一种导轨一线圈复合型电磁发射器的分析与仿真

魏登武，刘少克，郑明华

(国防科技大学，湖南长沙410073)

摘要：分析了一种导轨一线圈复合型电磁发射器的工作原理，建立了其电路模型和动力学模型；在理论分析的基础上，利用有限元软件Maxwell对其结构参数进行了优化设计。通过有限元数值计算，得到了弹丸发射过程中的磁场分布，进一步得出了其电路模型和动力学模型中的电感、电感梯度与弹丸位置的关系。在此基础上，利用动态仿真软件Matlab／simulink仿真分析了这种复合型发射器的动态特性。分析和仿真结果最示，该导轨线圈复合型发射器能使被发射物体获得导轨和线圈两种推力的共同作用，可以将大质量物体加速到相对高的速度。

    关键词：线圈一导轨复合型发射器；电磁发射；有限元；磁场分布；电感梯度

    中图分类号：TM301．4⁺4  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2010)05一0025—04

O引  言

    电磁发射具有速度高、能源简易、效率高、性能优良、可控性好和结构多样等显著优点，在未来军事和民用相关领域有着重大的意义和应用潜力^[1-3]。从结构和工作原理上可分为导轨炮、线圈炮和重接炮三类。导轨炮和线圈炮是电磁炮的两种主要类型。导轨炮是目前研究的主流方向，具有结构简单、易于控制、能够实现超高速发射等优点，但是发射效率低，需要功率高、电流大，并且发射物体质量小，存在烧蚀、导轨刨削、电枢电接触的转捩现象。线圈炮具有发射效率高、能够发射大质量物体的优点，但是结构复杂，要根据弹丸位置同步控制驱动线圈中电流的通断，单级线圈加速有限，需多级加速，而多级之间的响应是制约线圈炮发展的重要因素之一。由于两种发射类型具有互补性，导轨线圈复合型发射器综合了各自的优势，它能使发射体获得导轨和线圈两种推力共同作用，可以将大质量物体加速到相对高的速度。

1结构和工作过程

    导轨一线圈复合型电磁发射器如图1所示。整个发射器由多级导轨和线圈组成，各级分离排列，由独立的电源供电。每级中驱动线圈和两轨道串联连接。其工作过程如下：当弹丸线圈刚好通过驱动线圈的中心位置时，电源对该级放电，电流经过上导轨、电枢、下导轨和驱动线圈构成回路。两条轨道和电枢按轨道炮的原理工作；同时，驱动线圈中的脉冲电流产生的磁场将在弹丸线圈中感应出涡流，两线圈以同步感应线圈发射器的工作方式产生推力。因此，动子在发射通道内所受的力是导轨发射器和同步感应线圈发射器的推力之和。

2理论分析

    以电容作为供电电源，可建立单级导轨线圈复合型发射器的电路模型，如图2所示。图中，R_r为导轨和电枢的可变电阻；R_d和R_p分别为驱动线 圈和弹丸线圈的电阻；L_dr为导轨和驱动线圈电感；L_p(常数)是弹丸线圈电感；M_dp为驱动线圈和弹丸线圈的互感；M_rp为导轨和弹丸线圈的互感。假设导轨一电枢一驱动线圈回路中的电流为id，弹丸线圈中的电流为ip，则系统的磁场能：

根据法拉第电磁感应定律和基尔霍夫定律可得到电源电压和驱动线圈两端电压：

其中，导轨电枢回路与弹丸线圈间的互感M_rp很弱，可以忽略。

   在很短的时间出内，磁场能增量、弹丸动能增量、电阻发热及电源做功，满足能量守恒：

    弹丸的速度v_p，所受的加速力F_m与弹丸动能砷增量之间满足：

    假定驱动线圈电压u_d和弹丸线圈电压u_p的初始值条件由下式决定：

    不考虑线圈形状对能量传输的影响，忽略驱动线圈和弹丸线圈的热效