一種單兵電磁武器發(fā)射過程仿真研究

徐 麟,張 軍,董健年v(南京理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,江蘇 南京 210094)

一種單兵電磁武器發(fā)射過程仿真研究

徐 麟,張 軍,董健年v(南京理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,江蘇 南京 210094)

為了推進(jìn)電磁發(fā)射武器向單兵作戰(zhàn)平臺發(fā)展,采用計(jì)算機(jī)仿真研究了一種基于鋰聚合物電池供電的單兵電磁武器發(fā)射過程。采用兩級磁阻線圈型的電磁發(fā)射模型對發(fā)射裝置進(jìn)行了理論分析,利用Ansys Maxwell有限元軟件研究了發(fā)射裝置的內(nèi)彈道過程。分析發(fā)現(xiàn)多級電磁發(fā)射過程中逐級減小線圈匝數(shù)能有效提高彈丸發(fā)射速度。仿真結(jié)果表明:在單兵電磁武器小型化的要求下,通過合理設(shè)置線圈匝數(shù)能有效提高彈丸發(fā)射速度,該結(jié)果可為后續(xù)單兵電磁發(fā)射武器的設(shè)計(jì)及研究提供參考。

單兵武器;電磁發(fā)射;磁阻電磁武器;仿真

Abstract:In order to promote the application of electromagnetic launch in individual combat platform,the computer simulation was conducted to study the launching process of individual electromagnetic weapons powered by lithium polymer battery.The electromagnetic launching model of two-stage reluctance coil was adopted,and the launching device was analyzed theoretically.It can effectively improve the launching speed of projectile to stepwise decrease the coil turns in the process of the multistage electromagnetic emission.The results show that under the miniaturization requirements of individual electromagnetic weapons,the speed of projectile can be effectiviely improved by reasonably setting the coil turns.The results can offer reference for the design and research of the subsequent individual electromagnetic launch weapons.

Keywords:individual weapon;electromagnetic launch;reluctance electromagnetic weapon;simulation

人類戰(zhàn)爭模式正進(jìn)入信息化的時(shí)代,單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)作為未來戰(zhàn)場上最基本的武器平臺,在配備了先進(jìn)的通信系統(tǒng)、火控系統(tǒng)和單兵計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的條件下,單兵攜帶小型化電源成為必然,這就使以電能為能源的電磁發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于單兵作戰(zhàn)武器成為可能。電磁發(fā)射武器可具有以下優(yōu)點(diǎn):火力可控,良好的隱蔽性,便捷的后勤保障[1-2]。

目前,電磁武器的研究普遍使用脈沖功率源作為能源,如參考文獻(xiàn)[3-6]使用的均是基于電容儲能的脈沖電源,其優(yōu)點(diǎn)是功率密度較高,能快速地釋放出存儲的所有能量,然而其不足是每次發(fā)射后需要一定的充電時(shí)間。本文針對單兵輕武器系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境,研究一種基于單兵作戰(zhàn)平臺必須攜帶的鋰聚合物電池供電的單兵電磁武器,利用鋰電池能連續(xù)輸出電能的特性,實(shí)現(xiàn)連續(xù)發(fā)射、降低士兵負(fù)載的要求,并使用Ansys Maxwell有限元軟件對發(fā)射動態(tài)過程進(jìn)行了仿真分析。

1 系統(tǒng)工作原理及組成

發(fā)射裝置的工作原理如圖1所示。它利用鐵磁性發(fā)射物與驅(qū)動線圈組成的磁路磁阻的變化來吸引發(fā)射物加速運(yùn)動。基于磁阻最小原理,在忽略渦流影響的情況下,鐵磁彈丸在驅(qū)動線圈內(nèi)被磁化,由于鐵磁彈丸具有比空氣更大的磁導(dǎo)率,其在槍管內(nèi)將向著磁阻減小的方向運(yùn)動,直至線圈軸向中心處磁路空氣氣隙變小,磁路的磁阻也最小,彈丸受力減為0。當(dāng)彈丸依靠慣性繼續(xù)向離開中心的方向運(yùn)動時(shí),原促使彈丸向前運(yùn)動的電磁力變?yōu)榉聪蚶ψ璧K彈丸運(yùn)動[7]。因此,在彈丸到達(dá)線圈中心位置后應(yīng)盡快使驅(qū)動線圈中的電流降為0,使彈丸不被拉回。

單兵電磁武器可看作是一種兩級磁阻型電磁線圈發(fā)射器,系統(tǒng)包括鐵磁性彈丸、驅(qū)動線圈、槍管、鋰聚合物電池、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT觸發(fā)開關(guān)),如圖2所示。與現(xiàn)有的電磁線圈發(fā)射裝置不同,使用鋰聚合物電池替代了傳統(tǒng)的電容器組作為電源,并使用全控型器件IGBT作為主控開關(guān),以達(dá)到連續(xù)發(fā)射的目的。

彈丸在驅(qū)動線圈前端時(shí)受到電磁拉力作用向前運(yùn)動,當(dāng)彈丸中心與線圈軸向中心重合時(shí),應(yīng)盡快切斷電源使電流降為0,這樣才能保證彈丸獲得最大的加速效果。傳統(tǒng)的線圈發(fā)射器往往在發(fā)射軌道內(nèi)安裝彈丸位置傳感器來觸發(fā)電路,這對線圈的結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生影響。因此,本文采取了彈丸與驅(qū)動線圈相同長度的設(shè)計(jì),在線圈兩端設(shè)置紅外傳感器監(jiān)測彈丸位置。當(dāng)彈丸前端到達(dá)線圈時(shí),傳感器觸發(fā)電路,彈丸受到電磁拉力的作用。當(dāng)彈丸前端到達(dá)線圈尾端時(shí),彈丸的尾部正好離開前端傳感器,前一級線圈觸發(fā)電路斷開,有效抑制了電磁制動力的作用。

2 動力學(xué)模型

發(fā)射線圈作為線圈發(fā)射器的主要部件均勻地密繞在空心管狀骨架上,在螺旋線圈發(fā)射器中,系統(tǒng)存儲的磁場能量Em可以定義為[8]

EmNidΦ=Φ2Rm

式中:N為驅(qū)動線圈匝數(shù),i為驅(qū)動線圈電流,Φ為系統(tǒng)磁通,Rm為磁通路徑的磁阻。

根據(jù)磁路歐姆定律可計(jì)算磁路磁阻:

式中:lm為磁路長度;Am為磁通穿過的面積;μ0為真空磁導(dǎo)率;μr為相對磁導(dǎo)率。

由此可知磁場所存儲能量是磁阻與磁通的函數(shù)。對于理想電磁線圈發(fā)射系統(tǒng),可以認(rèn)為彈丸動能的變化量等于磁能的變化量,根據(jù)虛功原理[9],設(shè)有一個(gè)N匝、長度l、單匝線圈電阻為R、供電電壓為U、通恒定電流I的驅(qū)動線圈,截面積為A的彈丸在其中運(yùn)動,虛位移量為Δx,如圖3所示。

可得虛位移能量差:

從而彈丸的受力為

加速度為

(1)

式中:χm為鐵磁物質(zhì)的磁化率,H為螺線管中的磁場強(qiáng)度,lp為彈丸長度,ρ為彈丸材料密度。

螺線管中的磁場強(qiáng)度:

(2)

驅(qū)動線圈的電流:

(3)

將式(2)、式(3)帶入式(1),可得:

(4)

3 有限元仿真分析

3.1 仿真模型的建立及參數(shù)設(shè)置

在多級磁阻型線圈發(fā)射器中,彈丸在驅(qū)動線圈中的加速過程是非線性變化,很難建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。Ansys Maxwell可以自動考慮部件形狀、相對位置及材料特性對電感等參數(shù)計(jì)算的影響,可以解決直接計(jì)算參數(shù)的困難[10]。本文采用Maxwell中的2D瞬態(tài)求解器對兩級線圈發(fā)射器進(jìn)行仿真分析,利用有限元法解決理論計(jì)算的難題,為后續(xù)單兵電磁武器的研究提供參考。

兩級發(fā)射器模型結(jié)構(gòu)如圖4所示。

由于研究的彈丸發(fā)射速度較低,空氣阻力及摩擦力對仿真結(jié)果影響較小,為了簡化仿真模型,忽略空氣阻力及摩擦力的影響。建立基于柱坐標(biāo)系的2D瞬態(tài)仿真環(huán)境,模型包括兩級驅(qū)動線圈、彈丸拋體、槍管(運(yùn)動區(qū)域)、求解區(qū)域。彈丸的直徑為10 mm,長度為50 mm,材料為10#鋼,質(zhì)量為7 g。為了控制需要,驅(qū)動線圈長度設(shè)置與拋體相同,寬度為12 mm,共有150匝,兩級驅(qū)動線圈間隔5 mm,模擬紅外觸發(fā)器的位置,材料設(shè)置為銅。槍管與求解區(qū)域均設(shè)置為空氣材料。利用Maxwell軟件仿真100 V鋰聚合物電池供電下的輸出電流波形,采用位置觸發(fā)模式,模擬實(shí)際中的光電檢測觸發(fā)情況。

圖5為單級觸發(fā)電路原理圖,外電路觸發(fā)時(shí)間由彈丸在槍管中的運(yùn)動位置決定,通過Maxwell Circuit的VPulse模塊來實(shí)現(xiàn)。同時(shí),在關(guān)斷時(shí)驅(qū)動線圈中仍會有電流存在,為了使彈丸不受到反向拉力,設(shè)計(jì)了能量消耗續(xù)流支路,使線圈中的電流在關(guān)斷后迅速降為0。由第2節(jié)分析可知,拋體與驅(qū)動線圈齊平時(shí)所受電磁力減為0,為了使拋體獲得最大加速度且結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況,設(shè)置第1級觸發(fā)位置為0 mm,第2級觸發(fā)位置為55 mm。仿真時(shí)間為4 ms,步長為0.1 mm。拋體與驅(qū)動線圈的剖分網(wǎng)格最大長度設(shè)置為1 mm,槍管和求解區(qū)域最大長度設(shè)置為2 mm。

3.2 發(fā)射系統(tǒng)仿真分析

圖6給出了彈丸速度隨位置變化的曲線,以彈丸初始位置為0點(diǎn),可以看出彈丸獲得了持續(xù)的加速,其中,在前50 mm初級線圈中的速度上升較快,離開第1級線圈時(shí)速度達(dá)到了70 m/s,而在第2級線圈中彈丸的加速效果明顯下降,最終的出口速度只有73 m/s,相較進(jìn)入第1級線圈時(shí)的速度只有3 m/s的提升,效果很不理想。

繼續(xù)觀察圖7所示的彈丸在不同位置時(shí)的電磁力曲線。從圖中可以看出,彈丸在第2級驅(qū)動線圈中所受的電磁力較第1級驅(qū)動線圈中的360 N明顯降低,峰值只有27 N,導(dǎo)致在第2級線圈中的加速情況較差。同時(shí)觀察圖8所示電流波形可以看出,第1級驅(qū)動線圈的電流峰值為286 A,遠(yuǎn)大于第2級驅(qū)動線圈的58 A。對比兩圖可以分析出,彈丸在第1級線圈中從靜止開始運(yùn)動,耗時(shí)2.3 ms才到達(dá)第1級線圈關(guān)閉點(diǎn)。在這段時(shí)間內(nèi)電流上升到了較大值,彈丸在長時(shí)間、強(qiáng)電流的情況下被推動到較高速度。進(jìn)入第2級線圈時(shí),彈丸在有較高初速的情況下僅用了0.6 ms就穿過了線圈,第2級驅(qū)動電路只獲得了短暫的導(dǎo)通,由于驅(qū)動線圈阻感的作用,電流無法上升到較大值。彈丸在短時(shí)間、低電流的情況下速度只得到略微的提升。

通過分析可得知,彈丸在第2級線圈中的加速效果不顯著,這主要源于驅(qū)動線圈導(dǎo)通時(shí)間過短,電流上升率較低,無法在彈丸運(yùn)動過程中提供足夠大的電磁力。通電線圈中的電流上升率只由回路的阻感時(shí)間常數(shù)l/R決定。彈丸在第1級線圈中的運(yùn)動時(shí)間較長,電流上升率對彈丸加速效果影響較小,而在彈丸速度較高的第2級線圈內(nèi)電流上升率就成為重要因素。本研究模型采取的是驅(qū)動線圈長度固定的方式,為了提高發(fā)射器對彈丸的加速能力,根據(jù)式(4)及電感特性,減小驅(qū)動線圈匝數(shù)能提升電流上升率并使彈丸加速度得到提高。現(xiàn)將第2級驅(qū)動線圈匝數(shù)分別減小至110匝與70匝進(jìn)行仿真分析。

圖9顯示了2種情況下的速度波形,可以看出,彈丸在第2級線圈只有110匝時(shí)速度提升到了76 m/s,在只有70匝的情況下速度提升至81 m/s,彈丸出口速度得到了提升。圖10與圖11分別顯示了彈丸所受的電磁力與第2級驅(qū)動線圈的電流曲線。觀察兩圖可以發(fā)現(xiàn),第2級線圈中電流的幅值和上升率在匝數(shù)減少后都得到了較大提升,分別達(dá)到了125 A與375 A。彈丸在第2級線圈中所受電磁力幅值分別達(dá)到了50 N與101 N,彈丸獲得了較好的加速效果。

4 結(jié)論

本文針對未來單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)的要求,研究了一種基于鋰聚合物電池供電的單兵電磁武器,能夠克服脈沖功率源需要先儲能后釋放的缺點(diǎn),滿足輕武器連續(xù)發(fā)射的要求。以兩級電磁發(fā)射器為模型,通過仿真模擬鐵磁彈丸的發(fā)射過程,結(jié)論如下:

①以鋰電池供電的兩級電磁發(fā)射器能夠有效推動彈丸向外運(yùn)動。在未來對槍口初速有要求的情況下,只需適當(dāng)增加驅(qū)動線圈級數(shù)。

②在線圈回路呈現(xiàn)阻感特性的情況下,后續(xù)多級線圈中的電流上升率是影響彈丸出口速度的重要因素。初級線圈中彈丸的運(yùn)動速度較慢,電流有能力上升到較大值,隨著彈丸運(yùn)動速度不斷加快,在后級線圈中需要不斷提升電流的上升率才能有效加速彈丸。本研究中,在發(fā)射器第2級驅(qū)動線圈匝數(shù)分別減小至110匝與70匝時(shí),彈丸出口速度得到了較好的提升。在未來多級發(fā)射器的設(shè)計(jì)中,能以此為基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)彈丸出口速度最大化。

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SimulationonLaunchingProcessofIndividualElectromagneticWeapon

XU Lin,ZHANG Jun,DONG Jian-nian

(School of Energy and Power Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

2017-04-19

徐麟(1992- ),男,碩士研究生,研究方向?yàn)殡姶虐l(fā)射技術(shù)、脈沖功率技術(shù)。E-mail:xhotter@163.com。

張軍(1969-)男,副研究員,研究方向?yàn)殡姶虐l(fā)射技術(shù)。E-mail:zhtell800@163.com。

TJ399

A

1004-499X(2017)03-0092-05