电磁轨道发射系统后坐力研究及反后坐装置设计

谢克瑜，袁伟群，徐 蓉，郭有松

（1.中国科学院 电工研究所，北京100190；2.中国科学院 电力电子与电气驱动重点实验室，北京100190；3.常州容大结构减振设备有限公司，江苏 常州213132）

射程远，射速高，弹丸飞行速度快等是电磁轨道发射系统不可比拟的优势。而这些优势也决定了电磁轨道发射系统会产生极大的后坐力作用。随着电磁轨道发射技术研究的不断推进，后坐力的影响越来越不容忽视。

电磁轨道发射系统的电磁力有较宽的峰值，可能导致较大的后坐距离及较长的复进时间，不利于电磁发射系统的精确、快速发射［1－2］。

反后坐装置是发射器的核心机构之一。反后坐装置使作用在发射器身上巨大的冲击力传递到发射器架上只有原来的十几分之一到二十几分之一，使发射器架可以更加轻便，从而大大缓解了发射器威力和机动性之间的矛盾［3－4］。

发射器工作过程中，因脉冲大电流产生的强大后坐力会使发射器与消音腔脱离，并影响发射器的直线度，影响发射精度以及发射速度，为了消退这些不利因素，需要在装置尾部设置驻退复进装置。驻退复进装置固定于底部机架。发射器发射时，后坐在驻退复进装置上，装置产生一个强大的阻尼力，消耗和吸收部分后坐动能，减小对机架的冲击。后坐终了后，装置复位，使发射器快速平稳地复进到位。

经过对电磁轨道发射系统发射状态以及后坐力的研究，引入阻尼液孔缩效应耗能和摩擦耗能的原理，研究其在反后坐技术中的运用及其在电磁轨道发射系统的适应性。

1 后坐力分析

1.1 后坐力峰值计算

建立发射系统受力模型，如图1所示。编号1～36列举了36路电源；编号37～44为汇流排的两极，为了更细致地分析各部位的受力情况，分别把每极分隔为4件；编号45、46为导轨的两极。

图1 发射系统受力模型

用ANSYS软件对发射系统受力情况进行仿真分析，设置电流I＝2MA，频率f＝100Hz，取z轴负向为电枢前进方向。仿真计算发射过程各部件受电磁力情况，各部件所受的电磁力分量Fz如表1所示［5－6］。

表1 发射系统受力表

根据表2各部件电磁力分量Fz得出发射系统所受电磁力z向分量F＊z：

后坐力峰值Fn大小等于发射系统各部件所受电磁力z向分量的合力F＊z，方向朝z轴正向。

为方便计算，取Fn＝2 250kN。

1.2 后坐力作用曲线

根据发射系统的电流特性给出电源系统的模拟电流波形，计算得出后坐力变化曲线，如图2所示［7］，0.5～2.5ms到达峰值225T。此方法所得峰值电流与1.1仿真计算结果一致。

图2 电流和后坐力变化曲线

1.3 初速度计算

建立发射系统模型，如图3所示。发射器本体和汇流排组成一个整体，由基座支撑并能在其上沿发射方向自由滑动。

图3 发射系统模型

电枢质量m1＝5kg，电枢速度v1＝2 500m／s；

发射系统质量（含发射器整体和汇流排）m2＝7 500kg。有：

发射系统后坐初速度v2＝1.7m／s，取v2＝2m／s，初动能E＝m2v22／2＝75 000×2×2／2＝1 500J。

2 反后坐装置设计

2.1 反后坐装置设计原理

采用弹簧与阻尼器配合形成驻退复进机构。

1）驻退结构。

阻尼液流体在结构中运动，与活塞及内壁发生相互作用，使得流体动能转化为热能，粘滞流体的动能向热能转换，通过摩擦耗能和孔缩效应耗能两个方面来进行［8－10］。阻尼液作用原理如图4所示。

图4 阻尼液作用原理

F1为孔缩阻尼力，F2为粘度阻尼力，C1为孔缩阻尼系数，C2为粘度阻尼系数，v为活塞相对速度，n为孔缩衰减系数，m为粘度衰减系数，D为缸体内径，D0为活塞直径，d为活塞杆直径，b为活塞宽度，k为幂律流体稠度系数，单边间隙宽度h＝（D－D0）／2，ρ为介质密度，∑ζ为损耗系数。

孔缩效应耗能：在缸式粘滞阻尼器中，当粘滞流体从缸桶中流经阻尼孔或间隙时，随着流体截面逐渐扩张或缩小，从而产生局部阻尼，引起能量损失，称为孔缩效应耗能，包括入口收缩能量损失与流束扩大能量损失。其阻尼力表达方式为

摩擦耗能：由于粘度的存在，流体在管道中流动时，流体与管壁以及流体介质之间存在摩擦力，流体沿流动路程将受到摩擦力的阻碍，由于沿程阻尼产生的能量损失称为沿程损失［11］。其阻尼力可以表示为

2）复进结构。

在驻退过程中，弹簧被压缩，后坐终了时产生形变量Δx，贮存复进的弹性能量。后坐终了时，弹簧提供回复的弹性力，释放能量，使后坐平稳复进到位。在发射器前端设计有阻挡块，使发射器能精确回复到位。

2.2 阻尼器参数设计

根据上文，考虑采用弹簧＋粘滞阻尼器来实现。弹簧提供回复力，假设弹簧位时速度为0；弹簧预压ΔL。

式中：K为弹簧刚性系数，Fmp为发射器摩擦力，Fms为活塞摩擦力，Fd为阻尼力，E为初动能，s为行程，ΔL为弹簧预压缩量。

表2 设计弹簧参数

表3 阻尼器参数选择

根据表2和表3计算结果选取：阻尼器理论阻尼力为950kN，阻尼器行程65mm，弹簧刚度1 900kN／m，弹簧预压量50mm，弹簧理论行程105mm。

2.3 发射器驻退时的运动方程

将合力等效移动到后坐部分质心，发射器与阻尼器的活塞杆形成一体运动。

式中：m为发射器质量和阻尼器活塞杆质量之和，C为阻尼器合阻尼系数，Fn为后坐力峰值。

2.4 发射器复进时的运动方程

发射器复进时的运动方程：

2.5 驻退时间计算及与速度、位移的关系

驻退时间计算：

式中：mA为发射器滑动部分总质量。

速度由2m／s变化到0，持续时间t＝0.085s。驻退速度、位移随时间的变化曲线如图5。

纳他霉素是一种抗真菌制剂，对霉菌和酵母菌具有极强的抑制作用，因此在酱油、食醋等调味品中单独添加纳他霉素，可防止霉菌和酵母菌引起的变质。陆晓滨等[28]研究了纳他霉素在酱油中的应用，当纳他霉素添加量为15 mg/kg时，能够有效抑制酱油中耐盐性酵母菌的生长繁殖，防止白花的出现，且纳他霉素使用成本低，对酱油的品质和风味无影响[29]。同时，在蚝油中添加纳他霉素，可以有效抑制蚝油的霉变，延长保质期达4周以上。姚勇芳等[30]研究表明纳他霉素在酱油中应用效果良好，能有效抑制霉菌生长，提高产品货架期。

图5 速度和位移随时间的变化曲线

2.6 复进时间计算及与速度、位移的关系

回复过程：持续时间大约为0.92s，复进速度、位移随时间的变化曲线如图6所示。

图6 速度、位移随时间的变化曲线

2.7 后坐过程中的能量关系

初动能E＝1 500J。

发射器摩擦力：

式中：发射器与基座的摩擦系数μ＝0.1，发射器的质量m2＝7 500kg。

发射器摩擦力耗能：

活塞摩擦力耗能：

弹簧最大储存能量：

阻尼力耗能：

总耗能：

2.8 反后坐装置结构

根据上文计算结果，设计反后座装置，如图7所示。

图7 反后坐装置结构

3 结束语

本文采用阻尼液孔缩效应耗能和摩擦耗能的原理设计电磁轨道发射器用反后坐装置，大量吸收电磁轨道发射产生的后坐动能，以达到快速驻退并精确复位的效果。这在能量巨大的电磁轨道发射系统中，对其精确快速发射起到了极其重要的作用。

［1］陈允，徐伟东，袁伟群.电磁发射中铝电枢与不同材料导轨间的滑动电接触特性［J］.高电压技术，2013，39（4）：937－942.CHEN Yun，XU Wei－dong，YUAN Wei－qun.Study of sliding electrical contacts between aluminum armature and different material rails in the railgun［J］.High Voltage Engineering，2013，39（4）：937－942.（in Chinese）

［2］徐伟东，袁伟群，陈允，等.电磁轨道发射器连续发射的滑动电接触研究［J］.强激光与粒子束，2012，24（3）：668－672.XU Wei－dong，YUAN Wei－qun，CHEN Yun，et al.Research on the sliding electrical contact of the rapid fire railgun［J］.High Power Laser and Particle Beams，2012，24（3）：668－672.（in Chinese）

［3］宋登山，黄德伟，王彦栋，等.炮兵兵器与弹药［M］.北京：解放军出版社，2005.SONG Deng－shan，HUANG De－wei，WANG Yan－dong，et al.Artillery weapons and ammunition［M］.Chinese People’s Liberation Army Publishing House，2005.（in Chinese）

［4］张鸿浩.火炮动力后坐运动的数值模拟［J］.军械工程学院学报，2008（3）：12－16.ZHANG Hong－hao.Numerical simulation of gun power recoil movement ［J］.Journal of Ordnance Engineering College，2008（3）：12－16.（in Chinese）

［5］BERNHARD R.Mechanical behavior of the Pegasus railgun projectile during the launch ［J］.IEEE Transon Magn，2006，41（1）：420－425.

［6］LIU Y Q，LI J，CHEN D.Numerical simulation of current density distributions in graded laminated armatures［J］.IEEE Trans on Magn，2007，43（1）：163－166.

［7］赵莹，徐蓉，袁伟群，等.脉冲大电流电磁轨道发射装置特性［J］.强激光与粒子束，2014，26（9）：274－279.ZHAO Ying，XU Rong，YUAN Wei－qun，et al.Characteristics of high pulsed current electromagnetic rail launcher［J］.High Power Laser and Particle Beams，2014，26（9）：274－279.（in Chinese）

［8］黄镇.非线性粘滞阻尼器理论与试验研究［D］.南京：东南大学，2007.HUANG Zhen.Theoretic and experimental study on new type viscous damper［D］.Nanjing：Southeast University，2007.（in Chinese）

［9］楚志远.模拟火炮后坐运动的非线性弹簧－阻尼单元［J］.应用力学学报，2001（3）：121－124.CHU Zhi－yuan.The nonlinear spring damping unit simulation of recoil movement［J］.Chinese Journal of Applied Mechanics，2001（3）：121－124.（in Chinese）

［10］IBRAHIM R A.Recent advacnes in nonlinear passive vibration isolators［J］.Journal of Sound and Vibration，2008，7：371－452.

［11］张同忠.粘滞阻尼器和铅阻尼器的理论与试验研究［D］.北京：北方工业大学，2004.ZHANG Tong－zhong.Theoretical and experimental study on viscous dampers and lead dampers［D］.Beijing：North China Uinversity of Technology，2004.（in Chinese）