舒 濤,薛新鵬,劉 明,楊志勇,梅 朝

(1 空軍工程大學防空反導學院,西安 710051;2 94746部隊,南昌 330000)

0 引言

自從上世紀80年代使用多軌道電磁技術成功發(fā)射多拋體[1],世界各國持續(xù)對電磁發(fā)射技術進行廣泛而深入的研究[2-4]。軌道炮具有加速拋體至超高速的潛力,采用高密度儲能系統(tǒng),脈沖電源能對電磁軌道炮提供6 MA的電流,同時,大脈沖電流可能會達到一個危險水平,這將導致等離子體躍遷[5]。高電流密度的結果是燒蝕的軌道,從而降低發(fā)射能量利用效率。事實上,串聯增強型軌道炮,包括兩種基本類型:平面增強和疊加增強型,其可以降低電源電流的要求和提高發(fā)射效率[6],然而,所有的串聯增強型軌道炮在發(fā)射過程中都面臨惡劣電磁場環(huán)境,限制其拋體向智能化方向發(fā)展[7-8]。如此強的磁場會破壞拋體電子元件的工作性能,因此,屏蔽串聯增強型軌道炮的強磁場是很有必要的。

基于傳統(tǒng)電磁發(fā)射器在發(fā)射過程中,不能解決電磁屏蔽的背景問題,文中提出了一種新型電磁發(fā)射器:串聯增強六極軌道電磁發(fā)射器,發(fā)射器通過環(huán)向磁場與正交環(huán)向電流相互作用產生軸向加速力。使用串聯增強型六極軌道不僅解決大質量驅動問題,還有效地提供了中心區(qū)域的磁屏蔽。

1 發(fā)射模型的特性

發(fā)射智能彈藥的串聯增強型六極軌道電磁發(fā)射器如圖1所示。該發(fā)射器主要由串聯增強六極軌道和雙拋體組成,六極軌道和拋體材料分別是銅和鋁。串聯增強型電磁發(fā)射器包括雙六極軌道和兩個獨立的拋體,兩個六極軌道堆疊排布,且每個都與獨立的拋體相連接,并被絕緣空間相分離。軌道和拋體的結構在X-Y平面是對稱的,雙拋體運動方向是Z軸?？紤]到實際情況,外部設備的能源系統(tǒng)能夠提供大而快的電流脈沖,應用于串聯增強型電磁發(fā)射器。

1.1 雙六極軌道設計

串聯增強型六極軌道的設計不僅增加了電感梯度,而且還起到引導和固定雙拋體的作用,這種電磁發(fā)射器的關鍵技術是雙六極軌道的結構設計,串聯增強型六極軌道的布局如圖2所示,串聯增強型六極軌道是60°圓周等間距布局,隨著對稱電流流入,雙六極軌道產生6對相鄰的反向磁場,因此,在中心區(qū)域,電磁場彼此抵消。傳統(tǒng)軌道電磁發(fā)射系統(tǒng)需要大電流以獲得足夠的驅動力并達到超高速,然而,這在實際工程應用中使用如此大的電流是非常困難的,這在很大程度上限制了常規(guī)軌道電磁炮的使用。由于通過串聯的六極軌道增加了磁場強度,在通入較低電流情況下,使用串聯增強型六極軌道電磁發(fā)射器能夠提供等效的電磁驅動力。

1.2 雙拋體設計

雙拋體的設計如圖3所示,鑒于串聯增強型六極軌道的結構設計,其電流的流動方向是沿導弧,梅花狀拋體的設計,一方面是為了降低系統(tǒng)重量,另一方面是引導電流,特別地,內側六極軌道不能產生環(huán)向磁場在拋體#2中。在串聯增強配置中,內側六極軌道通過梅花狀拋體#1形成回路,同樣地,外側六極軌道通過梅花狀拋體#2形成回路,并通過一個交叉連接形成內、外側六極軌道之間的回路。電流在串聯增強軌道中流動,產生一重要環(huán)向磁場圍繞在雙拋體周圍,梅花狀拋體在內、外電路中是相互獨立的,雙拋體的中空設計有利于固定和發(fā)射火箭。

2 六極軌道環(huán)向磁場構型

2.1 典型構型

在結構上,傳統(tǒng)增強軌道炮可以看作是一對串聯增強軌道電磁發(fā)射器,串聯增強六極軌道電磁發(fā)射器可視為一個多重增強軌道炮的疊加。對于傳統(tǒng)增強軌道炮,其兩對導軌的電流必須是相反的,兩個軌道通過拋體形成一個電流回路并在運動區(qū)域提供相同方向的磁場,這是電磁推進的必要條件,而這種必要條件限制了傳統(tǒng)軌道炮只有一種磁場構型。同時,串聯增強型六極軌道電磁發(fā)射器可以通過改變每個軌道的電流方向來產生一系列的磁場構型。

針對串聯增強六極軌道電磁發(fā)射器,圖4展示了3種典型串聯增強六極軌道的連接方式,其中軌道流出的電流用粗線表示,軌道流入的用細線表示。為了確保徑向力的對稱性,電流不對稱的配置不予考慮。同時,為了滿足系統(tǒng)回路的要求,6對軌道不能同時產生向內或向外的電流,因此,只有A、B、C 3種構型滿足這一要求。

2.2 仿真結果與分析

首先分析磁場分布,選擇拋體#1上下表面1 mm處作為截面磁場。3種構型的磁場強度云圖具體如圖5所示,從上到下依次為A、B、C 3種構型,其中左側為拋體#1上表面1 mm處截面磁場強度云圖。在軌道截面電流是200 kA的情況下,3種構型產生的最大磁場分別為4.13 T,4.11 T和4.03 T,無一例外,最大磁場均出現在六極軌道和拋體之間接觸表面。如果相鄰軌道的電流方向相反,則可以增強軌道周圍的磁場強度,這種現象在B和C構型的磁場分布中可以清楚地觀察到。相比于其它兩種構型,A構型軌道周圍六邊形邊界區(qū)域的磁感應強度最大,而中部區(qū)域的磁感應強度最小。這表明,A構型在雙拋體運動區(qū)域中可以收斂磁力線,并有利于雙拋體的加速。此外,對比拋體#1上表面1 mm處的磁場強度云圖,A構型磁場強度衰減最快,B和C構型其次,即在沿軸向方向上,磁場變化最為迅速的是A構型,相應地,對六極軌道和雙拋體之間的互感梯度也是最大的,所有這些優(yōu)勢都是為了加速拋體。從磁場的分布來推斷,A構型的加速度性能最好,而B、C構型則逐漸減弱。

從磁力線重接的角度來看,兩軌道的間距應該盡量減小,以使磁力線最短,和磁阻最小。同樣地,在串聯增強的六極軌道構型中,為了減少磁阻,相鄰軌道的磁力線方向應該通過中間導弧形成閉合回路,A構型的每根軌道和相鄰軌道電流流向均是反向的,磁力線重接最容易實現。然而,B和C構型的磁力線重接難度逐步增加。

3 數值模擬仿真

3.1 電源電路模塊

不同于線圈或環(huán)向場電磁發(fā)射器對初始放電位置有嚴格限制[2],串聯增強六極軌道電磁發(fā)射器不需要復雜的控制系統(tǒng)并簡化了電源電路的復雜性。A構型的串聯增強六極軌道電磁發(fā)射器電子元件布置具體如圖6所示,軌道的編號從11開始,代表的含義是內部的第一極軌道,六極軌道順時針方向排列。串聯增強六極軌道電磁發(fā)射器為獲取大電流脈沖放電,能源系統(tǒng)采用高能量存儲電容。D是續(xù)流二極管,R(t)是軌道回路的動態(tài)電阻,軌道#11到軌道#26為串聯增強六極軌道的自感,D11、D13和D15的功能是為了分別控制軌道#11、軌道#13和軌道#15的電流方向。同樣地,D21、D23和D25的功能是為了分別控制軌道#21、軌道#23和軌道#25的電流方向。

3.2 雙拋體的軸向加速力

無論是拋體#1還是拋體#2,其軸向加速推進作用思想是一樣的,在獲得多脈沖電流的情況下,串聯增強六極軌道電磁發(fā)射器可視為許多獨立的線性導體產生的多個環(huán)向脈沖磁場。由于串聯六極軌道的空間關系和雙拋體的外形設計,所以拋體電流沿環(huán)向方向。串聯增強六極環(huán)向磁場與正交環(huán)向電流相互作用產生軸向安培力,通過MAXWELL三維有限元軟件仿真模擬,環(huán)向磁場矢量和正交環(huán)向電流矢量具體如圖7所示,在梅花狀拋體中,環(huán)向電流的方向與六極環(huán)向磁場均是正交的。

由于磁場的方向與電流的方向相互垂直,因而六極環(huán)向磁場與正交環(huán)向電流相互作用產生巨大的軸向推進力。在串聯增強六極軌道通入200 kA電流的情況下,拋體所受推進力具體如表1所示,其軸向推進力為1.465×105N,然而,干擾力force_x和force_y相比于推進力是非常小的。

3.3 磁場屏蔽

本電磁發(fā)射器的磁場屏蔽思想,是串聯增強六極軌道在運動區(qū)域磁場互相抵消的結果,在軌道的內部,弱磁場被限制在特定的圓柱范圍內。

表1 串聯增強型拋體所受推進力

在多脈沖電流的峰值時刻,串聯增強六極軌道電磁發(fā)射器在X-Z平面的磁場分布如圖8所示,串聯增強六極軌道電磁發(fā)射器的最大磁感應強度是4.13 T,出現在六極軌道和雙拋體之間的接觸面上,然而,在雙拋體的運動區(qū)域,最大磁感應強度為0.24 T。

4 結論

文中提出了一種新型串聯增強六極軌道電磁發(fā)射器,并對其進行理論分析和數值仿真,電磁推進力的作用思想是環(huán)向磁場與正交環(huán)向電流相互作用產生軸向加速力?；谲壍离娏髁魅氲膶ΨQ性,提出A、B、C三種電流流入構型,數值仿真結果表明,A構型的磁屏蔽效果優(yōu)于其它兩個構型,并將有助于智能彈藥的發(fā)射。串聯增強六極軌道電磁發(fā)射器具有推力大、發(fā)射智能彈藥等優(yōu)勢。