單級感應線圈炮彈丸出口速度與效率影響研究

國　偉，蘇子舟，曹　斌，張　博，范　薇

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽　712099)

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單級感應線圈炮彈丸出口速度與效率影響研究

國偉，蘇子舟，曹斌，張博，范薇

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽712099)

驅動線圈是同步感應線圈炮的主要組成部分，其結構對系統性能有著重要的影響。通過分析儲能型單級感應線圈炮的工作原理和電路模型，利用Ansoft有限元軟件，分別建立了短距、中距、長距3種結構驅動線圈模型，計算了多種彈丸啟動速度下的最佳觸發位置及單級線圈效率。計算結果表明:3種結構驅動線圈最佳觸發位置均隨彈丸啟動速度增加向線圈底部(炮尾)方向移動；短距線圈效率最低，隨彈丸啟動速度增加而降低；中距線圈效率最高，先隨彈丸啟動速度增加而增加，增加到一定值隨后再降低；長距線圈效率居中,隨彈丸啟動速度增加而增加。

電氣工程；單級感應線圈炮；線圈結構；有限元分析；最佳觸發位置

電磁發射是將電能通過電磁力轉化為機械能實現將拋體發射的過程，按原理可分為線圈炮、軌道炮和重接炮3種。同步感應線圈炮作為線圈炮的一種主要形式，具有彈丸加速力大，驅動電流相對較小，不與驅動線圈直接接觸，避免了摩擦和導軌燒蝕，利用效率較高，壽命長等特點，應用前景非常廣闊[1-2]。

在單級感應線圈炮系統中，彈丸所能獲得的動能增加量與初始儲能、驅動線圈結構、彈丸結構、觸發位置、彈丸啟動速度等參量有關。驅動線圈有短距、中距、長距3種結構形式，由此形成的線圈炮在最佳觸發位置和單線圈效率等方面具有各自不同的特性。由此引出一個問題，即不同驅動線圈結構對彈丸受力運動的影響規律[3-4]。對于這兩者之間的關系，由于試驗研究的成本較高，往往只選擇有代表性的進行定性研究。因此，為了定量分析這兩者之間的關系，筆者應用Ansoft有限元軟件分別對短距、中距、長距3種驅動線圈結構單級感應線圈炮系統彈丸初速、最佳觸發位置、單線圈效率之間的關系進行了仿真分析，為以后同步感應線圈炮驅動線圈問題的研究提供理論參考。

1　同步感應線圈炮工作原理

1.1原理分析

同步感應線圈炮的工作原理類似于圓筒型直線異步感應電動機，定子線圈產生的磁場因施加的脈沖電流而發生變化時，拋體線圈產生感生電流，拋體線圈電流產生的磁場與定子線圈的磁場相互作用，產生軸向的力推動拋體前進，產生的徑向力使彈丸懸浮。單級感應線圈炮的工作原理,如圖1所示。

感應線圈炮的電源目前多選取具有高儲能密度的電容器，通過放電開關控制向驅動線圈供電，驅動線圈產生圓環電流id，變化的電流在炮管內產生變化的磁場，使金屬性質的彈丸產生了與驅動線圈同軸的環形電流ip，圓環電流id和ip產生的磁場相互作用，從而推動彈丸前進[5]。

多級感應線圈炮利用脈沖功率電源依次對多個串聯的線圈進行放電，實現多級加速。多個線圈采用相同的內徑，炮管采用非導磁材料。彈丸依次經過多級線圈的逐級加速，最終將彈丸加速到發射速度。

1.2電路模型

線圈炮的工作過程比較復雜，電、磁、機械聯系比較緊密，影響因素比較多，為了簡化分析，做了如下的簡化：忽略了彈丸的空氣阻力、回路的固有電感、線圈發熱引起的結構變化等。

在上述的簡化條件下，單級感應線圈炮電路模型如圖2所示。

U0為儲能電容器C的初始電壓;Rd為放電回路的總電阻;Ld為驅動線圈的電感;Lp為彈丸的總電感;Rp為彈丸的總電阻;M為驅動線圈和彈丸之間的互感，是位置的函數[6]。

通過以下方程將2個閉合回路聯系起來[1]

(1)

由初始條件可得

(2)

運動方程是

(3)

式中：vp為拋體線圈速度;up為彈丸感應電壓;ud為驅動線圈電壓;m為彈丸質量。

通過聯立以上的方程組，就可以得到彈丸速度、加速度、位移等關鍵參量。

2　單級感應線圈炮有限元分析

單線圈效率是影響線圈炮性能的重要參數之一，可以提高彈丸初速、增大彈丸射程和穿甲能力、縮短射擊的提前量、提高命中率。以下研究確定彈丸最佳初始發射位置均以獲得最高單線圈效率為標準。

2.1系統參數

筆者所研究的單級感應線圈炮系統采用電容器儲能，其電源、彈丸等基本參數如表1所示。

表1　基本參數

根據驅動線圈長度與平均直徑之比將驅動線圈分為短距線圈、中距線圈和長距線圈，其中長度與直徑之比大于1.2定義為長距線圈；長度與直徑之比小于0.8定義為短距線圈；長度與直徑之比介于0.8～1.2之間的驅動線圈定義為中距線圈。驅動線圈均采用銅質線芯，導電半徑為2 mm，絕緣層厚度為1 mm，3種結構驅動線圈參數如表2所示。

表2　驅動線圈參數

2.2仿真模型

根據以上初始條件，利用Maxwell 軟件建立該線圈炮系統模型，如圖3所示，通過調節參數，研究驅動線圈對線圈炮性能的影響。驅動線圈的軸向中心和彈丸的軸向中心重合處為零點，當彈丸在驅動線圈后方時觸發位置為正，當彈丸在驅動線圈前方時觸發位置為負[7]。

2.3計算結果

對于驅動線圈而言，彈丸啟動速度與觸發位置對彈丸的加速效果影響很大，所以首先要找到彈丸在該初速下的最佳觸發位置，從而得到最大的出口速度。本文中最佳觸發位置定義為使單級線圈炮系統效率最高的觸發位置。以短距線圈，彈丸啟動速度140 m/s為例，其觸發位置與單線圈系統效率的對應關系如表3所示,觸發位置與出口速度曲線如圖4所示。

表3　短距線圈觸發位置與效率對應關系

由表3、圖4可知，對短距驅動線圈而言，彈丸初速140 m/s時，其最佳觸發位置為10 mm處，效率為23%。

依次類推，可以求出短距線圈、中距線圈和長距線圈在彈丸啟動速度140，250，350，450，600 m/s時的最佳觸發位置及對應的出口速度和效率。計算結果如表4所示。

表4　計算結果匯總表

2.4驅動線圈結構對最佳觸發位置影響

由表4可以得到3種結構驅動線圈彈丸啟動速度與最佳觸發位置對應關系曲線,如圖5所示。同一驅動線圈，彈丸啟動速度不同其最佳觸發位置不同；相同彈丸初速，不同結構驅動線圈其最佳觸發位置不同；隨初速增加，3種結構驅動線圈最佳觸發位置均線性增大，即最佳觸發位置均向線圈底部(炮尾)方向移動，這是彈丸啟動速度增加后系統時間常數減小的一種自動適應。

2.5驅動線圈結構對單線圈效率的影響

由表4還可以得到3種結構彈丸啟動速度與單線圈效率對應關系曲線,如圖6所示。驅動線圈結構與單線圈效率關系更為復雜，整體而言，短距線圈效率最低且隨彈丸啟動速度增加而快速降低；中距線圈低速段加速能力強，效率高，隨彈丸啟動速度增加其效率有一個先增加后減小的過程；長距線圈低速階段加速能力弱，效率隨彈丸啟動速度增加而增加，當彈丸初速達到450 m/s后，其效率超過中距線圈。因此以450 m/s初速為分界線，其下短距線圈和中距線圈效率高，其上長距線圈效率高。

3　結論

1)同一驅動線圈，彈丸啟動速度不同其最佳觸發位置不同；相同彈丸啟動速度，不同結構驅動線圈其最佳觸發位置不同。

2)隨彈丸啟動速度增加，3種結構驅動線圈最

佳觸發位置均單調增加，以匹配系統時間常數。

3)驅動線圈結構影響單線圈效率，整體而言，短距線圈單線圈效率最低、長距線圈效率次之、中距線圈效率最高。

4)彈丸啟動速度對不同結構驅動線圈效率影響規律差異很大：短距線圈效率隨彈丸啟動速度增加而快速降低；中距線圈效率先隨彈丸啟動速度增加再減小，存在極值；長距線圈效率隨彈丸啟動速度增加而增加。

References)

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ZOU Bengui, CAO Yanjie, LI Ruifeng, et al. Research on the scaling model of electromagnetic coil launcher[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2013,28(2):73-77.(in Chinese)

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Muzzle Velocity and Efficiency Performance of Single-stage Induction Coilgun

GUO Wei，SU Zizhou，CAO Bin，ZHANG Bo，FAN Wei

(Northwest Institute of Mechanical & Electrical Engineering, Xianyang712099, Shaanxi, China)

As a main component of the synchronous induction coil-gun, the structure of drive coils has great influence on its function. Working process and circuit model, which describes single-stage induction coil-gun excited by the stored energy pulsed capacitor, is established for the three kinds of structures: short range, medium range and long range. The single-stage induction coilgun is researched by simulation through the 2-dimension transient solver in the Ansoft software. With the maximal efficiency of drive coil as target function and the space of the centers of the driving coil and projectile as variables when discharging, three types of drive coils’structures are simulated. The simulation results indicate that each drive coil has its own best discharge position, and this position is different, which provides the theoretical reference for future engineering practice. The findings are as follows: the short range drive coil has the lowest efficiency, which decreases as the discharge speed increases; the medium range drive coil has the highest efficiency, which increases as the discharge speed increases up to a certain value; the long range drive coil has the middling efficiency, which increases as the discharge speed increases.

electrical engineering; single-stage induction coilguns; drive coils; finite element analysis; best discharge position

10.19323/j.issn.1673-6524.2016.02.001

2014-11-23

國偉(1965—)，男，研究員級高級工程師，主要從事電磁炮武器系統總體及測控技術研究。E-mail：goodwa@163.com

TJ012.1

A

1673-6524(2016)02-0001-04