一種螺旋線圈電磁發(fā)射器彈丸受力的仿真研究
楊棟，劉振祥，揚麗佳，沈志，歐陽建明，蔣雅琴
(國防科技大學，湖南長沙410073)
摘要：劉一種螺旋線圈電磁發(fā)射器(HcEL)彈丸受力的影響因素，如彈丸與驅動線圈相對位置、彈丸線圈和驅動線圈尺寸、電流大小等進行了靜態(tài)模擬。結果表明，HcEL彈丸的受力大小與其相對驅動線圈的位置有關，且有一個****受力位置。線圈半徑固定時，彈丸****受力隨線圈軸向長度增大而增大，線圈軸向長度較小時彈丸加速度達到****。彈丸****受力與線圈每匝電流平方成止比，****受力位置不隨電流改變。仿真結果驗證了HcEL的基本理論，并為HcEL結構的設引提供了參數支持。
關鍵詞：電磁發(fā)射；線圈炮；螺旋線圈炮；彈丸受力
中圖分類號：TM303．1 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(2010)04—0017—03
0引 言
上世紀中期開始，超高速(大于3 km／s)發(fā)射技術一直是研究的熱點。傳統(tǒng)火炮受到火藥燃氣滯止聲速的限制，其極限速度一般在3～4 km／s附近，而電磁發(fā)射器的彈丸速度則役有這樣的理論限制[1]。1961年K．Thom和J．N0rw00d提出一種螺旋線圈電磁發(fā)射器(以下簡稱HcEL)，并經過P．Mongeau、F wmiams和近年來美國密蘇里一哥倫比亞大學T．G．Engel等人的研究，取得了顯著進展[2-4]。
HcEL的主要優(yōu)點是具有高電感梯度，一般比導軌炮大2個數量級。HcEL的發(fā)射器常數(Launcher coflsfant，為系統(tǒng)電阻與發(fā)射器電感梯度的比值，反映發(fā)射器的結構特征，是一個速度量綱)比導軌炮小1個數量級；這就意味著，在同樣的炮口速度下，HcEL具有比導軌炮更高的能量轉化效率。所以HcEL是獲得低到中速發(fā)射仍能保持很高效率的一種很好的解決方案[5]。由于高的電感梯度，在同樣的受力下，HcEL只需要比導軌炮更小的電流；炮燒蝕小，使用壽命長[6]。
理論上，精確的解析法求解加速力有一定困難，因為其中涉及到橢圓積分的計算，故必須采用基于有限元的數值計算方法[7]。本文利用Maxweu 2D軟件對HcEL彈丸受力的影響因素，如彈丸與驅動線圈相對位置、彈丸線圈和驅動線圈尺寸、電流大小等，進行了靜態(tài)模擬。結果表明，HcEL彈丸的受力大小與其相對驅動線圈的位置有關，且有一個****受力位置。線圈半徑固定時，彈丸****受力隨線圈軸向長度增大而增大，但增大趨勢逐漸變緩。線圈軸向、徑向長度比值達到2倍以后，受力增加顯變緩。驅動線圈軸向、徑向長度比為O．55時彈丸速度達到****，彈丸炮口速度****。彈丸****力與線圈每匝電流平方成正比，****受力位置不隨電流改變。仿真結果驗證了HcEL的基本理論，并為HcEL結構的設計提供了參數支持。
1 HcEL基本結構和理論
HcEL的基本結構如圖1所示，主要由彈丸線圈和驅動線圈組成。電刷使驅動線圈的一段通電，導電的驅動線圈和彈丸線圈總是處于產生****力的****位置。兩線圈中的反向電流產生排斥磁場，加速彈丸前進[8]。
式中：La為彈丸線圈自感；Ls為驅動線圈自感；M為彈丸和驅動線圈之間的互感。
式(3)中，兩線圈磁場相加時互感項為正，而兩線圈磁場相減時互感項為負。將式(3)對距離微分得到螺旋線圈炮電感梯度：
式中：M 為互感梯度；La和Lb不隨距離變化。
將式(4)代人式(2)得到螺旋線圈炮受力公式[9]：
式中：Fhg為螺旋線圈炮彈丸受力；M為彈丸線圈和驅動線圈的互感梯度；I為螺旋線圈炮電流。
2仿真與設計
利用Maxwell 2D進行參數化電磁場分析，彈丸設計為內置式。驅動線圈和彈丸線圈材料選擇為銅，總電流都設為20 kA(電流密度為7.668 7×108 A／m2)。驅動線圈通電部分長度為16．3 mm，驅動線圈半徑為9．7 mm；彈丸線圈長度為16 3 mm，彈丸線圈半徑為6．3 mm，兩線圈導線直徑為1 6 mm，兩線圈匝數均為8 5。其Ma—e11 2D模型如圖2所示。
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