三種實際因素對電磁軌道炮性能的影響

摘 要：電磁軌道炮是利用電磁力為彈丸提供推力的一種新型發射裝置，在提高了彈丸的出口速度的同時也帶來了一些新問題。為了對這個在高速滑動電接觸下的應力場，電磁場和熱場相互耦合的復雜系統做全面的了解，可以采用逐一突破的方法。本文采用理想的梯形波電流電源，對電磁軌道炮進行建模仿真，分析了趨膚效應、空氣阻力和彈丸與導軌之間的滑動摩擦力這三種實際因素對彈丸出口速度和系統效率的影響，并且討論了這個影響作用的大小和電源電流、彈丸的速度還有電磁力的關系。

關鍵詞：電磁軌道炮；趨膚效應；空氣阻力；滑動摩擦力；仿真

1 引言

電磁軌道炮是一種電磁加速裝置，突破了傳統火炮發射彈丸的出口速度的限制[1]，具有初速高，能源簡易，有利于改變射程，效率高等優點，近年來，被國內外學者廣泛研究。但在電磁軌道炮發射系統中，影響其工作過程的因素有很多，包含了電、磁、力、熱等。近年來，為了完善軌道炮的實用價值，學者們在理想軌道炮的基礎上，開始進一步研究影響到系統性能的各種復雜因素，如在不同軌道炮的結構和材料下的接觸電阻和各種阻力，并進行了優化設計[2，3]。

本文以彈丸出口速度和系統效率為衡量目標，分別對趨膚效應、空氣阻力和滑動摩擦力影響下的軌道炮進行建模與仿真，分析這三種實際因素對電磁軌道炮系統性能的影響，并且得到，對于固定的電磁軌道炮，在不同的脈沖電流下，他們對整個系統性能的影響關系。

相比于理想的電磁軌道炮模型，三種實際因素（趨膚效應、空氣阻力和滑動摩擦力）對軌道炮的性能的影響是很重要的。首先，脈沖電源給軌道炮提供的電流的作用時間極短，使得電流主要集中在導軌和電樞的表層，這就是趨膚效應，并且速度越高，趨膚效應越明顯。其次，對于實際的電磁軌道炮，為了使電樞與導軌間具有良好的電接觸，電樞和彈丸與導軌間就會產生一定的滑動摩擦力，并且在炮筒內高速運行的彈丸還會受到來自彈前空氣的阻礙作用，即空氣阻力。因而，彈丸沿導軌發射過程中，在運動方向上除了受到使其加速的洛倫茲力外，還有阻礙其運動的空氣阻力和滑動摩擦力。

2 電磁軌道炮的理論分析

4.1 考慮趨膚效應、空氣阻力和滑動摩擦力

圖4給出了同時考慮膚效應、空氣阻力和滑動摩擦力這三種實際因素時的軌道炮的仿真波形。為使彈丸在相對較大且平穩的加速度下發射，并使彈丸發射后電感儲能盡可能的小，可取導軌的最佳長度為7m，此時彈丸的出口速度達到了2.46km/s。彈丸的加速度是一個峰值逐漸降低的梯形波，加速度的減小是由于空氣阻力和滑動摩擦力對彈丸的阻礙作用。隨著速度的增大，加速度減少的越多，說明空氣阻力和滑動摩擦力的作用越來越大。

從表4可以看出彈丸速度越大，考慮滑動摩擦力時，和理想情況相比的速度差值越大，說明滑動摩擦力的影響作用越大。這是由于電磁力與電流峰值成平方關系，而滑動摩擦力的大小又主要取決于電磁力對導軌的正壓力，因而隨著電流峰值的增加，阻礙彈丸運動的滑動摩擦力增大，損耗增多，使得彈丸的速度減小的越多，效率也降低了。

5 結束語

通過對電磁軌道炮的理論研究，建立了仿真模型，通過分析可知，增加電源電流的峰值不僅可以增加電磁推力和彈丸出口速度，還可以縮短彈丸加速時間，提高系統的效率。但是電磁推力越大、彈丸速度越高，趨膚效應越明顯，空氣阻力和滑動摩擦力對系統性能的影響也就越大。

這三種實際因素中，對系統效率的影響，相比較于空氣阻力和滑動摩擦力的損失，由于趨膚效應改變了導軌中的電流分布，故增大了電阻和熱損失，使效率降低得最多，達到了百分之十五以上。而對于出口速度的影響，由于電磁軌道炮是高速運行的，故受速率影響的空氣阻力對彈丸的阻礙作用是最強的，至少使速度降低了百分之十三。

參考文獻

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