一種基于反向消弧的電磁發射膛口電弧抑制方案

楊帆　陳麗艷　韓潔

摘 要：針對膛口電弧導致的膛口軌道燒蝕和系統的初速精度問題，提出了一種基于反向消弧電源的膛口電弧抑制方案。以固體電樞為研究對象，利用Pspice軟件建立了含有反向消弧電源的電磁軌道發射系統的仿真模型，通過仿真模擬實現了正向驅動電流與反向消弧電流的匹配，將仿真結果運用于試驗研究當中，試驗結果與仿真結果一致性較好。分析結果表明，合理匹配正向驅動電流和反向消弧電流的時序和大小，有助于實現對膛口電弧的有效抑制和電樞的初速精度的提高。

關鍵詞：電磁發射；膛口電弧；反向消弧；初速精度

中圖分類號：TM15 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）20-0009-04

Abstract： In view of the problem of muzzle track ablation caused by muzzle arc and the accuracy of initial velocity of the system， a muzzle arc suppression scheme based on reverse arc suppression power supply is proposed. Taking the solid armature as the research object， the simulation model of electromagnetic orbit launching system with reverse arc suppression power supply is established using Pspice software. Through simulation， the matching between forward driving current and reverse arc suppression current is realized. The simulation results are applied to the experimental study， and the experimental results are in good agreement with the simulation results. The results show that the rational matching of the timing and size of the forward drive current and the reverse arc suppression current can help to effectively suppress the muzzle arc and improve the initial speed accuracy of the armature.

Keywords： electromagnetic emission； muzzle arc； reverse arc suppression； initial velocity accuracy

1 概述

在固體電樞電磁軌道發射過程中，電樞出膛時電樞與軌道之間的間隙發生突變，由緊密接觸突變成電弧接觸，電樞出膛時將在膛口形成膛口電弧。

產生的膛口電弧一般會隨機影響電樞出膛速度，降低初速精度。因此，如何有效抑制甚至消除膛口電弧，成為提升電磁軌道發射系統綜合發射性能的關鍵。

膛口電弧的抑制或消除通常采用旁路消弧方式，即用消弧組件與電樞并聯在接近膛口處的某一位置，當電樞運動至膛口出現接觸阻抗突變時，大部分電流分流至旁路，只有少部分剩余電流從主電路流過，從而使得電樞出膛時電弧減小，實現電弧抑制。但旁路消弧組件的電氣參數一經確定，其回路阻抗為一定值，無法有效匹配不同大小的剩余電流及其產生的膛口電弧，也就無法實現有效抑制。本文采用基于反向消弧電源的電弧抑制設計方案，即將消弧電源串入發射主回路，在電磁發射過程中，通過判定膛內電樞運行時間確定是否啟動反向消弧電源，利用反向消弧電流與主回路驅動電流的抵消作用，降低出膛時的剩余電流，從而達到消弧的目的。該方案中反向消弧電源的放電電壓和延時可根據主回路的電壓等級及出膛時刻進行靈活調節，實現消弧過程的合理匹配，有效抑制膛口電弧。

2 膛口電弧抑制綜合試驗平臺

膛口電弧抑制試驗在電磁發射綜合試驗平臺上進行，主要組成如圖1所示：

電磁發射綜合試驗平臺主要包括電源模塊，串聯增強型發射器，充電模塊，自動供輸彈單元，綜合測量單元（含膛口電壓測量，剩余電流測量等），雙光幕測速單元等部件。串聯增強型發射器的有效長度為1700mm，發射器采用類圓膛設計，尺寸為Φ12.7mm，發射器內軌采用銅基合金材料，提高耐燒蝕和摩擦磨損強度，增強外軌采用純銅材料，提高導電效率，電樞材料為鋁合金材料（Al6061），電樞為“C”型結構設計，質量根據尺寸區別有所不同，一般為6～10g，80kJ電源由5個模塊組成，單模塊電容容量為5120？滋F，調波電感為1.5？滋H，最高運行電壓為2.5kV，發射時軌道可實現的電流峰值范圍為200～250kA，膛口串入的反向消弧電源的各項參數與主回路單模塊電源相同，電磁軌道發射綜合試驗平臺的主要參數如表1所示：

表1 電磁軌道發射綜合試驗平臺的主要參數

3 發射過程仿真分析

3.1 仿真模型

參照綜合試驗平臺的相關參數，利用Pspice軟件建立了全系統電路仿真模型，其單模塊PFU單元主要由高儲能密度電容器C1，晶閘管開關T1、crowbar二極管開關D1和調波電感L1，以及其他雜散電阻和雜散電感等組成，反向消弧電源與主電路電源形式相同，只是放電形式為反向放電，形成反向電流，且其觸發放電時刻較主回路延時900～1200？滋s（根據電樞膛內運行時間進行匹配），單模塊PFU單元的電路模型如圖2所示：

將多模塊電源并聯形成電源并聯回路，再構建彈丸受力加速的動力學和運動學方程求解電路，集成為運動解耦運算模塊（如圖3所示）與電源并聯回路連接，依據綜合試驗平臺的相關參數對電路模型的各參數進行設置，形成電磁發射系統發射過程仿真模型。

3.2 仿真分析

利用建立的仿真模型進行了仿真。其仿真的基本工作原理為：利用電源并聯回路的各模塊電源同時正向導通放電，驅動部分串聯增強型電磁軌道炮的電樞運動，然后運動解耦運算模塊中的求解電路對發射初速，放電電流和運動距離進行求解。共進行2組對比仿真，第一組仿真的充電電壓為1800V，第一次仿真只導通正向回路，不導通反向消弧回路；第二次仿真中在電樞即將出膛時導通反向消弧回路，利用反向消弧電流對正向剩余電流進行抵消，最后將兩次仿真結果進行對比，驗證反向消弧電路的消弧效果。第二組仿真與第一組類似，只是將充電電壓提升至2000V，相應提升反向消弧電壓。

參照前期試驗結果，第一組仿真設置電源回路正向觸發放電的充電電壓為1800V，電樞質量為6g，不觸發反向消弧電源，發射器長度為1.7m，出膛速度預定值為1550m/s。其仿真波形如圖4所示：

從圖中可以看出，單模塊電流峰值為37.63kA，上升時間為223.7？滋s，電樞出膛時間為1409？滋s，發射初速為1549.8m/s，出膛時剩余電流為2.36kA，相關數據與實際試驗結果基本相符。

串入反向消弧電源的仿真參數如下：根據第一次仿真的剩余電流大小，設置反向消弧電源的放電電壓為1000V，觸發延時為1200？滋s，其他各參數與第一次仿真完全相同，其仿真波形如圖5所示。

由圖中可以看出，反向消弧電源在設定的延時時刻開始放電，且電流方向與主回路反向，從反向消弧電源放電時刻起，正向主回路各單模塊放電電流波形的斜率出現了突變，正向電流急劇下降，待出膛時刻主回路各單模塊電源正向電流降至0kA，說明反向消弧電源的反向電流與正向電流相互抵消，實現了對膛口電弧的有效抑制。

第二組仿真與第一組參數設置類似，只是將主回路充電電壓提升至2000V，其不串入反向消弧電源的仿真波形如圖6所示。

從圖6中可以看出，單模塊電流峰值為41.27kA，上升時間為220.4？滋s，電樞出膛時間為1234？滋s，發射初速為1819.7m/s，出膛時剩余電流為3.13kA，相關數據與實際試驗結果基本相符。

串入反向消弧電源的仿真參數如下：根據第一次仿真的剩余電流大小，設置反向消弧電源的放電電壓為1400V，觸發延時為1000？滋s，其他各參數與第一次仿真完全相同，其仿真波形如圖7所示。

由圖中可以看出，反向消弧電源依然在設定的延時時刻放電，且正向主回路單模塊放電電流波形的斜率出現了突變，正向電流急劇下降，待出膛時刻主回路各單模塊電源正向電流降至0kA，同樣說明反向消弧電源實現了對膛口電弧的有效抑制，同時證明了反向消弧電壓可根據主回路電壓的不同等級可進行靈活調節和合理匹配。

4 反向消弧試驗

4.1 消弧電源連接方式與試驗方法

反向消弧電源連接方式如圖8所示。

左部為主回路電源模塊，采用負高壓多電源并聯方式，為電樞提供正向驅動力；右部為反向消弧電源，采用正高壓單電源方式，消弧電源正高壓輸出端經過發射器與主回路模塊負高壓輸出端連接在一起。消弧電源低壓輸出端經過發射器與主回路模塊低壓輸出端連接在一起，并通過發射器單點接地。當正向主回路觸發放電時，反向消弧電路延時觸發放電，其放電回路均經過膛內電樞，并因電流方向相反而相互抵消。

試驗分為兩組進行，每組12發電樞進行發射試驗，第一組試驗充電電壓為2000V，前6發試驗不在發射主回路添加反向消弧裝置，后6發試驗將反向消弧裝置串入發射主回路，對12發試驗某單次試驗的單模塊主回路放電電流波形進行對比，并分組統計12發試驗的發射初速誤差，驗證反向消弧裝置對膛口電弧抑制的有效性。第二組試驗與第一組類似，只是將充電電壓提升至2300V，在驗證反向消弧裝置對膛口電弧抑制的有效性的同時，也驗證了反向消弧電壓可以針對主回路電壓的不同等級進行靈活調節和合理匹配。

4.2 試驗結果對比分析

第一組試驗中單次的放電電流波形（5模塊總電流）局部對比如圖10所示：

從圖中可以看出，未加反向消弧裝置的主回路電源的放電電流波形在即將出膛時刻較為平滑，斜率未出現突變，且在出膛時刻仍存在剩余電流，幅值約為10kA（5模塊總電流）；而串入反向消弧裝置的主回路電源的放電電流波形受到反向消弧電流的影響，斜率出現突變，且在出膛時刻的剩余電流幾乎為0，驗證了反向消弧裝置對膛口電弧抑制的有效性。

12發實驗各6次的膛口初速統計如圖11和圖12所示。

對圖中各組試驗的初速數據進行統計得出，未加入反向消弧裝置的6次初速的初速誤差為14‰，串入反向消弧裝置的6次初速的初速誤差為1.71‰，從而證明了反向消弧裝置在抑制膛口電弧的同時，也有效提升了電樞的初速精度。

第二組試驗的單次的放電電流波形與第一組類似，在此不再贅述，發射初速對比分別如圖13和圖14所示：

圖13 第二組試驗未加反向消弧裝置的6次初速

圖中未加入反向消弧裝置的6次初速的初速誤差為11‰，串入反向消弧裝置的6次初速的初速誤差為1.82‰，同樣驗證了反向消弧電源對抑制膛口電弧，提高初速精度的有效性，同時也驗證了反向消弧電壓可以針對主回路電壓的不同等級進行靈活調節和合理匹配。

5 結束語

本文利用反向消弧電源通過與晶閘管串并電氣結構與發射器相連，并在主回路導通后通過延時觸發反向消弧電源使得電樞出膛前反向消弧電流與主回路電流的抵消，達到對膛口電弧有效抑制的目的。首先通過仿真分析了反向消弧電源與主回路電源放電電流相互抵消的可行性，隨后通過兩組對比發射試驗驗證了基于反向消弧電源的膛口電弧抑制方案的有效性，且通過試驗數據證明該膛口電弧抑制方案不僅有效抑制了膛口電弧，還間接提高了膛口初速精度，同時反向消弧電壓可根據主回路電壓的不同電壓等級進行靈活調節和合理匹配。

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