電磁線圈發(fā)射器推力波形特性及推力控制策略研究

苑希超，向紅軍，呂慶敖，張 倩，劉 斌

(1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū) 彈藥工程系， 石家莊 050003; 2. 32150部隊(duì)， 河南 開(kāi)封 475003)

隨著軍事技術(shù)迅速發(fā)展及新型彈藥的不斷出現(xiàn)，引信在彈藥系統(tǒng)中的作用越來(lái)越重要，它能否正常工作，直接關(guān)系到彈藥裝備能否安全可靠作用[1]。因此，需要開(kāi)展引信試驗(yàn)對(duì)其質(zhì)量狀況進(jìn)行檢查，在眾多引信檢查方法中，引信發(fā)射環(huán)境動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)由于其成本低、效果好、易于實(shí)施，得到越來(lái)越多的應(yīng)用。在引信發(fā)射環(huán)境動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)中，主要模擬發(fā)射時(shí)的后坐力和離心力，現(xiàn)有的引信發(fā)射環(huán)境動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)主要利用氣體炮及其改進(jìn)試驗(yàn)裝置來(lái)模擬后坐力，存在通用性和可控性差、操作復(fù)雜、不便有效模擬引信發(fā)射過(guò)程中所受環(huán)境力等[2]。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和專(zhuān)家學(xué)者從不同角度、采用不同方法進(jìn)行了大量嘗試和研究，取得了一批有價(jià)值的研究成果。其中，電磁感應(yīng)線圈發(fā)射器由于采用圓筒形身管，結(jié)構(gòu)合理，且采用電磁力逐級(jí)加速的發(fā)射方式，可調(diào)性好，成為一種新的引信發(fā)射環(huán)境模擬的有效方式[3-6]。

當(dāng)前關(guān)于電磁線圈發(fā)射器的研究主要集中在提高電磁線圈炮彈藥發(fā)射初速和發(fā)射效率等方面[7-10]，而引信發(fā)射環(huán)境模擬試驗(yàn)主要關(guān)注驅(qū)動(dòng)器所能提供的過(guò)載特性與引信發(fā)射過(guò)程是否相符以及對(duì)過(guò)載的控制方面[11]。本文以基于電磁線圈發(fā)射器的引信后坐力環(huán)境模擬技術(shù)為背景，分析了電磁線圈驅(qū)動(dòng)器推力波形特性并探索了電磁線圈發(fā)射器推力波形控制策略。

1 電磁線圈發(fā)射器基本原理

電磁感應(yīng)線圈發(fā)射器的工作原理如圖1。發(fā)射器系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)電路、驅(qū)動(dòng)線圈和電樞組成。驅(qū)動(dòng)線圈固定在炮筒上，每一級(jí)驅(qū)動(dòng)線圈通過(guò)導(dǎo)線和開(kāi)關(guān)分別連接一組儲(chǔ)能電容器，為驅(qū)動(dòng)線圈供電。觸發(fā)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通后，儲(chǔ)能電容器通過(guò)驅(qū)動(dòng)線圈放電形成強(qiáng)脈沖磁場(chǎng)，電樞在這個(gè)強(qiáng)脈沖磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生感應(yīng)電流，電樞中的感應(yīng)電流與線圈產(chǎn)生的強(qiáng)脈沖磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁力，推動(dòng)彈丸加速。

圖1 電磁感應(yīng)線圈發(fā)射器工作原理圖

電磁線圈發(fā)射器的等效電路如圖2所示。

圖2 電磁直線驅(qū)動(dòng)器等效電路

圖中，R0和L0分別是驅(qū)動(dòng)回路的電阻和電感，R1和L1分別是驅(qū)動(dòng)線圈電阻和電感值，R2和L2分別是電樞電感值，C為電容器電容值，D表示續(xù)流硅堆。

其等效電路方程可表示為：

(1)

(2)

式中：U0是電容器充電電壓；M12是電樞與驅(qū)動(dòng)線圈之間的互感；i1和i2分別為驅(qū)動(dòng)回路和電樞回路中的電流。

根據(jù)電磁線圈發(fā)射器的發(fā)射原理可知，電磁力可以看作是整個(gè)系統(tǒng)中能量的變化率，即系統(tǒng)總能量在運(yùn)動(dòng)方向的梯度[2]。t時(shí)刻系統(tǒng)的總能量可表示為：

(3)

忽略發(fā)射摩擦力和空氣阻力，t時(shí)刻電樞所受電磁推力可以表示為：

(4)

從式(4)可以看出，電磁力大小由放電電流idjip和互感梯度dMj/dx決定。電樞速度v對(duì)互感梯度dMj/dx產(chǎn)生直接影響，可將電磁力表示成時(shí)間t、放電電流idjip和電樞速度v的函數(shù)。

F=F(t,idj,ip,v)

(5)

2 推力波形特性分析

多級(jí)線圈發(fā)射器電樞受力由多個(gè)線圈產(chǎn)生的電磁力疊加而成。由式(5)可知，電磁線圈發(fā)射器推力受到時(shí)間t、電流idj、ip和電樞速度v的影響，而這些參數(shù)又會(huì)受到充電電壓、線圈結(jié)構(gòu)、電樞結(jié)構(gòu)、線圈間距、觸發(fā)位置等多個(gè)參數(shù)的影響。

以?xún)杉?jí)電磁線圈發(fā)射器為例進(jìn)行有限元仿真分析，由于系統(tǒng)為軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，因此，建立二分之一的二維模型進(jìn)行仿真分析。如圖3所示，仿真模型由兩級(jí)驅(qū)動(dòng)線圈1和2、電樞3、運(yùn)動(dòng)區(qū)域4、計(jì)算場(chǎng)域5組成。驅(qū)動(dòng)線圈為銅質(zhì)，每級(jí)80匝，外半徑81 mm、內(nèi)半徑51 mm，厚30 mm，長(zhǎng)60 mm，兩級(jí)線圈初始間距10 mm。電樞為鋁質(zhì)，外半徑50 mm，內(nèi)半徑30 mm，厚度20 mm，長(zhǎng)度60 mm。

圖3 二維仿真模型

模型的外接電路如圖4所示，所采用的電容值為2 400 μF，充電電壓默認(rèn)為8 000 V，驅(qū)動(dòng)線圈回路電阻設(shè)為200 mΩ。

圖4 驅(qū)動(dòng)線圈外接電路

2.1 線圈間距對(duì)驅(qū)動(dòng)力的影響

為保持推力波形連續(xù)，設(shè)置第二級(jí)線圈觸發(fā)位置為9 mm，進(jìn)而得到此時(shí)的線圈間距，并分別對(duì)線圈間距為10～30 mm的情況進(jìn)行仿真，仿真過(guò)程中，其它參數(shù)不變。得到的兩級(jí)線圈間距對(duì)驅(qū)動(dòng)力的影響曲線如圖5所示。

圖5 兩級(jí)線圈間距對(duì)驅(qū)動(dòng)力的影響曲線

結(jié)果表明，兩個(gè)峰值之間的距離隨著線圈間距的增大而增加，同時(shí)推力波動(dòng)逐漸變大；但整體推力持續(xù)時(shí)間明顯增加。

2.2 觸發(fā)位置對(duì)驅(qū)動(dòng)力的影響

綜合推力波形要求，設(shè)置線圈間距30 mm，進(jìn)而得到初始觸發(fā)距離為-21 mm，其他條件不變的前提下，對(duì)不同觸發(fā)位置分別為為-24 mm、-21 mm、-18 mm和-15 mm的情況進(jìn)行仿真，得到的推力曲線如圖6所示。

圖6 第二級(jí)線圈觸發(fā)位置時(shí)的推力曲線

結(jié)果表明，在此范圍內(nèi)，電磁推力隨著觸發(fā)位置絕對(duì)值的減小而逐漸減小，而持續(xù)時(shí)間雖然逐漸增加，但增加并不明顯，且會(huì)增加推力的波動(dòng)，因此選擇觸發(fā)距離為-21 mm。

2.3 電壓對(duì)驅(qū)動(dòng)力的影響

在已確定參數(shù)條件下，對(duì)第二級(jí)充電電壓7 000～1 000 V的4個(gè)級(jí)別電壓參數(shù)進(jìn)行仿真，得到推力曲線如圖7所示。

從圖7給出的推力曲線可以看出，第二級(jí)線圈的電磁力隨著電壓的增加逐漸增大，但對(duì)總體推力持續(xù)時(shí)間影響不大。結(jié)合線圈長(zhǎng)度對(duì)發(fā)射參數(shù)影響分析，可以推測(cè)，增加第二級(jí)驅(qū)動(dòng)線圈長(zhǎng)度，將會(huì)減緩能量的釋放速度，從而降低推力峰值，增加峰值持續(xù)時(shí)間。

圖7 第二級(jí)充電電壓時(shí)的推力曲線

2.4 線圈長(zhǎng)度對(duì)驅(qū)動(dòng)力的影響

在上節(jié)基礎(chǔ)上，選擇第二級(jí)充電電壓為10 kV，其他條件不變，適當(dāng)增加第二級(jí)線圈長(zhǎng)度，分析其對(duì)推力波形的影響。得到推力曲線如圖8所示。

圖8 第二級(jí)觸發(fā)位置時(shí)的推力曲線

可以看出，第二級(jí)線圈的推力峰值隨著第二級(jí)驅(qū)動(dòng)線圈長(zhǎng)度的增加逐漸減小，而推力總體持續(xù)時(shí)間逐漸增大。因此，電源能量足夠的情況下，可以通過(guò)增加線圈長(zhǎng)度，提升持續(xù)時(shí)間。

3 推力波形控制策略

根據(jù)以上分析，針對(duì)波形連續(xù)性要求，提出推力波形控制策略如下：

1) 首先對(duì)第一級(jí)發(fā)射器的電參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使得第一級(jí)線圈推力峰值出現(xiàn)時(shí)，電樞尾部盡可能離開(kāi)第一級(jí)線圈，一般來(lái)說(shuō)，采用短線圈。

2) 根據(jù)目標(biāo)推力曲線要求，利用第一級(jí)線圈的推力F1、速度v1和位移s1信息，確定第二級(jí)線圈的觸發(fā)時(shí)間t2，滿(mǎn)足F1(t2)不小于目標(biāo)推力曲線對(duì)模擬最大推力的要求，進(jìn)而得到觸發(fā)位置為s1(t2)和觸發(fā)第二級(jí)線圈時(shí)電樞的速度為v1(t2)。

3) 根據(jù)已確定的觸發(fā)位置，初步采用與第一級(jí)線圈相同的電參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過(guò)優(yōu)化，確定兩級(jí)線圈之間的間距。

4) 在已確定參數(shù)的基礎(chǔ)上優(yōu)化第二級(jí)發(fā)射線圈的電容及其充電電壓，使其推力曲線滿(mǎn)足目標(biāo)曲線要求。

5) 通過(guò)優(yōu)化，確定第二級(jí)線圈長(zhǎng)度。

6) 以此類(lèi)推，可得到后續(xù)級(jí)發(fā)射參數(shù)。

4 驗(yàn)證

為驗(yàn)證控制策略的可行性，利用構(gòu)建的電磁直線驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)行兩級(jí)同步感應(yīng)線圈發(fā)射試驗(yàn)。試驗(yàn)中，第一級(jí)線圈觸發(fā)位置為25 mm，第二級(jí)線圈觸發(fā)時(shí)間延遲0.5 ms，充電電壓為8 000 V，通過(guò)試驗(yàn)得到試驗(yàn)彈的加速度曲線如圖9。

圖9 兩級(jí)線圈加速度曲線

從圖中可以看出，兩級(jí)電磁直線驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)了推力的連續(xù)，即電磁推力的連續(xù)，相比單級(jí)線圈發(fā)射器，電磁推力峰值持續(xù)時(shí)間明顯增加。

5 結(jié)論

1) 通過(guò)多級(jí)線圈發(fā)射器參數(shù)對(duì)推力波形特性的影響規(guī)律分析，可以看出線圈間距增大使得脈沖寬度增加，但也使推力的連續(xù)性降低；

2) 在能量足夠的情況下，可以通過(guò)同時(shí)增加充電電壓和線圈長(zhǎng)度，使推力峰值滿(mǎn)足條件的前提下增加峰值持續(xù)時(shí)間。

3) 所提出的電磁線圈發(fā)射器推力控制策略，可有效控制體力波形。