一种螺旋线圈电磁发射器弹丸受力的仿真研究

杨栋，刘振祥，扬丽佳，沈志，欧阳建明，蒋雅琴

    (国防科技大学，湖南长沙410073)

摘要：刘一种螺旋线圈电磁发射器(HcEL)弹丸受力的影响因素，如弹丸与驱动线圈相对位置、弹丸线圈和驱动线圈尺寸、电流大小等进行了静态模拟。结果表明，HcEL弹丸的受力大小与其相对驱动线圈的位置有关，且有一个****受力位置。线圈半径固定时，弹丸****受力随线圈轴向长度增大而增大，线圈轴向长度较小时弹丸加速度达到****。弹丸****受力与线圈每匝电流平方成止比，****受力位置不随电流改变。仿真结果验证了HcEL的基本理论，并为HcEL结构的设引提供了参数支持。

    关键词：电磁发射；线圈炮；螺旋线圈炮；弹丸受力

    中图分类号：TM303．1    文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2010)04—0017—03

0引  言

     上世纪中期开始，超高速(大于3 km／s)发射技术一直是研究的热点。传统火炮受到火药燃气滞止声速的限制，其极限速度一般在3～4 km／s附近，而电磁发射器的弹丸速度则役有这样的理论限制^[1]。1961年K．Thom和J．N0rw00d提出一种螺旋线圈电磁发射器(以下简称HcEL)，并经过P．Mongeau、F wmiams和近年来美国密苏里一哥伦比亚大学T．G．Engel等人的研究，取得了显著进展^[2-4]。

    HcEL的主要优点是具有高电感梯度，一般比导轨炮大2个数量级。HcEL的发射器常数(Launcher coflsfant，为系统电阻与发射器电感梯度的比值，反映发射器的结构特征，是一个速度量纲)比导轨炮小1个数量级；这就意味着，在同样的炮口速度下，HcEL具有比导轨炮更高的能量转化效率。所以HcEL是获得低到中速发射仍能保持很高效率的一种很好的解决方案^[5]。由于高的电感梯度，在同样的受力下，HcEL只需要比导轨炮更小的电流；炮烧蚀小，使用寿命长^[6]。

    理论上，精确的解析法求解加速力有一定困难，因为其中涉及到椭圆积分的计算，故必须采用基于有限元的数值计算方法[7]。本文利用Maxweu 2D软件对HcEL弹丸受力的影响因素，如弹丸与驱动线圈相对位置、弹丸线圈和驱动线圈尺寸、电流大小等，进行了静态模拟。结果表明，HcEL弹丸的受力大小与其相对驱动线圈的位置有关，且有一个****受力位置。线圈半径固定时，弹丸****受力随线圈轴向长度增大而增大，但增大趋势逐渐变缓。线圈轴向、径向长度比值达到2倍以后，受力增加显变缓。驱动线圈轴向、径向长度比为O．55时弹丸速度达到****，弹丸炮口速度****。弹丸****力与线圈每匝电流平方成正比，****受力位置不随电流改变。仿真结果验证了HcEL的基本理论，并为HcEL结构的设计提供了参数支持。

1 HcEL基本结构和理论

    HcEL的基本结构如图1所示，主要由弹丸线圈和驱动线圈组成。电刷使驱动线圈的一段通电，导电的驱动线圈和弹丸线圈总是处于产生****力的****位置。两线圈中的反向电流产生排斥磁场，加速弹丸前进^[8]。

式中：La为弹丸线圈自感；Ls为驱动线圈自感；M为弹丸和驱动线圈之间的互感。

    式(3)中，两线圈磁场相加时互感项为正，而两线圈磁场相减时互感项为负。将式(3)对距离微分得到螺旋线圈炮电感梯度：

式中：M 为互感梯度；La和Lb不随距离变化。

    将式(4)代人式(2)得到螺旋线圈炮受力公式^[9]：

式中：Fhg为螺旋线圈炮弹丸受力；M为弹丸线圈和驱动线圈的互感梯度；I为螺旋线圈炮电流。

2仿真与设计

    利用Maxwell 2D进行参数化电磁场分析，弹丸设计为内置式。驱动线圈和弹丸线圈材料选择为铜，总电流都设为20 kA(电流密度为7.668 7×108 A／m²)。驱动线圈通电部分长度为16．3 mm，驱动线圈半径为9．7 mm；弹丸线圈长度为16 3 mm，弹丸线圈半径为6．3 mm，两线圈导线直径为1 6 mm，两线圈匝数均为8 5。其Ma—e11 2D模型如图2所示。

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