理工作；同時，驅(qū)動線圈中的脈沖電流產(chǎn)生的磁場將在彈丸線圈中感應出渦流，兩線圈以同步感應線圈發(fā)射器的工作方式產(chǎn)生推力。因此，動子在發(fā)射通道內(nèi)所受的力是導軌發(fā)射器和同步感應線圈發(fā)射器的推力之和。
2理論分析
以電容作為供電電源，可建立單級導軌線圈復合型發(fā)射器的電路模型，如圖2所示。圖中，R r為導軌和電樞的可變電阻；R d和R p分別為驅(qū)動線  圈和彈丸線圈的電阻；L dr為導軌和驅(qū)動線圈電感；L p(常數(shù))是彈丸線圈電感；M dp為驅(qū)動線圈和彈丸線圈的互感；M rp為導軌和彈丸線圈的互感。假設導軌一電樞一驅(qū)動線圈回路中的電流為id，彈丸線圈中的電流為ip，則系統(tǒng)的磁場能： 根據(jù)法拉第電磁感應定律和基爾霍夫定律可得到電源電壓和驅(qū)動線圈兩端電壓：
其中，導軌電樞回路與彈丸線圈間的互感Mrp很弱，可以忽略。
在很短的時間出內(nèi)，磁場能增量、彈丸動能增量、電阻發(fā)熱及電源做功，滿足能量守恒：
彈丸的速度vp，所受的加速力Fm與彈丸動能砷增量之間滿足：
假定驅(qū)動線圈電壓ud和彈丸線圈電壓up的初始值條件由下式?jīng)Q定：
不考慮線圈形狀對能量傳輸?shù)挠绊�，忽略�?qū)動線圈和彈丸線圈的熱效 |
