電磁軌道炮初速誤差分析及指標分配

陳麗艷+楊帆+王端

摘 要：為了研究電磁軌道炮的射彈初速誤差源以及各誤差源對初速的影響，基于MATLAB建立了電磁軌道炮內彈道模型，并采用蒙特卡洛法（Monte-Carlo）對電磁軌道炮的膛內運動過程進行了隨機模擬，結果表明放電電壓和電容量對初速的影響最大。進而結合仿真結果進行合理的誤差分配，達到控制初速精度的目的。

關鍵詞：電磁軌道發射；初速誤差；蒙特卡洛；誤差分配

中圖分類號：TJ02 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）01-0019-04

Abstract： In order to study the initial velocity error source of the electromagnetic rail gun and the influence of each error source on the initial velocity， the interior trajectory model of the electromagnetic rail gun is established based on MATLAB. The Monte Carlo method is used to simulate the in-chamber motion of the electromagnetic rail gun. The results show that the discharge voltage and capacitance have the greatest influence on the initial velocity. Then the simulation results are combined with the reasonable error allocation to achieve the purpose of controlling the initial velocity accuracy.

Keywords： electromagnetic orbit launch； initial velocity error； Monte Carlo； error allocation

電磁軌道炮的內彈道發射過程，為射彈速度、脈沖電源放電電流、時間、推力、摩擦力等多元素相互耦合的過程。對電磁軌道炮的內彈道模擬，需要將運動彈丸作為脈沖電源的動態負載，將洛倫茲力加速的動力學及運動學方程與電路方程結合起來求解[1]。

建立了基于MATLAB的電磁軌道炮內彈道仿真模型，對電磁軌道炮的動態發射過程進行了數值模擬；分析了影響電磁軌道炮射彈初速精度的主要因素，采用蒙特卡洛法進行了內彈道隨機模擬，對射彈的初速散布進行預測，就系統參數的隨機散布對射彈初速的影響進行了定量分析；并通過誤差設計技術，提出對各參量的定量指標要求，以達到控制誤差，提高發射精度的目的。

1 電磁軌道炮誤差源分析

電磁軌道炮由大功率充電單元、脈沖成形網絡、電磁軌道發射器以及一體化射彈組成，如圖1所示。

引起射彈初速散布的因素包括：大功率充電單元的放電電壓、系統總電阻（脈沖成形網絡電阻、發射器的軌道電阻）、系統總電感（脈沖成形網絡電感、發射器的軌道電感）、電容器的電容量、射彈質量這五個參量的隨機波動[2]。

2 電磁軌道炮內彈道隨機過程模擬

2.1 蒙特卡洛分析方法

射彈初速指標為離散型隨機變量，服從正態分布。用初速精度作為初速散布的量化指標，定義為：

其中？滓v為初速標準偏差，其表達式為：

■o為平均速度，定義為：

基于蒙特卡洛法的電磁軌道炮隨機模擬基本步驟如下：

（1）建立所要分析的電磁軌道炮內彈道數值模型。

（2）確定發射過程中要研究的隨機變量的波動及其分布規律。

（3）將隨機變量（放電電壓、電容器的電容量、系統總電阻、系統總電感、射彈質量）的抽樣值代入內彈道數值模型，進行求解，得到射彈加速度、電容器電壓、放電電流曲線。

（4）對模擬結果進行統計分析。

2.2 電磁軌道炮內導彈數學模型

電磁軌道炮的電路模型如圖2所示。

Lorentz力的作用方向沿x。電磁軌道炮在發射時，射彈在電磁力的驅動下沿導軌運動，若不計各種阻力，則運動方程為：

FM=L'i2/2

式中L'為導軌電感梯度，i為脈沖電源放點電流；FM為Lorenz力。

隨著射彈的運動，總電阻、電感線性增大，即

式中R'為導軌電阻梯度， ； ；R0為初始負載電阻；L0為初始負載電感。

對于電容器組儲能的脈沖電源，電容器組充電到預定電壓U0后，閉合開關使電容器開始放電。在放電的T/4周期內，電路方程可以寫為

因此

式中，Uc為電容器組的電壓，Rp為固體射彈的電阻。

初始條件為t=0，i=0，Uc=U0。

當t=T/4時，電容器電壓Uc過零開始反向時，將電容器組支路被短路掉，此時變成L-R放電回路，此時電路方程變為

式中，Lt為系統總電感，由電容器電感Lc和負載電感Lr組成，U為電容器放電電壓。

摩擦阻力Ffri的表達式為：

Ffri=？滋FN

式中，？滋為摩擦系數，FN為射彈對軌道的壓力，包括由于射彈過盈、軌道形變引起的機械壓力FN，mech和電磁力的法向分量FN，EN（與電磁力成正比）。速度低時滑動摩擦系數取0.3，隨著速度的增加摩擦系數下降很快，取值0.1[3]。

考慮摩擦力的射彈初速Vout的表達式為：endprint

2.3 仿真流程

基于MATLAB軟件建立了電磁軌道炮的內彈道模型，進行發射初速精度蒙特卡洛仿真，軟件流程如圖3所示。

3 仿真結果分析

3.1 電磁軌道炮內彈道仿真

在MATLAB仿真中，系統電源由6個模塊組成，單模塊放電電壓為4kV，電容為2500uF，射彈質量為10g。系統電感和系統電阻分別為11uH和9mΩ。電磁軌道炮主要參數如表1所示。

圖4為發射過程中總放電電流和射彈速度的變化曲線，脈沖電源放電電流峰值為361.8kA，射彈初速為2.636km/s，發射效率為28.9%。圖5為射彈在膛內運動速度的仿真值和實測值對比曲線，初速偏差為2%，初速實測值與仿真值偏差較小。

3.2 電磁軌道炮隨機過程模擬

采取單因素模擬來分析放電電壓、電容量、系統電阻、系統電感、射彈質量五個隨機變量對初速精度的影響。單因素模擬指的是在模擬過程中，只對一個變量隨機抽樣，該變量服從正態分布，其余的四個變量保持定值不變。

按照參量精度依次為1‰，2‰，3‰，4‰，5‰，6‰，7‰，8‰的變化進行單因素隨機波動的模擬計算。

參量精度？滓的定義為：

其中？滓x定義為：

x0為參量均值，定義為：

3.3 誤差源敏感性分析

根據蒙特卡洛隨機模擬數據，將五個參量的精度與初速精度的關系繪制成圖，如圖6所示。當放電電壓、電容量、系統電感、系統電阻、射彈質量五個參量的隨機誤差在1‰～8‰范圍內波動時，各參量的精度與初速精度近似為線性關系，其中放電電壓和電容器的電容量對初速影響最為明顯，而系統電感的隨機波動對初速精度的影響最小。當系統電感的精度為8‰時，初速精度僅為3.75‰。各參量對初速的影響水平由高到低為：放電電壓、電容量、射彈質量、系統電阻、系統電感。

4 誤差分配

采用綜合因素模擬的方法進行隨機模擬仿真，分析全系統參數的隨機波動對初速精度的綜合影響，依此作為誤差分配的依據。綜合因素模擬是指在模擬仿真的過程中，對所有變量進行隨機抽樣，所有變量服從正態分布。

以電磁軌道炮允許的初速精度不超過1%為目標，根據多因素隨機模擬仿真結果，如果按照平均分配的方法進行誤差分配，則分配給各參量的精度為4‰。考慮到發射器的加工工藝復雜、進行高精度裝配存在較大的難度，導致系統電阻和系統電感的精度指標難以實現。則對于發射器的誤差項適當擴大，脈沖電源、射彈的誤差項適當縮小[4]。

目前電磁軌道炮各分系統可達到的指標為：充電單元的放電電壓精度為3‰，電容量精度可達2‰，射彈質量加工精度可達2‰，適度增加發射器的誤差分配比例，最后采用不平均分配的方案，如表2所示。

5 結束語

單因素隨機模擬結果表明，脈沖電源的放電電壓以及電容器的電容量的隨機波動對初速的影響最為明顯，而系統電感對初速的影響最為微弱。通過多因素模擬，并綜合考慮全系統各部件的的工藝復雜度、實現難易程度、現有技術水平，確定了射彈初速精度小于1%時，對各參量的指標要求。

在電磁軌道炮研制過程中，應對各分系統指標進行精確測量和控制，保證各分系統的精度指標符合要求。另外發射過程中發射器與射彈的接觸狀況、預緊力等對射彈的初速也有較為直接的影響，需要結合試驗結果進行多次迭代來確定最優設計。

參考文獻：

[1]張 ，李海元，楊春霞，等.固體射彈電磁軌道炮發射一致性研究[J].火炮發射與控制學報，2013，1（4）：5-9.

[2]Yong He， Shengyi Song， Yongchao Guan， Cheng Cheng， Wenfeng Dai， XuQiu， and YexunLi.Aninvestigation into muzzle velocity repeatability of arailgun.TransactionsOnPlasma Science，2015，43（5）：1647-1651.

[3]Brian C.Black.Design， fabrication and testing of ascalable series augmented railgunresearch platform.California：Naval Postgraduate School， 2006：26-32.

[4]李德仁，袁修孝.誤差處理與可靠性理論[M].武漢：武漢大學出版社，2002：111-112.endprint